Un circuito lineal es un circuito electrónico que obedece al principio de superposición . Esto significa que la salida del circuito F(x) cuando se le aplica una combinación lineal de señales ax 1 (t) + bx 2 (t) es igual a la combinación lineal de las salidas debidas a las señales x 1 (t ) y x 2 (t) aplicados por separado:
Se llama circuito lineal porque el voltaje y la corriente de salida de dicho circuito son funciones lineales de su voltaje y corriente de entrada. [1] [2] [3] Este tipo de linealidad no es lo mismo que el de las gráficas de línea recta .
En el caso común de un circuito en el que los valores de los componentes son constantes y no cambian con el tiempo, una definición alternativa de linealidad es que cuando se aplica un voltaje o corriente de entrada sinusoidal de frecuencia f , cualquier salida en estado estacionario del El circuito (la corriente a través de cualquier componente , o el voltaje entre dos puntos cualesquiera) también es sinusoidal con frecuencia f . [1] [4] Un circuito lineal con valores de componentes constantes se llama lineal invariante en el tiempo (LTI).
Informalmente, un circuito lineal es aquel en el que los valores de los componentes electrónicos (como resistencia , capacitancia , inductancia , ganancia , etc.) no cambian con el nivel de voltaje o corriente en el circuito. Los circuitos lineales son importantes porque pueden amplificar y procesar señales electrónicas sin distorsión . Un ejemplo de dispositivo electrónico que utiliza circuitos lineales es un sistema de sonido .
El principio de superposición, la ecuación que define la linealidad, es equivalente a dos propiedades, aditividad y homogeneidad , que a veces se utilizan como definición alternativa.
Es decir, un circuito lineal es un circuito en el que (1) la salida cuando se aplica una suma de dos señales es igual a la suma de las salidas cuando las dos señales se aplican por separado, y (2) escalar la señal de entrada en un factor escala la señal de salida por el mismo factor.
Un circuito lineal es aquel que no tiene componentes electrónicos no lineales . [1] [2] [3] Ejemplos de circuitos lineales son amplificadores , diferenciadores e integradores , filtros electrónicos lineales o cualquier circuito compuesto exclusivamente por resistencias , condensadores , inductores , amplificadores operacionales ideales (en la región "no saturada" ) y otros elementos del circuito "lineales" .
Algunos ejemplos de componentes electrónicos no lineales son: diodos , transistores e inductores y transformadores con núcleo de hierro cuando el núcleo está saturado. Algunos ejemplos de circuitos que operan de forma no lineal son mezcladores , moduladores , rectificadores , detectores receptores de radio y circuitos lógicos digitales .
Los circuitos lineales invariantes en el tiempo son importantes porque pueden procesar señales analógicas sin introducir distorsión de intermodulación . Esto significa que las frecuencias separadas en la señal permanecen separadas y no se mezclan, creando nuevas frecuencias ( heterodinas ).
También son más fáciles de entender y analizar. Debido a que obedecen al principio de superposición , los circuitos lineales se rigen por ecuaciones diferenciales lineales y pueden analizarse con poderosas técnicas matemáticas en el dominio de la frecuencia , incluido el análisis de Fourier y la transformada de Laplace . Estos también brindan una comprensión intuitiva del comportamiento cualitativo del circuito, caracterizándolo usando términos como ganancia , cambio de fase , frecuencia de resonancia , ancho de banda , factor Q , polos y ceros . El análisis de un circuito lineal a menudo se puede realizar a mano utilizando una calculadora científica .
Por el contrario, los circuitos no lineales no suelen tener soluciones en forma cerrada. Deben analizarse utilizando métodos numéricos aproximados mediante programas informáticos de simulación de circuitos electrónicos como SPICE , si se desean resultados precisos. El comportamiento de elementos de circuitos lineales como resistencias, condensadores e inductores se puede especificar mediante un solo número (resistencia, capacitancia, inductancia, respectivamente). Por el contrario, el comportamiento de un elemento no lineal se especifica mediante su función de transferencia detallada , que puede estar dada por una línea curva en un gráfico. Por lo tanto, especificar las características de un circuito no lineal requiere más información que la que se necesita para un circuito lineal.
Los circuitos y sistemas "lineales" forman una categoría separada dentro de la fabricación electrónica. Los fabricantes de transistores y circuitos integrados suelen dividir sus líneas de productos en líneas "lineales" y "digitales". "Lineal" aquí significa " analógico "; La línea lineal incluye circuitos integrados diseñados para procesar señales de forma lineal, como amplificadores operacionales , amplificadores de audio y filtros activos , así como una variedad de circuitos de procesamiento de señales que implementan funciones analógicas no lineales, como amplificadores logarítmicos, multiplicadores analógicos y detectores de picos. .
Los elementos no lineales, como los transistores, tienden a comportarse linealmente cuando se les aplican pequeñas señales de CA. Por lo tanto, al analizar muchos circuitos donde los niveles de señal son pequeños, por ejemplo los de receptores de radio y televisión, los elementos no lineales se pueden reemplazar con un modelo lineal de señal pequeña , lo que permite utilizar técnicas de análisis lineal .
Por el contrario, todos los elementos del circuito, incluso los elementos "lineales", muestran no linealidad a medida que aumenta el nivel de la señal. Al menos, el voltaje de suministro de energía al circuito generalmente pone un límite a la magnitud del voltaje de salida de un circuito. Por encima de ese límite, la salida deja de escalar en magnitud con la entrada, sin cumplir la definición de linealidad.
