Открыть сервис
Главная → Блог → Схемотехника как область электроники

Схемотехника как область электроники

Схемотехника — область электроники и радиотехники, занимающаяся разработкой, расчётом и построением электронных схем из отдельных компонентов и функциональных узлов для решения заданной технической задачи. Она находится между теоретической электротехникой, описывающей физические процессы в цепях, и конструкторско-технологическими дисциплинами, отвечающими за изготовление устройства. Предметом схемотехники являются принципиальные схемы, способы соединения элементов, режимы их работы и методы обеспечения требуемых характеристик: усиления, преобразования, генерации, фильтрации и обработки электрических сигналов.

Место среди дисциплин

Схемотехника опирается на теорию электрических цепей, физику полупроводников и математический аппарат анализа сигналов. Её результат — принципиальная электрическая схема, по которой затем выполняется проектирование печатной платы и сборка изделия. В отличие от теории цепей, где элементы рассматриваются как идеализированные, схемотехника учитывает реальные параметры компонентов: разброс номиналов, температурные зависимости, паразитные ёмкости и индуктивности, шумы, ограничения по току и напряжению.

История

Развитие схемотехники связано с историей электроники. На рубеже XIX и XX веков основой устройств были электровакуумные приборы: диоды и триоды применялись в радиоприёмниках, усилителях и первых вычислительных машинах. В 1940-х годах появились транзисторы, что позволило резко уменьшить размеры, энергопотребление и стоимость аппаратуры. С 1960-х годов развивается интегральная схемотехника: сначала малые интегральные схемы, затем микропроцессоры и большие интегральные схемы. В СССР и России разработкой элементной базы и схем занимались научно-исследовательские институты и заводы микроэлектроники; заметный вклад внесли работы по аналоговым и цифровым устройствам, радиоприёмной и вычислительной технике.

Классификация

По типу обрабатываемого сигнала выделяют:

  • Аналоговая схемотехника — работает с непрерывно изменяющимися величинами: усилители, генераторы, фильтры, стабилизаторы напряжения, смесители частот.
  • Цифровая схемотехника — оперирует дискретными логическими уровнями: логические элементы, триггеры, счётчики, регистры, сумматоры, устройства памяти.
  • Смешанная (аналого-цифровая) — объединяет оба подхода: аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, интерфейсные узлы, схемы управления питанием.

По уровню интеграции различают схемотехнику на дискретных компонентах, на интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции и на больших интегральных схемах, включая программируемые логические интегральные схемы.

Основные понятия и элементы

Базовые компоненты схем: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, а также интегральные микросхемы. Ключевые понятия схемотехники — цепь, узел, ветвь, вход и выход, обратная связь, коэффициент усиления, полоса пропускания, помехоустойчивость, нагрузочная способность.

Важную роль играют типовые функциональные узлы, из которых строятся сложные устройства:

Методы расчёта включают законы Кирхгофа, эквивалентные преобразования, анализ частотных характеристик, моделирование переходных процессов. Значительная часть работы выполняется в системах автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих моделировать схему до её физической сборки.

Применение

Схемотехника лежит в основе практически всей современной электронной аппаратуры: бытовой техники, средств связи, измерительных приборов, систем управления, вычислительной техники, медицинского и промышленного оборудования, устройств автоматики и робототехники. Отдельные направления — силовая схемотехника (преобразователи энергии, приводы), радиочастотная и СВЧ-схемотехника, схемотехника цифровых вычислительных устройств.

Проектирование и надёжность

Процесс разработки схемы включает постановку задачи, выбор структуры, расчёт номиналов, моделирование, макетирование и отладку. Существенное внимание уделяется надёжности: тепловым режимам, запасам по напряжению и току, защите от перегрузок и помех, электромагнитной совместимости. Ошибки на этапе схемотехники дороже всего исправлять после изготовления изделия, поэтому широко применяется предварительное компьютерное моделирование.

Обучение и значение

Схемотехника преподаётся в технических вузах в рамках направлений радиотехники, электроники, приборостроения и автоматики. Она требует знания физики, математики и навыков работы с измерительными приборами. Значение дисциплины определяется тем, что именно на схемном уровне формируются характеристики любого электронного устройства — от простейшего блока питания до вычислительного комплекса.

Источники: учебники по электротехнике и электронике, справочники по аналоговой и цифровой схемотехнике, материалы по истории электроники и микроэлектроники.

Похожие материалы