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模擬電路

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低通濾波器是一種模擬電路

模擬電路英語:analogue electronics美式analog electronics)是涉及連續函數形式模擬訊號電子電路,與之相對的是數碼電路,後者通常只關注0和1兩個邏輯電平。「模擬」二字主要指電壓(或電流)對於真實訊號成比例的再現,它最初來源於希臘語詞彙ανάλογος,意思是「成比例的」。[1]

固有的雜訊[編輯]

模擬電路系統處理的訊號總是包含着一定的雜訊。這意味着,電路系統隨機的熱偏差將造成模擬訊號隨機的偏差、擾動。模擬電路系統中各個不同部分的偏差積累起來,可以使偏差量的負面影響常常會比較顯著,這些偏差將形成雜訊。[2]由於模擬訊號在電路中常常會通過電子放大器,雜訊會被不斷地放大,再加上原始訊號在長距離傳輸的過程中也會有損耗,因此這些隨機的雜訊會造成訊號嚴重失真。模擬電路中雜訊的來源還來自於外部訊號干擾以及設計欠佳的電子元件。通過使用遮蔽導線,或者在電路中引入低噪音放大器,可以儘量緩解雜訊的負面影響。[3]

與數碼電路的比較[編輯]

在模擬電路和數碼電路中,訊號的表達方式不同。對模擬訊號能夠執行的操作,例如放大濾波、限幅等,都可以對數碼訊號進行操作。事實上,所有的數碼電路從根本上來說都是模擬電路,其基本電學原理,都與模擬電路相同。互補式金屬氧化物半導體就是由兩個模擬的金屬氧化物半導體場效電晶體構成的,其對稱、互補的結構,使它恰好能處理高低數碼邏輯電平。不過,數碼電路的設計目標是用來處理數碼訊號,如果強行引入任意模擬訊號而不進行額外處理,則可能造成量化雜訊

電子學發展史上第一個被發明出來並得到大規模生產的器件是模擬的。後來,隨着微電子學的發展,數碼技術的成本大大降低,加之計算機對於數碼訊號的要求,使得數碼式的方法在人機交互等領域具有可行性和較高的性價比。[4]

可以說模擬電路是數碼電路的基礎,數碼電路可以看作是模擬電路的一種特殊形式。

模擬電子和數碼電子的主要區別如下:

雜訊[編輯]

在模擬電路中,由於訊號幾乎完全將真實訊號按比例表現為電壓或電流的形式,造成模擬電路對於雜訊的影響比數碼電路更加敏感,訊號的微小偏差都會表現為相當顯著,造成信息損失。作為對比,數碼電路只取決於高低電平,如果要造成信息傳遞的錯誤,那麼訊號的偏差必須至少達到高電平的一半左右(具體的大小根據不同的電路規格有所不同)。因此,對信息進行量化的數碼電路對於雜訊的抵禦能力比模擬電路更強,只要偏差不大於某一規定值,信息就不會損失。在數碼電路中,雜訊在各個邏輯門的地方都可以得到消減。[5]

精度[編輯]

有若干個因素會影響訊號的精度,其中最主要的是原始訊號中的雜訊以及訊號處理過程中混入的雜訊。模擬訊號的解像度受到器件物理層面限度(例如散粒雜訊)的制約。在數碼電子中,可以採用增加訊號的位數(例如8位解像度的類比數位轉換器能夠將其量程分為8段,其中每一段作為最小分度進行轉換)來提高數碼訊號的解像度,轉換位數是類比數位轉換器的一項關鍵參數。類比數位轉換器將模擬訊號轉換為數碼訊號,這樣原始訊號就可以用二進制數來表示,方便數碼電路(包括計算機)進行處理。用到這種轉換器的應用產品包括數碼式的溫度計以及錄音機等數據採集設備。相反的,數位類比轉換器則被用來將數碼訊號還原為模擬訊號,它可以讀入一系列二進制訊號,經過轉換後以電壓值等形式的模擬訊號輸出。數位類比轉換器在許多運算放大器增益控制系統中較為常見。[6]

設計的難度[編輯]

模擬電路的設計通常比數碼電路更為困難,對設計人員的水平要求更高。這也是數碼電路系統比模擬電路系統更加普及的原因之一。模擬電路通常需要更多的手工運算,其設計過程的自動化程度低於數碼電路。然而,數碼式電子設備要在真實物理世界中得到應用,就必須具有一個模擬的介面,因為自然界的大多數實際訊號是模擬的。[7]例如,所有數碼式收音機的訊號接收器,都具有一個模擬的預放大器來進行訊號接收的第一步操作。

使用元件[編輯]

以下是一些模擬電路常用的元件:

參考文獻[編輯]

  1. ^ Concise Oxford dictionary 10. Oxford University Press Inc. 1999. ISBN 0198602871. 
  2. ^ Hsu, Hwei Piao. Schaum's outline of theory and problems of analogue and digital communications. McGraw-Hill Professional. 2003: 202. ISBN 0071402284. The presence of noise degrades the performance of communication systems. 
  3. ^ Carr, Joseph J. Secrets of RF circuit design. McGraw-Hill Professional. 2000: 423. ISBN 0071370676. It is common in microwave systems... 
  4. ^ Roe, David B.; Wilpon, Jay G. Voice communication between humans and machines. U.S. National Academy of Science Press. 1994: 19. ISBN 0309049881. ...microelectronics technology. 
  5. ^ Chen, Wai-Kai. The electrical engineering handbook. Academic Press. 2005: 101. ISBN 0080477488. Noise from an analog (or small-signal) perspective... 
  6. ^ Scherz, Paul. Practical electronics for inventors. McGraw-Hill Professional. 2006: 730. ISBN 0071452818. In order for analog devices... to communicate with digital circuits... 
  7. ^ Williams, Jim. Analog circuit design. Newnes. 1991: 238. ISBN 0750696400. Even within companies producing both analog and digital products... 

參見[編輯]