Analogt kredsløb - hvad er det?

Introduktion

De fleste elektroniske enheder i dag fungerer med både analoge og digitale komponenter. Vi vil fokusere på det analoge aspekt i denne blog. Så hvad betragtes som analogt, og hvad betragtes som digitalt?

Analog og digital beskriver, hvordan information repræsenteres, ikke om en komponent er fysisk. Analoge signaler varierer kontinuerligt over et område, mens digitale systemer fortolker signaler som diskrete tilstande. Menneskekroppen kan bruges som en løs analogi, men hjernen er ikke bogstaveligt en digital komponent.
Både analoge og digitale kredsløb er fysiske. De 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. Passive komponenter kan have lineær eller ikke-lineær adfærd. Ideelle faste modstande, kondensatorer og spoler er lineære, mens en diode er ikke-lineær. Aktive komponenter kan indgå i kredsløb med tilnærmelsesvis lineær adfærdved passende bias og tilbagekobling, selv om selve komponenten er ikke-lineær.

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. Komponenterne bruges til at styre strøm, lagre energi og filtrere signaler. Vi gennemgår dem nedenfor.
Symbolet for den givne komponent vises i starten for hvert afsnit.

Modstande

En modstand er en passiv elektronisk komponent, der bruges i elektriske kredsløb til at modstå strømmen af elektrisk strøm.

En modstand kan reducere amplituden af de strøm- og spændingssignaler, der strømmer gennem eller spænder over den, og bruges ofte til at regulere strømmen i et kredsløb. Vi har en blog omkring Ohms lov, som beskriver dette. Tjek den ud om nødvendigt, hvis du ikke allerede har gjort det!
Modstande bruges også til at sprede energi som varme eller til at give et specifikt spændingsfald i et kredsløb. Vi lærte om spændingsfald her Kredsløbsteori. 

Som vist på billedet ovenfor er modstande typisk repræsenteret i et kredsløbsdiagram ved et zigzag-symbol eller ved et rektangel og fås i en lang række værdier, der spænder fra et par ohm til flere megaohm - jo større værdien for ohm jo højere modstand. De er konstrueret af materialer, der har en høj modstand mod elektrisk strøm, såsom kulstof (grafitfilm) eller metalfilm som er pålagt en porcelæn-cylinder/rør og deres modstandsværdi er angivet med farvede bånd eller ved den værdi, der er trykt på selve komponenten.

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, der bruges i kredsløb til at lagre elektrisk energi i et elektrisk felt. Det har den virkning, at det midlertidigt lagrer elektrisk ladning og kan bruges til at udjævne udsving i et kredsløb, filtrere signaler eller lagre energi til senere brug. De kan altså bruges til lagring af den eksisterende energi i kredsløb. Denne energi kan da benyttes i kredsløbet, når det er nødvendigt!

Kondensatorer er typisk repræsenteret i et kredsløbsdiagram af to parallelle plader og fås i en lang række værdier. Disse værdier måles i farad, F. Jo højere værdi for F jo højere er kapacitansen for kondensatoren og desto større mængde energi kan lagres.

Polariserede kondensatorer har en positiv terminal, som i visse typer kaldes anoden , og en negativ terminal, katoden . Følg altid komponentens mærkning og datablad; benlængde er ikke en universel regel. Forkert polaritet eller for høj spænding kan medføre opvarmning, lækage, brud eller brand. Selv små kondensatorer må ikke betragtes som ufarlige. Symbolet for en polariseret kondensator er:
 

Elektrolytkondensatorer er en almindelig polariseret type; nogle særlige elektrolytter er upolariserede. Polariserede typer skal tilsluttes korrekt. Upolariserede kondensatorer kan vendes begge veje, men spændings-, temperatur- og ripplegrænser skal stadig overholdes.

Kondensatorer bruger et dielektrikum som keramik, plastfilm eller et oxidlag; tantal-kondensatorer bruger tantaloxid. Find kapacitans og mærkeværdier i mærkningen eller databladet, ikke alene ud fra størrelsen. De bruges til forsyningsfiltrering, signalkobling, energilagring, AC/DC-konvertering, timing og signaludjævning. Impedans beskriver kredsløbets frekvensafhængige forhold mellem spænding og strøm, inklusive modstand, reaktans og fase. Det er ikke blot almindelig modstand. Hvad er så en spole?

 

Spoler

En spole/induktor er en passiv elektronisk komponent, der bruges i kredsløb til at lagre energi i et elektromagnetisk felt. Spoler har den virkning, at de midlertidigt lagrer magnetisk energi og kan bruges til at filtrere signaler, lagre energi til senere brug eller generere magnetfelter. Spoler fås i en lang række værdier, lige fra et par mikrohenrier til flere henries, H.

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 har en afgørende rolle i mange elektroniske kredsløb. De bruges også i applikationer som strømforsyninger og i design af transformatorer, motorer og generatorer. Og ligesom kondensatorer bruges disse også til trådløs teknologi såsom trådløs strømoverførsel!

Dioder

En diode leder hovedsageligt strøm i én retning og bruges blandt andet til ensretning og beskyttelse mod forkert polaritet. Diodens symbol viser anode og katode med en streg ved katoden; det må ikke forveksles med op-ampens trekant. Typer omfatter ensretterdioder, Zener-dioder og LED’er. Ved fremadgående drift er anoden mere positiv end katoden; den rigtige forbindelse afhænger af kredsløbet.

De er konstrueret af halvledermaterialer, såsom silicium eller germanium. Forward voltage drop'et er spændingsfaldet ved en angivet strøm og temperatur. Fremadstrømmen stiger kontinuerligt med spændingen; der er ikke en perfekt tærskel med præcis nul strøm under. Ved spærreretning løber normalt en lille lækstrøm. Overskridelse af mærkeværdien for spærrespænding kan medføre gennembrud og skader. Zener-dioder er beregnet til kontrolleret gennembrud med strømbegrænsning.

Dioder bruges i applikationer som strømkorrektion, spændingsregulering og signaldetektion. Og som nævnt tidligere bruges de også i applikationer som at rette AC til DC - dette kaldes en ensretter (rectifier) og består oftest af fire dioder, der arbejder sammen. Denne ensretter konverterer et AC-signal til et DC-signal, og et grundlæggende eksempel på sådan en konstruktion er vist nedenfor, se 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: Illustrerer en full bridge rectifier, hvor input- og output-signalet fremgår for kredsløbet.

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: Illustrerer kredsløbet for en full bridge rectifier, der inkluderer en kondensator til udjævning af output-signalet.

Dioder bruges også til at generere firkant-signaler og til beskyttelse for andre komponenter i et kredsløb.

 

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 spændingsregulatorer. De kan forstærke signaler, koble strøm og indgå i signalgeneratorer, signalbehandling og effektstyring. Et aktivt kredsløb kan indeholde flere komponenter, men en full bridge rectifierbygget alene af dioder bliver ikke af den grund en aktiv forstærker.

 

 Transistor

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, der bruges i elektriske kredsløb til at forstærke eller skifte elektriske signaler. De har den virkning at kontrollere strømmen i et kredsløb og kan bruges til at forstærke svage signaler, skifte højeffektsignaler eller udføre digitale operationer. Transistorer fås i en bred vifte af typer, herunder bipolære junction transistorer (BJT'er) og felteffekttransistorer (FET'er). De er konstrueret af halvledermaterialer, såsom silicium eller germanium, og er typisk repræsenteret i et kredsløbsdiagram med et symbol, der angiver typen af transistor og den konfiguration, hvori den bruges.

Bipolar Junction Transistors (BJT'er) og Field-Effect Transistors (FETs) er to forskellige typer transistorer, der bruges i elektroniske kredsløb. Mens begge typer transistorer udfører lignende funktioner, er der flere vigtige forskelle mellem BJT'er og FET'er. Vi vil fokusere mere på BJT'er, da vi ønsker at vise transistorernes overordnede funktion i denne blog. Men her er nogle hurtige ligheder og forskelle mellem de to.

•  En BJT kræver basestrøm, mens en FET-gate har høj DC-indgangsimpedans. Den faktiske indgangsimpedans afhænger af kredsløb og frekvens. Der er ingen generel regel om, at BJT’er har lavere forstærkning eller effektivitet end FET’er; det afhænger af enhed, bias og konstruktion.
• 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 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 er også andre typer transistorer, såsom Junction Field-Effect Transistors (JFETs) og Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs). Disse to forskellige typer felteffekttransistorer udfører begge lignende funktioner, men der er nogle vigtige forskelle mellem JFET'er og MOSFET'er, som ligner forskellene mellem BJT og FET. Men bare vær opmærksom på, at der er mange forskellige typer transistorer alle til forskellige applikationer! Transistorer bruges til at udføre en bred vifte af funktioner, såsom forstærkning, switching, digital logik (som vi vil dække i disse blogs: digitale kredsløb og mikrocontroller og strømstyring.

 

Operations-forstærkere (Op-amps)

En operations-forstærker (op-amp) er en type integreret kredsløb, der bruges som en forstærker i elektriske kredsløb. Hovedformålet er at forstærke små spændingssignaler for at producere en større udgangsspænding og dette bruges til en lang række applikationer, herunder forstærkning, filtrering og signalkonvertering.

Op-amps vises normalt med en trekant med inverterende og ikke-inverterende indgang samt en udgang. Forsyningsterminalerne skal også forbindes korrekt, selv om de kan være udeladt på et forenklet symbol. Der findes enkeltforsynings-, dobbeltforsynings- og rail-to-rail-typer. Internt kan de bruge bipolære transistorer, FET’er eller begge dele; gain, støj og andre egenskaber afhænger af konstruktionen.

Op-amps bruges til forstærkning, filtrering, signalkonvertering og regulering. Til komparatorbrug skal enhedens egnethed vurderes særskilt. Vi fokuserer her på hovedfunktionerne frem for de interne kredsløb. (+) og (−) ved signalindgangene betyder ikke-inverterende og inverterende indgang, ikke positiv og negativ forsyning. Inden for det gyldige driftsområde gælder en åben-sløjfe-ligning for udgangen V_out. V_out har en ligning, der beskriver dette gain:

A i ovenståden udtryk er forstærkningsværdien (gain-værdien), og for en ideel op-amp har denne værdi ingen grænse. Hvad er en ideel op-amp? En ideel op-amp er en teoretisk model af en op-amp, der har visse ideelle egenskaber. I praksis kan ingen op-amp opnå alle disse ideelle egenskaber, men de er nyttige til at forstå adfærd og analysere ydeevnen af op-amp-kredsløb.

Så når vi ser på ligningen ovenfår, siger den følgende: Spændingen V_out er åben-sløjfe-forstærkningen gange forskellen mellem V_in (+) og V_in (−). Indgangsforskellen er forskellen mellem V_in (+) og V_in (−). En høj åben-sløjfe-forstærkning betyder, at selv en lille indgangsforskel kan drive den virkelige udgang i mætning. Udgangen er begrænset af forsyning og udgangssving. Negativ tilbagekobling bruges normalt til at fastlægge en nyttig lukket-sløjfe-forstærkning.
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. Denne virtual-short-tilnærmelse følger af uendelig åben-sløjfe-forstærkning ved endeligt output og negativ tilbagekobling; indgangene er ikke fysisk kortsluttet.

Tilnærmelsen gælder ikke for en åben-sløjfe-komparator, en mættet udgang eller ustabil tilbagekobling. En spændingsforskel mellem ideelle indgange tvinger ikke strøm ind i dem: Den ideelle indgangsimpedans er uendelig. I et virkeligt kredsløb skal common-mode-område, udgangssving og stabilitet kontrolleres. Det fører til det andet princip.

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 indgang og ud af den anden. Sammen med den betingede virtual-short-tilnærmelse forenkler det analysen med Kirchhoffs love i det eksterne tilbagekoblingsnetværk. Modellen medregner dog ikke alle virkelige fejl.

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 angivet i V/µs. Det er en hældning, ikke en stigetid eller faldtid. Interne strømme og kapacitanser begrænser ændringshastigheden. Store eller hurtige signaler kan blive slew-rate-begrænsede, selv om småsignalbåndbredden virker tilstrækkelig. Vælg efter både amplitude og frekvens.

Båndbredde
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.

Spændingsregulator

En spændingsregulator holder udgangsspændingen omkring et mål inden for specificerede indgangs-, belastnings- og temperaturgrænser. Nogle lineære regulatorer har tre ben til indgang, udgang og stel, men der findes andre benantal og behov for eksterne komponenter. Beskyttelsesfunktioner 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 pulsbreddemodulation (pulse-width modulation) eller andre reguleringsmetoder til at stabilisere 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!