Introduktion
De flesta elektroniska enheter fungerar idag med både analoga och digitala komponenter. Vi kommer att fokusera på den analoga aspekten i den här bloggen. Så vad anses vara analogt och vad anses vara digitalt?
För att få en förståelse för analoga komponenter, låt oss jämföra dem med digitala komponenter. Och för detta låt oss överväga människokroppen. Våra fysiska kroppar skulle här vara de analoga komponenterna - våra muskler, organ, skelett etc. Den digitala aspekten av skulle då bestå av de beräkningar vi gör i vår hjärna. Det kan finnas någon som inte håller med, och de kanske har en poäng, men just nu försöker vi bara få en förståelse för de två och hur och varför de fungerar så bra tillsammans.
Vi människor behöver både det analoga, våra kroppar och det digitala, våra hjärnor, för att fungera. Detsamma gäller elektronik. Därför samverkar ofta analoga och digitala komponenter också inom elektronik.
Dessa fysiska analoga komponenter kan delas in i passiva komponenter och aktiva komponenter. Skillnaden mellan passiva och aktiva komponenter i analoga kretsar är deras förmåga att införa energi i en krets. En annan skillnad är vilken typ av beteende de uppvisar i en krets. Passiva komponenter har ett linjärt beteende , vilket innebär att förhållandet mellan in- och utsignalerna är proportionellt. Aktiva komponenter, å andra sidan, har ett icke-linjärt beteende , vilket innebär att förhållandet mellan in- och utsignalerna inte är proportionellt.
Analog kretsdesign används för att designa och utveckla elektroniska kretsar som behandlar kontinuerliga tidssignaler, såsom spänning, ström eller ljudvågor, i ett analogt format. Analog kretsdesign har ett brett utbud av applikationer inom olika industrier, inklusive telekommunikation, kraftelektronik, ljudteknik, biomedicinsk teknik och instrumentering. Några exempel på tillämpningar av analog kretsdesign är:
- Förstärkning: Analoga kretsar används för att förstärka signaler i en mängd olika applikationer, såsom ljudförstärkare, radiofrekvensförstärkare och instrumenteringsförstärkare
- Filtrering: Analoga kretsar kan användas för att filtrera oönskade frekvenser i signaler, till exempel i ljud- eller radiofrekvensfilter
- Strömhantering: Analoga kretsar används i strömhanteringsapplikationer, såsom spänningsregulatorer , för att reglera och stabilisera strömförsörjning för elektroniska enheter
- Sensorgränssnitt: Analoga kretsar används för att kommunicera med sensorer som producerar analoga signaler, såsom temperatursensorer, trycksensorer och ljussensorer
- Datakonvertering: Analoga kretsar används för att konvertera analoga signaler till digitala signaler, till exempel i analog-till-digital-omvandlare (ADC)
Passiva komponenter
I analoga kretsar är passiva komponenter elektroniska komponenter som inte kräver en strömkälla för att fungera. De för inte in energi i en krets, utan manipulerar istället den energi som redan finns i kretsen. Exempel på passiva komponenter inkluderar motstånd, kondensatorer, induktorer/spolar och dioder. Dessa komponenter är grundläggande byggstenar i de flesta analoga kretsar och används för att styra strömflödet, lagra energi, filtrera signaler och utföra såväl andra funktioner. Vi kommer nu att fortsätta med en genomgång av några passiva komponenter.
Symbolen för den givna komponenten visas i början av varje avsnitt.
Motstånd
Ett motstånd är en passiv elektronisk komponent som används i elektriska kretsar för att motstå flödet av elektrisk ström.
Ett motstånd kan minska amplituden hos ström- och spänningssignalerna som strömmar genom eller över den, och används ofta för att reglera strömmen i en krets. Vi har en blogg om Ohms lag som beskriver detta. Om det behövs, kolla in det om du inte redan har gjort det!
Resistorer används också för att avleda energi som värme eller för att ge ett specifikt spänningsfall i en krets. Vi lärde oss om spänningsfall här Kretsteori .
Som visas i bilden ovan representeras motstånd vanligtvis i ett kretsschema av en sicksacksymbol eller av en rektangel och kommer i ett brett spektrum av värden som sträcker sig från några få ohm till flera megaohm - ju större ohmvärde desto högre motståndet. De är konstruerade av material som har hög motståndskraft mot elektrisk ström, såsom kol (grafitfilm) eller metallfilm överlagrat på en porslinscylinder/rör och deras resistansvärde indikeras av färgade band eller av värdet som är tryckt på själva komponenten.
Motstånd spelar en viktig roll i många elektroniska kretsar eftersom de används för att ställa in driftsförhållandena för andra komponenter och förhindra skador på kretsen på grund av för höga strömmar. Ett mycket användbart verktyg! Faktum är att det är så användbart att om vi har en krets utan motstånd så kallar vi den en kortslutning, vilket praktiskt taget betyder att den med största sannolikhet kommer att producera en gnista, den kommer säkerligen inte att leda någon ström, och det skulle möjligen förstöra kretskort också. Precis som i livet behöver du rätt mängd motstånd! Men kommer allt motstånd i en krets bara från motstånd? Detta leder oss vidare till kondensatorer och induktorer.
kondensatorer
En kondensator är en passiv elektronisk komponent som används i kretsar för att lagra elektrisk energi i ett elektriskt fält. Den har effekten att tillfälligt lagra elektrisk laddning och kan användas för att jämna ut fluktuationer i en krets, filtrera signaler eller lagra energi för senare användning. De kan därför användas för att lagra befintlig energi i cirkulation. Denna energi kan sedan användas i kretsen vid behov!
Kondensatorer representeras vanligtvis i ett kretsschema av två parallella plattor och finns tillgängliga i ett brett spektrum av värden. Dessa värden mäts i farad, F. Ju högre värde på F, desto högre kapacitans på kondensatorn och desto större mängd energi kan lagras.
På vissa kondensatorer finns ett positivt ben, som kallas anoden (längre ben) och ett negativt ben, som kallas katoden (kortare ben). Anoden är ansluten till en högre spänning än katoden. Om du kopplar den åt andra hållet, var beredd på att den exploderar! Med små kondensorer är det värsta med det lukten. Det kan lukta ganska illa... Symbolen för denna typ av kondensor är:
Detta kallas också en polariserad kondensator eller en elektrolyt. Inte alla kondensatorer utsätter dig för denna fara, eftersom inte alla är polariserade, men när de är det är det viktigt att inte ansluta dem korrekt! Men med kondensatorer som inte är polariserade är det ingen fara på denna front.
De är gjorda av material med hög dielektricitetskonstant, såsom keramik, plastfilm eller tantal, och deras kapacitansvärde indikeras av det värde som är tryckt på själva komponenten eller av dess fysiska storlek. Kondensatorer används i många elektroniska kretsar, särskilt i applikationer som strömförsörjningsfiltrering, signalkoppling och energilagring. De används också i AC/DC-strömkonvertering och i applikationer som radiofrekvensfiltrering, timing och signalutjämning. Den totala resistansen hos en krets som innehåller kondensatorer och induktorer kallas impedansen. Men vad är en spole?
Spolar
En spole/induktor är en passiv elektronisk komponent som används i kretsar för att lagra energi i ett elektromagnetiskt fält. Spolar har effekten att tillfälligt lagra magnetisk energi och kan användas för att filtrera signaler, lagra energi för senare användning eller generera magnetfält. Spolar finns tillgängliga i ett brett spektrum av värden, från några mikrohenries till flera henries, H.
De är konstruerade av en spole av tråd, såsom koppar, lindad runt en kärna gjord av material med hög magnetisk permeabilitet, såsom järn eller ferrit. Induktansvärdet för en induktor bestäms av ett par saker. Antalet varv i spolen, spolens tvärsnittsarea och typen av kärnmaterial som används tas alla i beaktande för induktansvärdet.
Spolar spelar en viktig roll i många elektroniska kretsar. De används också i applikationer som strömförsörjning och vid konstruktion av transformatorer, motorer och generatorer. Och liksom kondensatorer används dessa även för trådlös teknik som trådlös kraftöverföring!
Dioder
En diod är en passiv elektronisk komponent som används i elektriska kretsar för att tillåta elektrisk ström att flyta i en riktning. Som en enkelriktad gata! Den fungerar som en envägsventil för elektrisk ström och används ofta för att omvandla växelström (AC) till likström (DC) och för att skydda andra komponenter i en krets från skador. Dioder representeras vanligtvis i ett kretsschema av en triangelsymbol med en linje i ena änden och finns i en mängd olika typer, inklusive standarddioder, zenerdioder och lysdioder (LED). Liksom kondensatorn har även dioden två ben, anoden och katoden. Anoden är vanligtvis ansluten till (+)-sidan och katoden till (-)-sidan.
De är konstruerade av halvledarmaterial, såsom kisel eller germanium . Framspänningsfallet är den spänning som behövs för att dioderna ska leda en ström framåt, det vill säga i den riktning som pilen på dess symbol pekar. Om denna tröskel inte nås, flyter ingen ström genom dioden.
Dioder används i applikationer som strömkorrigering, spänningsreglering och signaldetektering. Och som tidigare nämnts används de även i applikationer som att likrikta AC till DC - detta kallas en likriktare och består vanligtvis av fyra dioder som arbetar tillsammans. Denna likriktare omvandlar en AC-signal till en DC-signal, och ett grundläggande exempel på en sådan konstruktion visas nedan, se figur 1. Den röda delen är symbolen för en AC-generator och RL används ofta för att indikera last i en krets . 
Figur 1 : Illustrerar en helbrygglikriktare där in- och utsignalen visas för kretsen.
I figur 1 ser vi att AC-signalen omvandlas till vad som kan antas vara en DC-signal. Vi pratade tidigare om hur kondensatorer kan användas för att jämna ut en signal. Baserat på utgången som avbildas i figur 1, kan det finnas en kondensator inkluderad för att göra just detta. Och ofta är en sådan krets som omvandlar AC till DC konstruerad med en kondensator, se figur 2.
Figur 2 : Illustrerar kretsen för en helbrygglikriktare som inkluderar en kondensator för utjämning av utsignalen.
Dioder används också för att generera fyrkantsvågssignaler och för att skydda andra komponenter i en krets.
Aktiva komponenter
I analoga kretsar är aktiva komponenter elektroniska komponenter som kräver en strömkälla för att fungera. De för in energi i en krets och kan styra strömmen i en krets. Exempel på aktiva komponenter inkluderar transistorer, op-omps och spänningsregulatorer . Till skillnad från passiva komponenter kan aktiva komponenter förstärka signaler, slå på och stänga av strömmen, generera signaler och utföra många andra komplexa funktioner. De spelar en viktig roll i många analoga kretsar, särskilt i applikationer som förstärkning, signalbehandling och effektkontroll. Och ett par aktiva komponenter består av flera komponenter som arbetar tillsammans, som vi såg med helbrygglikriktaren .
Transistor
Symbolen för en BJT (bipolär junction transistor)
C står för samlare
B står för bas
E står för emitter
En transistor är en aktiv elektronisk komponent som används i elektriska kretsar för att förstärka eller byta elektriska signaler. De har effekten att styra strömmen i en krets och kan användas för att förstärka svaga signaler, växla högeffektssignaler eller utföra digitala operationer. Transistorer finns i en mängd olika typer, inklusive bipolära övergångstransistorer (BJT) och fälteffekttransistorer (FET). De är konstruerade av halvledarmaterial, såsom kisel eller germanium, och representeras vanligtvis i ett kretsschema med en symbol som indikerar typen av transistor och i vilken konfiguration den används.
Bipolära kopplingstransistorer (BJT) och fälteffekttransistorer (FET) är två olika typer av transistorer som används i elektroniska kretsar. Även om båda typerna av transistorer utför liknande funktioner, finns det flera viktiga skillnader mellan BJT och FET. Vi kommer att fokusera mer på BJT eftersom vi vill visa den övergripande driften av transistorer i den här bloggen. Men här är några snabba likheter och skillnader mellan de två.
- BJT:er har en låg ingångsimpedans medan FET:er har en mycket hög ingångsimpedans. BJT har en lägre förstärkning än FET, vilket betyder att de inte är lika effektiva på att förstärka signaler som FET.
- BJT:er är polära enheter, vilket innebär att de kräver en specifik flödesriktning, medan FET:er är opolära enheter och kan arbeta med antingen positiv eller negativ spänning på sina terminaler.
- BJT kan hantera högre spänningar än FET, vilket gör dem mer lämpade för användning i högspänningskretsar.
- BJT:er är långsammare än FET:er och har längre kopplingstider (kopplingstid är i grunden hur snabbt komponenten kan reagera på förändringar i spänning).
Både BJT och FET har sina egna fördelar och nackdelar, och valet av vilken typ av transistor som ska användas i en viss applikation beror på ett antal faktorer, inklusive den nödvändiga driftspänningen, förstärkningen, ingångsimpedansen, hastigheten och kostnaden.
BJT
I en bipolär övergångstransistor (BJT) styrs strömflödet genom att anbringa en liten spänning på basterminalen. Denna spänning styr strömmen mellan emitter- och kollektorterminalerna, vilket gör att transistorn kan fungera som en förstärkare eller omkopplare. Så en typisk användning för BJT är att justera basströmmen efter behov. Varför? Vad händer om basspänningen stiger eller sjunker? Grovt sett ökar emitterströmmen för en BJT exponentiellt när bas-emitterspänningen ökar. Mer bas-emitterspänning, oavsett kollektorspänning, betyder mer emitterström. Strömmen som flyter från Collector till Emitter kallas ofta kollektorströmmar och ges som: I c .
Föreställ dig att kollektorn är kopplad till någon slags spänningsgenerator, kanske ett batteri, och att sändaren är kopplad till lasten – det kan vara vad som helst som behöver en elektrisk ström för att fungera. Vi styr strömmen till lasten genom att justera basspänningen! Som en ventil för en kran.
Det finns även andra typer av transistorer, såsom Junction Field-Effect Transistor (JFET) och Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET). Dessa två olika typer av fälteffekttransistorer utför båda liknande funktioner, men det finns några viktiga skillnader mellan JFET och MOSFET, liknande skillnaderna mellan BJT och FET. Men var bara medveten om att det finns många olika typer av transistorer alla för olika applikationer! Transistorer används för att utföra en mängd olika funktioner som förstärkning, switching, digital logik (som vi kommer att ta upp i dessa bloggar: digitala kretsar och mikrokontroller och strömhantering.
Operationsförstärkare (Op-amps)
En operationsförstärkare (op-amp) är en typ av integrerad krets som används som förstärkare i elektriska kretsar. Huvudsyftet är att förstärka små spänningssignaler för att producera en större utspänning och detta används för en mängd olika applikationer inklusive förstärkning, filtrering och signalomvandling.
Op-amps representeras vanligtvis i ett kretsschema med en triangelsymbol med flera ingångs- och utgångsterminaler och finns i en mängd olika typer, inklusive enkelmatnings op-förstärkare, dubbelförsörjning op-förstärkare och rail-to-rail op-förstärkare. Genom den här bloggen får vi en grundläggande förståelse för op-amp, så symbolen för op-amp ovan med två ingångar och en utgång räcker tills vidare. De är konstruerade av en kombination av bipolära och fälteffekttransistorer och är designade för att fungera med mycket hög förstärkning och lågt brus.
Som nämnts används op-amps i ett brett spektrum av applikationer såsom förstärkare, filter, komparatorer och styrkretsar och är en väsentlig komponent i många analoga och blandade signalkretsar. Det finns många olika typer av op-förstärkare, men som med transistorerna har de alla samma huvudfunktion, men för olika tillämpningar. Op-ampen består av några komplexa kretsar. Så låt oss fortsätta med en enkel introduktion till hur op-amps fungerar. Vi kommer inte att diskutera kretsarna som finns i en op-förstärkare, men vi kommer att koncentrera oss på deras huvudfunktioner. Så, som med elektrolytkondensatorn och dioderna, är det viktigt att ansluta de positiva och negativa sidorna till rätt punkter i kretsen. Målet är att förstärka utsignalen, V ut . V out har en ekvation som beskriver denna vinst: 
A i uttrycket ovan är förstärkningsvärdet, och för en ideal op-förstärkare har detta värde ingen gräns. Vad är en idealisk op-amp? En ideal op-förstärkare är en teoretisk modell av en op-amp som har vissa ideala egenskaper. I praktiken kan ingen op-förstärkare uppnå alla dessa idealiska egenskaper, men de är användbara för att förstå beteendet och analysera prestanda hos op-förstärkarkretsar.
Så när vi tittar på ekvationen ovan står det följande: Spänningen V ut beror på skillnaden mellan V in (+) och V in (-). Detta betyder att varje skillnad mellan V i (+) och V i (-) kommer att producera en stor uteffekt. Vad är stort? Hmm, det är det lämpliga värdet för en hög vinst hehe - låt oss säga det för nu. (Inom teknik när du beskriver saker som stora, små, meduim ger det inte mycket konkret information eftersom det är något subjektivt, men vi letar efter en förståelse för op-amps, så vi kommer inte att definiera vad som kategoriseras som stort, medium eller liten).
Vi kommer att gå över två grundläggande principer för en idealisk op-amp som hjälper oss att förstå hur och varför de fungerar.
Första principen
Denna princip förutsätter att vi vill att spänningen för V in (-) och V in (+) ska vara lika. I en idealisk op-amp drar ingångsterminalerna ingen ström, vilket innebär att all ström som flyter in i den positiva (+) ingångsterminalen måste flöda ut ur den negativa (-) ingångsterminalen. Därför, för att hålla strömflödet balanserat och förhindra ström från att flöda in i eller ut ur ingångsterminalerna, måste spänningarna vid de två ingångsterminalerna vara lika.
Om de två inspänningarna inte är lika, finns det en spänningsskillnad över ingångsterminalerna, vilket gör att en ström flyter antingen in i eller ut ur ingångsterminalerna. Detta kan leda till distorsion i utsignalen och kan också göra att op-ampen beter sig oförutsägbart. Så för att bibehålla korrekt funktion och funktionalitet hos op-förstärkaren är det önskvärt att spänningarna vid de två ingångsterminalerna hålls lika, vilket vanligtvis kallas "virtuell kortslutning". Detta för oss till princip två.
Andra principen
Den andra principen säger: Det går ingen ström genom ingångsterminalerna. Så det finns ingen inström i V in (-) eller i V in (+). Detta förenklar saker och ting eftersom vi inte behöver oroa oss för värdet av strömmen in i eller ut ur op-förstärkaren. Så om vi har något som kommer in och något går ut, vet vi att de två värdena är lika. Men varför gör det det enklare? Det är lite komplicerat, men om vi vet att det inte går någon ström till någon av ingångarna, och vi vet att de har samma spänning, blir det så mycket lättare att hantera op-amps. Lita på mig, bror, jag är ingenjör! Okej, så nu har vi tagit upp de två första principerna, som är de viktigaste. Om det är allt vi behöver, så bra. Men eftersom vi har att göra med en idealisk op-förstärkare, står detta inte för många av de verkliga problem som kan uppstå.
Offset spänning
I praktisk användning är V in (-) och V in (+) inte alltid lika, och skillnaden mellan dem kallas Offset Voltage. Denna spänning är vanligtvis väldigt liten och kan därför ignoreras i ens beräkningar – beroende på vilken precision som krävs av den givna op-förstärkaren. Men när du börjar arbeta med op-amps och antar ingen offsetspänning är det helt okej.
Ingångsförspänningsström
Och precis som vi sa att det inte finns någon ström i ingångarna på en ideal op-förstärkare, i praktisk användning är detta vanligtvis inte sant heller. Denna ström kallas Input Bias Current. Liksom offsetspänning kan värdet för Input Bias Current ignoreras på samma sätt, eftersom denna ström vanligtvis är mycket liten.
Svänghastighet
En annan sak att tänka på i praktisk användning är att förstärkningen inte kan ske omedelbart, vilket vi antar att den gör för en idealisk op-förstärkare. Men verkligheten är att vi kan beräkna stig- eller falltiden för dessa spänningar, och dessa tider kallas Slew Rate. För att sammanfatta detta så härrör svänghastigheten från att utgången inte kan generera en oändligt stor ström och därmed ändra spänningen momentant. Det kan helt enkelt inte göras, så vi kan behöva veta Slew Rate-tiden för våra beräkningar beroende på precisionen som krävs för op-amp.
Bandbredd
Det sista att diskutera för de praktiska problemen med en op-förstärkare är bandbredden. För op-amps i AC-kretsar kan vi stöta på bandbreddsproblem. När vi kommer upp till en viss frekvens kanske vår op-amp inte kan hänga med. Så beräkningarna vi gör för den idealiska op-förstärkaren kanske inte matchar vad som händer eftersom op-förstärkaren fungerar utanför sin bandbredd. Det beror på att Slew Rate inte kan hänga med den höga frekvensen, och då fungerar det helt enkelt inte. En annan op-amp med högre bandbredd är då nödvändig eller kanske till och med en helt ny lösning på problemet.
Okej, detta borde vara tillräckligt för att förstå op-amps för nu! Op-amps finns överallt i kretsar, och när vi väl har den här grundläggande förståelsen för op-amps blir de lättare att arbeta med och kommer säkerligen att bli otroligt användbara.
Spänningsregulator
En spänningsregulator är en aktiv elektronisk komponent som används för att upprätthålla en konstant spänningsnivå i en elektrisk krets trots förändringar i belastningen eller inspänningen. Det är en trebent kille. Ett stift för ingång, en utgång och en för jord. Det har effekten att stabilisera spänningen i en krets och kan användas för att skydda andra komponenter från överspännings- eller underspänningsförhållanden.
Spänningsregulatorer finns i en mängd olika typer, inklusive linjära regulatorer, switchande regulatorer och Zenerdiodregulatorer. De är konstruerade av en kombination av transistorer, dioder och andra komponenter.
Linjära regulatorer fungerar genom att styra strömmen i en krets för att bibehålla en konstant utspänning, medan switchade regulatorer använder pulsbreddsmodulering ) för att upprätthålla en konstant utspänning.
Spänningsregulatorer används ofta i applikationer som strömförsörjning, spänningsreferenskretsar och spänningsskyddskretsar.
Okej, nu har vi en bättre förståelse för vad vissa analoga komponenter är gjorda av och hur de påverkar spänningar och strömmar i en krets. Du kan tänka dig att det snabbt kan bli ganska komplext och att det fortfarande finns mycket kvar att lära! Men med denna introduktion till analog kretsdesign har vi blivit smartare, och vi kan bygga vidare på det och utöka vår förståelse för elektronik!
