Introduktion

De flesta elektroniska enheter idag använder analoga och digitala komponenter tillsammans.
Analog och digital beskriver hur information representeras, inte om en komponent är fysisk. Analoga signaler varierar kontinuerligt över ett område; digitala system tolkar signaler som diskreta tillstånd. Människokroppen kan vara en lös analogi, men hjärnan är inte bokstavligen en digital komponent. Både analoga och digitala kretsar är fysiska och arbetar ofta tillsammans: en sensor ger en analog spänning, en ADC omvandlar den till tal och en processor behandlar talen.

Analoga kretsar använder både passiva och aktiva komponenter. Passiva komponenter omvandlar eller lagrar energi utan effektförstärkning. Aktiva enheter kan styra effekt från en matning och förstärka signaler; de skapar inte energi.
Passivitet och linjäritet är olika egenskaper. Ideala fasta motstånd, kondensatorer och spolar är linjära, medan en diod är olinjär trots att den ofta klassificeras som passiv. Aktiva enheter som transistorer är olinjära, men kretsar med återkoppling kan arbeta ungefär linjärt inom ett angivet område. Läs mer om linjärt och olinjärt beteende här!

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

Passiva komponenter ger inte effektförstärkning: de omvandlar energi eller lagrar och återför energi från kretsen. Motstånd, kondensatorer och spolar är standardexempel; dioder räknas ofta som passiva olinjära enheter, även om terminologin varierar. De styr ström, lagrar energi och filtrerar signaler. Följande avsnitt går igenom komponenterna och visar deras kretssymboler.

Motstånd

Ett motstånd är en passiv komponent som motverkar ström. Dess kretssymbol visas nedan.

Den kan minska amplituden hos ström- och spänningssignaler och används ofta för att reglera strömmen i en krets. Minns vår genomgång av Ohms lag. Läs inlägget om du inte redan har gjort det! Motstånd används också för att omvandla energi till värme eller skapa ett visst spänningsfall i kretsen. Vi lärde oss om spänningsfall här: Kretsteori. 

Som bilden ovan visar representeras motstånd normalt av en sicksack eller rektangel i scheman och finns från några ohm till flera megaohm. Ett högre ohmvärde betyder högre resistans. De tillverkas av material med hög elektrisk resistans, som kol eller metallegeringar. Värdet anges med färgband eller tryckt text, vilket också visas på bilden.

Motstånd bestämmer driftsförhållanden och begränsar ström för att skydda komponenter. En kortslutning är en oavsiktlig väg med låg resistans; den kan ge farligt stor ström, begränsad av matning och ledningar, samt orsaka värme och skador. Den betyder inte att strömmen stannar. Ledningar och andra komponenter har också resistans, och kondensatorer och spolar ger dessutom frekvensberoende reaktans.

Kondensatorer

En kondensator är en passiv elektronisk komponent som lagrar elektrisk energi i ett elektriskt fält. Den lagrar laddning tillfälligt och kan jämna ut variationer, filtrera signaler eller lagra energi för senare användning.
Den är som ett litet energilager i kretsen som kan användas vid behov!

Kondensatorer visas normalt som två parallella plattor med ett mellanrum och finns i värden från några pikofarad till flera mikrofarad, F. Ett högre värde betyder högre kapacitans.

Polariserade kondensatorer måste anslutas enligt tillverkarens angivna polaritet och märkspänning. Benlängden kan hjälpa på vissa komponenter, men märkning och datablad är avgörande. Omvänd spänning eller överspänning kan orsaka värme, läckage, bristning eller brand; betrakta aldrig en liten kondensator som ofarlig. Symbolen för en polariserad kondensator är:

Elektrolytkondensatorer är en vanlig polariserad typ; vissa specialelektrolyter är konstruerade som opolariserade.
Opolariserade kondensatorer kan vändas åt båda hållen, men deras spännings-, temperatur- och rippelgränser gäller fortfarande.

Kondensatorer använder ett dielektrikum som keramik, plastfilm eller ett oxidskikt; tantalkondensatorer använder tantaloxid. Läs kapacitans, märkspänning och andra gränser från märkningen eller databladet, inte enbart från storleken.

Kondensatorer används särskilt för matningsfiltrering, signalkoppling och energilagring. De används också för AC/DC-omvandling, radiofrekvensfiltrering, timing och signalutjämning.
Det frekvensberoende motståndet i kondensatorer och spolarbeskrivs med impedans. Impedans kombinerar resistans och reaktans och omfattar fasinformation; det är inte bara vanlig resistans.

Spolar

En spole är en passiv elektronisk komponent som lagrar energi i ett elektromagnetiskt fält. Den lagrar magnetisk energi tillfälligt och används för filtrering, energilagring eller för att skapa magnetfält.

Spolar visas normalt med en spolsymbol och finns i värden från några mikrohenry till flera henry.

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 är viktiga i många kretsar, särskilt för filtrering, energilagring och magnetfält. De används också i strömförsörjningar och vid konstruktion av transformatorer, motorer och generatorer. Precis som kondensatorer används de för trådlös kraftöverföring!

Dioder

En diod är en passiv elektronisk komponent som huvudsakligen tillåter ström i en riktning, som en enkelriktad gata. Den fungerar som en envägsventil och används ofta för att omvandla växelström (AC) till likström (DC), skydda andra komponenter mot omvänd spänning eller likrikta signaler.

Diodens symbol visar anod och katod med ett streck vid katoden. Förväxla den inte med operationsförstärkarens triangel. Typerna omfattar likriktardioder, Zenerdioder och lysdioder. Vid framåtriktad drift är anoden mer positiv än katoden; rätt anslutning beror på kretsen. 

Dioder använder halvledare som kisel eller germanium. Framströmmen ökar kontinuerligt med spänningen; det finns ingen perfekt tröskel med exakt noll ström under. Angiven framspänning gäller vid en viss ström och temperatur. I backriktning är katoden mer positiv än anoden och en liten läckström flyter normalt. Om märkgränsen för backspänning överskrids kan genombrott och skador uppstå. Zenerdioder är avsedda för kontrollerat genombrott med strömbegränsning.  

Dioder används för effektlikriktning, spänningsreglering och signaldetektering. Som nämnts används de för att likrikta AC till DC; en diodlikriktare består ofta av fyra dioder som arbetar. Likriktaren omvandlar en AC-signal till en DC-signal. En grundläggande krets med ingång och utgång visas nedan i figur 1. Den röda delen är symbolen för en AC-generator och R_L används ofta för att beteckna lasten i en krets.

Figur 1: Visar grundkretsen för en helbrygglikriktare.

En brygglikriktare omvandlar AC till en enkelriktad men pulserande utgång. En glättningskondensator laddas nära topparna och försörjer lasten mellan dem så att ripplet minskar. Om en kondensator finns måste avgöras från schemat, inte enbart från en stiliserad kurva. Figur 2 visar den tillagda kondensatorn.

Figur 2: Visar helbrygglikriktaren med en kondensator för att jämna ut utgången.

Besök denna sida för att lära dig mer om likriktaren.

Dioder används också för att skapa fyrkantsvågor och skydda andra komponenter mot spänningstoppar eller omvänd spänning. De kan alltså både skydda och bidra med andra funktioner!

Aktiva komponenter

Aktiva komponenter använder energi från en matning för att styra ström eller ge signalförstärkning; de skapar inte energi. Exempel är transistorer, operationsförstärkare och regulator-IC:er. De kan förstärka signaler, koppla ström och ingå i signalgeneratorer, signalbehandling och effektstyrning. En aktiv krets kan innehålla flera komponenter som arbetar men en brygglikriktare med enbart dioder blir inte därigenom en aktiv förstärkare. 

Transistorer

Symbolen för en BJT (bipolär transistor)
C står för kollektor
B står för bas
E står för emitter

En transistor är en aktiv elektronisk komponent som förstärker eller kopplar elektriska signaler. Den styr ström och kan förstärka svaga signaler, koppla högeffektssignaler eller utföra digitala operationer.

Det finns många typer, bland annat bipolära transistorer (BJT:er) och fälteffekttransistorer (FET:er). De tillverkas av halvledare som kisel eller germanium och visas normalt med en symbol som anger typen och konfigurationen.

BJT:er och FET:er är två olika transistortyper som används i elektronik. Båda har liknande funktioner som förstärkning och koppling, men det finns viktiga skillnader.
Vi fokuserar mest på BJT:er för att visa transistorernas övergripande funktion.
Här är några korta likheter och skillnader mellan dem.

• En BJT kräver basström, medan en FET-gate har hög DC-ingångsimpedans; faktisk ingångsimpedans beror på krets och frekvens.
  Det finns ingen universell regel om att BJT:er har lägre förstärkning eller förstärkningseffektivitet än FET:er. Förstärkningen beror på enhet, arbetspunkt och krets.
• Både BJT:er och FET:er har polaritets- och spänningsgränser. FET-terminaler kan inte fritt bytas och gränserna för MOSFET-gatens oxid måste följas.
• Spänningståligheten bestäms av den enskilda enhetens märkdata; högspänningsenheter finns i båda familjerna.
• Kopplingshastigheten beror på enhetens konstruktion, drivkretsar och driftsförhållanden, inte bara på om den är en BJT eller FET.

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 BJT styrs strömmen genom att lägga en liten spänning vid basen. Det styr strömmen mellan emitter och kollektor så att transistorn kan fungera som förstärkare eller brytare.

I en BJT i det framåtaktiva området beror kollektorströmmen ungefär exponentiellt på bas-emitterspänningen, och basström måste också tillföras. Sambandet gäller inte utan förbehåll vid mättnad eller genombrott; kollektor-emitterspänning och märkdata spelar roll. Kollektorström betecknas I_c.

En BJT kan styra ström genom en last, men placering och biasnätverk beror på kretstopologin. Ordna lämplig basströmbegränsning och följ gränser för spänning, ström och effektförlust. Ventilanalogin är bara en illustration av styrningen.

Det finns också junction-fälteffekttransistorer (JFET:er) och metall-oxid-halvledar-fälteffekttransistorer (MOSFET:er). Båda har liknande funktioner som förstärkning och koppling men viktiga skillnader, som mellan BJT och FET. Kom ihåg att många transistortyper är avsedda för olika användningar!

Transistorer används för förstärkning, koppling och digital logik, som vi går igenom i dessa bloggar: digitala kretsar och mikrokontroller) och effektstyrning.

Operationsförstärkare (Op-amps)

En operationsförstärkare, op-amp, är en integrerad krets som används som förstärkare med hög förstärkning. Huvudsyftet är att förstärka små spänningssignaler till en större utspänning. Den används bland annat för förstärkning, filtrering och signalomvandling.

Operationsförstärkare visas normalt som en triangel med flera in- och utgångsterminaler. Det finns enkelmatnings-, dubbelmatnings- och rail-to-rail-typer. Här söker vi en grundläggande förståelse, så symbolen ovan med två ingångar och en utgång räcker för tillfället.

Operationsförstärkare kan använda bipolära transistorer, FET:er eller blandade interna kretsar. Förstärkning, brus och andra egenskaper beror på konstruktionen.

Operationsförstärkare utför förstärkning, filtrering, signalomvandling och styrning. De används i förstärkare, filter, komparator- och reglerkretsar och är viktiga i analoga och blandade signalkretsar. Det finns många typer med samma grundfunktion för olika tillämpningar. Lämplighet för komparatorbruk måste bedömas särskilt.

Operationsförstärkaren består av relativt komplexa kretsar. Vi fortsätter med en enkel introduktion till hur den fungerar och fokuserar på huvudfunktionerna i stället för de interna kretsarna.

Anslut matningsstiften korrekt. (+) och (−) vid signalingångarna betyder icke-inverterande och inverterande ingång, inte positiv och negativ matning. Inom giltigt driftområde är sambandet i öppen slinga för utgången V_out. V_out följande:
 

A är här förstärkningsvärdet, gain, som är obegränsat för en ideal operationsförstärkare. En ideal operationsförstärkare är en teoretisk modell med vissa ideala egenskaper. Ingen verklig enhet uppfyller alla, men modellen hjälper oss att förstå beteendet och analysera kretsarnas prestanda.

Ekvationen säger att utgången V_out är förstärkningen i öppen slinga gånger skillnaden mellan V_in (+) och V_in (−). Ingångsskillnaden är skillnaden mellan V_in (+) och V_in (−). Hög förstärkning i öppen slinga innebär att även en liten differens kan driva den verkliga utgången till mättnad. Utgången kan inte överskrida gränserna för matning och utgångssving. Negativ återkoppling används normalt för att bestämma en användbar förstärkning i sluten slinga.

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
För en ideal operationsförstärkare som arbetar linjärt med stabil negativ återkoppling är spänningarna V_in (−) och V_in (+) lika i det ideala gränsfallet.
Approximationen virtuell kortslutning följer av oändlig förstärkning i öppen slinga vid ändlig utgång och negativ återkoppling. Ingångarna är inte fysiskt anslutna.
Approximationen gäller inte för en komparator i öppen slinga, en mättad utgång eller instabil återkoppling. En spänningsskillnad mellan ideala ingångar tvingar inte in ström i dem; deras ideala ingångsimpedans är oändlig.
För en verklig operationsförstärkare kan hög men ändlig förstärkning göra differensingången liten i en korrekt konstruerad linjär återkopplingskrets. Kontrollera common-mode-område, utgångssving och stabilitet innan approximationen används.
Det leder 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 (+). Varje ideal ingångsström är noll oberoende av den andra; ström går inte in i den ena och ut ur den andra. Tillsammans med den villkorliga approximationen av virtuell kortslutning förenklar det kretsanalysen med Kirchhoffs lagar i det externa återkopplingsnätverket.
Vi har nu gått igenom de två viktigaste principerna. Om det är allt vi behöver räcker det, men en ideal modell tar inte hänsyn till många verkliga problem.

Offset spänning
I praktisk användning är V_in (-) och V_in (+) kan kräva en liten kompenserande differensspänning för att få avsedd nollutgång. Ingångsoffsetspänning modellerar detta ingångsrefererade fel; det är inte bara varje uppmätt skillnad mellan ingångarna. Ta med offset och drift i felbudgeten när noggrannheten är viktig.

Ingångsförspänningsström
Verkliga ingångar drar biasströmmar. Strömmarna skapar spänningsfel över käll- och återkopplingsmotstånd. Betydelsen beror på förstärkaren, motståndsvärdena och noggrannhetskravet; de kan inte alltid försummas.

Slew rate
Slew rate är den maximala ändringshastigheten för utgångsspänningen, vanligtvis i V/µs. Det är en lutning, inte en stig- eller falltid.
Interna laddningsströmmar och kapacitanser begränsar utgångens ändringshastighet. Stora eller snabba signaler kan bli slew-rate-begränsade även om småsignalbandbredden verkar tillräcklig. Välj en enhet för den amplitud och frekvens som krävs.
 

Bandbredd
En annan praktisk begränsning är småsignalbandbredden.
Förstärkning i sluten slinga och frekvensrespons beror på operationsförstärkarens gain-bandwidth-egenskaper och återkopplingsnätverk. Småsignalbandbredd och slew rate vid stora signaler är olika begränsningar. Om någon överskrids kan dämpning eller distorsion uppstå. Kontrollera båda samt stabilitet och lastkrav.

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.

Spänningsregulatorer

En spänningsregulator håller ett målutvärde inom angivna gränser för ingång, last och temperatur. Vissa välkända linjära regulatorer har tre stift, men andra stiftantal och externa komponentbehov förekommer. Skyddsfunktionerna varierar; reglering garanterar inte skydd mot alla över- eller underspänningar.

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 styr ett serieelement och omvandlar spänningsskillnaden mellan ingång och utgång till värme. Switchade regulatorer överför energi genom kopplade komponenter och använder ofta pulsbreddsmodulering eller andra reglermetoder för att reglera utspänningen.

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!