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?

For at få en forståelse af analoge komponenter, lad os sammenligne dem med digitale komponenter. Og for dette lad os overveje menneskekroppen. Vores fysiske kroppe ville her være de analoge komponenter - vores muskler, organer, skelet osv. Det digitale aspekt af ville så bestå af de beregninger, vi laver i vores hjerne. Der er måske nogen, som vil være uenige, og de har måske også en pointe, men lige nu prøver vi bare at få en forståelse for de to, og hvordan og hvorfor de arbejder så godt sammen.
Vi mennesker har brug for både det analoge, vores kroppe og det digitale, vores hjerne, for at fungere. Det samme er gældende for elektronik. Derfor arbejder analoge og digitale komponenter ofte også sammen i elektronik.

Disse fysiske analoge komponenter kan opdeles i de passive komponenter og aktive komponenter. Forskellen mellem passive og aktive komponenter i analoge kredsløb er deres evne til at indføre energi i et kredsløb. En anden forskel er den type adfærd, de udviser i et kredsløb. Passive komponenter har en lineær adfærd, hvilket betyder, at forholdet mellem input- og outputsignalerne er proportionalt. Aktive komponenter har derimod en ikke-lineær adfærd, hvilket betyder, at forholdet mellem input- og outputsignalerne ikke er proportionalt.

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

I analoge kredsløb er passive komponenter elektroniske komponenter, der ikke kræver en strømkilde for at fungere. De introducerer ikke energi i et kredsløb, men manipulerer i stedet den energi, der allerede er til stede i kredsløbet. Eksempler på passive komponenter inkluderer modstande, kondensatorer, induktorer/spoler og dioder. Disse komponenter er grundlæggende byggesten i de fleste analoge kredsløb og bruges til at styre flowet af strøm, lagre energi, filtrere signaler og udføre samt andre funktioner. Vi vil nu fortsætte med en gennemgang af nogle passive komponenter.
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 spiller en afgørende rolle i mange elektroniske kredsløb, da de bruges til at indstille driftsbetingelserne for andre komponenter og forhindre beskadigelse af kredsløbet på grund af for store strømme. Et meget nyttigt værktøj! Faktisk er det så nyttigt, at hvis vi har et kredsløb uden modstand, kalder vi det en kortslutning, hvilket praktisk talt betyder, at det højst sandsynligt vil producere en gnist, det vil bestemt ikke lede en strøm, og det ville muligvis også ødelægge printkortet. Så lidt ligesom i livet, er der altså brug for den rigtige mængde modstand! Men kommer al modstand i kredsløb kun fra modstande? Dette fører os videre til kondensatorer og induktorer.

 

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.

På nogle kondensatorer er der et positiv ben, ved navn anoden (længere ben) og et negativ ben, kaldet katoden (kortere ben). Anoden tilsluttes en højere spænding end katoden. Hvis man tilslutter det omvendt, skal man forberede sig på at den kan eksplodere! Med små kondensatorer er det værste ved det lugten. Det kan nemlig lugte ret dårligt... Symbolet for denne slags kondensatorer er:
 

Dette kaldes også en polariseret kondensator eller en eletrolyt. Ikke alle kondensatorer udsætter dig for denne fare, da ikke alle er polariserede, men når de er, er det vigtigt ikke at tilkoble dem korrekt! Men med kondensatorer, der ikke er polariserede, er der ingen fare på denne front.

De er fremstillet af materialer med en høj dielektrisk konstant, såsom keramik, plastfilm eller tantal, og deres kapacitansværdi angives ved den værdi, der er trykt på selve komponenten eller ved dens fysiske størrelse. Kondensatorer bruges i mange elektroniske kredsløb, især i applikationer som strømforsyningsfiltrering, signalkobling og energilagring. De bruges også i AC/DC-strømkonvertering og i applikationer såsom radiofrekvensfiltrering, timing og signaludjævning. Den samlede modstand for et kredsløb, der indeholder kondensatorer og induktorer kaldes impedansen. Men hvad er 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 er en passiv elektronisk komponent, der bruges i elektriske kredsløb for at tillade elektrisk strøm at strømme i én retning. Som en one-way-street! Det fungerer som en envejsventil til elektrisk strøm og bruges ofte til at konvertere vekselstrøm (AC) til jævnstrøm (DC), og for at beskytte andre komponenter i et kredsløb mod skader. Dioder er typisk repræsenteret i et kredsløbsdiagram af et trekantsymbol med en linje i den ene ende og fås i en lang række typer, herunder standarddioder, Zener-dioder og lysemitterende dioder (LED'er). Ligesom kondensatoren har dioden også to ben, anoden og katoden. Anoden er typisk forbundet til (+) siden og katoden til (-) siden.

De er konstrueret af halvledermaterialer, såsom silicium eller germanium. Forward voltage drop'et er den spænding, der er nødvendig for, at dioderne kan lede en strøm fremad, altså i den retning pilen på dens symbol peger. Hvis denne tærskel ikke opnås, er der ingen strøm gennem dioden.

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.

I figur 1 ser vi, at AC-signalet konverteres til, hvad der kan antages som et DC-signal. Vi talte tidligere om, hvordan kondensatorer kan bruges til at udjævne et signal. Baseret på outputtet afbildet i figur 1 kan der være en kondensator inkluderet til at gøre netop det. Og ofte er et sådant kredsløb, der konverterer AC til DC, konstrueret med en kondensator, se figur 2.

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

I analoge kredsløb er aktive komponenter elektroniske komponenter, der kræver en strømkilde for at fungere. De introducerer energi i et kredsløb og kan styre strømmen i et kredsløb. Eksempler på aktive komponenter inkluderer transistorer,  op-omps og spændingsregulatorer. I modsætning til passive komponenter kan aktive komponenter forstærke signaler, tænde og slukke for strømmen, generere signaler og udføre mange andre komplekse funktioner. De spiller en vigtig rolle i mange analoge kredsløb, især i applikationer som forstærkning, signalbehandling og strømstyring. Og et par aktive komponenter består af flere komponenter, der arbejder sammen, som vi så med full bridge rectifier.

 

 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.

•  BJT'er har en lav indgangsimpedans, mens FET'er har en meget høj indgangsimpedans. BJT'er har en lavere forstærkning end FET'er, hvilket betyder, at de ikke er så effektive til at forstærke signaler som FET'er.
• BJT'er er polære enheder, hvilket betyder, at de kræver en bestemt strømningsretning, mens FET'er er ikke-polære enheder og kan fungere med enten positiv eller negativ spænding påført deres terminaler.
• BJT'er kan håndtere højere spændinger end FET'er, hvilket gør dem mere velegnede til brug i højspændingskredsløb.
• BJT'er er langsommere end FET'er og har længere skiftetider (skiftetid er dybest set, hvor hurtigt komponenten er i stand til at reagere på ændringer i spændinger).

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 bipolar junction transistor (BJT) styres flowet af strøm ved anvendelse af en lille spænding til base-terminalen. Denne spænding styrer strømmen mellem emitter- og collektorterminalerne, hvilket gør det muligt for transistoren at fungere som en forstærker eller switch. Så en typisk anvendelse for BJT er at justere base-strømmen efter behov. Hvorfor? Hvad sker der, hvis base-spændingen stiger eller falder? Groft sagt øges emitterstrømmen for en BJT eksponentielt, når base-emitterspændingen stiger. Mere base-emitter spænding, uanset kollektorspænding, betyder mere emitterstrøm. Den strøm, der strømmer fra Collector til Emitter, kaldes ofte for collector-strømme og angivs som: I_c.

 

Forestil dig, at collector er forbundet til en slags spændingsgenerator, måske et batteri, og at emitteren er forbundet til load - det kan være alt, der har brug for en elektrisk strøm for at fungere. Vi styrer strømmen til load ved at justere base-spændingen! Som en ventil til en vandhane.

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 er typisk repræsenteret i et kredsløbsdiagram med et trekantsymbol med flere indgangs- og udgangsterminaler og fås i en lang række typer, herunder enkeltforsyning op-amps, dual-supply op-amps og rail-to-rail op-amps. Gennem denne blog får vi en grundlæggende forståelse af op-amp, så symbolet på op-amp'en ovenfor med to indgange og et output er tilstrækkeligt i øjeblikket. De er konstrueret af en kombination af bipolære og felteffekttransistorer og er designet til at fungere med en meget høj forstærkning samt lav støj.

Som sagt bruges op-amps i en vid udstrækning af applikationer som forstærkere, filtre, komparatorer og kontrolkredsløb og er en væsentlig komponent i mange analoge og blandede signalkredsløb. Der er mange forskellige typer op-amps, men som med transistorerne tjener de alle den samme hovedfunktion, men til forskellige applikationer. Op-ampen består af nogle komplekse kredsløb. Så lad os fortsætte med en simpel introduktion af, hvordan op-amps fungerer. Vi vil ikke diskutere de kredsløb, der findes i en op-amp, men vi vil koncentrere os om deres hovedfunktioner. Så ligesom med elektrolytkondensatoren og dioderne er det vigtigt at forbinde den positive og negative side til de korrekte punkter i kredsløbet. Målet er at forstærke outputtet, 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 afhænger af forskellen mellem V_in (+) og V_in (-). Dette betyder, at enhver forskel mellem V_in (+) og V_in (-) vil give et stort output. Hvad er stort? Hmm, det er den passende værdi for et højt gain hehe - lad os sige sådan for nu. (Indenfor ingeniørfag når man beskriver ting som store, små, meduim giver det ikke meget konkret information, da det er noget subjektivt, men vi er ude efter en forståelse af op-amps, så vi vil ikke definere, hvad der kategoriseres som stor, medium eller lille).
Vi vil gennemgå 2 grundlæggende principper for en ideel op-amp, der hjælper os med at forstå, hvordan og hvorfor de fungerer.

Første princip
Dette princip anslår at vi ønsker, at spændingen for V_in (-) og V_in (+) skal være ens. I en ideel op-amp trækker indgangsterminalerne ingen strøm, hvilket betyder, at enhver strøm, der strømmer ind i den positive (+) indgangsterminal, skal strømme ud af den negative (-) indgangsterminal. For at holde strømstrømmen afbalanceret og forhindre strøm i at strømme ind eller ud af indgangsterminalerne skal spændingerne ved de to indgangsterminaler derfor være ens.

Hvis de to indgangsspændinger ikke er ens, er der en spændingsforskel på tværs af indgangsterminalerne, hvilket får en strøm til at strømme enten ind eller ud af indgangsterminalerne. Dette kan føre til forvrængning i udgangssignalet og kan også få op-ampen til at opføre sig uforudsigeligt. Så for at opretholde den korrekte drift og funktionalitet af op-amp'en ønskes det, at spændingerne ved de to indgangsterminaler holdes ens, hvilket almindeligvis omtales som det "virtual short" koncept. Dette 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 (+). Dette forenkler tingene, da vi ikke behøver at bekymre os om værdien for strømmen ind eller ud af op-amp. Så hvis vi har noget, der kommer ind og noget der går ud, ved vi at de to værdier er ens. Men hvorfor gør det, det enklere? Det er lidt komplekst, men hvis vi ved, at der ikke er nogen strøm, der går til nogen af indgangene, og vi ved, at de har den samme spænding, så bliver det så meget lettere at håndtere op-amps. Trust me, bro, I'm an engineer! Okay, så nu har vi dækket de to første principper, som er de vigtigste. Hvis det er alt, hvad vi har brug for, så godt. Men da vi har at gøre med en ideel op-amp, tager dette ikke højde for mange af de virkelige problemer, der kan opstå.

Offset Voltage
I praktisk brug er V_in (-) og V_in (+) ikke altid ens, og forskellen mellem dem kaldes Offset Voltage. Denne spænding er normalt meget lille og kan derfor ignoreres i ens beregninger - alt afhængigt af den præcision, der kræves af den givne op-amp. Men når du begynder at arbejde med op-ampere og antager at der ikke er offset spænding, er det helt fint.

Input Bias Current
Og ligesom vi sagde, at der ikke er nogen strøm i indgangene til en ideel op-amp, så er det i praktisk brug normalt heller ikke sandt. Denne strøm kaldes for Input Bias Current. Ligesom offset voltage kan værdien for Input Bias Current ignoreres på samme måde, da denne strøm normalt er meget lille.

Slew Rate
En anden ting at overveje i praktisk brug er, at forstærkningen ikke kan ske med det samme, hvilket vi antager, at den gør for en ideel op-amp. Virkeligheden er dog, at vi kan beregne tiden for stigningen eller faldet for disse spændinger, og disse tider kaldes for Slew Rate. For at opsummere dette stammer slew rate fra at outputtet ikke kan generere en uendlig stor strøm og derved ændre spændingen momentant. Det kan simpelthen ikke lade sig gøre, og derfor skal vi muligvis kende Slew Rate tiden for vores beregninger afhængigt af den præcision, der kræves til op-amp'en.

Bandwith
Den sidste ting at diskutere for de praktiske problemer for en op-amp er bandwith/båndbredden. For op-amps i AC-kredsløb kan vi løbe ind i problemer med båndbredden. Når vi kommer op til en bestemt frekvens, kan vores op-amp muligvis ikke følge med. Så de beregninger, vi laver for den ideelle op-amp, stemmer måske ikke overens med, hvad der sker, fordi op-ampen opererer uden for sin båndbredde. Dette skyldes, at Slew Rate ikke kan følge med den høje frekvens, og så fungerer den simpelthen bare ikke. En anden op-amp med højere båndbredde er så nødvendig eller måske endda en helt ny løsning på problemet.

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 er en aktiv elektronisk komponent, der bruges til at opretholde et konstant spændingsniveau i et elektrisk kredsløb på trods af ændringer i load eller indgangsspændingen. Det er en trebenet fyr. Et ben til input, et output og et til jord. Det har den virkning at stabilisere spændingen i et kredsløb og kan bruges til at beskytte andre komponenter mod overspændings- eller underspændingsforhold.

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 fungerer ved at kontrollere strømmen i et kredsløb for at opretholde en konstant udgangsspænding, mens skifteregulatorer bruger pulsbreddemodulation (pulse-width modulation) til at opretholde en konstant udgangsspænding. 

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!