Усиление (электроника)

В электронике , коэффициент усиления является мерой способности двух портов схемы (часто усилителя ) для увеличения мощности или амплитуды в виде сигнала от входного к выходному порту ^{[1] [2] [3] [4]} с помощью добавление к сигналу энергии, преобразованной из некоторого источника питания . Это, как правило , определяется как среднее отношение от сигнала амплитуды или мощности на выходном порту к амплитуде или мощности на входном порту. ^[1] Это часто выражается с помощью логарифмической единицы децибел (дБ) («усиление в дБ»). ^[4] Коэффициент усиления больше единицы (больше нуля дБ), то есть усиление, является определяющим свойством активного компонента или схемы, в то время как пассивная схема будет иметь коэффициент усиления меньше единицы. ^[4]

Сам по себе термин « усиление» неоднозначен и может относиться к отношению выходного к входному напряжению ( усиление по напряжению ), току ( усиление по току ) или электроэнергии ( усиление по мощности ). ^[4] В области звуковых усилителей и усилителей общего назначения, особенно операционных усилителей , этот термин обычно относится к усилению по напряжению ^[2], но в усилителях радиочастоты он обычно относится к усилению мощности. Кроме того, термин «усиление» также применяется в таких системах, как датчики.где вход и выход имеют разные единицы измерения; в таких случаях должны быть указаны блоки усиления, как и в «5 микровольт на фотон» для чувствительности в виде фотодатчика . «Коэффициент усиления» биполярного транзистора обычно относится к коэффициенту передачи прямого тока, либо h _FE («бета», статическое отношение I _c, деленное на I _b в некоторой рабочей точке), либо иногда h _fe (ток _{слабого} сигнала. коэффициент усиления, наклон графика зависимости I _c от I _b в точке).

Коэффициент усиления электронного устройства или схемы обычно зависит от частоты подаваемого сигнала. Если не указано иное, термин относится к усилению для частот в полосе пропускания , предполагаемому рабочему диапазону частот оборудования. Термин « усиление» имеет другое значение в конструкции антенны ; усиление антенны - это отношение интенсивности излучения направленной антенны к (средней интенсивности излучения антенны без потерь).${\ displaystyle P _ {\ text {in}} / 4 \ pi}$

График входного (синий) и выходного напряжения (красный) идеального линейного усилителя с коэффициентом усиления 3 по напряжению при произвольном входном сигнале. В любой момент выходное напряжение в три раза превышает входное.${\ Displaystyle v_ {я} (т)}$ ${\ displaystyle v_ {o} (t)}$

Логарифмические единицы и децибелы [ править ]

Увеличение мощности [ править ]

Коэффициент усиления мощности в децибелах (дБ) определяется следующим образом:

${\ displaystyle {\ text {gain-db}} = 10 \ log _ {10} \ left ({\ frac {P _ {\ text {out}}} {P _ {\ text {in}}}} \ right) ~ {\ text {дБ}},}$

где - мощность, подаваемая на вход, - мощность на выходе.${\ displaystyle P _ {\ text {in}}}$${\ displaystyle P _ {\ text {out}}}$

Аналогичное вычисление может быть выполнено с использованием натурального логарифма вместо десятичного логарифма, что приведет к неперам вместо децибел:

${\ displaystyle {\ text {gain-np}} = {\ frac {1} {2}} \ ln \ left ({\ frac {P _ {\ text {out}}} {P _ {\ text {in}}) }} \ right) ~ {\ text {Np}}.}$

Коэффициент усиления напряжения [ править ]

Прирост мощности можно рассчитать, используя напряжение вместо мощности, используя первый закон Джоуля ; формула:${\ Displaystyle P = V ^ {2} / R}$

${\displaystyle {\text{gain-db}}=10\log {\frac {\frac {V_{\text{out}}^{2}}{R_{\text{out}}}}{\frac {V_{\text{in}}^{2}}{R_{\text{in}}}}}~\mathrm {dB} .}$

Во многих случаях входное сопротивление и выходное сопротивление равны, поэтому приведенное выше уравнение можно упростить до:${\displaystyle R_{\text{in}}}$${\displaystyle R_{\text{out}}}$

${\displaystyle {\text{gain-db}}=10\log \left({\frac {V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}}\right)^{2}~{\text{dB}},}$

${\displaystyle {\text{gain-db}}=20\log \left({\frac {V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}}\right)~{\text{dB}}.}$

Эта упрощенная формула, правило 20 log , используется для расчета усиления напряжения в децибелах и эквивалентна усилению мощности тогда и только тогда, когда импедансы на входе и выходе равны.

Текущее усиление [ править ]

Таким же образом, когда прирост мощности рассчитывается с использованием тока вместо мощности, при замене формула имеет следующий вид:${\displaystyle P=I^{2}R}$

${\displaystyle {\text{gain-db}}=10\log {\left({\frac {I_{\text{out}}^{2}R_{\text{out}}}{I_{\text{in}}^{2}R_{\text{in}}}}\right)}~{\text{dB}}.}$

Во многих случаях входное и выходное сопротивление равны, поэтому приведенное выше уравнение можно упростить до:

${\displaystyle {\text{gain-db}}=10\log \left({\frac {I_{\text{out}}}{I_{\text{in}}}}\right)^{2}~{\text{dB}},}$

${\displaystyle {\text{gain-db}}=20\log \left({\frac {I_{\text{out}}}{I_{\text{in}}}}\right)~{\text{dB}}.}$

Эта упрощенная формула используется для расчета усиления по току в децибелах и эквивалентна усилению мощности тогда и только тогда, когда импедансы на входе и выходе равны.

«Коэффициент усиления по току» биполярного транзистора , или , как правило, дается как безразмерное число, отношение к (или крутизна -версус- графика для ).${\displaystyle h_{\text{FE}}}$${\displaystyle h_{\text{fe}}}$${\displaystyle I_{\text{c}}}$${\displaystyle I_{\text{b}}}$${\displaystyle I_{\text{c}}}$${\displaystyle I_{\text{b}}}$${\displaystyle h_{\text{fe}}}$

В приведенных выше случаях коэффициент усиления будет безразмерной величиной, так как это отношение одинаковых единиц (децибелы используются не как единицы, а как метод указания логарифмического отношения). В примере с биполярным транзистором это отношение выходного тока к входному, оба измеряются в амперах . В случае других устройств коэффициент усиления будет иметь значение в единицах СИ . Так обстоит дело с операционного усилителя крутизной , который имеет коэффициент усиления с открытым контуром ( крутизну ) в SIEMENS ( ОВС ), потому что коэффициент усиления представляет собой отношение выходного тока к входному напряжению.

Пример [ править ]

В. Усилитель имеет входное сопротивление 50 Ом и управляет нагрузкой 50 Ом. Когда его вход ( ) составляет 1 вольт, его выход ( ) составляет 10 вольт. Какое у него напряжение и прирост мощности?${\displaystyle V_{\text{in}}}$${\displaystyle V_{\text{out}}}$

A. Коэффициент усиления по напряжению просто:

${\displaystyle {\text{gain}}={\frac {V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}}={\frac {10}{1}}=10~{\text{V/V}}.}$

Единицы измерения V / V не являются обязательными, но ясно дают понять, что эта цифра представляет собой усиление по напряжению, а не по мощности. Используя выражение для мощности, P = V ² / R , коэффициент усиления по мощности равен:

${\displaystyle {\text{gain}}={\frac {V_{\text{out}}^{2}/50}{V_{\text{in}}^{2}/50}}={\frac {V_{\text{out}}^{2}}{V_{\text{in}}^{2}}}={\frac {10^{2}}{1^{2}}}=100~{\text{W/W}}.}$

Опять же, единицы измерения W / W не являются обязательными. Прирост мощности обычно выражается в децибелах, например:

${\displaystyle {\text{gain-db}}=G_{\text{dB}}=10\log G_{\text{W/W}}=10\log 100=10\times 2=20~{\text{dB}}.}$

Коэффициент усиления 1 (эквивалентный 0 дБ), когда и вход, и выход находятся на одном уровне напряжения, а импеданс также известен как единичное усиление .

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

•  Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .