Електронна схема

Інтегральна схема Intel 8742, 8-ми бітний мікроконтролер, що включає в себе ЦПУ, 128 байт RAM, 2048 байт EPROM, і порти вводу-виводу.
Друкована плата з електронною схемою.

Електронна схема - це поєднання окремих електронних компонентів, таких як резистори, конденсатори, індуктивності, діоди і транзистори, з'єднаних між собою. Різні комбінації компонентів дозволяють виконувати безліч як простих, так і складних операцій, таких як посилення сигналів, обробка та передача інформації і т. д. [1] Електронні схеми будуються на базі дискретних компонентів, а також інтегральних схем, які можуть об'єднувати безліч різних компонентів на одному напівпровідниковому кристалі. З'єднання між елементами можуть здійснюватися за допомогою проводів, проте в даний час частіше застосовуються друковані плати, коли на ізолюючої основі різними методами (наприклад, фотолитографией) створюються провідні доріжки і контактні площадки, до яких припаюються компоненти [2].

Для розробки і тестування електронних схем застосовуються макетні плати, що дозволяють при необхідності швидко вносити зміни в електронну схему.

Зазвичай, при розгляді, електронні схеми класифікуються на аналогові, цифрові, а також гібридні (змішані).


1. Аналогові схеми

Принципова схема простого підсилювача - приклад аналогової схеми.

В аналогових електронних схемах напруга і ток можуть змінюватися неперервно в часі, відображаючи яку інформацію. У аналогових схемах існують два базових поняття: послідовне і паралельне з'єднання. При послідовному з'єднанні, прикладом якого може бути новорічна гірлянда, через усі компоненти в ланцюжку тече один і той же струм. При паралельному з'єднанні на висновках всіх компонентів створюється одне і те ж електрична напруга, але струми через компоненти розрізняються: сумарний струм ділиться відповідно до опором компонентів.

Проста схема, що містить батарею, резистор і з'єднувальні проводи, демонструє застосування законів Ома і Кірхгофа для розрахунку електричного кола

Основними елементами для побудови аналогових пристроїв є резистори (опору), конденсатори, котушки індуктивності, діоди, транзистори, а також з'єднувальні провідники. Зазвичай аналогові схеми подаються у вигляді принципових електричних схем. За кожним елементом закріплено стандартне позначення: наприклад, провідники позначаються лініями, резистори - прямокутниками і т. д.

Електричні ланцюги підкоряються законами Кірхгофа :

  • алгебраїчна сума струмів в будь-якому вузлі кола дорівнює нулю;
  • алгебраїчна сума падінь напруг з будь замкнутому контуру ланцюга дорівнює алгебраїчної сумі ЕРС, що діють уздовж цього ж контура. Якщо в контурі немає ЕРС, то сумарне падіння напруги дорівнює нулю.

При аналізі реальних схем слід враховувати паразитні елементи: так, у реальних з'єднувальних провідників існує опір і індуктивність, кілька лежать поруч провідників утворюють ємність і т. д.


2. Цифрові схеми

В цифрових схемах сигнал може приймати тільки кілька різних дискретних станів, які зазвичай кодують логічні або числові значення [3]. У переважній більшості випадків використовується бінарна (двійкова) логіка, коли одному певному рівню напруги відповідає логічна одиниця, а іншому - нуль. У цифрових схемах вкрай широке застосування знаходять транзистори, з яких будуються логічні комірки (вентилі) : І, АБО, НЕ і їх різні комбінації. Також, на базі транзисторів створюються тригери - осередки, які можуть знаходиться в одному з декількох стійких станів, і переключаться між ними при подачі зовнішнього сигналу. Останні можуть бути використані як елементи пам'яті: наприклад, SRAM (статична оперативна пам'ять з довільним доступом) зроблена на їх основі. Інший тип пам'яті - DRAM - заснований на здатності конденсаторів запасати електричний заряд.

Цифрові схеми в порівнянні з аналоговими тієї ж складності значно простіше в розробці та аналізі. Це пов'язано з тим, що логічні комірки на виході видають тільки певні рівні напруг, і розробнику не треба піклується про спотвореннях, посиленні, зміщенні напруги та інших аспектах, які необхідно враховувати при розробці аналогових пристроїв. З цієї причини, на основі логічних елементів можуть створюватися надскладні схеми з величезною ступенем інтеграції елементів, що містять на одному кристалі мільярди транзисторів, вартість кожного з яких виходить мізерно малою. Саме це багато в чому і визначило розвиток сучасної електроніки.


3. Гібридні схеми

Гібридні схеми об'єднують елементи, що відносяться до аналогової і цифрової схемотехніки. Серед інших, до нього відносяться компаратори, мультивібратори, ФАПЧ, ЦАП, АЦП. Більшість сучасних радіоприладів та пристроїв зв'язку використовують гібридні схеми. Приміром, приймач може складатися з аналогових підсилювача і перетворювача частот, після чого сигнал може бути перетворений у цифрову форму для подальшої обробки.


Примітки

  1. Charles Alexander and Matthew Sadiku (2004). "Fundamentals of Electric Circuits" (McGraw-Hill).
  2. Richard Jaeger (1997). "Microelectronic Circuit Design" (McGraw-Hill).
  3. John Hayes (1993). "Introduction to Digital Logic Design" (Addison Wesley).