مدار الکترونیکی


مدار الکترونیکی (به انگلیسی: Electronic circuit)، نوعی مدار الکتریکی است که حداقل یک قطعه فعال دارد. این مدار از قطعات الکترونیکی مجزا مانند القاگر، ترانزیستور، خازن، دیود و مقاومت که به وسیله سیم‌های رسانا یا برد مدار چاپی (PCB) به هم وصل شدند تشکیل شده است. ترکیب قطعات و سیم ها امکان عملیات مختلف مانند تقویت سیگنال ها، انجام محاسبات و انتقال داده ها را فراهم می کند.[۱]

دای (die) مربوط به یک اینتل ۸۷۴۲؛ یک ریزکنترل‌گر ۸ بیتی که شامل واحد پردازش مرکزی (CPU)، ۱۲۸ بایت حافظه دسترسی تصادفی (RAM)، ۲۰۴۸ بایت ئی‌پی‌رام (EPROM) و ورودی/خروجی (I/O) داده بر روی ریزتراشه جریان است.
یک مدار ساخته شده بر روی یک برد مدار چاپی (PCB)

فیبر آزمایش (Breadboard)، برد هزار سوراخ (Perfboard) و بردنواری (Stripboard) برای تست کردن طرح‌های جدید متداول هستند. آن‌ها به طراح اجازه می دهند تا در حین ساخت مدار، تغییرات سریع در آن ایجاد کنند.

مدارهای الکترونیکی را می توان به مدار آنالوگ، مدار دیجیتال و مدار سیگنال ترکیبی (mixed-signal circuit) تقسیم‌بندی کرد. پرکاربردترین وسیله نیمه هادی در مدارهای الکترونیکی ماسفت (ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی-اکسید-فلزی ) است.



مدار آنالوگ ویرایش

مدارهای الکترونیک آنالوگ مدارهایی هستند که در آنها جریان یا ولتاژ ممکن است به طور پیوسته با زمان تغییر کند تا با اطلاعات نمایش داده شده مطابقت داشته باشد.

 
مدار الکترونیکی
 
شماتیک ساده ای که سیم ها، یک مقاومت و یک باتری را نشان می دهد

اجزای اصلی مدارهای آنالوگ عبارتند از سیم، مقاومت (قطعه الکتریکی)، خازن، القاگر(سلف)، دیود و ترانزیستور. مدارهای آنالوگ معمولاً در نمودارهای شماتیک نشان داده می شوند که در آنها سیم ها به صورت خطوط نشان داده می شوند و هر جزء دارای نماد منحصر به فردی است. در تجزیه و تحلیل مدار آنالوگ از قانون‌های مداری کیرشهف استفاده می شود : مجموع تمام جریان ها در یک گره (محلی که سیم ها به هم می رسند)، و مجموع ولتاژ اطراف یک حلقه بسته از سیم ها صفر می باشد . سیم ها معمولاً به عنوان اتصالات ولتاژ صفر ایده آل در نظر گرفته می شوند. هر میزان مقاومت یا راکتانسی با افزودن یک عنصر پارازیتی ، مانند یک مقاومت یا القاگر گسسته، به دست می‌آید. اجزای فعال مانند ترانزیستورها اغلب به عنوان منبع جریان یا منبع ولتاژ کنترل شده در نظر گرفته می شوند: برای مثال، یک ترانزیستور اثر میدان را می توان به صورت یک منبع جریان از سورس به درین با جریان کنترل شده توسط ولتاژ گیت سورس مدل کرد.

در فرکانس بالا ، هنگامی که اندازه مدار با طول موج فرکانس سیگنال مربوطه قابل مقایسه باشد ، باید از رویکرد پیچیده تر مدل عنصر توزیع شده استفاده کرد،. سیم ها به صورت خطوط انتقال با امپدانس مشخصه اسمی ثابت در نظر گرفته می شوند و امپدانس ها در ابتدا و انتهای امواج ارسال شده و منعکس شده روی خط را تعیین می کنند. مدارهای طراحی شده بر اساس این رویکرد، مدارهای عناصر توزیع شده هستند. چنین ملاحظاتی معمولاً برای بردهای مدار در فرکانس‌های بالاتر از گیگاهرتز مهم می‌شوند. مدارهای مجتمع کوچکتر هستند و می توانند به عنوان عناصر توده ای برای فرکانس های کمتر از 10 گیگاهرتز یا بیشتر در نظر گرفته شوند.


مدار دیجیتال ویرایش

در مدارهای الکترونیک دیجیتال، سیگنال های الکتریکی مقادیر گسسته ای را برای نمایش مقادیر منطقی و عددی می گیرند.این مقادیر نشان دهنده اطلاعاتی هستند که در حال پردازش هستند. در اکثر موارد، رمزگذاری باینری استفاده می‌شود: یک ولتاژ (معمولاً مقدار مثبت‌تر) نشان‌دهنده یک باینری «1» و ولتاژ دیگر (معمولاً مقداری نزدیک به پتانسیل زمین، 0 ولت) نشان‌دهنده یک «0» باینری است. مدارهای دیجیتال از ترانزیستورهای متصل به هم برای ایجاد گیت ها یا دروازه منطقی استفاده می کنند که عملکردهای منطقی جبر بولی را ارائه می دهند: AND، NAND، OR، NOR، XOR و ترکیبی از آنها. ترانزیستورهایی که به یکدیگر متصل شده اند تا بازخورد مثبتی ارائه کنند، به عنوان لچ و فلیپ‌فلاپ استفاده می شوند، مدارهایی که دو یا چند حالت فراپایدار دارند و تا زمانی که توسط یک ورودی خارجی تغییر نکنند، در یکی از این حالت ها باقی می مانند. بنابراین مدارهای دیجیتال می توانند منطق و حافظه را فراهم کنند و آنها را قادر به انجام توابع محاسباتی دلخواه می کند. (حافظه مبتنی بر فلیپ فلاپ به عنوان حافظه دسترسی تصادفی ایستا (SRAM) شناخته می شود. حافظه مبتنی بر ذخیره شارژ در خازن، حافظه تصادفی پویا (DRAM) نیز به طور گسترده استفاده می شود.)

فرآیند طراحی مدارهای دیجیتال اساساً با فرآیند مدارهای آنالوگ متفاوت است. هر دروازه منطقی سیگنال رقم دودویی (باینری) را بازسازی می کند، بنابراین طراح نیازی به در نظر گرفتن اعوجاج، کنترل بهره، ولتاژهای افست و سایر نگرانی های موجود در طراحی آنالوگ ندارد. در نتیجه، مدارهای دیجیتال بسیار پیچیده، با میلیاردها عنصر منطقی که روی یک تراشه سیلیکونی ادغام شده اند، می توانند با هزینه کم ساخته شوند. چنین مدارهای مجتمع دیجیتالی در همه جا در دستگاه های الکترونیکی مدرن مانند ماشین حساب، گوشی های تلفن همراه و رایانه ها وجود دارند. همانطور که مدارهای دیجیتال پیچیده تر می شوند، مسائل مربوط به تاخیر زمانی، وضعیت رقابتی، اتلاف توان، سوئیچینگ غیر ایده آل، بارگذاری روی تراشه و بین تراشه، و جریان های نشتی، به محدودیت هایی برای چگالی، سرعت و عملکرد مدار تبدیل می شوند.

مدارهای دیجیتال برای ایجاد تراشه‌های محاسباتی عمومی، مانند ریزپردازنده، و مدارهای منطقی طراحی‌شده سفارشی، که به عنوان مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (ASIC) شناخته می‌شوند، استفاده می‌شود. مدار مجتمع دیجیتال برنامه‌پذیر (FPGA)، تراشه‌هایی با مدار منطقی که پیکربندی آن‌ها می‌تواند پس از ساخت اصلاح شود، نیز به طور گسترده در نمونه‌سازی و توسعه استفاده می‌شوند.


مدار سیگنال ترکیبی ویرایش

مدارهای سیگنال مختلط یا ترکیبی شامل عناصر مدارهای آنالوگ و دیجیتال هستند. به عنوان مثال می توان به مدارهای مقایسه‌کننده ، مدارهای زمان‌سنج (تایمرها)، مدارهای حلقه قفل‌شده فاز، مبدل آنالوگ به دیجیتال و مبدل دیجیتال به آنالوگ اشاره کرد. اکثر مدارهای رادیویی و ارتباطات مدرن از مدارهای سیگنال مختلط استفاده می کنند. به عنوان مثال، در یک گیرنده، از مدار آنالوگ برای تقویت و تبدیل سیگنال ها به فرکانس استفاده می شود تا به حالت مناسبی برسند تا به مقادیر دیجیتال تبدیل شوند و پس از آن پردازش سیگنال بیشتر در حوزه دیجیتال انجام شود.

طراحی مدار ویرایش

نمونه سازی ویرایش

 
یک نمونه سازی ساده مدار الکترونیک بر روی برید برد
 
مثالی از یک نمونه سازی اپتوالکترونیک سیستم نمونه سازی سینما دی ال پی تگزاس اینسترومنت


در الکترونیک، نمونه اولیه به معنای ساختن یک مدار واقعی برای یک طرح نظری برای تأیید کارکرد آن و ارائه یک پلت فرم فیزیکی برای اشکال زدایی آن . نمونه اولیه اغلب با استفاده از تکنیک هایی مانند سیم گردپیچ ( wire wrapping) یا استفاده از برید برد ، بردنواری (استریپ برد ) یا برد هزار سوراخ ساخته می شود، و در نتیجه مداری است که از نظر الکتریکی با طرح اولیه برابر است اما از نظر فیزیکی با محصول نهایی یکسان نیست.

ابزارهای منبع باز مانند فریتزینگ ( Fritzing ) برای مستندسازی نمونه های اولیه الکترونیکی (به ویژه نمونه های مبتنی بر برید برد) و حرکت به سمت تولید فیزیکی وجود دارد. پلتفرم های نمونه سازی مانند آردوینو نیز کار برنامه نویسی و تعامل با یک ریزکنترل‌گر( میکروکنترلر) را ساده می کند. توسعه‌دهنده می‌تواند انتخاب کند که اختراع خود را همانطور که هست با استفاده از پلتفرم نمونه‌سازی اولیه اجرا کند، یا آن را تنها با تراشه میکروکنترلر و مدارهای مرتبط با محصول خود جایگزین کند.


یک تکنسین می‌تواند با استفاده از این تکنیک‌ها به سرعت یک نمونه اولیه بسازد (و اضافات و اصلاحات ایجاد کند)، اما برای تولید حجمی، تولید انبوه برد مدار چاپی سفارشی بسیار سریع‌تر و ارزان‌تر از تولید این نوع بردهای نمونه اولیه است. گسترش شرکت‌های تولید و مونتاژ PCB سبب شده است که نمونه‌سازی سریع در طراحی مدارهای الکترونیکی به کار گرفته شود . در حال حاضر، حتی با کوچکترین اجزای غیرفعال و بزرگترین بسته های ریز، امکان ساخت، مونتاژ و حتی آزمایش بردها در عرض چند روز وجود دارد.





جستارهای وابسته ویرایش

منابع ویرایش

  1. Charles Alexander and Matthew Sadiku (2004). "Fundamentals of Electric Circuits". McGraw-Hill. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)