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) aplicadas 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 la misma que la de los gráficos de líneas rectas .
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 de estado estable del 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 denomina lineal invariante en el tiempo (LTI).
De manera informal, 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 un dispositivo electrónico que utiliza circuitos lineales es un sistema de sonido .
El principio de superposición, la ecuación definitoria de 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 por un factor escala la señal de salida por el mismo factor.
Un circuito lineal es aquel que no tiene componentes electrónicos no lineales en él. [1] [2] [3] Ejemplos de circuitos lineales son amplificadores , diferenciadores e integradores , filtros electrónicos lineales o cualquier circuito compuesto exclusivamente de resistencias ideales , capacitores , inductores , amplificadores operacionales (en la región "no saturada") y otros elementos de circuitos "lineales" .
Algunos ejemplos de componentes electrónicos no lineales son: diodos , transistores , inductores y transformadores con núcleo de hierro cuando el núcleo está saturado. Algunos ejemplos de circuitos que funcionan de forma no lineal son mezcladores , moduladores , rectificadores , detectores de receptores de radio y circuitos lógicos digitales .
Los circuitos lineales invariantes en el tiempo son importantes porque pueden procesar señales analógicas sin introducir distorsión por intermodulación . Esto significa que las distintas frecuencias de la señal permanecen separadas y no se mezclan, creando nuevas frecuencias ( heterodinos ).
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 potentes técnicas matemáticas del dominio de la frecuencia , incluyendo el análisis de Fourier y la transformada de Laplace . Estas también proporcionan una comprensión intuitiva del comportamiento cualitativo del circuito, caracterizándolo mediante términos como ganancia , desplazamiento 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 de forma cerrada. Si se desean resultados precisos, deben analizarse utilizando métodos numéricos aproximados mediante programas informáticos de simulación de circuitos electrónicos como SPICE . El comportamiento de elementos de circuitos lineales como resistencias, condensadores e inductores se puede especificar mediante un único 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 darse mediante una línea curva en un gráfico. Por lo tanto, especificar las características de un circuito no lineal requiere más información que la necesaria 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 a menudo dividen sus líneas de productos en líneas "lineales" y "digitales". "Lineal" aquí significa " analógico "; la línea lineal incluye circuitos integrados diseñados para procesar señales linealmente, 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 de manera lineal 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 los receptores de radio y televisión, los elementos no lineales se pueden reemplazar por un modelo lineal de pequeña señal , lo que permite utilizar técnicas de análisis lineal .
Por el contrario, todos los elementos de un circuito, incluso los elementos "lineales", muestran no linealidad a medida que aumenta el nivel de la señal. Como mínimo, el voltaje de la fuente de alimentación del circuito suele poner un límite a la magnitud del voltaje de salida de un circuito. Por encima de ese límite, la salida deja de ajustarse en magnitud a la entrada, lo que no cumple la definición de linealidad.
