Termín nelineárny odpor používaný v učebniciach vidieť zriedka, často ho však používa nejeden nadšenec do elektroniky praktizujúci vedecké metódy. Rozdiel medzi lineárnym a nelineárnym odporom tvorí základ pre pochopenie rôznych simulácií obvodov a preto je dobré vedieť, kedy a ako ich treba správne implementovať.

Ak si nie ste dostatočne istí rozdielom medzi týmito dvoma výrazmi, je dobré popremýšľať o vzťahu medzi prúdom a napätím v ktoromkoľvek prvku obvodu.

Krivky I-U : lineárny a nelineárny odpor

Každý elektronický komponent možno klasifikovať ako lineárny alebo nelineárny komponent v závislosti od toho, či má lineárny alebo nelineárny odpor. V najjednoduchšom ponímaní bude komponent s lineárnym odporom vždy poskytovať rovnaký odpor bez ohľadu na úroveň vstupného napätia. Naproti tomu prúd v komponente s nelineárnym odporom bude určitou funkciou poklesu napätia na komponente.

Ak nie je jasné, čo to znamená, pomôže vám pozrieť sa na chovanie sa dvoch typov komponentov v grafe. Graf prúdu vs. napätia, ktorý sa tiež nazýva krivka I-U, vám okamžite ukáže rozdiel medzi lineárnym a nelineárnym odporom. Komponent s lineárnym odporom bude mať krivku I-U, ktorá je v skutočnosti priamkou. Naproti tomu komponent s nelineárnym odporom bude mať nelineárnu krivku I-U. Obrázok nižšie zobrazuje krivky I-U pre rezistor a diódu napájanú zdrojom jednosmerného napätia.

Krivky I-U pre rezistor a diódu, ilustrujúce ich lineárny a nelineárny odpor.

Z tejto krivky môžeme ľahko odhadnúť odpor rezistora zo sklonu priamky. V tomto prípade máme odpor 5 Ohm. Ak nakreslíme dotyčnicu proti červenej krivke, môžeme extrahovať odpor komponentu v konkrétnom pracovnom bode. V tomto prípade sa inverzná hodnota sklonu dotyčnicovej čiary rovná odporu pri konkrétnom napätí. Z vyššie uvedených údajov a podobne pre všetky komponenty, pre ktoré máte merania, môžete jednoducho vypočítať deriváciu napätia vzhľadom na prúd. Výsledná krivka je odpor komponentu na každej úrovni vstupného signálu. Toto je znázornené pre rezistor a diódu v grafe nižšie.

Lineárny a nelineárny odpor rezistora a diódy uvedené vyššie.

Z koncepčného hľadiska môžete tieto krivky rýchlo použiť na preskúmanie správania sa jednosmerného prúdu v lineárnych a nelineárnych obvodoch. Uvažujme o príklade, kde sú naše komponenty -  hypotetický rezistor a dióda umiestnené v sérii so zdrojom napätia. Ak sa pozrieme na odporové krivky v druhom grafe, zistíme, že môžeme dať odpoveď na otázku o maximálnom prenose energie, keď je vstupné napätie ~ 1.05 V, pretože ide o presné vstupné napätie, pri ktorom sú odpory oboch komponentov rovnaké. Toto je jeden zaujímavý prípad, keď maximálny prenos energie závisí od vstupného napätia, pretože jeden z komponentov je nelineárny, t. j. nedodržiava Ohmov zákon tak, ako ho poznáme.

Všimnite si, že sme povedali o rezistoroch z hľadiska lineárneho odporu, ale rovnaká myšlienka platí aj pre impedanciu. Napríklad impedancia ideálnych tlmiviek a kondenzátorov je lineárna, čo znamená, že je vždy rovnaká pre každé použité napätie a pri konkrétnej frekvencii. Kondenzátory však majú svoju impedanciu nepriamo úmernú frekvencii.

Napriek tejto inverznej proporcionalite je možné tri základné komponenty, o ktorých sa tu diskutuje, kombinovať ľubovoľným spôsobom, aby ste vytvorili lineárny obvod. Inými slovami, ekvivalentný odpor obvodu, ktorý musí existovať podľa Theveninovej vety, je konštantná hodnota, ktorá nezávisí od vstupného napätia. Tento typ obvodu nazývame lineárny obvod (teda zložený iba z lineárnych komponentov). Akýkoľvek obvod, ktorý obsahuje aspoň jednu nelineárnu zložku, bude mať nelineárny ekvivalentný odpor, preto ho nazývame nelineárny obvod.

Účinky nelineárneho odporu

Inverzná hodnota nelineárneho odporu (alebo nelineárna vodivosť) komponentu sa v skutočnosti nazýva transkonduktancia. Druhý graf vyššie ukazuje inverznú hodnotu transkonduktancie (v jednosmerných obvodoch) alebo transadmitancie (v striedavých obvodoch). Táto hodnota je dôležitá pri analýze malého signálu, kde sa simuluje správanie sa obvodu okolo konkrétneho prevádzkového bodu.

Nelineárny odpor obvodu je zodpovedný za množstvo efektov, ktoré sú známe najmä pre striedavé obvody a spínacie digitálne obvody. Pretože prúd v obvode a napätie v nelineárnom komponente súvisia s nelineárnou funkciou, komponent bude produkovať ďalší harmonický obsah, keď sa v komponente šíri oscilačný alebo spínací signál. To vedie k skresleniu signálu, čo znamená, že výstup z komponentu sa už nezhoduje so vstupom. Ako príklad je možné uviesť konkrétny aspekt nelineárnych obvodov, ktorý obmedzuje užitočnú úroveň vstupného signálu vo výkonových zosilňovačoch. Podobné účinky sa prejavujú aj u ďalších komponentov.

Integrovaný obvod má nelineárny odpor.

V skutočnosti však žiadny komponent nemá skutočne lineárny odpor až do medznej hranice nekonečného napätia a prúdu. Tri základné komponenty (rezistory, kondenzátory a tlmivky) budú mať nelineárny odpor, akonáhle dosiahne vstupné napätie alebo vstupná frekvencia dostatočne vysokú hodnotu. Vyskytuje sa to z mnohých dôvodov, ako je napríklad povrchový efekt a drsnosť elektrických vodičov a výrobné chyby komponentov. Je obzvlášť známe, že drsnosť elektrických prívodov a stôp na medených povrchoch PCB dosiek je priamo zodpovedná za pasívnu intermoduláciu.

Lineárne a nelineárne komponenty v obvodových simuláciách

Vyššie uvedené koncepty sú dôležité pri definovaní simulácií vo fázach obvodu a schematického návrhu. Analýza malých signálov bola uvedená vyššie, ale ďalšie dôležité analýzy sú definované iba z hľadiska lineárnych obvodov. Medzi dva bežné príklady patria prenosové funkcie a analýza nulového pólu a striedavé kmitočty vo frekvenčnej doméne. Všeobecne platí, že ak je možné použiť simulačnú techniku ​​pre nelineárny obvod, potom ju možno použiť aj pre lineárny obvod.

Vyššie uvedená analýza je vo svojej podstate analýzou založenou na SPICE, a preto nemôže zohľadňovať vdobre všetky problémy s integritou signálu, ktoré vznikajú v dôsledku parazitov v skutočnom usporiadaní DPS. Takéto problémy s integritou signálu závislé od usporiadania môžu zahŕňať skosenie a vysokofrekvenčné rezonancie v dôsledku efektu vláknového tkania, prepojenie šumu v stopách a prechodoch z dôvodu presluchov a EMI na celej doske. Taktiež nemôže zohľadniť problémy s integritou napájania, ktoré súvisia s topológiou PDN a sú zodpovedné za veľa problémov s integritou signálu.

Analýza lineárneho a nelineárneho odporu vašich komponentov a ich rozmiestnenie na doske plošných spojov nemusí byť zložitá. Ako tieto komponenty ovplyvňujú chovanie obvodov, môžete preskúmať v simulačných nástrojoch pred a po rozložení, keď použijete správny softvér na návrh a analýzu PCB.