Zirkuituen diseinu

Zirkuituen diseinua elektronikaren zati bat da, eta hainbat metodologia aztertzen ditu zirkuitu elektroniko bat garatzeko, analogikoa zein digitala.

Integratzean osatzen duten osagai-kopuruaren arabera, integrazio-eskala desberdinak aipatzen dira. Eskalen arteko mugak lausoak dira, baina SSI (Small Scale of Integration) esaten zaie konplexutasun txikiko zirkuituei (dozena batzuk osagai txip berean), MSI (Medium Scale of Integration) eta LSI (Large Scale Integration) konplexutasun ertaineko eta handiko zirkuituei, eta, azkenik, VLSI (Very Large Scale Integration) zirkuitu oso konplexuetarako, ehunka milioi transistorerainokoak. Azken kategoria horretan mikroprozesadore modernoak sartuko lirateke.

Diseinua hainbat mailatan egiten da. Alde batetik, zati fisikoa daukagu, zirkuitua osatzen duten osagai elektronikoen benetako egitura, dimentsioak eta materialak diseinatzen dituena. Gainetik, gero eta maila altuagoko diseinu-metodoak aurki ditzakegu, hardwarea deskribatzeko lengoaietara iritsi arte. Horiei esker, sistema baten bloke funtzionalen deskribapenak sar daitezke, simulatzeko, egiaztatzeko eta zirkuitu fisikoa automatikoki sortzeko, sintesi-tresna egokiarekin. Hardwarea deskribatzeko lengoaia ezagunenak eta erabilienak VHDL eta Verilog dira. Oro har, zirkuitu analogikoek ez dute automatizazio-maila hori ahalbidetzen, eta diseinu artisauagoa behar da, osagaien banaketa fisikoak funtsezko zeregina baitu azken emaitzan. Zirkuitu integratuen diseinuaren automatizazioan, "zirkuituaren diseinua" terminoak askotan zirkuitu integratuaren eskemak sortzen dituen diseinu-zikloaren igarotzeari egiten dio erreferentzia. Oro har, hori da diseinu logikoaren eta diseinu fisikoaren arteko urratsa.

Zirkuituen gaineko ikuspuntuak 

 Analisia: Zirkuitu ezagun baten portaera matematikoki deskribatzean datza. Azken batean, zirkuitu ezagun baten azterketa egin eta soluzioa bilatzea (zirkuitu analogikoetan osagaien korronte eta tentsioak edo zirkuitu digitaletan zirkuituak burutzen duen funtzio logikoa).
 Sintesia: Zirkuitu baterako nahi den portaeraren deskripzio matematikotik abiatuz, zirkuitua osatuko duten osagaiak eta bilatzen den emaitza lortzeko osagaiok nola konektatu behar diren finkatzeko prozesua.
 Diseinua: Lortu nahi den portaeraren espezifikaziotik abiatuz, lehendabizi portaera horren deskripzio matematikoa lortu behar da, gero zirkuituaren sintesia egin eta, bukatzeko, horrela lortutako zirkuituaren analisia egin, ea nahi den portaera islatzen duen. Ezezkoan, prozesua behin eta berriro errepikatu behar da, analisiaren emaitza eta abiapuntuko portaera berdinak izan arte.

Zirkuituak diseinatzeko prozesuari jarraitu behar zaio askotariko kasuetan, sistema elektroniko konplexuetatik zirkuitu integratu baten barruko banakako transistoreetaraino. Zirkuitu sinpleen kasuan, sarritan pertsona batek egin dezake diseinu-prozesua, planifikatutako edo egituratutako diseinu-prozesu berezirik behar izan gabe. Baina zirkuitu konplexuagoen diseinurako, gero eta ohikoagoak dira diseinatzaile-taldeak, simulazio konputazional adimendunak lagunduriko hurbilketa sistematikoari jarraitzen diotenak. 

Zirkuitu integratuen diseinuaren automatizazioan, "zirkuituen diseinua" terminoa diseinu-zikloan zirkuitu integratuaren eskema sortzen duen urratsari dagokio maiz. Diseinu logikoaren eta diseinu fisikoaren arteko urratsa izan ohi da. Hala, zirkuitu integratuak sistema konplexuak diren heinean, diseinua hainbat mailatan egiten da. Batetik, alderdi fisikoa dugu, zirkuitua osatzen duten osagai elektronikoen egitura erreala, dimentsioak, materialak... Gainetik, gero eta maila altuagoko diseinu-metodoak aurki ditzakegu, hardwarea deskribatzeko lengoaietara (HDL) iritsi arte. Horiei esker, sistema baten bloke funtzionalen deskribapenak sar daitezke ordenagailu bidezko simulaziorako, egiaztapenerako eta baita zirkuitu fisikoa sintesi-tresna egokiarekin automatikoki sortzeko ere. Hardwarea deskribatzeko lengoaia ezagun eta erabilienetako batzuk VHDL eta Verilog dira. Oro har, zirkuitu analogikoen kasuan oraindik ez da garatu automatizazio-maila hori, eta diseinu artisauagoa behar da, non osagaien banaketa fisikoak funtsezko zeregina baitu azken emaitzan.

Prozesua 

Zirkuituen diseinu tradizionalak zenbait etapa izan ohi ditu. Batzuetan, hasteko,  diseinu-zehaztapen bat idazten da zirkuitua behar duen bezeroarekin hitz egin ondoren. Proposamen teknikoa egin ahal izango da, bezeroaren zehaztapenaren baldintzak betetzeko. Hurrengo etapan, zirkuituaren diagrama eskematiko bat sintetizatzen da, paperean, zehaztapenak betetzen dituen zirkuitu elektriko edo elektroniko abstraktu bat, alegia. Osagaien balioak kalkulatu behar dira, funtzionamendu-zehaztapenak zehaztutako baldintzak betetzeko. Diseinuaren zuzentasuna egiaztatzeko simulazioak egiten ahalko dira.

Diseinuaren prototipo-txartel bat edo beste prototipo motaren bat gauzatu behar da, eta prototipoak zehaztapenak betetzen dituen egiaztatzeko saiakuntzak egin behar dira. Saiakuntzok zirkuitua aldatzea eragin dezakete, zehaztapenak betetzen direla lortzeko. Gauzatze-metodo bat eta erabiliko diren osagai eta material guztiak hautatu behar dira. Osagaiei eta maketazioari buruzko informazioa aurkezten zaie marrazkilariei eta diseinu-ingeniariei eta prototipoak ekoizteko teknikariei. Horren ondoren, zenbait prototipo-motaren probak edo saiakuntzak egiten dira, bezeroaren eskakizunak betetzen direla bermatzeko. Oro har, fabrikazioko azken eskemak sinatu eta onartu egiten dira, eta diseinu ondoko zerbitzuak egon daitezke (osagaien zaharkitzea, etab.).

Espezifikazioa edo zehaztapena 

Zirkuituak diseinatzeko prozesua zehaztapenarekin hasten da, eta horrek diseinu amaituak eman behar duen funtzionaltasuna ezartzen du, baina ez du adierazten nola lortuko den. Hasierako zehaztapena, funtsean, bezeroak zirkuitu amaitua lortzea nahi duenaren deskribapen tekniko xehatua da, eta hainbat baldintza elektriko izan ditzake, hala nola zirkuituak zer seinale jasoko dituen, zer seinale igorri behar dituen, zer elikadura-iturri dauden eskuragarri eta zenbat energia kontsumitu daitekeen. Espezifikazioak diseinuak bete behar dituen parametro fisiko batzuk ere ezar ditzake (eta normalean hala egiten du), hala nola tamaina, pisua eta hezetasunarekiko erresistentzia, tenperatura tartea, irteera termikoa, bibrazioarekiko tolerantzia eta azelerazioarekiko tolerantzia.

Diseinu-prozesuak aurrera egin ahala, diseinatzaileak maiz itzuliko dira espezifikaziora eta aldatu egingo dute diseinuaren aurrerapena kontuan hartzeko. Horrek bezeroak emandako zehaztapenak doitzea eta zirkuituak onartua izateko pasatu behar dituen probak gehitzea ekar dezake. Zehaztapen gehigarri horiek askotan erabiliko dira diseinu bat egiaztatzeko. Gatazkan sartzen diren edo bezeroaren jatorrizko zehaztapenak aldatzen dituzten aldaketak ia beti bezeroak onartu beharko ditu, jardun ahal izan baino lehen.

Bezeroaren beharrak behar bezala identifikatzeak saihestu egin dezake "diseinuaren jarioa" esaten zaion baldintza bat, hasierako itxaropen errealistarik ez dagoenean eta, gero, diseinu-prozesuan bezeroarekin erabat ez komunikatzean gertatzen dena. Emaitzen arabera defini daiteke; "mutur batean behar baino funtzionaltasun handiagoa duen zirkuitu bat dago, eta bestean funtzionaltasun okerra duen zirkuitu bat dago". Hala ere, aldaketa batzuk espero daitezke, eta jardunbide egokia da aukerak ahalik eta denbora luzeenean irekita mantentzea, errazagoa baita ordezko elementuak zirkuitutik kentzea aurrerago jartzea baino.

Diseinua 

Diseinu-prozesuak zehaztapenetik hasierara igarotzea dakar, amaieran fisikoki eraikia izateko beharrezkoa den informazio guztia biltzen duen planora. Normalean, etapa batzuk igarotzen dira, nahiz eta zirkuitu oso sinple batean urrats bakar batean egin daitekeen. Prozesua normalean zirkuituak egin behar dituen funtzioen bloke-diagrama batekin hasten da. Etapa honetan ez da bloke bakoitzaren edukia kontuan hartzen, bloke bakoitzak egin behar duena bakarrik, eta hori batzuetan "kutxa beltzeko" diseinu gisa hartzen da. Ikuspegi horrek aukera ematen du ataza ziurrenik oso konplikatua ataza txikiagoetan banatzeko. Ataza horiek sekuentzian egin daitezke edo diseinu-talde bateko kideen artean bana daitezke.

Gero, bloke bakoitza zehatzago aztertzen da, oraindik etapa abstraktu batean, baina emango diren funtzio elektrikoen xehetasunetan askoz ere enfasi handiagoarekin. Etapa honetan edo ondorengo etapetan, ohikoa da ikerketa edo modelatu matematiko asko behar izatea zer den eta zer ez lortzeko. Ikerketa honen emaitzak atzeraelikatu egin daitezke diseinu-prozesuaren aurreko etapetan; adibidez, blokeetako bat ezin bada diseinatu horretarako ezarritako parametroen barruan, beharrezkoa izan daiteke beste bloke batzuk aldatzea haren ordez. Puntu honetan, ohikoa da kontuan hartzea nola frogatu diseinuak zehaztapenak betetzen dituela eta nola probatuko den (autodiagnostikorako tresnak barne har ditzakeela).

Azkenik, zirkuituaren banakako osagaiak aukeratzen dira diseinu orokorrean funtzio bakoitza gauzatzeko, etapa honetan osagai bakoitzaren diseinu fisikoa eta konexio elektrikoak ere erabakitzen dira, diseinu honek artelan forma hartzen du normalean zirkuitu inprimatuko plaka bat ekoizteko. Etapa honek denbora asko behar izaten du, aukera ugari daudelako. Etapa honetako diseinuaren murrizketa praktiko bat estandarizazioa da; osagaiaren balio jakin bat, berriz, zirkuitu bateko kokapenen batean erabiltzeko kalkula daiteke, balio hori ezin bazaio hornitzaile bati erosi, orduan arazoa oraindik ez da konpondu. Hori saihesteko, "katalogo-ingeniaritza" kantitate jakin bat aplika daiteke, diseinu orokor baten barruan zeregin mundutarrenak ebazteko.

Garapen teknologiko azkarreko eremu bat zirkuitu nanoelektronikoen diseinuaren eremua da.

Kostuak 

Oro har, zirkuituak diseinatzearen kostuak zerikusi zuzena du amaierako zirkuituen konplexutasunarekin. Zenbat eta konplexutasun handiagoa izan (osagai kopurua eta diseinuaren berritasuna), orduan eta ordu gehiago beharko ditu ingeniari kalifikatu batek produktu funtzional bat sortzeko. Prozesua aspergarria izan daiteke, xehetasun edo ezaugarri zehatzak sortzeko edozein denbora, material eta eskulan behar izan baitaiteke. Nola transistoreen edo kodeken tamainak aldatzearen ondorioak kontuan hartu Elektronika malguaren munduan, osagai elektroniko malguak sortzeko PEN edo PET bezalako materialekin asko erabiltzen diren poliimidazko substratuak ordezkatzeak kostuak 5 faktoretik 10era murriztu ditzake.

Zirkuitu bat diseinatzearen kostuak unitate bakoitzeko ekoizpen-kostuak baino askoz handiagoak izaten dira ia beti, zirkuituaren diseinuaren mende baitaude, neurri handi batean, ekoizpen-kostua eta zirkuituaren funtzioa.

PCB ekoizteko ohiko metodoek fabrikazio substratua dakarten arren, badira fabrikazio gehigarriko prozesu bat erabiltzen duten metodoak, hala nola 3D inprimagailu bat erabiltzea PCB bat "inprimatzeko". Uste da metodo honek fabrikazio gehigarriak baino gutxiago balio duela eta hondakinak erabat kudeatzeko beharra ezabatzen duela.

Egiaztapena eta proba (edo testa) 
Zirkuitu bat diseinatu ondoren, egiaztatu eta probatu egin behar da. Egiaztapena diseinu baten etapa bakoitzetik pasatzeko eta espezifikazioak eskatzen duena egingo duela ziurtatzeko prozesua da. Hori, askotan, oso prozesu matematikoa da, eta diseinuaren konputagailu bidezko simulazioak beharrezkoak izan daitezke, eskala handian. Edozein diseinu konplexutan, oso litekeena da problemak etapa honetan topatzea eta eragina izan daiteke diseinu-lanaren zati handi bat berregin behar izatea arazo horiek konpontzeko.

Probak (edo testak) egiaztapenaren mundu errealeko kontrapartea dira; probek berekin dakarte gutxienez diseinuaren prototipo bat gauzatzea fisikoki, eta, gero (espezifikazioan adierazitako proba-prozedurekin edo hari erantsitakoekin batera), egiaztatzea zirkuituak benetan egiten duela diseinua abiatzean proposatu zena.

Diseinurako Softwarea 
Diseinu prozesuan zeharreko lanak arintzeko, software berezia erabil daiteke: editore grafikoak, simuladoreak (logikoak zein fisikoak), silizio konpiladoreak... Mota horretako software-programek zirkuitu merkeagoak eta eraginkorragoak sortzea ahalbidetzen dute, mota guztietako zirkuituetarako.

VHDL hardwarea deskribatzeko lengoaia oso lagungarria da zirkuituko blokeen arkitekturak definitu eta simulatzeko.

Prototipoak gauzatzea 
Prototipoak gauzatzea oso etapa garrantzitsua da produktu konplexu bat egin behar denean. Zirkuituen diseinuak diseinatzaileak behartzen ditu etapak gainbegiratu eta akatsak konpontzera. Zirkuituen diseinua oso lan zorrotza da, akatsik egin gabe egin beharrekoa. Zirkuituen diseinatzaileek askotan probak egin behar izaten dituzte beren diseinuak eraginkortasunez funtzionatzen duela ziurtatzeko, eta, batez ere, segurua dela kontsumitzaile batentzat erosi eta erabiltzea. Prototipoak egitea edozein lan elektrikoren etapa garrantzitsua da, oso zehatza eta zuzena. Prototiporik erabili gabe, diseinuan egindako akatsak katastrofikoak izan zitezkeen. Zirkuituaren funtzionaltasunaren zuzentasuna eta segurtasuna bermatu behar dira. Prototiporik egin gabe zirkuitu akastuna merkaturatzen bada, arriskuak askotarikoak izan daitezke: kable beroak, suteak... Horren ondorioz, erabiltzailea arriskuan egon daiteke eta, kasurik okerrenean, erre edo min handia hartuko du.

Emaitzak 
Zirkuitu elektriko bakoitza zirkuituko plaka-simulagailu batekin hasten da, azken osagaiak nola muntatuko diren eta zirkuituak birtualki nola funtzionatuko duen erakusten du. Plano bat diseinu teknikoaren eta azken produktuaren marrazkia da. Eginda dagoenean, planoa erabiltzen da zirkuitua muntatzeko. Zirkuituak edozer gauza egin dezake: xurgagailua, telebista handi bat zinema-areto batean... Horrek guztiak denbora asko darama eta behar diren ezagutza batzuk. Zirkuitu elektrikoa oinarrizkoa da eguneroko bizitzan.

Dokumentazioa 
Oro har, edozein diseinu komertzialek dokumentazio-elementu bat ere izango du; dokumentazio horren izaera zehatza aldatu egiten da zirkuituaren tamainaren eta konplexutasunaren arabera eta erabiliko den herrialdearen arabera. Dokumentazioak, gutxienez, diseinurako zehaztapenak eta saiakuntza-prozedurak bilduko ditu, eta indarrean dagoen araudiaren araberako deklarazioa. EBn, azken puntu hori, normalean, EBren Adierazpen gisa hartuko da. Adierazpen horretan, bete diren Europako zuzentarauak zerrendatuko dira, eta betetzearen arduraduna izendatuko da.

Softwarea 

 Autotrax
 EasyEDA
 gEDA
 KiCad
 OrCAD
 NI Multisim
 SPICE

Erreferentziak

Ikus, gainera 

 Elektronika
 Mikroelektronika
 Osagai elektroniko

Kanpo estekak 

Diseinu elektronikoa
Ingeniaritza elektronikoa