Усиление (электроника) - Gain (electronics)

В электроника, усиление это мера способности двухпортовый цепь (часто усилитель мощности ) для увеличения мощность или амплитуда из сигнал от входа к выходному порту^[1]^[2]^[3]^[4] путем добавления энергии, преобразованной из некоторых источник питания к сигналу. Обычно определяется как среднее соотношение из сигнал амплитуда или мощность на выходе порт к амплитуде или мощности на входном порте.^[1] Это часто выражается с помощью логарифмический децибел (дБ) единицы («усиление в дБ»).^[4] Коэффициент усиления больше единицы (больше нуля дБ), то есть усиление, является определяющим свойством активный компонент или цепь, а пассивная цепь будет меньше единицы.^[4]

Период, термин усиление сам по себе неоднозначен и может относиться к соотношению вывода к вводу Напряжение (усиление напряжения), текущий (текущий прирост) или электроэнергии (прирост мощности).^[4] В области усилителей звука и общего назначения, особенно операционные усилители, термин обычно относится к усилению напряжения,^[2] но в радиочастота усилителей это обычно относится к усилению мощности. Кроме того, термин «выигрыш» 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 отзывчивость из фотосенсор. "Прирост" биполярный транзистор обычно относится к коэффициенту передачи прямого тока, либо час_FE ("бета", статический коэффициент я_c деленное на я_б в какой-то рабочий момент) или иногда час_fe (коэффициент усиления по току слабого сигнала, наклон графика я_c против я_б в точке).

Коэффициент усиления электронного устройства или схемы обычно зависит от частота подаваемого сигнала. Если не указано иное, термин относится к усилению частот в полоса пропускания, предполагаемый диапазон рабочих частот оборудования. Период, термин усиление имеет другое значение в антенна дизайн; усиление антенны это соотношение интенсивность излучения от направленной антенны к ${ displaystyle P _ { text {in}} / 4 pi}$ (средняя интенсивность излучения от антенны без потерь).

График ввода

{ Displaystyle v_ {я} (т)}

(синий) и выходное напряжение

{ displaystyle v_ {o} (t)}

(красный) идеального линейного усилитель мощности с коэффициентом усиления 3 по напряжению при произвольном входном сигнале. В любой момент выходное напряжение в три раза превышает входное.

Логарифмические единицы и децибелы

Прирост мощности

Прирост мощности, в децибелы (дБ), определяется следующим образом:

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

где ${ displaystyle P _ { text {in}}}$ мощность, приложенная к входу, ${ displaystyle P _ { text {out}}}$ мощность на выходе.

Аналогичный расчет можно выполнить с помощью натуральный логарифм вместо десятичного логарифма, в результате неперс вместо децибел:

{ 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 ${ Displaystyle P = V ^ {2} / R}$ ; формула:

{ displaystyle { text {gain-db}} = 10 log { frac { frac {V _ { text {out}} ^ {2}} {R _ { text {out}}}} { frac {V _ { text {in}} ^ {2}} {R _ { text {in}}}}} ~ mathrm {дБ}.}

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

{ displaystyle { text {gain-db}} = 10 log left ({ frac {V _ { text {out}}} {V _ { text {in}}}} right) ^ {2} ~ { text {дБ}},}

{ displaystyle { text {gain-db}} = 20 log left ({ frac {V _ { text {out}}} {V _ { text {in}}}} right) ~ { text {дБ}}.}

Эта упрощенная формула, 20 правил журнала, используется для расчета усиление напряжения в децибелах и эквивалентен приросту мощности тогда и только тогда, когда сопротивление на входе и выходе равны.

Текущая прибыль

Таким же образом, когда прирост мощности вычисляется с использованием тока вместо мощности, выполняется замена ${ displaystyle P = I ^ {2} R}$ , формула:

{ displaystyle { text {gain-db}} = 10 log { left ({ frac {I _ { text {out}} ^ {2} R _ { text {out}}} {I _ { text {in}} ^ {2} R _ { text {in}}}} right)} ~ { text {дБ}}.}

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 {дБ}},}

{ displaystyle { text {gain-db}} = 20 log left ({ frac {I _ { text {out}}} {I _ { text {in}}}} right) ~ { text {дБ}}.}

Эта упрощенная формула используется для расчета текущий прирост в децибелах и эквивалентен приросту мощности тогда и только тогда, когда сопротивление на входе и выходе равны.

«Текущий прирост» биполярный транзистор, ${ displaystyle h _ { text {FE}}}$ или ${ displaystyle h _ { text {fe}}}$ , обычно дается как безразмерное число, отношение ${ displaystyle I _ { text {c}}}$ к ${ displaystyle I _ { text {b}}}$ (или наклон ${ displaystyle I _ { text {c}}}$ -против- ${ displaystyle I _ { text {b}}}$ график, для ${ displaystyle h _ { text {fe}}}$ ).

В приведенных выше случаях коэффициент усиления будет безразмерной величиной, поскольку 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 измеренных в амперы. В случае других устройств коэффициент усиления будет иметь значение в SI единицы. Так обстоит дело с операционный усилитель крутизны, который имеет коэффициент усиления без обратной связи (крутизна ) в Сименс (mhos ), потому что коэффициент усиления - это отношение выходного тока к входному напряжению.

пример

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

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, п = V²/р, прирост мощности равен:

{ displaystyle { text {gain}} = { frac {V _ { text {out}} ^ {2} / 50} {V _ { text {in}} ^ {2} / 50}} = { гидроразрыв {V _ { text {out}} ^ {2}} {V _ { text {in}} ^ {2}}} = { frac {10 ^ {2}} {1 ^ {2}}} = 100 ~ { text {W / W}}.}

Опять же, блоки 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 ~ { текст {дБ}}.}

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

Смотрите также

использованная литература

^ ^а ^б Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники (7-е изд.). Newnes. п. 314. ISBN 0080511988.
^ ^а ^б Басу, Дипак (2000). Словарь по чистой и прикладной физике. CRC Press. п. 157. ISBN 1420050222.
^ Бахл, Индер (2009). Основы транзисторных усилителей ВЧ и СВЧ. Джон Уайли и сыновья. п. 34. ISBN 0470462310.
^ ^а ^б ^c ^d Белый, Гленн; Луи, Гэри Дж (2005). Аудио-словарь (3-е изд.). Вашингтонский университет Press. п. 18. ISBN 0295984988.

Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Администрация общих служб документ: «Федеральный стандарт 1037С».

[Graf-1] а ^б Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники (7-е изд.). Newnes. п. 314. ISBN 0080511988.

[Basu-2] а ^б Басу, Дипак (2000). Словарь по чистой и прикладной физике. CRC Press. п. 157. ISBN 1420050222.

[Bahl-3] Бахл, Индер (2009). Основы транзисторных усилителей ВЧ и СВЧ. Джон Уайли и сыновья. п. 34. ISBN 0470462310.

[White-4] а ^б ^c ^d Белый, Гленн; Луи, Гэри Дж (2005). Аудио-словарь (3-е изд.). Вашингтонский университет Press. п. 18. ISBN 0295984988.

[1]

[2]

[3]

[4]