¿Cuál es el uso de los circuitos analógicos hoy en día?

Question

Mientras estudiaba circuitos analógicos y realizaba experimentos con amplificadores operacionales, no podía evitar preguntarme por qué necesitaría un circuito analógico para sumar/multiplicar/integrar señales eléctricas. En la actualidad, las computadoras son bastante baratas y parece mucho más fácil dejar que una computadora calcule lo que deseas (es rápida, versátil, confiable...)

Entonces, ¿por qué usar amplificadores operacionales y circuitos analógicos?

Answer 1

Hay muchos ejemplos que la gente usará para señalar la "excepción" a la regla donde no se pueden usar enfoques de diseño digital para señales, como:

• la manipulación de señales de RF o muy alta frecuencia, la mayoría de las placas base digitales en las computadoras tienen un ciclo de diseño muy "analógico".

• la conversión del dominio analógico a digital.

• efectos del mundo real como la capacitancia, inductancia y protección contra ESD, etc.

• ¡y muchos otros y tienen razón!

Existen casos donde las reglas utilizadas para la abstracción digital se rompen. En realidad, no hay tal cosa como un circuito digital, simplemente se "empaqueta" para simplificar el diseño en el siguiente nivel. Y en diseños de mayor rendimiento, la realidad surge y este empaque se descompone.

Pero ni siquiera es necesario mirar estas excepciones para entender que "digital" es una abstracción útil. Muy útil.

Tomemos como ejemplo el diseño de un circuito digital simple a nivel de chip. Uno que no es particularmente rápido ni especialmente desafiante. El diseñador entra y describe el diseño en Verilog, envía el diseño y recibe los resultados de vuelta o lo carga en una FPGA. Por lo tanto, no estamos tratando con placas base de alta velocidad, o RF y WiFi, etc. que podrían "parecer" analógicos.

Lo que este diseñador de circuitos digitales NO está viendo es el cuidado y la atención que se toma para desarrollar y publicar los parámetros bajo los cuales se utilizan ciertas subceldas en su diseño. El diseñador de celdas simula el diseño de, por ejemplo, un Dff bajo las esquinas de PVT (Proceso, Voltaje y Temperatura), determina qué nivel de error es necesario (3 sigma, 4 sigma, etc.) y luego llega a los parámetros de funcionamiento en los que la operación del dispositivo puede considerarse "digital". Luego, una vez fabricados, se prueban contra estas simulaciones para verificaciones y se realizan correcciones. Para un Dff, esto serían los tiempos de configuración y retención. Si se cumplen esos tiempos bajo esas condiciones, puedes vivir felizmente con la suposición de que "el analógico ya no es necesario". Pero entra en juego la próxima abstracción: el diseño sincrónico. Ahora, si decimos que se siguen ciertos regímenes de diseño, entonces podemos diseñar las celdas individuales de tal manera que puedas unirlas y no violar esos requisitos de tiempo anteriores. A menos que estés haciendo algo particularmente ingenioso o estúpido.

Una vez que tienes funcionando tu circuito "digital" lento, sí, puedes operar bajo la suposición de que es digital y no te morderá. Pero la realidad es que todo es analógico, los detalles simplemente están ocultos. Así que la próxima vez que uses un uProcesador "digital" como un PIC o Arduino, ten en cuenta que alguien, en algún lugar, en realidad ha facilitado tu vida ocupándose del aspecto analógico de la naturaleza para que puedas ilusionarte pensando que tu diseño es digital.

Answer 2

La moraleja de la historia es que la electrónica digital necesita una interfaz con el mundo exterior. La electrónica analógica es necesaria para llevar las señales del mundo exterior a una forma que pueda ser digitalizada. Por ejemplo, ¿cómo se obtiene ese \$\frac{50\mu V}{grado}\$ de un termopar en una señal lo suficientemente grande para poner en un ADC? Usa un amplificador de instrumentación.

Aquí tienes un ejemplo de algo que construí hace un tiempo:

Implementa la ecuación \$V_{out}=1.552V_{in}-0.000560V_{in}^3\$ Esa es una aproximación para dar forma a un seno, y el circuito en sí mismo dio forma a la onda triangular en una onda senoidal con menos del 0.05% de THD. Se podría haber hecho en el dominio digital, pero:

1. la señal de entrada era \$20V_{pp}\$, demasiado grande para una conversión inmediata sin algún tipo de cero y rango, y

2. la señal ya era analógica y no tendría sentido convertirla a digital solo para convertirla nuevamente a analógica.

En el tema de llevar las señales a digital, un filtro antialiasing analógico es esencial antes de cualquier ADC. Este filtro es solo un filtro paso bajo para asegurar que \$f_{sig}. Eso debe hacerse en el dominio analógico. Una sólida circuitería analógica es esencial para el funcionamiento de cualquier sistema embebido.

Answer 3

El mundo real es analógico. Por lo tanto, cuando recibes señal de RF o lees de un sensor, la señal comienza siendo analógica. Puedes convertirla a digital inmediatamente con un conversor A/D. Además, el filtrado inicial debe ser analógico para evitar el aliasing de muestreo.

Answer 4

También hay algunas cosas que en realidad son muy difíciles de hacer en el ámbito digital, como la limitación estricta en un sistema muestreado, por ejemplo, requiere un muestreo excesivo si el aliasing no quiere ser un problema ... Hacer lo mismo en el ámbito analógico puede ser tan simple como un resistor y dos diodos antiparalelos. Además, considere que la condicion de la señal puede ser un problema monstruoso, independientemente de cómo se maneje el procesamiento posterior. Podría digitalizar directamente, pero a menudo agregar algo como un logaritmo (analógico) hace que el procesamiento posterior sea más fácil.

Cuando las cosas son lo suficientemente lentas (o el ancho de banda es lo suficientemente bajo), ir temprano al ámbito digital y hacer el trabajo ahí a menudo tiene sentido si el trabajo no es trivial, pero para cuando llegas a las tasas de borde de GHz y estás manejando cables largos, es mejor que estés pensando en analógico (incluido pensando en las redes LCR de alimentación y tierra), o simplemente no funcionará, y una cantidad inquietante de cosas encajan en este espacio en estos días.

El digital es una abstracción encantadora cuando puedes salirte con la tuya, pero al igual que el modelo simple del amplificador operacional, tiene límites muy definidos, y tienes que saber dónde están los bordes del modelo, lo mismo con ebers-moll para los modelos de transistores, por lo general es una abstracción simple lo suficientemente buena, a veces necesitas basarte en tu fisica real.

S aludos, Dan.

Answer 5

Es más simple hacer integración analógica u otra operación de procesamiento de señales en forma analógica en lugar de usar convertidores A/D. Al usar convertidores A/D, debes resolver problemas de sincronización digital, acondicionamiento de la señal, etc. El único problema que causa el amplificador operacional es el offset de voltaje, pero hay maneras de evitar problemas de offset. Sin embargo, la mayoría de los amplificadores operacionales actuales vienen en un encapsulado cuádruple, por lo que tienes cuatro amplificadores operacionales en un solo chip. Esto significa que puedes hacer fácilmente el almacenamiento temporal de la señal, etc.