Elektronische Schaltung - Electronic circuit

Die Düse von einem Intel 8742, ein 8-Bit - Mikrocontroller , die eine beinhaltet CPU , 128 Bytes von RAM , 2048 Bytes EPROM , und I / O "Daten" auf dem gegenwärtigen Chip.
Eine Schaltung, die auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) aufgebaut ist.

Eine elektronische Schaltung besteht aus einzelnen elektronischen Komponenten wie Widerständen , Transistoren , Kondensatoren , Induktivitäten und Dioden , die durch leitende Drähte oder Leiterbahnen verbunden sind, durch die elektrischer Strom fließen kann. Um als elektronisch und nicht als elektrisch bezeichnet zu werden , muss im Allgemeinen mindestens eine aktive Komponente vorhanden sein. Die Kombination von Komponenten und Drähten ermöglicht verschiedene einfache und komplexe Operationen: Signale können verstärkt, Berechnungen durchgeführt und Daten von einem Ort zum anderen verschoben werden.

Schaltungen können aus diskreten Komponenten aufgebaut werden, die durch einzelne Drahtstücke verbunden sind, aber heute ist es viel üblicher, Verbindungen durch photolithographische Techniken auf einem laminierten Substrat (einer Leiterplatte oder PCB) herzustellen und die Komponenten an diese Verbindungen zu löten , um ein fertiges Schaltkreis. In einer integrierten Schaltung oder einem IC werden die Komponenten und Verbindungen auf demselben Substrat gebildet, typischerweise einem Halbleiter wie dotiertem Silizium oder (weniger häufig) Galliumarsenid .

Eine elektronische Schaltung kann normalerweise als analoge Schaltung , digitale Schaltung oder gemischte Signalschaltung (eine Kombination aus analogen Schaltungen und digitalen Schaltungen) kategorisiert werden. Das am weitesten verbreitete Halbleiterbauelement in elektronischen Schaltungen ist der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter -Feldeffekttransistor ).

Breadboards , Perfboards und Stripboards sind üblich, um neue Designs zu testen. Sie ermöglichen dem Designer, während der Entwicklung schnelle Änderungen an der Schaltung vorzunehmen.

Analoge Schaltungen

Ein Schaltplan, der eine analoge Schaltung darstellt, in diesem Fall einen einfachen Verstärker

Analoge elektronische Schaltungen sind solche, in denen Strom oder Spannung sich mit der Zeit kontinuierlich ändern können, um den dargestellten Informationen zu entsprechen. Analoge Schaltungen sind aus zwei grundlegenden Bausteinen aufgebaut: Reihen- und Parallelschaltungen .

In einer Reihenschaltung fließt der gleiche Strom durch eine Reihe von Bauteilen. Eine Weihnachtslichterkette ist ein gutes Beispiel für eine Reihenschaltung: Wenn eine ausgeht, gehen alle aus.

Bei einer Parallelschaltung liegen alle Komponenten an der gleichen Spannung und der Strom teilt sich entsprechend ihrem Widerstand auf die verschiedenen Komponenten auf.

Ein einfaches Schema mit Drähten, einem Widerstand und einer Batterie

Die Grundkomponenten analoger Schaltungen sind Drähte, Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Dioden und Transistoren . Analoge Schaltungen werden sehr häufig in Schaltplänen dargestellt , in denen Drähte als Linien dargestellt sind und jede Komponente ein einzigartiges Symbol hat. Die analoge Schaltungsanalyse verwendet Kirchhoffs Schaltungsgesetze : alle Ströme an einem Knoten (einer Stelle, an der sich Drähte treffen) und die Spannung um eine geschlossene Drahtschleife ist 0. Drähte werden normalerweise als ideale Nullspannungsverbindungen behandelt; Jeder Widerstand oder jede Reaktanz wird durch explizites Hinzufügen eines parasitären Elements, wie z. B. eines diskreten Widerstands oder einer Induktivität, erfasst. Aktive Bauelemente wie Transistoren werden oft als gesteuerte Strom- oder Spannungsquellen behandelt: Beispielsweise kann ein Feldeffekttransistor als Stromquelle von der Source zum Drain modelliert werden, wobei der Strom durch die Gate-Source-Spannung gesteuert wird.

Wenn die Schaltungsgröße mit einer Wellenlänge der relevanten Signalfrequenz vergleichbar ist, muss ein komplexerer Ansatz verwendet werden, das Modell mit verteilten Elementen . Drähte werden als Übertragungsleitungen mit einer nominell konstanten charakteristischen Impedanz behandelt , und die Impedanzen am Anfang und Ende bestimmen die übertragenen und reflektierten Wellen auf der Leitung. Gemäß diesem Ansatz entworfene Schaltungen sind Schaltungen mit verteilten Elementen . Solche Überlegungen werden typischerweise für Leiterplatten bei Frequenzen über einem GHz wichtig; integrierte Schaltungen sind kleiner und können für Frequenzen von weniger als 10 GHz oder so als konzentrierte Elemente behandelt werden.

Digitale Schaltungen

In digitalen elektronischen Schaltungen nehmen elektrische Signale diskrete Werte an, um logische und numerische Werte darzustellen. Diese Werte stellen die Informationen dar, die verarbeitet werden. In den allermeisten Fällen wird binäre Kodierung verwendet: Eine Spannung (normalerweise der positivere Wert) repräsentiert eine binäre '1' und eine andere Spannung (normalerweise ein Wert nahe dem Massepotential, 0 V) ​​repräsentiert eine binäre '0'. Digitale Schaltungen verwenden in großem Umfang Transistoren , die miteinander verbunden sind, um logische Gatter zu erzeugen , die die Funktionen der Booleschen Logik bereitstellen : UND, NAND, ODER, NOR, XOR und Kombinationen davon. Transistoren, die miteinander verbunden sind, um eine positive Rückkopplung bereitzustellen, werden als Zwischenspeicher und Flip-Flops verwendet, Schaltungen, die zwei oder mehr metastabile Zustände aufweisen und in einem dieser Zustände bleiben, bis sie durch eine externe Eingabe geändert werden. Digitale Schaltungen können daher Logik und Speicher bereitstellen, wodurch sie beliebige Rechenfunktionen ausführen können. (Auf Flip-Flops basierender Speicher ist als statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM) bekannt. Speicher basierend auf der Speicherung von Ladung in einem Kondensator, dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM) wird ebenfalls häufig verwendet.)

Der Entwurfsprozess für digitale Schaltungen unterscheidet sich grundlegend von dem Prozess für analoge Schaltungen. Jedes Logikgatter regeneriert das Binärsignal, so dass der Designer Verzerrung, Verstärkungssteuerung, Offsetspannungen und andere Bedenken, die bei einem analogen Design auftreten, nicht berücksichtigen muss. Infolgedessen können äußerst komplexe digitale Schaltungen mit Milliarden von Logikelementen, die auf einem einzigen Siliziumchip integriert sind, kostengünstig hergestellt werden. Solche digitalen integrierten Schaltungen sind in modernen elektronischen Geräten, wie Taschenrechnern, Mobiltelefonen und Computern allgegenwärtig. Da digitale Schaltungen komplexer werden, werden Probleme der Zeitverzögerung, Logikrennen , Leistungsverlust, nicht ideales Schalten, On-Chip- und Inter-Chip-Lasten und Leckströme zu Beschränkungen der Schaltungsdichte, Geschwindigkeit und Leistung.

Digitale Schaltungen werden verwendet, um Allzweck-Computerchips wie Mikroprozessoren und kundenspezifische Logikschaltungen, die als anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) bekannt sind, zu erzeugen . Feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs), Chips mit Logikschaltungen, deren Konfiguration nach der Herstellung geändert werden kann, werden ebenfalls häufig im Prototyping und in der Entwicklung verwendet.

Mixed-Signal-Schaltungen

Mixed-Signal- oder Hybridschaltungen enthalten Elemente von sowohl analogen als auch digitalen Schaltungen. Beispiele umfassen Komparatoren , Zeitgeber , Phasenregelkreise , Analog-Digital-Umsetzer und Digital-Analog-Umsetzer . Die meisten modernen Funk- und Kommunikationsschaltungen verwenden Mischsignalschaltungen. Beispielsweise werden in einem Empfänger analoge Schaltungen verwendet, um Signale zu verstärken und in der Frequenz umzuwandeln, so dass sie einen geeigneten Zustand erreichen, um in digitale Werte umgewandelt zu werden, wonach eine weitere Signalverarbeitung im digitalen Bereich durchgeführt werden kann.

Siehe auch

Verweise

Externe Links