Усиление (электроника)

Способность схемы увеличивать мощность или амплитуду сигнала.

В электронике усиление — это мера способности двухпортовой схемы ( часто усилителя ) увеличивать мощность или амплитуду сигнала от входа к выходному порту ^{[1] [2] [3] [4} ] на добавление в сигнал энергии, преобразованной из какого-либо источника питания . Обычно его определяют как среднее отношение амплитуды или мощности сигнала на выходном порте к амплитуде или мощности на входном порту . ^[1] Часто выражается в логарифмических единицах децибел (дБ) («усиление дБ»). ^[4] Коэффициент усиления больше единицы (больше нуля дБ), то есть усиление, является определяющим свойством активного компонента или схемы, тогда как пассивная схема будет иметь коэффициент усиления меньше единицы. ^[4]

Сам по себе термин «коэффициент усиления» неоднозначен и может относиться к отношению выходного и входного напряжения ( коэффициент усиления по напряжению ), тока ( коэффициент усиления по току ) или электрической мощности ( коэффициент усиления по мощности ). ^[4] В области аудиоусилителей и усилителей общего назначения, особенно операционных усилителей , этот термин обычно относится к коэффициенту усиления напряжения, ^[2] но в радиочастотных усилителях он обычно относится к коэффициенту усиления мощности. Кроме того, термин «усиление» также применяется в таких системах, как датчики , где вход и выход имеют разные единицы измерения; в таких случаях необходимо указать единицы усиления, например, «5 микровольт на фотон» для чувствительности фотодатчика . «Усиление» биполярного транзистора обычно относится к коэффициенту передачи прямого тока: либо h _FE («бета», статический коэффициент I _c , разделенный на I _b в некоторой рабочей точке), либо иногда h _fe (ток слабого сигнала). усиление, наклон графика I _c относительно I _b в точке).

Коэффициент усиления электронного устройства или схемы обычно зависит от частоты подаваемого сигнала. Если не указано иное, этот термин относится к усилению частот в полосе пропускания , предполагаемом диапазоне рабочих частот оборудования. Термин «усиление» имеет другое значение в конструкции антенны ; Коэффициент усиления 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 по напряжению 3 при произвольном входном сигнале. В любой момент выходное напряжение в три раза превышает входное. ${\displaystyle v_{i}(t)}$ ${\displaystyle v_{o}(t)}$

Логарифмические единицы и децибелы

Прирост мощности

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

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

где мощность, подаваемая на вход, — мощность на выходе. ${\displaystyle P_{\text{in}}}$ ${\displaystyle P_{\text{out}}}$

Аналогичный расчет можно выполнить, используя натуральный логарифм вместо десятичного логарифма, в результате чего вместо децибел получится неперс :

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

Усиление напряжения

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 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 коэффициента усиления напряжения в децибелах и эквивалентна коэффициенту усиления мощности тогда и только тогда, когда импедансы на входе и выходе равны.

Текущий выигрыш

Таким же образом, когда коэффициент усиления мощности рассчитывается с использованием тока вместо мощности, делая замену , формула будет иметь 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 коэффициента усиления по току в децибелах и эквивалентна коэффициенту усиления по мощности тогда и только тогда, когда импедансы на входе и выходе равны.

«Коэффициент усиления по току» биполярного транзистора , или , обычно задается как безразмерное число, отношение к ( или наклон графика зависимости 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 представляет собой отношение одноименных единиц (децибелы используются не как единицы, а как способ указания логарифмической зависимости). В примере с биполярным транзистором это отношение выходного тока к входному току, оба измеряются в амперах . В случае других устройств коэффициент усиления будет иметь значение в единицах СИ . Так обстоит дело с операционным усилителем крутизны , который имеет коэффициент усиления разомкнутого контура ( крутизна ) в сименсах ( mhos ), поскольку коэффициент усиления представляет собой отношение выходного тока к входному напряжению.

Пример

Вопрос. Усилитель имеет входное сопротивление 50 Ом и управляет нагрузкой 50 Ом. Когда его вход ( ) составляет 1 вольт, его выход ( ) составляет 10 вольт. Каково его напряжение и коэффициент усиления? ${\displaystyle V_{\text{in}}}$ ${\displaystyle V_{\text{out}}}$

А. Прирост напряжения – это просто:

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

Единицы измерения В/В не являются обязательными, но следует понимать, что эта цифра представляет собой коэффициент усиления по напряжению, а не коэффициент усиления по мощности. Используя выражение для мощности P = V ² / R , прирост мощности составит:

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

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

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

Прирост единства

Коэффициент усиления 1 (эквивалент 0 дБ), когда входной и выходной сигнал имеют одинаковый уровень напряжения и импеданса, также известен как единичный коэффициент усиления .

Смотрите также

• Активная лазерная среда
• Усиление антенны
• Потери на связи апертуры со средой
• Автоматическая регулировка усиления
• Затухание
• Комплексный выигрыш
• Смещение постоянного тока
• Эффективная излучаемая мощность
• Выигрыш до обратной связи
• Вносимое усиление
• Петлевое усиление
• Усиление разомкнутого контура
• Чистая прибыль
• Прирост мощности
• Выигрыш процесса
• Выходная мощность передатчика

Рекомендации

1. Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники (7-е изд.). Ньюнес. п. 314. ИСБН 0080511988.
2. Басу, Дипак (2000). Словарь чистой и прикладной физики. ЦРК Пресс. п. 157. ИСБН 1420050222.
3. Бахл, Индер (2009). Основы ВЧ и СВЧ транзисторных усилителей. Джон Уайли и сыновья. п. 34. ISBN 978-0470462317.
4. Уайт, Гленн; Луи, Гэри Дж (2005). Аудио словарь (3-е изд.). Вашингтонский университет Press. п. 18. ISBN 0295984988.

•  Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г.