El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y tecnologías relacionadas a veces se considera una rama de la física. Este artículo se centra en los aspectos de ingeniería de la electrónica.
Los sistemas electrónicos se utilizan para realizar una amplia variedad de tareas. Las principales finalidades de los circuitos electrónicos son:
Control y tratamiento de datos.
Conversión y distribución de electricidad.
Ambas aplicaciones implican la generación y/o detección de campos electromagnéticos y corrientes eléctricas. Aunque la electricidad se había utilizado para transmitir datos a través de líneas telegráficas y telefónicas antes de finales del siglo XIX, el desarrollo de la electrónica creció exponencialmente después de la llegada de la radio.
Una forma de ver un sistema electrónico es dividirlo en 3 partes:
Entrada: un sensor (o transductor) electrónico o mecánico. Estos dispositivos toman señales/información de fuentes externas en el mundo físico, como antenas o redes técnicas, y convierten estas señales/información en señales de corriente/voltaje o digitales (alta/baja) dentro del sistema.
Procesadores de señales: estos circuitos se utilizan para procesar, interpretar y convertir señales de entrada para hacerlas adecuadas para la aplicación deseada. Recientemente, con el uso de procesadores de señales digitales, se ha logrado un procesamiento de señales complejo.
Salida: un actuador u otro dispositivo (como un sensor) que convierte una señal de corriente/voltaje nuevamente en una forma física útil (por ejemplo, al completar una tarea física como girar un motor).
Por ejemplo, un televisor contiene estas tres partes. La entrada del televisor convierte la señal de transmisión (recibida a través de una antena o entrada a través de un cable) en una señal de corriente/voltaje que el dispositivo puede usar. Los circuitos de procesamiento de señales dentro del televisor extraen información de esta señal, indicando brillo, color y nivel de sonido. Luego, el dispositivo de salida convierte esta información nuevamente a forma física. Los tubos de rayos catódicos convierten señales eléctricas en imágenes visibles en una pantalla. Los parlantes magnéticos convierten la señal en sonido audible.
Dispositivos y componentes electrónicos
Un componente electrónico es cualquier entidad física en un sistema electrónico cuyo propósito es afectar los electrones o sus campos asociados de una manera prevista y consistente con la función prevista del sistema electrónico. Los componentes suelen estar diseñados para establecer contacto electromecánico entre sí, a menudo soldándolos a una placa de circuito impreso (PCB) para crear un circuito electrónico con una función específica (como un amplificador, un receptor de radio u un oscilador). Los componentes pueden empaquetarse individualmente o en grupos más o menos complejos como circuitos integrados.
Tipos de circuitos
Circuitos analógicos
La mayoría de los dispositivos electrónicos analógicos, como las radios, se componen de varios circuitos básicos. Los circuitos analógicos utilizan un rango continuo de voltajes en lugar de los niveles discretos que se encuentran en los circuitos digitales. La cantidad de circuitos analógicos diferentes diseñados hasta la fecha es enorme, especialmente porque un "circuito" puede definirse como cualquier cosa, desde un solo componente hasta un sistema que contiene miles de componentes.
Los circuitos analógicos a veces se denominan circuitos lineales, aunque en los circuitos analógicos se utilizan muchos efectos no lineales, como mezcladores, moduladores, etc. Buenos ejemplos de circuitos analógicos incluyen amplificadores de transistores y válvulas de vacío, amplificadores operacionales y osciladores.
Hoy en día, algunos circuitos analógicos pueden utilizar tecnología digital o incluso de microprocesador para mejorar el rendimiento básico del circuito. Estos circuitos suelen denominarse "señal mixta".
A veces puede resultar difícil distinguir entre circuitos analógicos y digitales porque tienen elementos de funcionamiento tanto lineal como no lineal. Un ejemplo es un comparador, que recibe un rango continuo de voltajes pero genera solo uno de dos niveles, como en los circuitos digitales. De manera similar, un amplificador de transistores saturado puede tener las características de un interruptor controlado, que esencialmente tiene dos niveles de salida.
Circuitos digitales
Artículo principal: Circuitos digitales
Los circuitos digitales son circuitos basados en muchos niveles de voltaje discretos. Los circuitos digitales son la representación física más común del álgebra de Boorlian y son la base de todas las computadoras digitales. Para la mayoría de los ingenieros, los términos "circuitos digitales", "sistemas digitales" y "lógica" son intercambiables en el contexto de los circuitos digitales. En la mayoría de los casos, el número de estados diferentes de un nodo es dos, representados por dos niveles de voltaje etiquetados como "bajo" (0) y "alto" (1).
Normalmente, "bajo" estará cerca de cero voltios, mientras que "alto" estará en un nivel más alto, dependiendo del voltaje de suministro utilizado.
Las computadoras, los relojes electrónicos y los controladores lógicos programables (utilizados para controlar procesos industriales) están hechos de circuitos digitales. Los procesadores de señales digitales son otro ejemplo.
Bloques de construcción:
Puertas lógicas
Sumadores
Multiplicadores binarios
Chanclas
p>Contador
Registro
Multiplexor
Disparador Schmitt
Dispositivo altamente integrado:
Microprocesador
Microcontrolador
Circuito integrado de aplicación específica
Procesador de señal digital (DSP)
Matriz de puertas programables en campo (FPGA)
Circuitos de señales mixtas
Artículo principal: Circuitos integrados de señales mixtas
Los circuitos de señales mixtas se refieren a circuitos integrados (CI), que combinan circuitos analógicos y circuitos digitales en un chip semiconductor o la misma placa de circuito. Los circuitos de señales mixtas son cada vez más comunes. Los circuitos híbridos se utilizan a menudo para controlar dispositivos analógicos que utilizan lógica digital, como la velocidad de los motores. Los convertidores de analógico a digital y los convertidores de digital a analógico son buenos ejemplos. Otros ejemplos son las puertas de transmisión y los buffers.
Disipación de calor y gestión térmica
Artículo principal: Gestión térmica de dispositivos y sistemas electrónicos
El calor generado por los circuitos electrónicos debe disiparse para evitar fallos inmediatos y mejorar la confiabilidad a largo plazo. La tecnología de refrigeración puede incluir radiadores y ventiladores para enfriar el aire, así como otras formas de refrigeración de computadoras, como la refrigeración por agua. Estas técnicas utilizan convección, conducción y. Radiación térmica.
Ruido
Artículo principal: Ruido electrónico
Todos los circuitos electrónicos contienen ruido. La definición de ruido [1] es una interferencia innecesaria superpuesta a la señal útil, que oscurecerá el contenido de información de la señal útil. El ruido es diferente de la distorsión de la señal causada por los circuitos.
Teoría de la Electrónica
Artículo principal: Métodos matemáticos en electrónica
Los métodos matemáticos son una parte indispensable de la investigación en electrónica. Para dominar la electrónica, también es necesario dominar las matemáticas del análisis de circuitos.
El análisis de circuitos es el estudio de la resolución de sistemas lineales generales con variables desconocidas, como el voltaje en un nodo o la corriente a través de una rama de una red. El simulador de circuito SPICE es una herramienta de análisis común.
Para la electrónica, también es importante aprender y comprender la teoría de los campos electromagnéticos.
Equipo de prueba electrónico
Artículo principal: Equipo de prueba electrónico
El equipo de prueba electrónico se utiliza para generar señales de excitación y capturar la respuesta del dispositivo electrónico bajo prueba ( derecho). De esta manera, es posible demostrar el correcto funcionamiento de un DUT automatizado, o rastrear y reparar fallas en el dispositivo.
La ingeniería y el ensamblaje electrónicos prácticos requieren el uso de muchos tipos diferentes de equipos de prueba electrónicos, que van desde los muy simples y costosos (como una lámpara de prueba que consta solo de una bombilla y cables de prueba) hasta los muy complejos y sofisticados, como los equipos de prueba automáticos.
Diseño asistido por ordenador
Artículo principal: Automatización del diseño electrónico
Los ingenieros electrónicos actuales tienen la capacidad de diseñar circuitos utilizando componentes prefabricados, como fuentes de alimentación y semiconductores. (como transistores) y circuitos integrados. Los programas de software de automatización de diseño electrónico incluyen programas de captura de esquemas y programas de diseño de placas de circuito impreso. Los nombres populares en el campo del software EDA incluyen NI Multisim, Cadence (ORCAD), Eagle PCB y esquemas, Mentor (PADS PCB y esquemas LOGIC), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), etc.
Métodos de construcción
Artículo principal: Embalaje electrónico
A lo largo de los años se han utilizado muchos métodos diferentes para unir componentes. Por ejemplo, los primeros dispositivos electrónicos solían utilizar cableado punto a punto, conectando componentes a placas de madera para construir circuitos. Otros métodos utilizados fueron la construcción de listones y el enrollado de alambre. La mayoría de la electrónica moderna utiliza ahora placas de circuito impreso (hechas de FR4) y circuitos altamente integrados.
Con la entrada en vigor de la Directiva de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS) y la Directiva de Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (WEEE) en julio de 2006, las cuestiones de salud y medioambientales relacionadas con el ensamblaje electrónico han recibido una atención cada vez mayor en los últimos años, especialmente para aquellos enviados al Producto de la UE.