Na engenharia elétrica, projeto de circuitos é o processo de conceber circuitos, abrangendo desde sistemas eletrônicos complexos até transistores individuais em um circuito integrado. Em circuitos simples, uma única pessoa frequentemente consegue conduzir todo o processo de projeto sem recorrer a uma metodologia formal ou estruturada. Em projetos mais complexos, porém, são cada vez mais comuns equipes de projetistas que seguem uma abordagem sistemática, apoiada por simulação computacional orientada de forma criteriosa. Na automação de projeto de circuitos integrados, o termo "projeto de circuitos" costuma designar a etapa do ciclo de projeto que produz os esquemas do circuito integrado. Em geral, essa etapa situa-se entre o projeto lógico e o projeto físico.
Processo thumb|Diagrama de circuito de uma aplicação do chip de som Texas Instruments SN76477.
O projeto tradicional de circuitos geralmente envolve várias etapas. Em alguns casos, uma especificação de projeto é elaborada após o levantamento dos requisitos junto ao cliente. Uma proposta técnica pode então ser preparada para atender a esses requisitos. A etapa seguinte consiste na síntese inicial de um diagrama esquemático, isto é, uma representação abstrata do circuito elétrico ou eletrônico capaz de atender às especificações. Em seguida, calculam-se os valores dos componentes necessários para cumprir as condições de operação previstas, e podem ser realizadas simulações para verificar a correção do projeto.
Uma placa de ensaio ou outra versão prototípica do projeto pode ser construída para verificar sua conformidade com a especificação. Os resultados dos ensaios podem levar a alterações no circuito. Também é necessário definir o método de construção, as peças e os materiais que serão utilizados. As informações sobre componentes e leiaute são então encaminhadas a desenhistas técnicos, projetistas de leiaute e engenheiros mecânicos para a produção dos protótipos. Em seguida, um ou mais protótipos passam por testes ou ensaios de tipo para verificar o atendimento aos requisitos do cliente. Por fim, os desenhos de fabricação são normalmente aprovados e liberados, podendo haver serviços posteriores ao projeto, como o gerenciamento da obsolescência de componentes.
Especificação thumb|Microchips
O processo de projeto de circuitos começa com a especificação, que define a funcionalidade que o projeto final deve fornecer, sem determinar necessariamente como ela será implementada. A especificação inicial descreve tecnicamente o que o cliente espera que o circuito final realize e pode incluir diversos requisitos elétricos, como os sinais de entrada e de saída, as fontes de alimentação disponíveis e a potência máxima admissível. Ela também pode — e normalmente o faz — estabelecer parâmetros físicos que o projeto deve atender, como tamanho, peso, resistência à umidade, faixa de temperatura, dissipação térmica, tolerância à vibração e tolerância à aceleração.A. Tajalli et al., "Design trade-offs in ultra-low-power digital nanoscale CMOS", IEEE TCAS-I, 2011.
À medida que o projeto avança, os projetistas frequentemente revisitam a especificação e a ajustam para refletir o desenvolvimento do trabalho. Isso pode envolver tornar mais rigorosos requisitos fornecidos pelo cliente e acrescentar ensaios que o circuito deverá superar para ser aceito. Esses requisitos adicionais costumam ser empregados posteriormente na verificação do projeto. Alterações que entrem em conflito com a especificação original do cliente, ou que a modifiquem de forma substancial, normalmente precisam ser aprovadas antes de serem implementadas.
A identificação correta das necessidades do cliente ajuda a evitar o chamado design creep — a expansão gradual do escopo do projeto —, que pode ocorrer quando as expectativas iniciais não são realistas ou quando a comunicação com o cliente é insuficiente ao longo do desenvolvimento. Em termos de resultado, essa expansão pode levar tanto a um circuito com funcionalidades desnecessárias quanto a um circuito cuja funcionalidade não corresponda ao que era necessário.DeMers, 1997. Ainda assim, algumas mudanças são esperadas durante o desenvolvimento. Por isso, é boa prática manter opções em aberto pelo maior tempo possível, pois normalmente é mais fácil remover posteriormente elementos excedentes do que incorporá-los depois que o projeto já está consolidado.
Projeto thumb|Diagrama de blocos de uma ULA de 4 bits
O processo de projeto transforma a especificação inicial em um plano que reúne todas as informações necessárias à construção física do circuito. Isso normalmente ocorre ao longo de várias etapas, embora, em circuitos simples, possa ser realizado em uma única etapa. O processo geralmente começa com a conversão da especificação em um diagrama de blocos das funções que o circuito deve desempenhar. Nessa fase, não se considera ainda a implementação interna de cada bloco; define-se apenas o que cada um deve fazer. Essa abordagem é por vezes chamada de projeto de "caixa-preta". Ela permite decompor uma tarefa potencialmente muito complexa em tarefas menores, que podem ser tratadas em sequência ou distribuídas entre os integrantes da equipe.
Cada bloco é então analisado com maior detalhamento, ainda em nível abstrato, mas agora com foco nas funções elétricas que deverão ser implementadas. Nessa etapa ou em etapas posteriores, é comum haver necessidade de grande quantidade de pesquisa ou modelagem matemática sobre o que é ou não viável alcançar. Os resultados dessa pesquisa podem ser realimentados para etapas anteriores do processo de projeto; por exemplo, se ficar claro que um dos blocos não pode ser projetado dentro dos parâmetros definidos para ele, pode ser necessário alterar outros blocos. Nesse ponto, também é comum definir como será demonstrado que o projeto atende às especificações e como será testado, o que pode incluir ferramentas de autodiagnóstico.
thumb|Componentes individuais de circuito
Por fim, escolhem-se os componentes eletrônicos individuais responsáveis por cada função do projeto. Nessa etapa também são definidos o leiaute físico e as conexões elétricas de cada componente. Esse leiaute costuma assumir a forma de arte-final destinada à fabricação de uma placa de circuito impresso ou de um circuito integrado. A etapa pode consumir muito tempo devido à grande variedade de alternativas disponíveis. Uma restrição prática importante é a padronização: ainda que os cálculos indiquem determinado valor de componente, o projeto não estará resolvido se esse componente não estiver disponível comercialmente. Por isso, parte do trabalho consiste em selecionar, a partir de catálogos de fornecedores, componentes padronizados que atendam às necessidades do circuito.
De modo geral, o fluxo de projeto pode incluir definição do escopo da arquitetura, seleção de materiais, captura esquemática, projeto do leiaute da placa de circuito impresso com considerações de integridade de potência e de sinal, além de testes e validação.Circuit design services - HIQUOA.
Custos thumb|212x212px|Gráfico comparativo entre transistores de efeito de campo
Em geral, o custo do projeto de um circuito está diretamente relacionado à complexidade do produto final. Quanto maior a complexidade — em número de componentes e grau de novidade —, maior tende a ser o tempo de trabalho necessário para obter um produto funcional. Detalhes aparentemente pequenos podem exigir análises adicionais, materiais e mão de obra, como ocorre ao avaliar os efeitos de alterações nas dimensões dos transistores. Na eletrônica flexível, a substituição de substratos de poliimida, amplamente utilizados, por materiais como PEN ou PET pode reduzir os custos de produção por fatores de 5 a 10.
Os custos de projeto de um circuito são quase sempre muito superiores aos custos de produção por unidade, pois o custo de produção e a função do circuito dependem fortemente do projeto do próprio circuito.
Embora os métodos convencionais de fabricação de placas de circuito impresso sejam predominantemente subtrativos, também existem processos de fabricação aditiva, incluindo técnicas de impressão tridimensional de PCBs. Esses métodos podem reduzir custos em determinadas aplicações e diminuir a geração de resíduos associada à remoção de material.
thumb|220x220px|Gráfico do crescimento anual do número de transistores em circuitos, conhecido como lei de Moore
Verificação e teste Depois que um circuito é projetado, ele deve ser verificado e testado. A verificação consiste em examinar o projeto para confirmar que ele atenderá ao que foi definido na especificação. Em projetos complexos, esse processo pode ser altamente matemático e envolver simulações computacionais de grande escala. Problemas identificados nessa etapa podem exigir a revisão de partes significativas do projeto.
O teste é a contraparte prática da verificação: envolve construir fisicamente pelo menos um protótipo e, com base nos procedimentos de ensaio definidos na especificação ou acrescentados durante o desenvolvimento, confirmar que o circuito executa as funções para as quais foi projetado.
Prototipagem
A prototipagem desempenha papel importante no projeto de circuitos. Trata-se de um processo iterativo de refinamento e correção de erros, no qual diferentes versões do circuito podem ser construídas e testadas antes da fabricação definitiva. Esses ensaios ajudam a avaliar o funcionamento e a segurança do projeto antes que ele seja considerado adequado ao uso pretendido.
A prototipagem também permite identificar falhas que poderiam permanecer ocultas até a produção do produto final. Em equipamentos destinados ao consumidor, essa etapa contribui para que problemas de funcionamento e de segurança sejam detectados antes da disponibilização do produto.
A negligência da prototipagem pode permitir que defeitos permaneçam no produto final. Entre os riscos associados a circuitos defeituosos estão superaquecimento de condutores e incêndios, que podem causar queimaduras ou outros ferimentos.
Resultados Em muitos fluxos de projeto, simuladores de circuitos e de placas de circuito impresso são usados para prever virtualmente o comportamento do circuito e auxiliar na definição de sua montagem antes da fabricação. O desenho técnico registra a implementação planejada e orienta a montagem física. Depois da fabricação e dos ensaios, o circuito pode ser integrado a aplicações que vão de eletrodomésticos a sistemas audiovisuais de grande porte. A obtenção de um resultado funcional depende de tempo de desenvolvimento e conhecimento técnico especializado.
Documentação Qualquer projeto comercial normalmente também inclui um elemento de documentação. A natureza precisa dessa documentação varia de acordo com o tamanho e a complexidade do circuito e com o país em que ele será usado. No mínimo, a documentação costuma incluir a especificação, os procedimentos de teste do projeto e uma declaração de conformidade com a regulamentação aplicável. Na UE, esse último item normalmente assume a forma de uma declaração de conformidade associada à marcação CE, identificando as diretivas europeias atendidas e a pessoa responsável pela conformidade.
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Ver também
Software de projeto de circuitos integrados Linguagem de descrição de hardware Circuito integrado Eletrônica digital Análise de malhas
Referências
Fontes
Diagrama de possível processo de projeto Guia dos Estados Unidos sobre marcação CE Guia do Reino Unido sobre marcação CE Tutorial introdutório para compreender, analisar e projetar circuitos eletrônicos básicos Vladimir Gurevich, Electronic Devices on Discrete Components for Industrial and Power Engineering, CRC Press, London - New York, 2008, 418 p., ISBN 9781420069822.
Categoria:Eletrônica Categoria:Engenharia elétrica Categoria:Circuitos eletrônicos