El proceso de diseño de circuitos puede abarcar sistemas que van desde sistemas electrónicos complejos hasta transistores individuales dentro de un circuito integrado . A menudo, una sola persona puede realizar el proceso de diseño sin necesidad de un proceso de diseño planificado o estructurado para circuitos simples. Aún así, los equipos de diseñadores que siguen un enfoque sistemático con simulación por computadora guiada inteligentemente son cada vez más comunes 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 de circuito tradicional suele implicar varias etapas. A veces, se redacta una especificación de diseño después de comunicarse con el cliente. Se puede escribir una propuesta técnica para cumplir con los requisitos de la especificación del cliente. La siguiente etapa consiste en sintetizar en papel un diagrama de circuito esquemático , 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 operativas 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 realizar pruebas según las especificaciones. Puede implicar realizar modificaciones en el circuito para lograr el cumplimiento. Se debe elegir el método de construcción y todas las piezas y materiales que se utilizarán. Se presenta información sobre componentes y diseño a delineantes e ingenieros mecánicos y de diseño para la producción de prototipos. A esto le sigue la prueba o ensayo de tipo de varios prototipos para garantizar el cumplimiento de los requisitos del cliente. Generalmente hay una firma y aprobación de los planos finales de fabricación, pudiendo haber servicios post-diseño ( obsolescencia de componentes, etc.).
El proceso de diseño de circuitos comienza con la especificación , que establece la funcionalidad que debe proporcionar el diseño terminado, pero no indica cómo se debe lograr. [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 el tamaño, el peso, la resistencia a la humedad , el rango de temperatura, la salida térmica, la tolerancia a la vibración y la tolerancia a la aceleración. [3]
A medida que avanza el proceso de diseño, los diseñadores frecuentemente volverán a la especificación y la modificarán para tener en cuenta el progreso del diseño. Esto puede implicar ajustar las especificaciones que el cliente ha proporcionado y agregar pruebas que el circuito debe pasar para ser aceptado. Estas especificaciones adicionales se utilizarán a menudo en la verificación de un diseño. Los cambios que entren en conflicto o modifiquen las especificaciones originales del cliente casi siempre tendrán que ser aprobados por el cliente antes de que se pueda actuar en consecuencia.
Identificar correctamente las necesidades del cliente puede evitar una condición conocida como "desastre del diseño", que se produce en ausencia de expectativas iniciales realistas y, posteriormente, al no poder comunicarse plenamente con el cliente durante el proceso de diseño. Puede definirse en términos de sus resultados; "en un extremo hay 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 el mayor tiempo posible porque es más fácil retirar los elementos de repuesto 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 construirse físicamente al final; Esto sucede normalmente pasando por varias etapas, aunque en el circuito sencillo se puede realizar 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 debe realizar el circuito, en esta etapa no se considera el contenido de cada bloque, solo lo que debe hacer cada bloque, a esto en ocasiones se hace referencia como un diseño de " caja negra ". Este enfoque permite dividir la tarea posiblemente altamente compleja en tareas más pequeñas, ya sea abordándolas en secuencia o dividiéndolas entre los miembros de un equipo de diseño.
Luego, cada bloque se considera con más detalle, todavía en una etapa abstracta, pero con mucho más enfoque 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 modelos matemáticos 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, puede ser necesario modificar otros bloques en su lugar. En este punto, también es común comenzar a considerar tanto cómo demostrar que el diseño cumple con las especificaciones como cómo se va a probar (lo que puede incluir herramientas de autodiagnóstico ). [7]
Finalmente, se eligen los componentes individuales del circuito para llevar a cabo cada función en el diseño general; en esta etapa también se decide el diseño físico y las conexiones eléctricas de cada componente, cuyo diseño comúnmente toma la forma de una obra de arte para la producción de una placa de circuito impreso o circuito integrado. Esta etapa suele llevar 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 cierto valor de un componente para su uso en algún lugar de un circuito; si ese valor no se puede comprar a un proveedor, entonces el problema aún no se ha resuelto. Para evitar esto, 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]
Generalmente, el costo de diseñar circuitos está directamente ligado a la complejidad de los circuitos finales. Cuanto mayor sea la complejidad (cantidad de componentes y novedad del diseño), más horas de un ingeniero cualificado serán necesarias para crear un producto funcional. El proceso puede ser tedioso, ya que crear detalles o características minuciosos puede requerir cualquier cantidad de tiempo, materiales y mano de obra. Como tener en cuenta los efectos de modificar el tamaño de los transistores o los códecs. [9] En el mundo de la electrónica flexible , reemplazar los sustratos de poliimida ampliamente utilizados con materiales como PEN o PET para producir electrónica flexible podría reducir los costos 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 la función 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, se debe verificar y probar. La verificación es el proceso de pasar por cada etapa de un diseño y garantizar que hará lo que la especificación requiere. Con frecuencia, este es un proceso altamente matemático y puede implicar simulaciones por computadora del diseño a gran escala. En cualquier diseño complicado, es muy probable que se encuentren problemas en esta etapa y pueden afectar una gran cantidad del trabajo de diseño que se debe rehacer para solucionarlos.
Las pruebas son la contraparte de la verificación en el mundo real; Las pruebas implican 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 funcione para lo que fue diseñado.
En el software del DSD visual, el circuito lógico del circuito complementario se implementa mediante el código del programa de compilación. Este tipo de programas de software están creando circuitos más baratos y eficientes para todo tipo de circuitos. [13] Hemos implementado simulaciones funcionales para verificar funciones lógicas correspondientes a 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 sólo serán más baratos sino que durarán más. Estos son sólo dos de los muchos programas de diseño que ayudan a las personas a planificar sus circuitos para la producción. [14]
La creación de prototipos juega un papel importante en el complejo proceso de diseño de circuitos. Este proceso iterativo implica un continuo refinamiento y corrección de errores. La tarea de diseño de 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 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 provocar 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]
Cada circuito eléctrico comienza con un simulador de placa de circuito de 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 del producto final. Después de todo, una vez hecho esto y utilizando el plano para armar el circuito, obtendrá resultados de circuitos eléctricos que son bastante memorables. El circuito funcionará desde una aspiradora hasta un gran televisor en una sala de cine. Todo esto requiere mucho tiempo y una cierta habilidad que no todos pueden adquirir. El circuito eléctrico es algo que la mayoría de las cosas que necesitamos en nuestra vida diaria.
Cualquier 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 utilizará. Como mínimo, la documentación incluirá normalmente al menos las especificaciones y procedimientos de prueba para el diseño y una declaración de cumplimiento de la normativa vigente. En la UE, este último elemento normalmente tomará la forma de una Declaración CE que enumera las directivas europeas cumplidas y nombra a una persona responsable de su cumplimiento. [17]
