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模擬電路
時(shí)間:2022-12-04 人氣: 來源:山東合運(yùn)電氣有限公司
模擬電路(英語:analogueelectronics,美式:analogelectronics)是涉及連續(xù)函數(shù)形式模擬信號的電子電路,與之相對的是數(shù)字電路,后者通常只關(guān)注0和1兩個(gè)邏輯電平。“模擬”二字主要指電壓(或電流)對于真實(shí)信號成比例的再現(xiàn),它最初來源于希臘語詞匯αν?λογο?,意思是“成比例的”。
固有的噪聲
模擬電路系統(tǒng)處理的信號總是包含著一定的噪聲。這意味著,電路系統(tǒng)隨機(jī)的熱偏差將造成模擬信號隨機(jī)的偏差、擾動。模擬電路系統(tǒng)中各個(gè)不同部分的偏差積累起來,可以使偏差量的負(fù)面影響常常會比較顯著,這些偏差將形成噪聲。由于模擬信號在電路中常常會通過電子放大器,噪聲會被不斷地放大,再加上原始信號在長距離傳輸?shù)倪^程中也會有損耗,因此這些隨機(jī)的噪聲會造成信號嚴(yán)重失真。模擬電路中噪聲的來源還來自于外部信號干擾以及設(shè)計(jì)欠佳的電子器件。通過使用屏蔽導(dǎo)線,或者在電路中引入低噪音放大器,可以盡量緩解噪聲的負(fù)面影響。
與數(shù)字電路的比較
在模擬電路和數(shù)字電路中,信號的表達(dá)方式不同。對模擬信號能夠執(zhí)行的操作,例如放大、濾波、限幅等,都可以對數(shù)字信號進(jìn)行操作。事實(shí)上,所有的數(shù)字電路從根本上來說都是模擬電路,其基本電學(xué)原理,都與模擬電路相同。互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體就是由兩個(gè)模擬的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管構(gòu)成的,其對稱、互補(bǔ)的結(jié)構(gòu),使它恰好能處理高低數(shù)字邏輯電平。不過,數(shù)字電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是用來處理數(shù)字信號,如果強(qiáng)行引入任意模擬信號而不進(jìn)行額外處理,則可能造成量化噪聲。
電子學(xué)發(fā)展史上第一個(gè)被發(fā)明出來并得到大規(guī)模生產(chǎn)的器件是模擬的。后來,隨著微電子學(xué)的發(fā)展,數(shù)字技術(shù)的成本大大降低,加之計(jì)算機(jī)對于數(shù)字信號的要求,使得數(shù)字式的方法在人機(jī)交互等領(lǐng)域具有可行性和較高的性價(jià)比。
可以說模擬電路是數(shù)字電路的基礎(chǔ),數(shù)字電路可以看作是模擬電路的一種特殊形式。
模擬電子和數(shù)字電子的主要區(qū)別如下:
噪聲
在模擬電路中,由于信號幾乎完全將真實(shí)信號按比例表現(xiàn)為電壓或電流的形式,造成模擬電路對于噪聲的影響比數(shù)字電路更加敏感,信號的微小偏差都會表現(xiàn)為相當(dāng)顯著,造成信息損失。作為對比,數(shù)字電路只取決于高低電平,如果要造成信息傳遞的錯(cuò)誤,那么信號的偏差必須至少達(dá)到高電平的一半左右(具體的大小根據(jù)不同的電路規(guī)格有所不同)。因此,對信息進(jìn)行量化的數(shù)字電路對于噪聲的抵御能力比模擬電路更強(qiáng),只要偏差不大于某一規(guī)定值,信息就不會損失。在數(shù)字電路中,噪聲在各個(gè)邏輯門的地方都可以得到消減。
精度
有若干個(gè)因素會影響信號的精度,其中最主要的是原始信號中的噪聲以及信號處理過程中混入的噪聲。模擬信號的分辨率受到器件物理層面限度(例如散粒噪聲)的制約。在數(shù)字電子中,可以采用增加信號的位數(shù)(例如8位分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⑵淞砍谭譃?段,其中每一段作為最小分度進(jìn)行轉(zhuǎn)換)來提高數(shù)字信號的分辨率,轉(zhuǎn)換位數(shù)是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,這樣原始信號就可以用二進(jìn)制數(shù)來表示,方便數(shù)字電路(包括計(jì)算機(jī))進(jìn)行處理。用到這種轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用產(chǎn)品包括數(shù)字式的溫度計(jì)以及錄音機(jī)等數(shù)據(jù)采集設(shè)備。相反的,數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器則被用來將數(shù)字信號還原為模擬信號,它可以讀入一系列二進(jìn)制信號,經(jīng)過轉(zhuǎn)換后以電壓值等形式的模擬信號輸出。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器在許多運(yùn)算放大器增益控制系統(tǒng)中較為常見。
設(shè)計(jì)的難度
模擬電路的設(shè)計(jì)通常比數(shù)字電路更為困難,對設(shè)計(jì)人員的水平要求更高。這也是數(shù)字電路系統(tǒng)比模擬電路系統(tǒng)更加普及的原因之一。模擬電路通常需要更多的手工運(yùn)算,其設(shè)計(jì)過程的自動化程度低于數(shù)字電路。然而,數(shù)字式電子設(shè)備要在真實(shí)物理世界中得到應(yīng)用,就必須具有一個(gè)模擬的接口,因?yàn)樽匀唤绲拇蠖鄶?shù)實(shí)際信號是模擬的。例如,所有數(shù)字式收音機(jī)的信號接收器,都具有一個(gè)模擬的預(yù)放大器來進(jìn)行信號接收的第一步操作。
使用器件
以下是一些模擬電路常用的器件:
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