Σχεδίαση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων

Σχηματικό σχέδιο ηλεκτρονικού κυκλώματος

Η σχεδίαση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων είναι η διαδικασία επιλογής ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, καθώς και ο τρόπος διασύνδεσής τους, ώστε να λειτουργούν σύμφωνα με της ανάγκες επίλυσης ενός προβλήματος.

Παλαιότερα το σχέδιο όσο και οι υπολογισμοί ήταν μια διαδικασία εξ ολοκλήρου χειρωνακτική (υπολογισμοί με το χέρι, σχέδιο με το χέρι κτλ). Σήμερα χρησιμοποιούνται προγράμματα Η/Υ (EDA) που έχουν αποθηκευμένα στις βάσεις τους όλα τα ηλεκτρονικά σύμβολα εξαρτημάτων. Επίσης εκτελούν ελέγχους για σφάλματα, πραγματοποιούν εξομοίωση λειτουργίας του κυκλώματος και εξάγουν τα αρχεία που απαιτούνται από τους κατασκευαστές τυπωμένων κυκλωμάτων (printed circuit board, pcb).

Η σχεδίαση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων σε ηλεκτρονικές πλακέτες αλλα και σε ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι μια διαδικασία που μπορεί να απαιτεί απο μερικές ώρες μέχρι μήνες και χρόνια. Σήμερα έχει γίνει εφικτό, μέσα σε λίγα τετραγωνικά χιλιοστά χώρου, να αναπτύσσονται κυκλώματα εκατομμυρίων στοιχείων, σε πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωση (VLSI).

Διαδικασία σχεδίασης ηλεκτρονικού κυκλώματος

1. Στο πρώτο στάδιο γίνεται η μελέτη και η ανάπτυξη του σχηματικού σχεδίου, συνήθως σε χαρτί, από το μηχανικό ανάπτυξης.
2. Κατόπιν, το σχηματικό σχέδιο υλοποιείται στο πρόγραμμα EDA. Εκεί περιγράφεται ποια ακριβώς εξαρτήματα θα χρησιμοποιηθούν και πως συνδέονται μεταξύ τους. Στο σχηματικό σχέδιο, τα πραγματικά εξαρτήματα αντιπροσωπεύονται από αντίστοιχα σύμβολα.
3. Στο τρίτο στάδιο γίνεται η επιλογή των πραγματικών συσκευασιών (packages) για τα σύμβολα που χρησιμοποιήθηκαν στο προηγούμενο στάδιο. Στις επαγγελματικές σχεδιάσεις, αυτή η αντιστοίχιση γίνεται αυτόματα, μέσω βάσης δεδομένων αντιστοίχισης συμβόλων-συσκευασιών, ώστε κάθε σύμβολο του σχεδίου να αντιστοιχεί σε μία και μοναδική συσκευασία.
4. Στο τέταρτο στάδιο γίνεται η σχεδίαση του τυπωμένου κυκλώματος (τ/κ ή, στα αγγλικά, pcb). Αυτή η διαδικασία είναι αρκετά πολύπλοκη και χρονοβόρα, απαιτεί δε σημαντική εμπειρία από το σχεδιαστή. Γι αυτό το λόγο ο μηχανικός σχεδίασης συνήθως δεν είναι ο χειριστής του λογισμικού σχεδίασης και επιβλέπει μόνο τη διαδικασία, αφού έχει δώσει τις κατάλληλες οδηγίες και περιορισμούς. Η πρώτη φάση σχεδίασης του τυπωμένου κυκλώματος αφορά την τοποθέτηση (placement) των εξαρτημάτων (συσκευασιών) στην επιφάνεια της οθόνης του προγράμματος η οποία αντιπροσωπεύει το σχεδιαζόμενο τ/κ. Εδώ το λογισμικό σχεδιασμού παρέχει στο χρήστη διάφορα βοηθήματα, καθώς η τοποθέτηση είναι συνήθως το πιο σημαντικό στάδιο στη σχεδίαση ενός τ/κ. Ακολουθεί η σχεδίαση των διασυνδέσεων των συσκευασιών μέσω λωρίδων χαλκού (traces). Αυτή η φάση ονομάζεται routing. Όλα τα ισχυρά προγράμματα EDA διαθέτουν εργαλεία αυτόματης τοποθέτησης (auto-placement) και αυτόματης διασύνδεσης (auto-routing), τα οποία απαιτούν αρκετά ισχυρά υπολογιστικά συστήματα για να φέρουν σε πέρας την εργασία αυτή. Πάντως, η κρισιμότητα της τοποθέτησης είναι τόσο μεγάλη που τα εργαλεία auto-placement δεν χρησιμοποιούνται σχεδόν καθόλου. Τα εργαλεία aut-routing συνήθως χρησιμοποιούνται στο τελευταίο μέρος της σχεδίασης, αφού σχεδιαστούν με το χέρι όλες οι κρίσιμες συνδέσεις (π.χ. οι συνδέσεις των αναλογικών υποκυκλωμάτων και του τροφοδοτικού).

Η μεγάλη δύναμη των προγραμμάτων EDA είναι η παραγωγή έτοιμων αρχείων τύπου Gerber, τα οποία είναι πλήρεις οδηγίες για τον κατασκευαστή του τυπωμένου κυκλώματος (πριν τη σχεδίαση σε Η/Υ, το σχέδιο αποτυπωνόταν με το χέρι πάνω σε μεγάλες διαφάνειες). Με αυτά τα αρχεία, είναι δυνατή η κατασκευή του τ/κ από οποιοδήποτε κατασκευαστή. Άλλο δυνατό στοιχείο των προγραμμάτων EDA είναι η πρόληψη λαθών σύνδεσης κατά τo routing, αφού το λογισμικό επιτρέπει να υλοποιηθούν μόνο οι συνδέσεις που έχουν οριστεί κατά τη φάση του σχηματικού σχεδίου.