Analoge Elektronik

Analoge elektronische Bauteile wie dieser Thermistor arbeiten mit kontinuierlichen Signalen, im Gegensatz zur digitalen Elektronik , die diskrete Signale , üblicherweise Binärcode, verwendet.

Analoge Elektronik ( im amerikanischen Englisch : analog electronics ) bezeichnet elektronische Systeme mit einem kontinuierlich veränderlichen Signal, im Gegensatz zur digitalen Elektronik, bei der Signale üblicherweise nur zwei Pegel annehmen . Der Begriff „analog“ beschreibt das proportionale Verhältnis zwischen einem Signal und einer Spannung oder einem Strom, der das Signal repräsentiert. Das Wort „analog“ leitet sich vom griechischen Wort ανάλογος (analogos) ab, was „proportional“ bedeutet . ^{[ 1 ]}

Ein analoges Signal nutzt eine Eigenschaft des Mediums, um Informationen zu übermitteln. Beispielsweise verwendet ein Aneroidbarometer die Winkelposition einer Nadel auf einem sich zusammenziehenden und ausdehnenden Behälter, um Informationen über Änderungen des Luftdrucks zu übermitteln . ^{[ 2 ]} Elektrische Signale können Informationen durch Änderung ihrer Spannung , ihres Stroms , ihrer Frequenz oder ihrer Gesamtladung darstellen . Informationen werden von einer anderen physikalischen Form (wie Schall , Licht , Temperatur , Druck , Position) in ein elektrisches Signal umgewandelt, indem ein Wandler eine Energieform in eine andere umwandelt (z. B. ein Mikrofon ). ^{[ 3 ]}

Die Signale können beliebige Werte innerhalb eines vorgegebenen Bereichs annehmen, wobei jeder Signalwert eine andere Information repräsentiert. Jede Änderung des Signals ist bedeutsam, und jeder Signalwert steht für eine andere Ausprägung des dargestellten Phänomens. Angenommen, das Signal wird zur Darstellung der Temperatur verwendet, wobei ein Volt einem Grad Celsius entspricht . In einem solchen System würden 10 Volt 10 Grad und 10,1 Volt 10,1 Grad entsprechen.

Eine weitere Methode zur Übertragung eines analogen Signals ist die Modulation . Dabei wird eine Eigenschaft eines Trägersignals verändert: Bei der Amplitudenmodulation (AM) wird die Amplitude einer sinusförmigen Spannungswelle durch die Quellinformation verändert, bei der Frequenzmodulation (FM) die Frequenz. Weitere Techniken, wie die Phasenmodulation oder die Änderung der Phase des Trägersignals, werden ebenfalls eingesetzt. ^{[ 4 ]}

Bei einer analogen Tonaufnahme erzeugt die Druckänderung eines auf ein Mikrofon treffenden Schalls eine entsprechende Änderung des durchfließenden Stroms bzw. der anliegenden Spannung. Eine Erhöhung der Lautstärke führt zu einer proportionalen Zunahme der Strom- oder Spannungsschwankung, wobei die Wellenform gleich bleibt .

Mechanische , pneumatische , hydraulische und andere Systeme können auch analoge Signale verwenden.

Analoge Systeme weisen stets Rauschen auf , das aus zufälligen Störungen oder Schwankungen besteht, die teilweise durch die zufälligen thermischen Schwingungen atomarer Teilchen verursacht werden. Da jede Schwankung eines analogen Signals relevant ist, entspricht jede Störung einer Änderung des ursprünglichen Signals und erscheint daher als Rauschen. ^{[ 5 ]} Bei der wiederholten Vervielfältigung des Signals oder der Übertragung über große Entfernungen verstärken sich diese zufälligen Schwankungen und führen zu einer Signalverschlechterung . Weitere Rauschquellen können Übersprechen von anderen Signalen oder schlecht konstruierte Bauteile sein. Diese Störungen lassen sich durch Abschirmung und den Einsatz rauscharmer Verstärker (LNA) reduzieren . ^{[ 6 ]}

Da Informationen in analoger und digitaler Elektronik unterschiedlich kodiert werden , ist auch die Signalverarbeitung unterschiedlich. Alle Operationen, die an einem analogen Signal durchgeführt werden können, wie Verstärkung , Filterung , Begrenzung usw., lassen sich auch im digitalen Bereich realisieren. Jede digitale Schaltung ist im Grunde auch eine analoge Schaltung, da sich das Verhalten jeder digitalen Schaltung mithilfe der Regeln analoger Schaltungen erklären lässt.

Durch den Einsatz von Mikroelektronik sind digitale Geräte billig und weit verbreitet geworden.

Die Auswirkung von Rauschen auf analoge Schaltungen hängt vom Rauschpegel ab . Je höher der Rauschpegel, desto stärker wird das analoge Signal gestört und desto unbrauchbarer wird es. Daher spricht man bei analogen Signalen von einem „sanften Ausfall“. Analoge Signale können selbst bei sehr hohem Rauschpegel noch verständliche Informationen enthalten. Digitale Schaltungen hingegen werden durch Rauschen erst ab einem bestimmten Schwellenwert beeinträchtigt, wenn es zu einem Totalausfall kommt. In der digitalen Telekommunikation lässt sich der Rauschschwellenwert durch Fehlererkennungs- und -korrekturverfahren erhöhen. Dennoch gibt es auch hier einen Punkt, an dem die Verbindung vollständig ausfällt. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

In der digitalen Elektronik ist die Information quantisiert ; solange das Signal innerhalb eines bestimmten Wertebereichs liegt, repräsentiert es dieselbe Information. In digitalen Schaltungen wird das Signal an jedem Logikgatter regeneriert , wodurch Rauschen reduziert oder beseitigt wird. ^{[ 9 ]} In analogen Schaltungen kann der Signalverlust durch Verstärker ausgeglichen werden . Allerdings akkumuliert sich das Rauschen im gesamten System, und der Verstärker selbst trägt entsprechend seiner Rauschzahl zum Rauschen bei . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Die Präzision eines Signals hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere vom Rauschen im Originalsignal und dem durch die Signalverarbeitung hinzugefügten Rauschen (siehe Signal-Rausch-Verhältnis ). Physikalische Grundgrenzen wie das Schrotrauschen in Bauteilen begrenzen die Auflösung analoger Signale. In der digitalen Elektronik wird eine höhere Präzision durch die Verwendung zusätzlicher Stellen zur Darstellung des Signals erreicht. Die praktische Grenze der Stellenanzahl wird durch die Leistungsfähigkeit des Analog-Digital-Wandlers (ADC) bestimmt, da digitale Operationen üblicherweise ohne Präzisionsverlust durchgeführt werden können. Der ADC wandelt ein analoges Signal in eine Folge von Binärzahlen um. ADCs werden in einfachen digitalen Anzeigegeräten wie Thermometern oder Lichtmessern eingesetzt, finden aber auch Anwendung in der digitalen Tonaufzeichnung und Datenerfassung. Ein Digital-Analog-Wandler (DAC) hingegen wandelt ein digitales Signal in ein analoges Signal um. Ein DAC wandelt eine Folge von Binärzahlen in ein analoges Signal um. Häufig findet man einen DAC im Verstärkungsregler eines Operationsverstärkers , der wiederum zur Ansteuerung digitaler Verstärker und Filter verwendet werden kann. ^{[ 12 ]}

Analoge Schaltungen sind typischerweise schwieriger zu entwerfen und erfordern mehr Fachwissen als vergleichbare digitale Systeme. ^{[ 13 ]} Analoge Schaltungen werden üblicherweise manuell entworfen, da die Anwendung in die Hardware integriert ist. Digitale Hardware hingegen weist viele Gemeinsamkeiten in verschiedenen Anwendungen auf und kann standardisiert in Serie gefertigt werden. Der Hardware-Entwurf besteht größtenteils aus wiederholten identischen Blöcken, und der Entwurfsprozess lässt sich hochgradig automatisieren. Dies ist einer der Hauptgründe, warum digitale Systeme gegenüber analogen Geräten verbreiteter sind. Die Anwendung digitaler Hardware hängt jedoch von der Software / Firmware ab , deren Entwicklung nach wie vor ein arbeitsintensiver Prozess ist. Seit Anfang der 2000er-Jahre wurden Plattformen entwickelt, die es ermöglichen, analoge Schaltungen softwarebasiert zu definieren – was ein schnelleres Prototyping erlaubt. Darüber hinaus benötigt ein digitales elektronisches Gerät für die Interaktion mit der realen Welt stets eine analoge Schnittstelle. ^{[ 14 ]} Beispielsweise verfügt jeder digitale Radioempfänger über einen analogen Vorverstärker als erste Stufe in der Empfangskette.

Die Entwicklung analoger Schaltungen wurde durch das Aufkommen von Software-Schaltungssimulatoren wie SPICE erheblich erleichtert . IBM entwickelte in den 1970er Jahren einen eigenen hauseigenen Simulator, ASTAP , der eine (im Vergleich zu anderen Simulatoren) ungewöhnliche Methode der Schaltungsanalyse mit dünnbesetzten Matrizen verwendete.

Analoge Schaltungen können rein passiv sein und aus Widerständen , Kondensatoren und Induktivitäten bestehen . Aktive Schaltungen enthalten zusätzlich aktive Bauelemente wie Transistoren . Traditionelle Schaltungen werden aus konzentrierten Bauelementen – also diskreten Komponenten – aufgebaut. Eine Alternative dazu sind verteilte Schaltungen , die aus Übertragungsleitungen bestehen .

• Analogrechner
• Analoge Überprüfung
• Vergleich von analoger und digitaler Aufzeichnung
• Digitale Daten , im Gegensatz zu analogen
• Linearer integrierter Schaltkreis , ein analoger Chip