Analoga kretsar: Vad är det?

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?

Analog och digital beskriver hur information representeras, inte om en komponent är fysisk. Analoga signaler varierar kontinuerligt över ett område, medan digitala system tolkar signaler som diskreta tillstånd. Människokroppen kan användas som en lös analogi, men hjärnan är inte bokstavligen en digital komponent.
Både analoga och digitala kretsar är fysiska. De 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 energi från en matning och förstärka signaler; de skapar inte energi. Passivitet och linjäritet är olika egenskaper. Passiva komponenter kan ha linjärt eller olinjärt beteende. Ideala fasta motstånd, kondensatorer och spolar är linjära medan en diod är olinjär. Aktiva komponenter kan ingå i kretsar med ungefär linjärt beteendevid lämplig arbetspunkt och återkoppling, även om själva komponenten är olinjär.

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. Komponenterna används för att styra ström, lagra energi och filtrera signaler. Vi går igenom dem nedan.
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 lagsom 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 på en porslinscylinder eller ett porslinsrör och deras resistansvärde indikeras av färgade band eller av värdet som är tryckt på själva komponenten.

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 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 variationer i en krets, filtrera signaler eller lagra energi för senare användning. De kan alltså lagra energi som redan finns i kretsen och återföra den när den behövs.

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.

Polariserade kondensatorer har en positiv terminal som i vissa typer kallas anoden och en negativ terminal, katoden . Följ alltid komponentens märkning och datablad; benlängd är inte en universell regel. Fel polaritet eller för hög spänning kan orsaka uppvärmning, läckage, bristning eller brand. Även små kondensatorer får inte betraktas som ofarliga. Symbolen för en polariserad kondensator är:
 

Elektrolytkondensatorer är en vanlig polariserad typ; vissa specialelektrolyter är opolariserade. Polariserade typer måste anslutas korrekt. Opolariserade kondensatorer kan vändas åt båda hållen, men gränser för spänning, temperatur och rippelström måste fortfarande följas.

Kondensatorer använder ett dielektrikum som keramik, plastfilm eller ett oxidskikt; tantalkondensatorer använder tantaloxid. Läs kapacitans och märkdata från märkningen eller databladet, inte enbart från storleken. De används för matningsfiltrering, signalkoppling, energilagring, AC/DC-omvandling, timing och signalutjämning. Impedans beskriver kretsens frekvensberoende förhållande mellan spänning och ström, inklusive resistans, reaktans och fas. Det är inte bara vanlig resistans. Vad är då 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 leder huvudsakligen ström i en riktning och används bland annat för likriktning och skydd mot fel polaritet. Diodsymbolen visar anod och katod med ett streck vid katoden; den får inte förväxlas med operationsförstärkarens triangel. Typerna omfattar likriktardioder, Zenerdioder och lysdioder. Vid framåtriktad drift är anoden mer positiv än katoden; rätt anslutning beror på kretsen.

De är konstruerade av halvledarmaterial, såsom kisel eller germanium. Framspänningsfallet är spänningsfallet vid en angiven ström och temperatur. Framströmmen ökar kontinuerligt med spänningen; det finns ingen perfekt tröskel med exakt noll ström under. Vid backriktning flyter normalt en liten läckström. Om märkgränsen för backspänning överskrids kan genombrott och skador uppstå. Zenerdioder är avsedda för kontrollerat genombrott med strömbegränsning.

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 enlikriktare och består vanligtvis av fyra dioder som arbetar tillsammans. Likriktaren omvandlar en AC-signal till en DC-signal. Ett grundläggande exempel 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: Illustrerar en helbrygglikriktare där in- och utsignalen visas för kretsen.

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: Illustrerar kretsen för en helbrygglikriktaresom 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

Aktiva komponenter använder energi från en matning för att styra ström eller ge signalförstärkning; de skapar inte energi. Exempel är transistorer, operationsförstärkare och spänningsregulatorer. De kan förstärka signaler, koppla ström och ingå i signalgeneratorer, signalbehandling och effektstyrning. En aktiv krets kan innehålla flera komponenter, men en helbrygglikriktarenbyggd enbart av dioder blir inte därigenom en aktiv förstärkare.

 

 Transistor

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 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.

•  En BJT kräver basström medan en FET-gate har hög DC-ingångsimpedans. Den faktiska ingångsimpedansen beror på krets och frekvens. Det finns ingen generell regel om att BJT:er har lägre förstärkning eller effektivitet än FET:er; det beror på enhet, arbetspunkt och konstruktion.
• 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 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 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.

Operationsförstärkare visas vanligtvis som en triangel med inverterande och icke-inverterande ingång samt en utgång. Matningsterminalerna måste också anslutas korrekt även om de kan vara utelämnade på en förenklad symbol. Det finns enkelmatnings-, dubbelmatnings- och rail-to-rail-typer. Internt kan de använda bipolära transistorer, FET:er eller båda; förstärkning, brus och andra egenskaper beror på konstruktionen.

Operationsförstärkare används för förstärkning, filtrering, signalomvandling och reglering. Vid komparatoranvändning måste lämpligheten bedömas särskilt. Här fokuserar vi på huvudfunktionerna i stället för de interna kretsarna. (+) och (−) vid signalingångarna betyder icke-inverterande och inverterande ingång, inte positiv och negativ matning. Inom giltigt driftområde gäller en öppen-slinga-ekvation för utgången V_out. 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_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 ingångsskillnad kan driva den verkliga utgången till mättnad. Utgången begränsas av 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. Denna approximation, virtuell kortslutning, följer av oändlig förstärkning i öppen slinga vid ändlig utgång och negativ återkoppling; ingångarna är inte fysiskt kortslutna.

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: den ideala ingångsimpedansen är oändlig. I en verklig krets måste common-mode-område, utgångssving och stabilitet kontrolleras. Det leder till den andra principen.

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 ingången och ut ur den andra. Tillsammans med den villkorliga approximationen av virtuell kortslutning förenklar det analysen med Kirchhoffs lagar i det externa återkopplingsnätverket. Modellen tar dock inte med alla verkliga fel.

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 strömmar och kapacitanser begränsar ändringshastigheten. Stora eller snabba signaler kan bli slew-rate-begränsade även om småsignalbandbredden verkar tillräcklig. Välj efter både amplitud och frekvens.

Bandbredd
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.

Spänningsregulator

En spänningsregulator håller utspänningen nära ett målvärde inom angivna gränser för ingång, last och temperatur. Vissa linjära regulatorer har tre stift för ingång, utgång och jord, men andra stiftantal och externa komponentbehov förekommer. Skyddsfunktioner 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 (pulsbreddsmodulering) eller andra reglermetoder för att stabilisera 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!