El mundo de la electrónica se trata de circuitos eléctricos, componentes electrónicos y tecnologías interconectadas. Todos estos elementos se pueden clasificar principalmente como digitales, analógicos o una combinación de ambos. Sin embargo, aquí nos centraremos en los conceptos básicos de la electrónica analógica.
Contenido
Qué es la Electrónica Analógica?
La electrónica analógica es una rama de la electrónica que se ocupa de señales continuamente variables. Se usa ampliamente en equipos de radio y audio junto con otras aplicaciones donde las señales se derivan de sensores analógicos antes de convertirse en señales digitales para su posterior almacenamiento y procesamiento. Aunque los circuitos digitales se consideran una parte dominante del mundo tecnológico actual, algunos de los componentes más fundamentales de un sistema digital son en realidad de naturaleza analógica.
Para entender el concepto, primero definamos la palabra «Analógico«.
¿Qué es Analógico?
Analógico significa continuo y real. El mundo en el que vivimos es de naturaleza analógica, lo que implica que está lleno de posibilidades infinitas. La cantidad de olores que podemos sentir, la cantidad de sonidos que podemos escuchar o la cantidad de colores con los que podemos pintar; todo es infinito. Las personas que trabajan en el campo de la electrónica analógica se ocupan básicamente de dispositivos y circuitos analógicos.
Por ejemplo, si construimos un circuito y cuenta valores como 1, 2, 3, 4 y 5; los valores no son infinitos ni continuos. Por otro lado, si el circuito cuenta como 1.00000, 1.00001, 1.00002, 4.99999, 5.00000, la cantidad de información sería infinita.
Características de la Electrónica Analógica
Ruido
El efecto del ruido sobre un circuito analógico es una función del nivel de ruido. Cuanto mayor es el nivel de ruido, más se perturba la señal analógica, que poco a poco se vuelve menos utilizable. Por ello, se dice que las señales analógicas «fallan con gracia». Las señales analógicas pueden seguir conteniendo información inteligible con niveles de ruido muy elevados. Los circuitos digitales, en cambio, no se ven afectados por la presencia de ruido hasta que se alcanza un determinado umbral, momento en el que fallan de forma catastrófica. En el caso de 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, sigue habiendo un punto en el que se produce un fallo catastrófico del enlace.
En la electrónica digital, como la información está cuantificada, mientras la señal se mantenga dentro de un rango de valores, representa la misma información. En los circuitos digitales, la señal se regenera en cada compuerta lógica, disminuyendo o eliminando el ruido. En los circuitos analógicos, la pérdida de señal puede regenerarse con amplificadores. Sin embargo, el ruido es acumulativo en todo el sistema y el propio amplificador se sumará al ruido según su factor de ruido.
Precisión
Hay una serie de factores que afectan a la precisión de una señal, principalmente el ruido presente en la señal original y el ruido añadido por el procesamiento. Los límites físicos fundamentales, como el ruido de disparo de los componentes, limitan la resolución de las señales analógicas. En la electrónica digital, la precisión adicional se obtiene utilizando dígitos adicionales para representar la señal. El límite práctico en el número de dígitos viene determinado por el rendimiento del convertidor analógico a digital (ADC), ya que normalmente se pueden realizar operaciones digitales sin pérdida de precisión. El ADC toma una señal analógica y la transforma en una serie de números binarios.
El ADC puede utilizarse en dispositivos de visualización digital sencillos, por ejemplo, termómetros o medidores de luz, pero también puede emplearse en la grabación digital de sonido y en la adquisición de datos. Sin embargo, un convertidor digital-analógico (DAC) se utiliza para convertir una señal digital en una señal analógica. Un DAC toma una serie de números binarios y la convierte en una señal analógica. Es habitual encontrar un DAC en el sistema de control de ganancia de un Amplificador Operacional, que a su vez puede utilizarse para controlar amplificadores y filtros digitales.
Dificultad del Diseño
Los circuitos analógicos suelen ser más difíciles de diseñar y requieren más habilidad que los sistemas digitales comparables para conceptualizarlos. Esta es una de las principales razones por las que los sistemas digitales se han vuelto más comunes que los dispositivos analógicos. Un circuito analógico suele diseñarse a mano, y el proceso está mucho menos automatizado que el de los sistemas digitales.
Desde principios de la década de 2000, se han desarrollado algunas plataformas que permiten definir el diseño analógico mediante software, lo que permite una creación de prototipos más rápida. Sin embargo, si un dispositivo electrónico digital va a interactuar con el mundo real, siempre necesitará una interfaz analógica. Por ejemplo, todo receptor de radio digital tiene un preamplificador analógico como primera etapa de la cadena de recepción.
Señales Análogas
Antes de continuar con las señales analógicas, comprendamos el significado simple de una señal. En ingeniería eléctrica, las señales son básicamente cantidades variables en el tiempo (generalmente voltaje o corriente). Entonces, cuando hablamos de señal, significa que estamos hablando de un voltaje que cambia con el tiempo.
Las señales se pasan entre dispositivos para obtener o enviar información en forma de audio, video o datos codificados. La transmisión se realiza a través de cables o vía aérea a través de ondas de radiofrecuencia. Por ejemplo, las señales de audio se transfieren desde la tarjeta de audio de la computadora a los altavoces, mientras que las señales de datos entre una tableta y un enrutador Wi-Fi pasan por el aire.
Las señales analógicas utilizan atributos del medio para transmitir la información de la señal. Por ejemplo, un barómetro aneroide utiliza la posición angular de una aguja para transmitir los cambios en la presión atmosférica. Las señales toman cualquier valor de un rango dado y cada valor de señal denota información diferente. Cada nivel de señal significa un nivel diferente del fenómeno y cualquier cambio en la señal es significativo.
Es bastante fácil determinar si un gráfico de señal es analógico o digital. El primero es suave y continuo, mientras que el segundo es de borde y aparece en forma de cuadrados escalonados. A continuación se muestra un gráfico de señal analógica que representa el cambio de voltaje con el cambio de tiempo.
Circuitos Analógicos
Los circuitos analógicos se pueden definir como una combinación compleja de amplificadores operacionales, resistencias, capacitores y otros componentes electrónicos básicos. Estos circuitos pueden ser tan simples como una combinación de dos resistencias para hacer un divisor de voltaje o estar elegantemente construidos con muchos componentes. Dichos circuitos pueden atenuar, amplificar, aislar, modificar, distorsionar la señal o incluso convertir la original en una señal digital.
Estos circuitos son difíciles de diseñar y necesitan mucha precisión en comparación con los circuitos digitales. Los circuitos modernos rara vez son completamente analógicos, ya que en estos días los circuitos analógicos pueden usar técnicas digitales o de microprocesador para mejorar el rendimiento. Estos circuitos se denominan señales mixtas.
Hay dos tipos de circuitos analógicos, pasivos y activos, donde los primeros no consumen energía eléctrica mientras que los últimos sí.
Electrónica Analógica vs Digital
La diferencia más básica entre la electrónica analógica y digital es que en la primera la tecnología traduce la información en pulsos eléctricos de amplitud variable, mientras que la segunda traduce la información a un formato binario de 0 y 1, donde cada bit representa dos amplitudes distintas.
Sin embargo, hay ciertos rasgos característicos que establecen claramente la diferencia entre la electrónica analógica y digital. Echemos un vistazo a estos aspectos clave:
| Factores | Analógica | Digital |
|---|---|---|
| Ondas | Denotado por ondas sinusoidales | Denotado por ondas cuadradas |
| Señal | Señal continua que representa medidas físicas | Señal discreta que representa una señal de tiempo discreta generada por modulación digital |
| Transmisión de Datos | Sujeto a deterioro por ruido | Inmune al ruido sin deterioro |
| Banda Ancha | Consume menos ancho de banda | Consume más ancho de banda |
| Memoria | Almacenado en forma de señal de onda | Almacenado en forma de bit binario |
| Poder | Extrae gran poder | Extrae un poder insignificante |
| Impedancia | Baja impedancia | Alto orden de 100 megaohmios |
| Errores | Los instrumentos analógicos tienen considerables errores de observación | Los instrumentos digitales están libres de errores de observación |
Cuándo Usar Circuitos y Componentes Analógicos
Como se mencionó anteriormente, los componentes analógicos son el tipo más básico de componentes, mientras que los componentes digitales se utilizan ampliamente en los dispositivos actuales. Ambas ramas son independientemente significativas a su manera, por lo que estamos enumerando ciertos casos en los que los componentes analógicos y los circuitos serían ideales.
Filtrado de señales: al tratar con una señal continua, se necesita un filtro analógico continuo para eliminar todo el contenido de frecuencia posible que no desee. En comparación con un filtro digital, es mucho más fácil de usar y cuesta menos.
Alta potencia: aunque la medición y el control digitales pueden ser útiles para sistemas de alta potencia, una señal digital que cambie de 0 a 400V puede no ser lo suficientemente eficiente. La naturaleza continua del suministro de energía en los sistemas de CA y CC requiere componentes analógicos, ya que son más duraderos y caracterizados.
Antes de A/D y después de D/A: para cambiar entre datos continuos y discretos, los sistemas híbridos necesitan convertidores analógicos a digitales y digitales a analógicos, pero según el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo debe estar en al menos dos veces la frecuencia del componente de frecuencia más alto contenido en la señal. Entonces, para cumplir con el teorema, cualquier señal incluida inadvertidamente en la señal original se puede filtrar para eliminar el ruido después del muestreo.
Dado que la señal aún no es digital, la única opción es filtrar la señal con una unidad analógica. Una vez que haya terminado de operar con una señal digitalmente y la convierta de nuevo a analógica, todo el procesamiento debe realizarse nuevamente con componentes y circuitos analógicos.
Sensores: los sensores convierten la información del mundo real en datos que pueden ser reconocidos por una computadora o un sistema integrado. A menudo, la información no está disponible en el mundo real; más bien, los sensores primero crean una señal analógica y luego la convierten en señales digitales. A diferencia de los sistemas de alto voltaje, los sensores tienen una amplitud baja y necesitan acondicionamiento de la señal para aumentar el valor de la señal y hacer un mejor uso del rango completo de un CAD (Conversor Analógico Digital).
Conclusión
El futuro de la electrónica analógica está llamado a ser testigo de una mezcla de componentes analógicos y digitales en la industria. La electrónica analógica ofrece un diseño muy elegante con muchos componentes y actuaría efectivamente como un impulso al mundo digital. Sin técnicas, procesos y subsistemas analógicos, los sistemas digitales modernos carecerían de medios de alimentación, entrada y salida. Se dice que el futuro de lo analógico es más brillante ahora que nunca. La tecnología electrónica moderna desempeñará un papel cada vez más importante en la calidad y variedad de las vidas. El papel de lo analógico no hará más que aumentar a medida que la gente se aísle más con la última tecnología.