Elektroninen piiri

Elektroninen piiri on virtapiiri, joka koostuu yksittäisistä elektronisista komponenteista, kuten vastuksista, transistoreista, kondensaattoreista, keloista ja diodeista, jotka on kytketty sähkövirtaa johtavilla johdoilla tai vedoilla. Piirissä tulee olla ainakin yksi aktiivinen komponentti, jotta sitä voidaan kutsua sähköisen piirin sijaan elektroniseksi piiriksi. Komponenttien ja johtojen yhdistelmä mahdollistaa monenlaiset toiminnot: signaaleja voidaan vahvistaa, laskutoimituksia suorittaa ja tietoa voidaan siirtää paikasta toiseen. ^[1]

Piirejä voidaan rakentaa erillisistä komponenteista, jotka on kytketty toisiinsa johdoilla, mutta nykyään on yleisempää valmistaa piirit juottamalla komponentit fotolitografisin menetelmin valmistetulle piirilevylle. Integroidussa piirissä tai mikropiirissä komponentit ja kytkennät muodostetaan samalle alustalle, tyypillisesti puolijohteelle, kuten piille tai (harvemmin) galliumarsenidille. ^[2]

Elektroninen piiri voidaan yleensä luokitella analogiseksi piiriksi, digitaaliseksi piiriksi tai sekoitetun signaalin piiriksi (piiri, joka sisältää sekä analogisia että digitaalisia piirejä). Yleisimmin käytetty puolijohdekomponentti elektronisissa piireissä on MOSFET (metallioksidipuolijohdekanavatransistori). ^[3]

Koekytkentälevyjä ja reikäpiirilevyjä käytetään testattaessa uusia piirejä. Niiden avulla suunnittelija voi tehdä piiriin nopeita muutoksia kehityksen aikana.

Piirit, joissa virta tai jännite voi vaihdella jatkuvasti ajan myötä ovat analogisia elektronisia piirejä. Analogiset piirit koostuvat sarjaan- ja rinnankytkennöistä.

Sarjaan kytketyssä piirissä sama virta kulkee useiden komponenttien läpi.

Rinnankytkennässä kaikki komponentit on kytketty samaan jännitteeseen, ja virta jakautuu komponenttien kesken niiden vastuksen mukaan.

Analogisten piirien peruskomponentteja ovat perinteisesti johdot, vastukset, kondensaattorit, kelat, diodit ja transistorit. Nykyään myös memristorit lasketaan analogisiksi peruskomponenteiksi. Analogisia piirejä kuvataan piirikaavioilla, joissa johdot on esitetty viivoina ja komponenteilla on omat symbolinsa. Analogisten piirien analyysissä käytetään Kirchhoffin piirilakeja: jokaisen solmun (johtojen risteyspaikka) kaikki virrat yhteenlaskettuna ovat 0 ja jännite jokaisen suljetun johtosilmukan ympäri on 0. Johtimia käsitellään piirikaavioissa yleensä ideaalisina, ja todellisen johdon ominaisuudet kuvataan lisäämällä piirikaavioon lois-elementtejä kuten vastus tai kela. Aktiivisia komponentteja, kuten transistoreita, käsitellään usein ohjattuina virta- tai jännitelähteinä: esimerkiksi kanavatransistori voidaan mallintaa virtalähteeksi, kun sen virtaa ohjataan hilajännitteellä.

Kun piirin fyysinen koko on verrattavissa signaalin taajuutta vastaavaan aallonpituuteen, on käytettävä siirtolinjateoriaa, jossa signaalin rajallinen etenemisnopeus otetaan huomioon. Siirtolinjateoriassa johtimia käsitellään siirtolinjoina, joilla on nimellinen ominaisimpedanssi, ja impedanssit linjan alussa ja lopussa määräävät linjan läpäisseet ja heijastuneet aallot. Siirtolinjateoriasta tulee tärkeää piirilevyillä, joiden signaalien taajuudet ovat yli 1 GHz suuruisia. Integroituja piirejä voidaan käsitellä piiriteorialla alle 10 GHz: n taajuuksilla niiden pienen koon vuoksi.

Digitaalisissa elektronisissa piireissä sähkösignaalit saavat epäjatkuvia, diskreettejä arvoja. Nämä arvot voidaan tulkita loogisiksi (kyllä/ei) tai numeeriksiksi, ja ne edustavat käsiteltävää tietoa ^[4]. Yleisimmin käytetään binäärikoodausta: jokin jännitearvo (tyypillisesti positiivisempi arvo) edustaa binääristä arvoa '1' ja toinen jännitearvo (tyypillisesti lähellä 0 V) edustaa binääristä arvoa '0'. Digitaalipiirit hyödyntävät toisiinsa kytkettyjä transistoreita, jotka muodostavat logiikkaportteja. Niillä voidaan toteuttaa Boolen logiikan toiminnot: AND, NAND, OR, NOR ja XOR, sekä näiden yhdistelmiä. Transistorikytkentöjä, jotka muodostavat positiivisen takaisinkytkennän, käytetään kiikkuina, piireinä, joilla on kaksi tai useampia metastabiilia tilaa. Kiikut ne pysyvät yhdessä näistä tiloista, kunnes niiden tilaa muutetaan ulkoisesti. Siksi digitaaliset piirit mahdollistavat logiikka- ja muistipiirien luomisen, ja niillä voidaan suorittaa mielivaltaisia laskennallisia toimintoja. (Flip-flop- pohjainen muisti tunnetaan staattisena RAM-muistina (SRAM). Dynaamista RAM-muistia (DRAM), joka perustuu latauksen tallentamiseen kondensaattoriin, käytetään myös laajasti.)

Digitaalisten piirien suunnittelu eroaa täysin analogisten piirien suunnittelusta. Jokainen looginen portti regeneroi binäärisignaalin, joten suunnittelijan ei tarvitse ottaa huomioon vääristymiä, vahvistuksen hallintaa, offset-jännitteitä tai muita analogiseen suunnitteluun liittyviä huolenaiheita. Siksi on mahdollista valmistaa edullisin kustannuksin erittäin monimutkaisia digitaalipiirejä, joissa miljardit logiikkaelementit on integroitu yhdelle piisirulle. Tällaisia digitaalisia integroituja piirejä käytetään kaikkialla nykyaikaisessa elektroniikassa, kuten laskimissa, matkapuhelimissa ja tietokoneissa. Digitaalisten piirien monimutkaistuessa tulee kuitenkin vastaan ongelmia, jotka asettavat rajoituksia piirin tiheydelle, nopeudelle ja suorituskyvylle. Haasteita aiheuttavat esimerkiksi viiveet, kilpailutilanteet, tehohäviö, epäideaalinen kytkeytyminen, sirun sisäinen ja sirujen välinen kuormitus ja vuotovirrat.

Digitaalisilla piireillä luodaan yleiskäyttöisiä laskentapiirejä, kuten mikroprosessoreita, ja räätälöityjä logiikkapiirejä, joita kutsutaan sovelluskohtaisiksi integroiduiksi piireiksi (ASIC). Prototyyppien kehittämiseen käytetään laajasti FPGA-piirejä, joiden logiikkaporttien kokoonpanoa voidaan muuttaa valmistuksen jälkeen.

Sekasignaali- tai hybridipiirit sisältävät sekä analogisten että digitaalisten piirien elementtejä. Esimerkiksi komparaattorit, ajastimet, vaihelukitut silmukat, analogi-digitaalimuuntimet ja digitaali-analogiamuuntimet ovat sekasignaalipiirejä. Useimmat nykyaikaiset radio- ja tietoliikennepiirit käyttävät sekasignaalipiirejä. Esimerkiksi vastaanottimissa analogisia piirejä käytetään signaalin vahvistamiseen ja taajuuden muuntamiseen, jotta se voidaan muuttaa analogi-digitaalimuuntimella digitaalisiksi arvoiksi, minkä jälkeen signaalinkäsittelyä voidaan jatkaa digitaalisena.

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Elektroninen piiri Wikimedia Commonsissa