Diseño de circuitos

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El proceso de diseño de circuitos puede abarcar sistemas que van desde sistemas electrónicos complejos hasta los transistores individuales dentro de un circuito integrado . A menudo, una persona puede realizar el proceso de diseño sin necesidad de un proceso de diseño planificado o estructurado para circuitos simples. Aun así, cada vez es más común que los equipos de diseñadores sigan un enfoque sistemático con simulación informática guiada de forma inteligente para diseños más complejos. En la automatización del diseño de circuitos integrados , el término "diseño de circuitos" a menudo se refiere al paso del ciclo de diseño que genera los esquemas del circuito integrado. Normalmente, este es el paso entre el diseño lógico y el diseño físico . ^[1]

El diseño tradicional de circuitos suele implicar varias etapas. A veces, se redacta una especificación de diseño después de ponerse en contacto con el cliente. Se puede redactar una propuesta técnica para cumplir con los requisitos de la especificación del cliente. La siguiente etapa implica sintetizar en papel un diagrama esquemático del circuito , un circuito eléctrico o electrónico abstracto que cumplirá con las especificaciones. Se debe realizar un cálculo de los valores de los componentes para cumplir con las especificaciones de funcionamiento en condiciones específicas. Se pueden realizar simulaciones para verificar la corrección del diseño.

Se puede construir una placa de pruebas u otra versión prototipo del diseño para probarlo según las especificaciones. Puede implicar realizar modificaciones al circuito para lograr la conformidad. Se debe elegir un método de construcción y todas las piezas y materiales que se utilizarán. Se presenta la información de los componentes y el diseño a los dibujantes y a los ingenieros mecánicos y de diseño para la producción del prototipo. A esto le sigue la prueba o el ensayo de tipo de varios prototipos para garantizar el cumplimiento de los requisitos del cliente. Por lo general, se firman y aprueban los planos de fabricación finales y puede haber servicios posteriores al diseño ( obsolescencia de los componentes, etc.).

El proceso de diseño de un circuito comienza con la especificación , que establece la funcionalidad que debe proporcionar el diseño terminado, pero no indica cómo se logrará. ^[2] La especificación inicial es una descripción técnicamente detallada de lo que el cliente quiere que logre el circuito terminado y puede incluir una variedad de requisitos eléctricos , como qué señales recibirá el circuito, qué señales debe emitir, qué fuentes de alimentación están disponibles y cuánta energía se le permite consumir. La especificación también puede (y normalmente lo hace) establecer algunos de los parámetros físicos que debe cumplir el diseño, como tamaño, peso, resistencia a la humedad , rango de temperatura, salida térmica, tolerancia a la vibración y tolerancia a la aceleración. ^[3]

A medida que avanza el proceso de diseño, los diseñadores volverán con frecuencia a la especificación y la modificarán para tener en cuenta el progreso del diseño. Esto puede implicar ajustar las especificaciones que ha proporcionado el cliente y añadir pruebas que el circuito debe aprobar para ser aceptado. Estas especificaciones adicionales se utilizarán a menudo en la verificación de un diseño. Los cambios que entren en conflicto con las especificaciones originales del cliente o las modifiquen casi siempre tendrán que ser aprobados por el cliente antes de que se puedan implementar.

Identificar correctamente las necesidades del cliente puede evitar una condición conocida como "desviación del diseño", que ocurre cuando no hay expectativas iniciales realistas y, posteriormente, cuando no se logra una comunicación completa con el cliente durante el proceso de diseño. Se puede definir en términos de sus resultados: "en un extremo está un circuito con más funcionalidad de la necesaria y en el otro un circuito con una funcionalidad incorrecta". ^{[4] [ ¿ Quién? ]} Sin embargo, se pueden esperar algunos cambios. Es una buena práctica mantener las opciones abiertas durante el mayor tiempo posible porque es más fácil eliminar elementos sobrantes del circuito más adelante que colocarlos.

El proceso de diseño implica pasar de la especificación inicial a un plan que contiene toda la información necesaria para ser construido físicamente al final; esto sucede típicamente pasando por varias etapas, aunque en el circuito sencillo, puede hacerse en un solo paso. ^[5] El proceso generalmente comienza con la conversión de la especificación en un diagrama de bloques de las diversas funciones que el circuito debe realizar, en esta etapa no se considera el contenido de cada bloque, solo lo que cada bloque debe hacer, esto a veces se conoce como un diseño de " caja negra ". Este enfoque permite que la tarea posiblemente altamente compleja se divida en tareas más pequeñas, ya sea abordándolas en secuencia o dividiendo entre los miembros de un equipo de diseño.

Cada bloque se analiza luego con más detalle, todavía en una etapa abstracta, pero con un enfoque mucho más centrado en los detalles de las funciones eléctricas que se deben proporcionar. En esta etapa o en etapas posteriores, es común requerir una gran cantidad de investigación o modelado matemático sobre lo que es y no es factible de lograr. ^[6] Los resultados de esta investigación pueden retroalimentarse en etapas anteriores del proceso de diseño, por ejemplo, si resulta que uno de los bloques no se puede diseñar dentro de los parámetros establecidos para él, puede ser necesario alterar otros bloques en su lugar. En este punto, también es común comenzar a considerar cómo demostrar que el diseño cumple con las especificaciones y cómo se debe probar (lo que puede incluir herramientas de autodiagnóstico ). ^[7]

Por último, se eligen los componentes individuales del circuito para llevar a cabo cada función en el diseño general; en esta etapa, también se decide la disposición física y las conexiones eléctricas de cada componente; esta disposición suele adoptar la forma de un diseño gráfico para la producción de una placa de circuito impreso o un circuito integrado. Esta etapa suele requerir mucho tiempo debido a la amplia gama de opciones disponibles. Una limitación práctica del diseño en esta etapa es la estandarización; al mismo tiempo, se puede calcular un valor determinado de un componente para su uso en alguna ubicación de un circuito; si ese valor no se puede comprar a un proveedor, el problema aún no se ha resuelto. Para evitarlo, se puede aplicar una cierta cantidad de "ingeniería de catálogo" para resolver las tareas más mundanas dentro de un diseño general.

Un área de rápido desarrollo tecnológico es el campo del diseño de circuitos nanoelectrónicos . ^[8]

En general, el coste de diseñar circuitos está directamente relacionado con la complejidad de los circuitos finales. Cuanto mayor sea la complejidad (cantidad de componentes y novedad del diseño), más horas del tiempo de un ingeniero experto serán necesarias para crear un producto funcional. El proceso puede ser tedioso, ya que los detalles o características minuciosas pueden requerir cualquier cantidad de tiempo, materiales y mano de obra para crearse. Por ejemplo, hay que tener en cuenta los efectos de modificar los tamaños de los transistores o los códecs. ^[9] En el mundo de la electrónica flexible , la sustitución de los sustratos de poliimida, ampliamente utilizados, por materiales como el PEN o el PET para producir electrónica flexible podría reducir los costes en factores de 5 a 10. ^[10]

Los costos de diseño de un circuito son casi siempre mucho más altos que los costos de producción por unidad, ya que el costo de producción y el funcionamiento del circuito dependen en gran medida del diseño del circuito. ^[11]

Aunque los métodos típicos de producción de PCB implican fabricación sustractiva, existen métodos que utilizan un proceso de fabricación aditiva, como el uso de una impresora 3D para "imprimir" una PCB. Se cree que este método cuesta menos que la fabricación aditiva y elimina por completo la necesidad de gestión de residuos. ^[12]

Una vez que se ha diseñado un circuito, es necesario verificarlo y probarlo. La verificación es el proceso de pasar por cada etapa de un diseño y asegurarse de que hará lo que la especificación requiere que haga. Este es con frecuencia un proceso altamente matemático y puede implicar simulaciones informáticas a gran escala del diseño. En cualquier diseño complicado, es muy probable que se encuentren problemas en esta etapa y esto puede afectar una gran parte del trabajo de diseño que se debe rehacer para solucionarlos.

La prueba es el equivalente en el mundo real de la verificación; la prueba implica construir físicamente al menos un prototipo del diseño y luego (en combinación con los procedimientos de prueba en la especificación o agregados a ella) verificar que el circuito haga lo que fue diseñado para hacer.

En el software del DSD visual, el circuito lógico del circuito complementario se implementa mediante el código del programa compilador. Este tipo de programas de software están creando circuitos más económicos y eficientes para todo tipo de circuitos. ^[13] Hemos implementado simulaciones funcionales para verificar las funciones lógicas correspondientes a las expresiones lógicas en nuestros circuitos propuestos. Las arquitecturas propuestas están modeladas en lenguaje VHDL. El uso de este lenguaje creará circuitos más eficientes que no solo serán más económicos sino que durarán más. Estos son solo dos de los muchos programas de diseño que ayudan a las personas a planificar sus circuitos para la producción. ^[14]

La creación de prototipos desempeña un papel importante en el complejo proceso de diseño de circuitos. Este proceso iterativo implica un refinamiento continuo y la corrección de errores. La tarea de diseñar circuitos es exigente y requiere una atención meticulosa a los detalles para evitar errores. Los diseñadores de circuitos deben realizar múltiples pruebas para garantizar la eficiencia y la seguridad de sus diseños antes de que se consideren adecuados para el uso del consumidor. ^[15]

La creación de prototipos es una parte integral del trabajo eléctrico debido a su naturaleza precisa y meticulosa. La ausencia de prototipos podría potencialmente dar lugar a errores en el producto final. Los diseñadores de circuitos, que reciben una compensación por su experiencia en la creación de circuitos eléctricos, tienen la responsabilidad de garantizar la seguridad de los consumidores que compran y utilizan estos circuitos en casa.

Los riesgos asociados con descuidar el proceso de creación de prototipos y liberar un circuito eléctrico defectuoso son significativos. Estos riesgos incluyen la posibilidad de incendios y cables sobrecalentados, lo que podría provocar quemaduras o lesiones graves a personas desprevenidas. ^[15]

Todo circuito eléctrico comienza con un simulador de circuitos que muestra cómo se ensamblarán las cosas al final del día y muestra cómo funcionará el circuito virtualmente. ^[16] Un plano es el dibujo del diseño técnico y el producto final. Después de todo, esto se hace y se utiliza el plano para armar el circuito, se obtendrán los resultados de circuitos eléctricos que son bastante memorables. El circuito hará funcionar cualquier cosa, desde una aspiradora hasta un televisor grande en una sala de cine. Todo esto lleva mucho tiempo y una cierta habilidad que no todos pueden adquirir. El circuito eléctrico es algo que la mayoría de las cosas necesitamos en nuestra vida diaria.

Todo diseño comercial normalmente incluirá también un elemento de documentación; la naturaleza precisa de esta documentación variará según el tamaño y la complejidad del circuito y el país en el que se vaya a utilizar. Como mínimo, la documentación normalmente incluirá al menos las especificaciones y los procedimientos de prueba para el diseño y una declaración de cumplimiento con las regulaciones vigentes. En la UE, este último elemento normalmente adoptará la forma de una Declaración CE que enumera las directivas europeas que se cumplen y nombra a una persona responsable de su cumplimiento. ^[17]

• Diseñador Altium
• EDA fácil
• gEDA
• KiCad
• OrCAD
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• CONDIMENTAR

El Wikilibro Electrónica tiene una página sobre el tema: Dispositivos

El Wikilibro Electrónica tiene una página sobre el tema: Circuitos analógicos

Wikilibros tiene un libro sobre el tema: Teoría de circuitos

Wikilibros tiene un libro sobre el tema: Electrónica práctica

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• "¿Su diseño cumple con las especificaciones? Introducción a la verificación del diseño de hardware | ¿Qué es la verificación del diseño?". InformIT . 19 de agosto de 2005.
• Diagrama de un posible proceso de diseño
• Guía estadounidense sobre el marcado CE
• Guía del Reino Unido sobre el marcado CE
• Un tutorial para principiantes sobre cómo comprender, analizar y diseñar circuitos electrónicos básicos.
• Vladimir Gurevich Dispositivos electrónicos en componentes discretos para ingeniería industrial y energética , CRC Press, Londres - Nueva York, 2008, 418 p., ISBN 9781420069822