Введение

Электронные системы с непрерывно изменяемым сигналом

Аналоговая электроника – это электронные системы с непрерывно изменяемым сигналом, в отличие от цифровой электроники, где сигналы обычно принимают только два уровня. Термин «аналоговый» описывает пропорциональную зависимость между сигналом и напряжением или током, представляющим этот сигнал. Слово «аналоговый» происходит от греческого слова ανάλογος (analogos), означающего «пропорциональный».

Аналоговые сигналы

Аналоговый сигнал использует определенные характеристики среды для передачи информации. Например, анероидный барометр использует угловое положение стрелки над сжимающейся и расширяющейся коробкой в качестве сигнала, передающего информацию об изменениях атмосферного давления. Электрические сигналы могут представлять информацию, изменяя свое напряжение, ток, частоту или общий заряд. Информация преобразуется из других физических форм (таких как звук, свет, температура, давление, положение) в электрический сигнал с помощью преобразователя, который преобразует один вид энергии в другой (например, микрофон). Сигналы принимают любое значение в заданном диапазоне, и каждое уникальное значение сигнала представляет различную информацию. Любое изменение сигнала значимо, и каждый уровень сигнала соответствует определенному уровню представляемого им явления. Например, если сигнал используется для представления температуры, где один вольт соответствует одному градусу Цельсия, то 10 вольт будут представлять 10 градусов, а 10,1 вольт – 10,1 градуса. Другой способ передачи аналогового сигнала – модуляция. При этом одно из свойств несущего сигнала изменяется: амплитудная модуляция (AM) предполагает изменение амплитуды синусоидальной формы напряжения исходной информацией, частотная модуляция (FM) – изменение частоты. Также используются и другие методы, такие как фазовая модуляция или изменение фазы несущего сигнала. В аналоговой звукозаписи колебания давления звука, воздействующего на микрофон, создают соответствующие колебания тока, протекающего через него, или напряжения на нем. Увеличение громкости звука вызывает пропорциональное увеличение амплитуды этих колебаний тока или напряжения, сохраняя при этом форму волны. Механические, пневматические, гидравлические и другие системы также могут использовать аналоговые сигналы.

Собственный шум

Аналоговые системы неизменно содержат шум, который представляет собой случайные помехи или отклонения, некоторые из которых вызваны случайными тепловыми колебаниями атомных частиц. Поскольку любые изменения аналогового сигнала имеют значение, любое возмущение эквивалентно изменению исходного сигнала и, следовательно, воспринимается как шум. При копировании и повторном копировании сигнала, или при передаче на большие расстояния, эти случайные отклонения становятся более заметными и приводят к ухудшению качества сигнала. Другими источниками шума могут быть наводки от других сигналов или компоненты некачественного проектирования. Эти помехи снижаются с помощью экранирования и применением малошумящих усилителей (LNA).

Аналоговая и цифровая электроника

Поскольку информация кодируется по-разному в аналоговой и цифровой электронике, способ обработки сигнала в них, соответственно, различается. Все операции, которые можно выполнить с аналоговым сигналом, такие как усиление, фильтрация, ограничение и другие, могут быть воспроизведены и в цифровой области. Любая цифровая схема по сути является аналоговой, поскольку поведение любой цифровой схемы можно объяснить, используя принципы аналоговых схем. Благодаря микроэлектронике цифровые устройства стали недорогими и широко распространенными.

Шум

Влияние шума на аналоговую схему является функцией уровня шума. Чем выше уровень шума, тем сильнее искажается аналоговый сигнал, постепенно теряя свою полезность. Именно поэтому говорят, что аналоговые сигналы "выходят из строя постепенно". Аналоговые сигналы могут сохранять понятную информацию даже при очень высоком уровне шума. Цифровые схемы, напротив, остаются невосприимчивыми к шуму до достижения определенного порога, после которого происходит резкий отказ. В цифровых телекоммуникациях можно повысить порог чувствительности к шуму, используя схемы и алгоритмы обнаружения и исправления ошибок. Тем не менее, существует предел, после которого происходит катастрофический сбой связи. В цифровой электронике, благодаря квантованию информации, пока сигнал остается в определенном диапазоне значений, он представляет ту же информацию. В цифровых схемах сигнал регенерируется на каждом логическом элементе, уменьшая или устраняя шум. В аналоговых схемах потерю сигнала можно компенсировать с помощью усилителей. Однако шум накапливается во всей системе, и сам усилитель вносит дополнительный шум, определяемый его коэффициентом шума.

Точность

На точность сигнала влияет ряд факторов, главным образом шум, присутствующий в исходном сигнале, и шум, возникающий в процессе обработки (см. отношение сигнал/шум). Фундаментальные физические ограничения, такие как дробовой шум в компонентах, ограничивают разрешение аналоговых сигналов. В цифровой электронике дополнительная точность достигается за счет использования большего количества разрядов для представления сигнала. Практический предел количества разрядов определяется характеристиками аналого-цифрового преобразователя (АЦП), поскольку цифровые операции обычно могут выполняться без потери точности. АЦП принимает аналоговый сигнал и преобразует его в последовательность двоичных чисел. АЦП может использоваться в простых цифровых приборах, например, в термометрах или экспонометрах, но также и в цифровой звукозаписи и в системах сбора данных. Однако для преобразования цифрового сигнала в аналоговый используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП принимает последовательность двоичных чисел и преобразует ее в аналоговый сигнал. ЦАП часто встречается в системе регулировки усиления операционного усилителя, который, в свою очередь, может использоваться для управления цифровыми усилителями и фильтрами.

Трудности проектирования

Аналоговые схемы, как правило, сложнее в проектировании и требуют большего мастерства, чем сопоставимые цифровые системы, для их концептуализации. Аналоговая схема обычно разрабатывается вручную, поскольку функциональность закладывается непосредственно в аппаратное обеспечение. Цифровое оборудование, напротив, обладает значительной унификацией между различными применениями и может быть массово произведено в стандартизированной форме. Проектирование аппаратного обеспечения в значительной степени состоит из повторения идентичных блоков, а сам процесс проектирования может быть высоко автоматизирован. Это одна из основных причин, по которой цифровые системы стали более распространены, чем аналоговые устройства. Однако, применение цифрового оборудования зависит от программного обеспечения/прошивки, а создание этого по-прежнему остается в значительной степени трудоемким процессом. Начиная с начала 2000-х годов, были разработаны платформы, позволяющие определять аналоговый дизайн с использованием программного обеспечения, что ускоряет создание прототипов. Более того, если цифровое электронное устройство должно взаимодействовать с реальным миром, ему всегда потребуется аналоговый интерфейс. Например, каждый цифровой радиоприемник имеет аналоговый предварительный усилитель в качестве первой ступени в тракте приема. Проектирование аналоговых схем значительно упростилось с появлением программных симуляторов схем, таких как SPICE. Компания IBM разработала собственный симулятор ASTAP в 1970-х годах, который использовал необычный (по сравнению с другими симуляторами) метод анализа цепей, основанный на разреженных матрицах.

Классификация цепей

Аналоговые схемы могут быть полностью пассивными, состоящими из резисторов, конденсаторов и индукторов. Активные схемы также содержат активные элементы, такие как транзисторы. Традиционные схемы создаются из сосредоточенных элементов – то есть, отдельных компонентов. Однако альтернативой им являются схемы с распределёнными элементами, построенные из участков линий передачи.