La electrónica analógica ( en inglés : analog electronics ) son sistemas electrónicos con una señal continuamente variable, en contraste con la electrónica digital donde las señales suelen tener solo dos niveles . El término analógico describe la relación proporcional entre una señal y un voltaje o corriente que representa la señal. La palabra analógico se deriva de la palabra griega ανάλογος analogos que significa proporcional . [1]
Una señal analógica utiliza algún atributo del medio para transmitir la información de la señal. Por ejemplo, un barómetro aneroide utiliza la posición angular de una aguja en la parte superior de una caja que se contrae y se expande como señal para transmitir la información de los cambios en la presión atmosférica . [2] Las señales eléctricas pueden representar información cambiando su voltaje , corriente , frecuencia o carga total . La información se convierte de alguna otra forma física (como sonido , luz , temperatura , presión , posición) a una señal eléctrica mediante un transductor que convierte un tipo de energía en otro (por ejemplo, un micrófono ). [3]
Las señales toman cualquier valor de un rango determinado y cada valor de señal único representa información diferente. Cualquier cambio en la señal es significativo y cada nivel de la señal representa un nivel diferente del fenómeno que representa. Por ejemplo, supongamos que la señal se utiliza para representar la temperatura, donde un voltio representa un grado Celsius . En un sistema de este tipo, 10 voltios representarían 10 grados y 10,1 voltios representarían 10,1 grados.
Otro método para transmitir una señal analógica es el uso de modulación . En este caso, se modifica una de las propiedades de una señal portadora base: la modulación de amplitud (AM) implica alterar la amplitud de una forma de onda de voltaje sinusoidal mediante la información de la fuente, mientras que la modulación de frecuencia (FM) cambia la frecuencia. También se utilizan otras técnicas, como la modulación de fase o el cambio de la fase de la señal portadora. [4]
En una grabación de sonido analógica, la variación de presión de un sonido que incide sobre un micrófono crea una variación correspondiente en la corriente que pasa a través de él o en el voltaje que lo atraviesa. Un aumento en el volumen del sonido hace que la fluctuación de la corriente o del voltaje aumente proporcionalmente, manteniendo la misma forma de onda .
Los sistemas mecánicos , neumáticos , hidráulicos y otros también pueden utilizar señales analógicas.
Los sistemas analógicos incluyen invariablemente ruido , que son perturbaciones o variaciones aleatorias, algunas causadas por las vibraciones térmicas aleatorias de las partículas atómicas. Dado que todas las variaciones de una señal analógica son significativas, cualquier perturbación es equivalente a un cambio en la señal original y, por lo tanto, aparece como ruido. [5] A medida que la señal se copia y vuelve a copiar, o se transmite a largas distancias, estas variaciones aleatorias se vuelven más significativas y conducen a la degradación de la señal . Otras fuentes de ruido pueden incluir la diafonía de otras señales o componentes mal diseñados. Estas perturbaciones se reducen mediante el blindaje y el uso de amplificadores de bajo ruido (LNA). [6]
Dado que la información se codifica de forma diferente en la electrónica analógica y digital , la forma en que procesan una señal es, en consecuencia, diferente. Todas las operaciones que se pueden realizar en una señal analógica, como la amplificación , el filtrado , la limitación y otras, también se pueden duplicar en el dominio digital. Todo circuito digital es también un circuito analógico, en el sentido de que el comportamiento de cualquier circuito digital se puede explicar utilizando las reglas de los circuitos analógicos.
El uso de la microelectrónica ha hecho que los dispositivos digitales sean baratos y ampliamente disponibles.
El efecto del ruido en un circuito analógico es una función del nivel de ruido. Cuanto mayor sea el nivel de ruido, más se altera la señal analógica, volviéndose poco a poco menos utilizable. Debido a esto, se dice que las señales analógicas "fallan elegantemente". Las señales analógicas pueden seguir conteniendo información inteligible con niveles muy altos de ruido. Los circuitos digitales, por otro lado, no se ven afectados en absoluto por la presencia de ruido hasta que se alcanza un cierto umbral, momento en el que fallan catastróficamente. Para las telecomunicaciones digitales , es posible aumentar el umbral de ruido con el uso de esquemas y algoritmos de codificación de detección y corrección de errores . Sin embargo, todavía hay un punto en el que se produce una falla catastrófica del enlace. [7] [8]
En electrónica digital, debido a que la información está cuantificada , siempre que la señal se mantenga dentro de un rango de valores, representa la misma información. En circuitos digitales, la señal se regenera en cada puerta lógica , lo que reduce o elimina el ruido. [9] [ verificación fallida ] En circuitos analógicos, la pérdida de señal se puede regenerar con amplificadores . Sin embargo, el ruido es acumulativo en todo el sistema y el propio amplificador se sumará al ruido de acuerdo con su figura de ruido . [10] [11]
Una serie de factores afectan la precisión de una señal, principalmente el ruido presente en la señal original y el ruido añadido por el procesamiento (véase relación señal-ruido ). Los límites físicos fundamentales, como el ruido de disparo en los componentes, limitan la resolución de las señales analógicas. En la electrónica digital, se obtiene una precisión adicional utilizando dígitos adicionales para representar la señal. El límite práctico en el número de dígitos está determinado por el rendimiento del convertidor analógico-digital (ADC), ya que las operaciones digitales normalmente se pueden realizar sin pérdida de precisión. El ADC toma una señal analógica y la convierte en una serie de números binarios . El ADC se puede utilizar en dispositivos de visualización digital simples, por ejemplo, termómetros o fotómetros, pero también se puede utilizar en la grabación de sonido digital y en la adquisición de datos. Sin embargo, un convertidor digital-analógico (DAC) se utiliza para cambiar una señal digital a una señal analógica. Un DAC toma una serie de números binarios y la convierte en una señal analógica. Es común encontrar un DAC en el sistema de control de ganancia de un amplificador operacional que, a su vez, se puede utilizar para controlar amplificadores y filtros digitales. [12]
Los circuitos analógicos suelen ser más difíciles de diseñar y requieren más habilidad que los sistemas digitales comparables para conceptualizarlos. [13] Un circuito analógico suele diseñarse a mano porque la aplicación está integrada en el hardware. El hardware digital, por otro lado, tiene una gran cantidad de elementos comunes en todas las aplicaciones y se puede producir en masa en una forma estandarizada. El diseño del hardware consiste principalmente en bloques idénticos repetidos y el proceso de diseño se puede automatizar en gran medida. Esta es una de las principales razones por las que los sistemas digitales se han vuelto más comunes que los dispositivos analógicos. Sin embargo, la aplicación del hardware digital es una función del software / firmware y su creación sigue siendo en gran medida un proceso laborioso. Desde principios de la década de 2000, se desarrollaron algunas plataformas que permitieron definir el diseño analógico mediante software, lo que permite una creación de prototipos más rápida. Además, si un dispositivo electrónico digital debe interactuar con el mundo real, siempre necesitará una interfaz analógica. [14] Por ejemplo, cada receptor de radio digital tiene un preamplificador analógico como primera etapa en la cadena de recepción.
El diseño de circuitos analógicos se ha visto facilitado en gran medida por la aparición de simuladores de circuitos de software como SPICE . IBM desarrolló su propio simulador interno, ASTAP , en la década de 1970, que utilizaba un método de análisis de circuitos de matriz dispersa poco común (en comparación con otros simuladores) .
Los circuitos analógicos pueden ser completamente pasivos , compuestos por resistencias , condensadores e inductores . Los circuitos activos también contienen elementos activos, como transistores . Los circuitos tradicionales se construyen a partir de elementos concentrados , es decir, componentes discretos. Sin embargo, una alternativa son los circuitos de elementos distribuidos , construidos a partir de trozos de línea de transmisión .
Barómetro aneroide de D. Van Nostran Co.
Las señales provienen de transductores...
Hasta que llegó la radio...
de ruido degrada el rendimiento de los sistemas de comunicación.
Es común en los sistemas de microondas...
Ruido desde una perspectiva analógica (o de pequeña señal)...
Para que los dispositivos analógicos... se comuniquen con circuitos digitales...
Incluso dentro de empresas que producen productos tanto analógicos como digitales...
