Elektroniikka tutkii elektronien virtausta ja sen hallintaa sekä sitä, miten sähköisiä ilmiöitä voidaan käyttää tiedon käsittelyyn, ohjaukseen ja energian muuntamiseen. Se käsittelee sähkövirtaa ohjaavista komponenteista muodostuvia piirejä ja perustuu sekä fysiikkaan että sähkötekniikkaan. Elektroniikka yhdistää teoreettisen ymmärryksen ja käytännön suunnittelun: komponenttien ominaisuuksien tunteminen ja niiden yhdistäminen muodostaa toimivia laitteita ja järjestelmiä.

Peruskomponentit voidaan jakaa passiivisiin (esim. vastukset, kondensaattorit, kelat) ja aktiivisiin (esim. diodit, transistorit, integroitu piirit ja operaatiovahvistimet) komponentteihin. Transistorit ja releet toimivat usein kytkiminä tai vahvistimina, eli ne voivat ohjata virtaa, kytkeä piirejä päälle/pois tai vahvistaa heikkoa signaalia. Yhdistämällä komponentteja saadaan aikaan toimintoja kuten suodatus, vahvistus, taajuusmuunnokset ja digitaalinen logiikka.

Sähköpiireissä keskeisiä käsitteitä ovat jännite, virta, resistanssi, kapasitanssi, induktanssi ja impedanssi. Piirien suunnittelussa otetaan huomioon myös häiriöt ja kohina, maadoitus, suojaukset sekä jännitelähteet ja virtalähteiden stabilointi (virtalähteet, regulaattorit, kondensaattorit). Piirin fyysinen toteutus tapahtuu tyypillisesti piirilevyille (PCB), liittimille ja koteloinnille, jotka vaikuttavat esimerkiksi lämmönhallintaan ja sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen.

Useimmat elektroniset järjestelmät voidaan ajatella kahden päätehtävän kautta:

  • Tietojen käsittely ja jakelu. Näitä kutsutaan viestintäjärjestelmiksi.
  • Energian muuntaminen ja jakelu. Näitä kutsutaan ohjausjärjestelmiksi.

Elektronisissa järjestelmissä on usein samankaltaisia lohkoja. Yksi yleinen tapa kuvata järjestelmää on jakaa se kolmeen osaan:

  1. Tulot – fyysisistä ilmiöistä tulevia signaaleja mittaavat anturit, jotka muuttavat esimerkiksi lämpötilan, paineen tai liikkeen sähköisiksi virta- tai jännitesignaaleiksi.
  2. Signaalinkäsittelypiirit – elektronisten komponenttien muodostamat piirit, jotka vahvistavat, suodattavat, muuntavat, koodaavat tai tulkitsevat signaaleja.
  3. Lähdöt – Toimilaitteet ja muut osat, jotka muuntavat virta- ja jännitesignaalit takaisin ihmisen havaitsemiksi tai käytettäviksi toimiksi, kuten näytöiksi, moottoreiksi tai kaiuttimiksi.

Signaalinkäsittely jakautuu usein analogiseen ja digitaaliseen käsittelyyn. Analogiset piirit käsittelevät jatkuvia jännite- ja virta-aaltoja (esim. suodattimet, vahvistimet), kun taas digitaaliset piirit käsittelevät binääristä tietoa (esim. logiikka, prosessorit). Muunnokset näiden välillä tapahtuvat muun muassa ADC- ja DAC-komponenteilla (analoginen–digitaalinen ja digitaalinen–analoginen muunnos). Lisäksi käytetään tekniikoita kuten modulointi/demodulointi, koodaus, suodatus, näytteenotto ja alirajaimuus (anti-aliasing).

Esimerkiksi televisiovastaanotin havainnollistaa kokonaisuutta: vastaanottimen tulo voi olla antennista tai kaapelitelevisiossa kaapelista tuleva lähetyssignaali. Vastaanotettu signaali sisältää tietoa kirkkaudesta, väristä ja äänestä. Vastaanottimen signaalinkäsittelypiirit erottavat ja käsittelevät nämä tiedot ohjatakseen lähtölaitteita: näyttö (esimerkiksi katodisädeputki, plasma tai nestekidenäyttö) muodostaa kuvan käsitellyistä kirkkaus- ja väritiedoista, ja äänilähde (esim. kaiutin) muuntaa äänisignaalin kuulijalle kuultavaksi ääniksi.

Signaalinkäsittelyssä keskeisiä toimintoja ovat:

  • Vahvistus – heikon signaalin voimakkuuden kasvattaminen;
  • Suodatus – taajuuskomponenttien erottelu (esim. matala-, korkea- ja kaistasuotimet);
  • Muunnos – taajuuden, muodon tai koodin muuttaminen (esim. modulointi, ADC/DAC);
  • Stabilointi – häiriöiden ja kohinan vähentäminen sekä signaalin luotettavuuden parantaminen;
  • Mittaus ja valvonta – tiedon keruu ja tilan seuranta ohjauksessa ja diagnostiikassa.

Piirin/verkoston toiminnan analysointi edellyttää syötteen ja signaalinkäsittelypiirin tuntemista sekä ulostulon selvittämistä. Tämä analyysi auttaa ymmärtämään, miten muutokset tuloissa ja piirien parametrien arvoissa vaikuttavat lopputulokseen. Tulon ja lähdön tunteminen sekä signaalinkäsittelyn osan selvittäminen tai suunnittelu on synteesi. Piirin/verkon analysointi edellyttää syötteen ja signaalinkäsittelypiirin tuntemista ja ulostulon selvittämistä.

Suunnittelussa korostuvat myös käytännön osa-alueet: komponenttivalinnat, piirilevyn käyttöjännitteet, lämmönhallinta, EMC- ja turvallisuusvaatimukset sekä testattavuus ja huollettavuus. Opettelemalla mittaustekniikoita (esim. oskilloskooppi, yleismittari, signaaligeneraattori) sekä piirien simulointia ja prototyyppien rakentamista pääsee nopeasti käytännönläheiseen ymmärrykseen siitä, miten teoriassa suunnitellut piirit toimivat todellisessa maailmassa.