Al estudiar circuitos analógicos y realizar experimentos con amplificadores operacionales, no pude evitar preguntarme por qué necesitaría un circuito analógico para agregar / multiplicar / integrar señales eléctricas. En los tiempos modernos, las computadoras son bastante baratas, y parece mucho más fácil dejar que una computadora calcule lo que quieras (es rápido, versátil, confiable ...)
Entonces, ¿por qué usar amplificadores operacionales y circuitos analógicos?
La moraleja de la historia es que la electrónica digital necesita una interfaz con el mundo exterior. La electrónica analógica es necesaria para obtener las señales del mundo exterior en una forma que se pueda digitalizar. Por ejemplo, ¿cómo se obtiene que \ $ \ frac {50 \ mu V} {grado} \ $ de un termopar en una señal lo suficientemente grande como para ponerla en un ADC? Utilice un amplificador de instrumentación.
Aquí hay un ejemplo de algo que construí hace un tiempo:
Implementa la ecuación \ $ V_ {out} = 1.552V_ {in} -0.000560V_ {in} ^ 3 \ $ Eso es una aproximación para la conformación sinusoidal, el circuito y el circuito formaron la onda triangular en una onda sinusoidal con menos de .05% THD. Se podría haber hecho en el dominio digital, pero:
la señal de entrada era \ $ 20V_ {pp} \ $, demasiado grande para la conversión inmediata sin ningún tipo de cero y rango, y
la señal ya era analógica y no habría tenido sentido convertir a digital solo para convertir de nuevo a analógico.
Sobre el tema de la toma de señales digitales, un filtro anti-aliasing analógico es esencial antes de cualquier ADC. Este filtro es solo un filtro de paso bajo para garantizar \ $ f_ {sig} < f_ {Nyquist} \ $. Eso tiene que hacerse en el dominio analógico. Un circuito analógico sólido es esencial para el funcionamiento de cualquier sistema integrado.
Hay muchos ejemplos que las personas usarán que señalan la "excepción" a la regla en la que no se pueden usar enfoques de diseño digital para señales, como:
con señales de RF o de muy alta frecuencia, la mayoría de las placas madre digitales en las computadoras tienen un ciclo de diseño muy "analógico".
conversión del dominio analógico a digital.
Efectos del mundo real como capacitancia parásita, inductancia y protección contra ESD, etc.
y muchos otros, ¡y tienen razón!
Son casos en los que las reglas utilizadas para el resumen de la abstracción digital. En realidad, no existe tal cosa como un circuito digital, es solo que se "empaqueta" para simplificar el siguiente nivel de diseño. Y en los diseños de mayor rendimiento, la realidad surge y este empaque se rompe.
Pero no necesitamos mirar estas excepciones para entender que "digital" es una abstracción útil. Una abstracción muy útil.
Tomaré como ejemplo el diseño de un circuito digital simple en el nivel de chip. Una que no es particularmente rápida o incluso particularmente desafiante. El diseñador entra allí y describe el diseño en, por ejemplo, Verilog, envía el diseño y recupera los resultados o lo carga en un FPGA. Por lo tanto, no estamos tratando con placas madre de alta velocidad, RF y WiFi, etc., que podrían "parecer" analógicas.
Lo que este diseñador digital NO está viendo es el cuidado y la atención prestados para desarrollar y publicar los parámetros bajo los cuales ciertas subcélulas utilizan en su diseño. El diseñador de la celda, simula el diseño de, por ejemplo, un Dff debajo de las esquinas PVT (Proceso, Voltaje y Temperatura) determina qué nivel de error es necesario (3 sigma, 4 sigma, etc.) y luego presenta los parámetros operativos bajo los cuales el dispositivo La operación puede ser considerada como "digital". Luego, una vez fabricados, se prueban contra estas simulaciones para verificar y hacer correcciones. Para un Dff esto sería tiempo de configuración y espera. Siempre que se cumplan esos tiempos bajo esas condiciones, puede vivir felizmente con las suposiciones de que "el análogo del infierno ya no es necesario". Pero entra en juego la próxima abstracción, el diseño síncrono. Ahora, si decimos que se siguen ciertos regímenes de diseño, podemos diseñar las celdas individuales de tal manera que puedan improvisarlas y ni siquiera violar los requisitos de tiempo anteriores. A menos que estés haciendo algo particularmente inteligente o estúpido.
Ahora, una vez que tenga funcionando su circuito "digital" lento, sí, puede operar bajo el supuesto de que es digital y no lo picarán. Pero la realidad es que todo es analógico, los detalles están ocultos para ti. Por lo tanto, la próxima vez que use un procesador digital como un PIC o Arduino, sabrá que alguien, en algún lugar, le ha hecho la vida más fácil cuidando el aspecto analógico de la naturaleza para que pueda engañarse y pensar que su diseño es digital. p>
El mundo real es analógico. Entonces, cuando recibe RF o lee un sensor, la señal comienza de forma analógica. Puede convertir a digital inmediatamente con un A / D. Además, el filtrado inicial debe ser analógico para evitar el alias de muestreo.
Es más simple realizar una integración analógica u otra operación de procesamiento de señales en forma analógica en lugar de usar convertidores A / D. Al usar convertidores A / D, debe resolver los problemas de sincronización digital, el acondicionamiento de la señal, etc. Solo los problemas que ocasiona el amplificador operacional provienen de la compensación de voltaje, pero hay formas de evitar los problemas de compensación. Sin embargo, la mayoría de los amplificadores operacionales actuales están en el caso de los cuádruples, por lo que tiene cuatro amplificadores operacionales en un solo chip. Esto significa que puedes hacer fácilmente el búfer de señales, etc.
También hay algunas cosas que en realidad son muy difíciles de hacer en el dominio digital, la limitación difícil en un sistema de muestra, por ejemplo, requiere un muestreo excesivo heroico si el aliasing no es un problema ... Hacer lo mismo en el análogo El dominio puede ser tan simple como una resistencia y dos diodos anti-paralelos. Considere además que el acondicionamiento de la señal puede ser un problema monstruoso independientemente de cómo se maneje el procesamiento posterior. Puede digitalizar directamente, pero a menudo agregar algo como un amplificador de registro (analógico) facilita el procesamiento posterior.
Cuando las cosas son lo suficientemente lentas (o el ancho de banda es lo suficientemente bajo) digitalizarse temprano y hacer el trabajo allí a menudo tiene sentido si el trabajo no es trivial, pero cuando llega a las velocidades de borde de GHz conduciendo cables largos, es mejor piense en forma analógica (Incluyendo pensar en los planos de poder y tierra como redes LCR), o simplemente no funcionará, y una cantidad aterradora de cosas cabe en este espacio en estos días.
Sin embargo,digital es una hermosa abstracción cuando puedes salirse con la suya, pero al igual que el modelo simple del opamp, tiene límites muy definidos, y debes saber dónde están los bordes del modelo, igual que con ebers-moll para los modelos de transistores, por lo general es una abstracción simple y lo suficientemente buena, a veces necesitas poner en práctica tu física real.
Saludos, Dan.