アナログ電子機器

このサーミスタのようなアナログ電子部品は、通常はバイナリコードなどの離散信号を持つデジタル電子部品とは異なり、連続信号で機能します。

アナログ電子機器（アメリカ英語：analog electronics）は、連続的に変化する信号を持つ電子システムであり、信号が通常2つのレベルしか取らないデジタル電子機器とは対照的である。アナログという用語は、信号と信号を表す電圧または電流との間の比例関係を表す。アナログという言葉は、比例を意味するギリシャ語のανάλογος analogosに由来する。^[1]

アナログ信号は、信号の情報を伝えるために媒体の何らかの属性を使用します。たとえば、気圧計は、収縮および膨張する箱の上にある針の角度位置を信号として使用し、大気圧の変化の情報を伝えます。^[2]電気信号は、電圧、電流、周波数、または総電荷を変更することで情報を表すことができます。情報は、ある種類のエネルギーを別の種類のエネルギーに変換するトランスデューサー（例：マイク）によって、他の物理的形式（音、光、温度、圧力、位置など）から電気信号に変換されます。^[3]

信号は、指定された範囲から任意の値を取り、それぞれの固有の信号値は異なる情報を表します。信号の変化は意味を持ち、信号の各レベルは、それが表す現象の異なるレベルを表します。たとえば、信号が温度を表すために使用されており、1ボルトが1 度摂氏を表すとします。このようなシステムでは、10 ボルトは 10 度を表し、10.1 ボルトは 10.1 度を表します。

アナログ信号を伝送する別の方法は、変調を使用することです。この方法では、いくつかの基本搬送信号の特性の1つが変更されます。振幅変調（AM）は、ソース情報によって正弦波電圧波形の振幅を変更することを伴い、周波数変調（FM）は周波数を変更します。位相変調や搬送信号の位相を変更するなどの他の技術も使用されます。 ^[4]

アナログ音声録音では、マイクに当たる音の圧力の変化によって、マイクを流れる電流やマイクにかかる電圧がそれに応じて変化します。音量が増加すると、波形や形状は同じまま、電流や電圧の変動が比例して増加します。

機械式、空気圧式、油圧式、その他のシステムでもアナログ信号が使用される場合があります。

アナログシステムには必ずノイズが含まれます。ノイズはランダムな外乱や変動で、原子粒子のランダムな熱振動によって発生するものもあります。アナログ信号のすべての変動は重要であるため、外乱は元の信号の変化と同等であり、ノイズとして現れます。 ^[5]信号がコピーされ、再コピーされたり、長距離伝送されたりするにつれて、これらのランダムな変動はより顕著になり、信号劣化につながります。その他のノイズ源には、他の信号や設計不良のコンポーネントからのクロストークが含まれます。これらの外乱は、シールドや低ノイズアンプ(LNA)の使用によって軽減されます。^[6]

アナログとデジタルの電子機器では情報のエンコード方法が異なるため、信号の処理方法も異なります。増幅、フィルタリング、制限など、アナログ信号に対して実行できるすべての操作は、デジタル領域でも再現できます。すべてのデジタル回路はアナログ回路でもあり、あらゆるデジタル回路の動作はアナログ回路のルールを使用して説明できます。

マイクロエレクトロニクスの使用により、デジタル機器は安価になり、広く入手可能になりました。

アナログ回路に対するノイズの影響は、ノイズのレベルに依存します。ノイズ レベルが高いほど、アナログ信号は乱れ、徐々に使用できなくなります。このため、アナログ信号は「優雅に故障する」と言われています。アナログ信号は、非常に高いレベルのノイズでも理解可能な情報を含むことができます。一方、デジタル回路は、特定のしきい値に達するまでノイズの存在にまったく影響されませんが、そのしきい値に達すると壊滅的な故障を起こします。デジタル通信では、エラー検出および訂正コーディング スキームとアルゴリズムを使用して、ノイズしきい値を上げることができます。それでも、リンクの壊滅的な故障が発生するポイントがまだあります。^{[7] [8]}

デジタルエレクトロニクスでは、情報が量子化されているため、信号が一定の範囲内にとどまっている限り、同じ情報を表します。デジタル回路では、信号は各ロジックゲートで再生され、ノイズが軽減または除去されます。^{[9] [検証失敗]アナログ回路では、信号損失は}増幅器 で再生できます。ただし、ノイズはシステム全体で累積され、増幅器自体もその雑音指数に応じてノイズを増加させます。^{[10] [11]}

信号の精度にはさまざまな要因が影響しますが、主に元の信号に存在するノイズと処理によって追加されたノイズです (信号対雑音比を参照)。 部品のショット ノイズなどの基本的な物理的制限により、アナログ信号の解像度が制限されます。 デジタル エレクトロニクスでは、信号を表す桁を追加することで精度が向上します。 桁数の実際的な制限は、アナログ - デジタル コンバータ(ADC) の性能によって決まります。これは、デジタル操作は通常、精度を落とさずに実行できるためです。 ADC はアナログ信号を受け取り、それを一連の2 進数に変換します。 ADC は、温度計や露出計などの単純なデジタル表示デバイスに使用できますが、デジタル サウンドの録音やデータ取得にも使用できます。 ただし、デジタル信号をアナログ信号に変換するには、デジタル - アナログ コンバータ(DAC) を使用します。 DAC は、一連の 2 進数を受け取り、それをアナログ信号に変換します。オペアンプのゲイン制御システムにはDACが組み込まれているのが一般的で、これを使ってデジタルアンプやフィルタを制御することもできます。^[12]

アナログ回路は一般に設計が難しく、概念化には同等のデジタルシステムよりも多くのスキルが必要です。^[13]アナログ回路は、アプリケーションがハードウェアに組み込まれているため、通常は手作業で設計されます。一方、デジタルハードウェアは、アプリケーション間で多くの共通性があり、標準化された形式で大量生産できます。ハードウェア設計は、主に同一のブロックの繰り返しで構成され、設計プロセスは高度に自動化できます。これが、デジタルシステムがアナログデバイスよりも一般的になった主な理由の1つです。ただし、デジタルハードウェアのアプリケーションはソフトウェア/ファームウェアの機能であり、これを作成するには依然として大部分が労働集約的なプロセスです。2000年代初頭以降、ソフトウェアを使用してアナログ設計を定義できるプラットフォームがいくつか開発され、プロトタイプ作成が迅速化されました。さらに、デジタル電子デバイスが現実世界と対話する場合、常にアナログインターフェイスが必要になります。^[14]たとえば、すべてのデジタルラジオ受信機には、受信チェーンの最初のステージとしてアナログプリアンプがあります。

SPICEなどのソフトウェア回路シミュレータの登場により、アナログ回路の設計は大幅に容易になりました。IBM は1970 年代に独自の社内シミュレータASTAP を開発しました。このシミュレータは、他のシミュレータと比較して珍しいスパース マトリックス方式の回路解析を採用しました。

アナログ回路は完全に受動的なもので、抵抗器、コンデンサ、インダクタで構成されています。能動回路にはトランジスタなどの能動素子も含まれます。従来の回路は集中素子、つまり個別のコンポーネントから構成されています。ただし、代替手段として、伝送線路の断片から構成される分散素子回路があります。

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