Introduktion

De fleste elektroniske enheder i dag bruger analoge og digitale komponenter, der arbejder sammen.
Analog og digital beskriver, hvordan information repræsenteres, ikke om en komponent er fysisk. Analoge signaler varierer kontinuerligt over et område; digitale systemer fortolker signaler som diskrete tilstande. Menneskekroppen kan være en løs analogi, men hjernen er ikke bogstaveligt en digital komponent. Både analoge og digitale kredsløb er fysiske og arbejder ofte sammen: En sensor giver en analog spænding, en ADC omsætter den til tal, og en processor behandler tallene.

Analoge kredsløb bruger både passive og aktive komponenter. Passive komponenter omsætter eller lagrer energi uden effektforstærkning. Aktive enheder kan styre energi fra en forsyning og forstærke signaler; de skaber ikke energi.
Passivitet og linearitet er forskellige egenskaber. Ideelle faste modstande, kondensatorer og spoler er lineære, mens en diode er ikke-lineær, selv om den ofte klassificeres som passiv. Aktive enheder som transistorer er ikke-lineære, men kredsløb med tilbagekobling kan arbejde tilnærmelsesvis lineært inden for et bestemt område. Læs mere om lineær og ikke-lineær adfærd her!

Analogt kredsløbsdesign bruges til at designe og udvikle elektroniske kredsløb, der behandler kontinuerlige tidssignaler, såsom spænding, strøm eller lydbølger, i et analogt format. Analog kredsløbsdesign har en bred vifte af applikationer i forskellige brancher, herunder telekommunikation, effektelektronik, lydteknik, biomedicinsk teknik og instrumentering. Nogle eksempler på anvendelser af analogt kredsløbsdesign er:

• Forstærkning: Analoge kredsløb bruges til at forstærke signaler i en lang række applikationer, såsom lydforstærkere, radiofrekvensforstærkere og instrumenteringsforstærkere
• Filtrering: Analoge kredsløb kan bruges til at filtrere uønskede frekvenser i signaler, såsom i lyd- eller radiofrekvensfiltre
• Strømstyring: Analoge kredsløb bruges i strømstyringsapplikationer, såsom spændingsregulatorer , til at regulere og stabilisere strømforsyninger til elektroniske enheder
• Sensorgrænseflade: Analoge kredsløb bruges til at kommunikere med sensorer, der producerer analoge signaler, såsom temperatursensorer, tryksensorer og lyssensorer
• Datakonvertering: Analoge kredsløb bruges til at konvertere analoge signaler til digitale signaler, såsom i analog-til-digital-konvertere (ADC'er)

Passive komponenter

Passive komponenter giver ikke effektforstærkning: De omsætter energi eller lagrer og tilbageleverer energi fra kredsløbet. Modstande, kondensatorer og spoler er standardeksempler; dioder regnes ofte som passive, ikke-lineære enheder, selv om terminologien varierer. De styrer strøm, lagrer energi og filtrerer signaler. De følgende afsnit gennemgår komponenterne og viser deres kredsløbssymboler.

Modstande

En modstand er en passiv komponent, som modvirker strøm. Dens kredsløbssymbol vises nedenfor.

Den kan reducere amplituden af strøm- og spændingssignaler og bruges ofte til at regulere strømmen i et kredsløb. Husk vores gennemgang af Ohms lov. Læs indlægget, hvis du ikke allerede har gjort det! Modstande bruges også til at omsætte energi til varme eller skabe et bestemt spændingsfald i kredsløbet. Vi lærte om spændingsfald her: Kredsløbsteori. 

Som vist ovenfor repræsenteres modstande normalt med zigzag eller et rektangel i diagrammer og fås fra få ohm til flere megaohm. En højere ohmværdi betyder større modstand. De fremstilles af materialer med høj elektrisk modstand, såsom kulstof eller metallegeringer. Værdien angives med farvebånd eller trykt tekst, som også vist på billedet.

Modstande fastlægger driftsbetingelser og begrænser strøm for at beskytte komponenter. En kortslutning er en utilsigtet vej med lav modstand; den kan give en farligt stor strøm begrænset af forsyning og ledninger samt medføre varme og skader. Den betyder ikke, at strømmen stopper. Ledninger og andre komponenter har også modstand, og kondensatorer og spoler giver desuden frekvensafhængig reaktans.

kondensatorer

En kondensator er en passiv elektronisk komponent, som lagrer elektrisk energi i et elektrisk felt. Den lagrer midlertidigt ladning og kan udjævne udsving, filtrere signaler eller lagre energi til senere brug.
Den er som et lille energilager i kredsløbet, som kan bruges efter behov!

Kondensatorer vises normalt med to parallelle plader adskilt af et mellemrum og fås i værdier fra få picofarad til flere mikrofarad, F. En højere værdi betyder højere kapacitans.

Polariserede kondensatorer skal tilsluttes med den polaritet og mærkespænding, producenten angiver. Benlængden kan hjælpe på nogle komponenter, men mærkningen og databladet er afgørende. Forkert polaritet eller overspænding kan give varme, lækage, brud eller brand; betragt aldrig en lille kondensator som ufarlig. Symbolet for en polariseret kondensator er:

Elektrolytkondensatorer er en almindelig polariseret type; nogle særlige elektrolytter er konstrueret som upolariserede.
Upolariserede kondensatorer kan vendes begge veje, men deres spændings-, temperatur- og ripplegrænser gælder stadig.

Kondensatorer bruger et dielektrikum som keramik, plastfilm eller et oxidlag; tantal-kondensatorer bruger tantaloxid. Læs kapacitans, mærkespænding og andre grænser i mærkningen eller databladet, ikke alene ud fra størrelsen.

Kondensatorer bruges især til forsyningsfiltrering, signalkobling og energilagring. De indgår også i AC/DC-konvertering, radiofrekvensfiltrering, timing og signaludjævning.
Den frekvensafhængige modvirkning i kondensatorer og spolerbeskrives med impedans. Impedans kombinerer resistans og reaktans og omfatter faseinformation; det er ikke blot almindelig modstand.

Spoler

En spole er en passiv elektronisk komponent, der lagrer energi i et elektromagnetisk felt. Den lagrer magnetisk energi midlertidigt og bruges til filtrering, energilagring eller dannelse af magnetfelter.

Spoler vises normalt med et spolesymbol og fås i værdier fra få mikrohenry til flere henry.

De er konstrueret af en trådspole, såsom kobber, viklet rundt om en kerne lavet af materialer med høj magnetisk permeabilitet, såsom jern eller ferrit. Induktansværdien af en induktor bestemmes af et par ting. Antallet af drejninger i spolen, spolens tværsnitsareal og den anvendte type kernemateriale tages alle i betragtning for induktansværdien.

Spoler er afgørende i mange kredsløb, især til filtrering, energilagring og magnetfelter. De bruges også i strømforsyninger og ved konstruktion af transformatorer, motorer og generatorer. Ligesom kondensatorer bruges de til trådløs strømoverførsel!

Dioder

En diode er en passiv elektronisk komponent, som hovedsageligt tillader strøm i én retning, ligesom en ensrettet gade. Den fungerer som en envejsventil og bruges ofte til at omsætte vekselstrøm (AC) til jævnstrøm (DC), beskytte andre komponenter mod forkert polaritet eller ensrette signaler.

Diodens symbol viser anode og katode med en streg ved katoden. Forveksl det ikke med op-ampens trekant. Typer omfatter ensretterdioder, Zener-dioder og LED’er. I fremadgående drift er anoden mere positiv end katoden; den korrekte forbindelse afhænger af kredsløbet. 

Dioder bruger halvledere som silicium eller germanium. Fremadstrømmen stiger kontinuerligt med spændingen; der er ingen perfekt tærskel med præcis nul strøm under. Den angivne fremadspænding gælder ved en bestemt strøm og temperatur. I spærreretningen er katoden mere positiv end anoden, og der løber normalt en lille lækstrøm. Overstiges mærkeværdien for spærrespænding, kan der ske gennembrud og skade. Zener-dioder er beregnet til kontrolleret gennembrud med strømbegrænsning.  

Dioder bruges til effektensretning, spændingsregulering og signaldetektion. Som nævnt bruges de til at ensrette AC til DC; en diodeensretter består ofte af fire dioder arbejder. Ensretteren omsætter et AC-signal til et DC-signal. Et grundlæggende kredsløb med indgang og udgang vises nedenfor i figur 1. Den røde del er symbolet for en AC-generator, og R_L bruges ofte til at angive load i et kredsløb.

Figur 1: Viser grundkredsløbet for en broensretter.

En broensretter omsætter AC til et ensrettet, men pulserende output. En udjævningskondensator oplades nær toppene og forsyner belastningen mellem dem, så ripplen mindskes. Om der er en kondensator, skal afgøres ud fra diagrammet og ikke alene fra en stiliseret kurve. Figur 2 viser den tilføjede kondensator.

Figur 2: Viser broensretteren med en kondensator til udjævning af outputtet.

Besøg denne side for at lære mere om ensretteren.

Dioder bruges også til at danne firkantbølger og beskytte andre komponenter mod spændingsspidser eller forkert polaritet. De kan altså både beskytte og bidrage med andre funktioner!

Aktive komponenter

Aktive komponenter bruger energi fra en forsyning til at styre strøm eller give signalforstærkning; de skaber ikke energi. Eksempler er transistorer, op-amps og regulator-IC’er. De kan forstærke signaler, koble strøm og indgå i signalgeneratorer, signalbehandling og effektstyring. Et aktivt kredsløb kan indeholde flere komponenter arbejder men en broensretter med kun dioder bliver ikke dermed en aktiv forstærker. 

Transistorer

Symbolet for en BJT (bipolar junction transistor)
C står for collector
B står for base
E står for emitter

En transistor er en aktiv elektronisk komponent, som forstærker eller kobler elektriske signaler. Den styrer strømmen og kan forstærke svage signaler, koble højeffektsignaler eller udføre digitale operationer.

Der findes mange typer, blandt andet bipolære transistorer (BJT’er) og felteffekttransistorer (FET’er). De fremstilles af halvledere som silicium eller germanium og vises normalt med et symbol, der angiver typen og konfigurationen.

BJT’er og FET’er er to forskellige transistortyper, der bruges i elektronik. Begge udfører lignende funktioner som forstærkning og switching, men der er væsentlige forskelle.
Vi fokuserer mest på BJT’er for at vise transistorernes overordnede funktion.
Her er dog nogle korte ligheder og forskelle mellem dem.

• En BJT kræver basestrøm, mens en FET-gate har høj DC-indgangsimpedans; den faktiske indgangsimpedans afhænger af kredsløbet og frekvensen.
  Der er ingen universel regel om, at BJT’er har lavere gain eller lavere forstærkningseffektivitet end FET’er. Gain afhænger af enhed, bias og kredsløb.
• Både BJT’er og FET’er har polaritets- og spændingsgrænser. FET-terminaler kan ikke frit byttes om, og MOSFET-gatens oxidgrænser skal overholdes.
• Spændingsevnen bestemmes af den konkrete enheds mærkeværdier; der findes højspændingsenheder i begge familier.
• Skiftehastigheden afhænger af enhedens opbygning, driverkredsløb og driftsbetingelser, ikke alene af om den er en BJT eller FET.

Både BJT'er og FET'er har deres egne fordele og ulemper, og valget af, hvilken type transistor der skal bruges i en bestemt applikation, afhænger af en række faktorer, herunder den krævede driftsspænding, forstærkning, indgangsimpedans, hastighed og omkostninger.

BJT

I en BJT styres strømmen ved at påtrykke en lille spænding ved basen. Det styrer strømmen mellem emitter og kollektor, så transistoren kan fungere som forstærker eller kontakt.

I en BJT i det fremadaktive område afhænger kollektorstrømmen tilnærmelsesvis eksponentielt af base-emitterspændingen, og der skal også tilføres basestrøm. Forholdet gælder ikke ukvalificeret ved mætning eller gennembrud; kollektor-emitterspænding og mærkeværdier har betydning. Kollektorstrøm betegnes I_c.

En BJT kan styre strøm gennem en belastning, men placeringen og biasnetværket afhænger af kredsløbets topologi. Sørg for passende basestrømbegrænsning og overhold grænser for spænding, strøm og effekttab. Ventilanalogien er kun en illustration af styringen.

Der findes også junction-felteffekttransistorer (JFET’er) og metal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer (MOSFET’er). Begge har lignende funktioner som forstærkning og switching, men vigtige forskelle, ligesom mellem BJT og FET. Vær blot opmærksom på, at mange transistortyper er beregnet til forskellige anvendelser!

Transistorer bruges til forstærkning, switching, digital logik, som vi gennemgår i disse blogs: digitale kredsløb og mikrocontroller) og effektstyring.

Operations-forstærkere (Op-amps)

En operationsforstærker, op-amp, er en integreret kreds, der bruges som forstærker med højt gain. Hovedformålet er at forstærke små spændingssignaler til en større udgangsspænding. Den bruges blandt andet til forstærkning, filtrering og signalkonvertering.

Op-amps vises normalt med en trekant med flere indgangs- og udgangsterminaler. Der findes enkeltforsynings-, dobbeltforsynings- og rail-to-rail-typer. Her søger vi en grundlæggende forståelse, så symbolet ovenfor med to indgange og én udgang er tilstrækkeligt for nu.

Op-amps kan bruge bipolære transistorer, FET’er eller blandede interne kredsløb. Gain, støj og andre egenskaber afhænger af konstruktionen.

Op-amps udfører forstærkning, filtrering, signalkonvertering og styring. De bruges i forstærkere, filtre, komparator- og reguleringskredsløb og er centrale i analoge og blandede signalkredsløb. Der findes mange typer med samme grundfunktion til forskellige anvendelser. Egnethed til komparatorbrug skal vurderes særskilt.

Op-ampen består af forholdsvis komplekse kredsløb. Vi fortsætter med en enkel introduktion til virkemåden og fokuserer på hovedfunktionerne i stedet for dens indre kredsløb.

Forbind forsyningsbenene korrekt. (+) og (−) ved signalindgangene betyder ikke-inverterende og inverterende indgang, ikke positiv og negativ forsyning. Inden for det gyldige driftsområde er åben-sløjfe-forholdet for udgangen V_out. V_out følgende:
 

A er her forstærkningsværdien, gain, som er ubegrænset for en ideel op-amp. En ideel op-amp er en teoretisk model med bestemte ideelle egenskaber. Ingen virkelig op-amp opfylder alle disse, men modellen hjælper os med at forstå adfærd og analysere kredsløbenes ydeevne.

Ligningen siger, at udgangen V_out er åben-sløjfe-forstærkningen gange forskellen mellem V_in (+) og V_in (−). Indgangsforskellen er forskellen mellem V_in (+) og V_in (−). Et højt åben-sløjfe-gain betyder, at selv en lille differens kan drive den virkelige udgang i mætning. Udgangen kan ikke overskride forsynings- og udgangssvinggrænserne. Negativ tilbagekobling bruges normalt til at fastlægge et nyttigt lukket-sløjfe-gain.

Vi vil gennemgå 2 grundlæggende principper for en ideel op-amp, der hjælper os med at forstå, hvordan og hvorfor de fungerer.

Første princip
For en ideel op-amp, der arbejder lineært med stabil negativ tilbagekobling, er spændingerne V_in (−) og V_in (+) ens i den ideelle grænse.
Virtual-short-tilnærmelsen følger af uendeligt åben-sløjfe-gain ved endeligt output og negativ tilbagekobling. Indgangene er ikke fysisk forbundet.
Tilnærmelsen gælder ikke for en åben-sløjfe-komparator, mættet udgang eller ustabil tilbagekobling. En spændingsforskel mellem ideelle indgange tvinger ikke strøm ind i dem; deres ideelle indgangsimpedans er uendelig.
For en virkelig op-amp kan højt, men endeligt gain gøre differensindgangen lille i et korrekt konstrueret lineært tilbagekoblingskredsløb. Kontrollér common-mode-område, udgangssving og stabilitet, før tilnærmelsen bruges.
Det fører os til princip to.

Andet princip
Det andet princip siger: Der er ingen strøm gennem inputsterminalerne. Så der er ingen indgangsstrøm i V_in (-) eller i V_in (+). Hver ideel indgangsstrøm er nul uafhængigt; strøm løber ikke ind i den ene og ud af den anden. Sammen med den betingede virtual-short-tilnærmelse forenkler det kredsløbsanalysen med Kirchhoffs love i det eksterne tilbagekoblingsnetværk.
Vi har nu gennemgået de to vigtigste principper. Hvis det er alt, vi behøver, er det fint, men en ideel model tager ikke højde for mange problemer i virkeligheden.

Offset Voltage
I praktisk brug er V_in (-) og V_in (+) kan kræve en lille kompenserende differensspænding for at opnå det ønskede nuloutput. Input offset voltage modellerer denne indgangsrefererede fejl; det er ikke blot enhver målt forskel mellem indgangene. Medtag offset og drift i fejlbudgettet, når nøjagtigheden er vigtig.

Input Bias Current
Virkelige indgange trækker biasstrømme. Strømmene skaber spændingsfejl over kilde- og tilbagekoblingsmodstande. Betydningen afhænger af forstærkeren, modstandsværdierne og nøjagtighedskravet; de kan ikke altid ignoreres.

Slew Rate
Slew rate er den maksimale ændringshastighed for udgangsspændingen, typisk i V/µs. Det er en hældning, ikke en stige- eller faldtid.
Interne ladestrømme og kapacitanser begrænser udgangens ændringshastighed. Store eller hurtige signaler kan blive slew-rate-begrænsede, selv om småsignalbåndbredden virker tilstrækkelig. Vælg en enhed til den krævede amplitude og frekvens.
 

Båndbredde
En anden praktisk begrænsning er småsignalbåndbredden.
Lukket-sløjfe-forstærkning og frekvensrespons afhænger af op-ampens gain-bandwidth-egenskaber og tilbagekoblingsnetværk. Småsignalbåndbredde og slew rate ved store signaler er forskellige begrænsninger. Overskridelse af en af dem kan give dæmpning eller forvrængning. Kontrollér begge samt stabilitet og belastningskrav.

Okay, dette må være rigeligt for forståelsen af op-amps for nu! Op-amps er overalt i kredsløb, og når vi først har denne grundlæggende forståelse af op-amp, bliver de lettere at arbejde med, og de vil helt sikkert blive utroligt nyttige.

Spændingsregulatorer

En spændingsregulator holder et måloutput inden for specificerede indgangs-, belastnings- og temperaturgrænser. Nogle velkendte lineære regulatorer har tre ben, men andre benantal og eksterne komponentbehov forekommer. Beskyttelsesfunktionerne varierer; regulering garanterer ikke beskyttelse mod alle over- eller underspændinger.

Spændingsregulatorer fås i en lang række typer, herunder lineære regulatorer, skifteregulatorer og Zener-dioderegulatorer. De er konstrueret af en kombination af transistorer, dioder og andre komponenter.

Lineære regulatorer styrer et serieelement og omsætter spændingsforskellen mellem indgang og udgang til varme. Switch-regulatorer flytter energi gennem koblede komponenter og bruger ofte pulse-width modulation eller andre reguleringsmetoder til at regulere udgangsspændingen.

Spændingsregulatorer bruges i vid udstrækning i applikationer såsom strømforsyninger, spændingsreferencekredsløb og spændingsbeskyttelseskredsløb.

Okay, nu har vi en bedre forståelse af, hvad nogle analoge komponenter består af, og hvordan de påvirker spændinger og strømme i et kredsløb. Du kan forestille dig, at det hurtigt kan blive noget komplekst, og at der stadig er meget at lære! Men med denne introduktion til analogt kredsløbsdesign er vi blevet klogere, og vi kan bygge videre på det og udvide vores forståelse af elektronik!