Zysk (elektroniczny)

W elektronice , zysk jest zdolność urządzenia do zwiększenia siły sygnału. Wzmocnienie zazwyczaj wyraża się współczynnikiem transmisji urządzenia w decybelach .

Mówimy również o zysku anteny , aby wyrazić zdolność do transmitowania więcej niż antena odniesienia w danym kierunku.

Definicja

Domniemane warunki

Zgodnie z ogólną definicją zysk wynosi

zwiększenie, między dwoma punktami, mocy elektrycznej, elektromagnetycznej lub akustycznej;
ilościowe wyrażenie wzrostu potęgi przez stosunek wartości w dwóch punktach potęgi lub wielkości związanej z potęgą za pomocą dobrze określonej zależności.

Podsumowująca definicja wzmocnienia jako miary wzmocnienia, korzyści zapewnianej przez obwód, ma kilka niejawnych warunków.

Moc Nie mówimy o wzmocnieniu dla wzrostu napięcia przez transformator , ponieważ moc nie zmienia się między wejściem a wyjściem. W dziedzinie przetwarzania sygnałów definiujemy wielkość, która zmienia się w celu wytworzenia sygnału. We wzmacniaczu elektronicznym najczęściej jest to napięcie . W niektórych przypadkach, jak w przypadku wzmacniacza wtórnego lub ostatniego stopnia wzmacniacza audio , napięcie nie zmienia się między wejściem a wyjściem, ale obwód jest w stanie zapewnić wyższy prąd. We wszystkich przypadkach wzmocnienie odnosi się do stosunku wzrostu mocy sygnału przy danym obciążeniu, co sprawia, że wygodne i spójne jest wyrażanie go w decybelach . Integralność sygnału Sygnał wyjściowy musi odpowiadać, z dokładnością do najbliższej mocy, sygnałowi wejściowemu. Wzmocnienie jest obliczane lub mierzone w dziedzinie, w której obwód jest liniowy i niezmienny w czasie, tak że w dowolnym momencie amplitudę sygnału wyjściowego uzyskuje się przez pomnożenie amplitudy wejściowej przez stałą współczynnika. Wielkości wejściowe i wyjściowe nie muszą być takie same. Częstotliwość Każdy obwód elektroniczny ma domenę operacyjną częstotliwości . Wzmocnienie jest określane, mierzone lub obliczane dla sygnału sinusoidalnego . Gdy rozważana jest tylko jedna wartość częstotliwości, jest ona wybierana blisko średniej geometrycznej granic pasma przenoszenia .

Te rozważania prowadzą do syntetycznej definicji Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej :

wzmocnienie , dla niezmiennego w czasie układu liniowego z sinusoidalną zmienną wejściową w stanie ustalonym zmiennej wyjściowej, stosunek amplitudy zmiennej wyjściowej do amplitudy zmiennej wejściowej odpowiadającej danemu impulsowi.

Gdy wielkości wejściowe i wyjściowe są takie same, wzmocnienie oblicza się, dzieląc amplitudę sygnału wyjściowego przez amplitudę sygnału wejściowego. Jego pełne wyrażenie wskazuje na częstotliwość sygnału lub jego puls oraz wartość graniczną zniekształcenia .

Przykład pełnego wyrażenia zysku:

Wzmocnienie napięcia: 32 dB przy 1 kHz przy obciążeniu 10 kΩ , całkowite zniekształcenia harmoniczne <0,1% .

Zysk kwadrupola

Element obwodu elektrycznego lub elektronicznego jest często rozumowany w postaci kwadrupola . Pojęcie wzmocnienia najłatwiej rozwinąć z kwadrupolowego modelu wzmacniacza. W tym modelu wzmacniacz sprowadza się do impedancji wejściowej związanej z generatorem napięcia i impedancją wyjściową. Z definicji generator wytwarza napięcie V równe napięciu wejściowemu V e pomnożonemu przez współczynnik, czyli „współczynnik przenoszenia” .

Wielkości wejściowe i wyjściowe zależą od zewnętrznych elementów obwodu; ale jeśli impedancje wyjściowe elementów, źródła i wzmacniacza, są niskie w porównaniu z odpowiednimi impedancjami wejściowymi, wzmocnienie napięcia , stosunek V s / V e napięć na zaciskach kwadrupola, jest ze wszystkich praktycznych powodów przeniesieniem stosunek.

Możemy przekształcić generator napięcia w generator prądu, z równoległym rezystorem wyjściowym i zrobić to samo z prądem wejściowym i prądem wyjściowym.

Ponieważ napięcie i prąd są wielkościami polowymi, które są podnoszone do kwadratu przy obliczaniu mocy, wartość w decybelach przyrostu napięcia lub prądu jest 20-krotnością logarytmu dziesiętnego stosunku między tymi wielkościami.

Wyrażenie w decybelach

Wzmocnienie jest zwykle wyrażane w decybelach , jednostce logarytmicznej, która ma pomóc w obliczaniu transferów mocy w linii przesyłowej lub szeregu obwodów . Zamiast mnożyć amplitudę sygnału przez współczynnik na każdym kroku, dodajemy sumę wartości wzmocnienia i ujemne wartości tłumienia .

Wzmocnienie mocy G obwodu jest zdefiniowane w następujący sposób:

{\ Displaystyle G = 10 \ log \ lewo ({\ Frac {P_ {s}} {P_ {e}}} \ prawo) \ \ mathrm {dB}}

Przy P e i P s są to odpowiednio moce wejściowe i wyjściowe.

Prawo Ohma pozwala przepisać powyższy wzór zgodnie z napięciami wejściowymi i wyjściowymi V e i V s oraz rezystancją wejściową R e obwodu i rezystora obciążenia R s .

{\ Displaystyle G = 10 \ log {\ Frac {({\ Frac {{V_ {s}} ^ {2}} {R_ {s}}})} {({\ Frac {{V_ {e}} ^ {2}} {R_ {e}}})} \ \ mathrm {dB}}

Jeśli obwód jest dopasowany pod względem impedancji ( R s = R e ), to wyrażenie staje się:

{\ Displaystyle G = 10 \ log \ lewo ({\ Frac {V_ {s}} {V_ {e}}} \ prawej) ^ {2} \ \ mathrm {dB}}

lub wreszcie:

{\ Displaystyle G = 20 \ log \ lewo ({\ Frac {V_ {s}} {V_ {e}}} \ prawo) \ \ mathrm {dB}}

Ten wzór służy do obliczania wzmocnienia napięcia obwodu. Rozumowanie byłoby identyczne w przypadku zwiększenia prądu. W obwodach, w których impedancja wejściowa jest równa impedancji wyjściowej, trzy wzmocnienia prądu, napięcia i mocy są identyczne.

Posługiwać się

Aby zakwalifikować obwód, często mówimy o wysokim lub niskim wzmocnieniu. „Silny zysk” oznacza, że uzyskamy wartość wyjściową znacznie większą niż wartość wejściowa; „małe wzmocnienie” oznacza wartość wyjściową tego samego rzędu wielkości, co wartość wejściowa.

Sam termin „zysk” jest niejednoznaczny. Należy określić, czy jest to wzrost napięcia, prądu czy mocy.

Kiedy wielkości wejściowe i wyjściowe nie są identyczne, z wejściem prądowym i wyjściem napięciowym lub odwrotnie, lub gdy system ma elementy bierne , koncepcja wzmocnienia pokazuje swoje granice. Następnie określana jest funkcja przenoszenia .

Historia

Pojęcie wzmocnienia jest ściśle powiązane z pojęciem tłumienia i decybeli . Powstał w telefonii , kiedy we wczesnych latach dwudziestych XX wieku elektroniczne wzmacniacze- repeater umożliwiały skompensowanie osłabienia sygnału w kablu. Wzmacniacz jest określany długością w milach kabla, którego efekt znosi. Powiemy „w zależności od języka telefonu wzmacniacz musi dawać zysk około 20 mil standardowego kabla” . Moc, która zapewnia wzmacniacz zapewnia zysk z zakresu transmisji. Decybeli , określony przez łatwości obliczeń zamiast charakterystyki kabla, zastąpi MSC ( mile od standardowego kabla ), z prawie taką samą wartość, w następnych latach.

Zysk anteny

Zastosowanie anteny kierunkowej zwiększa zasięg transmisji w kierunku głównym przy tej samej całkowitej mocy wypromieniowanej. Wyrażony w decybelach stosunek anteny odniesienia do danej anteny nazywamy zyskiem anteny .

Wzmocnienie tranzystora bipolarnego

Wzmocnienie tranzystora bipolarnego to stosunek z jednej strony prądu płynącego w jego kolektorze, az drugiej strony prądu płynącego w jego bazie, w tzw. Trybie liniowym (nienasyconym). Wzmocnienie to jest często określane literą β lub parametrem hybrydowym w h h FE lub h 21 ; nazywana jest również przepuszczalnością prądu stałego.

Wzmocnienie zależy od konstrukcji tranzystora. Zmienia się w zależności od prądu kolektora, napięcia emiter-kolektor, częstotliwości sygnału i temperatury. Zysk może się znacznie różnić w ramach tej samej partii.

Częstotliwość, przy której wzmocnienie jest równe 1, nazywana jest częstotliwością przejściową , to znaczy częstotliwością, powyżej której tranzystor już nie wzmacnia.

Ogólnie rzecz biorąc, tranzystory mocy mają mniejsze wzmocnienie niż tranzystory o niskim sygnale. Układ Darlingtona ma wyższy zysk. Zwykle tranzystor bipolarny ma wzmocnienie od 50 do 300.

Wzmocnienie obwodu

Wzmocnienie w otwartej pętli jest uzyskiwany z określoną częstotliwością, bez sprzężenia zwrotnego . Wzmocnienie statyczne jest uzyskiwany w prądzie stałym bez sprzężenia zwrotnego . Produkt w paśmie wzmocnienia Specyfikacja produktu w paśmie wzmocnienia wynika z ograniczenia celowo wprowadzonego do obwodu, w szczególności we wzmacniaczu operacyjnym , w celu poprawy jego stabilności w normalnych warunkach użytkowania. Układ zachowuje się jak filtr dolnoprzepustowy pierwszego rzędu, tak że jego wzmocnienie zmniejsza się proporcjonalnie do częstotliwości o 6 dB na oktawę . Iloczyn pasma wzmocnienia, wymiaru częstotliwości, ponieważ wzmocnienie jest bezwymiarowe, daje częstotliwość, przy której wzmocnienie osiąga jedność, tj. 0 dB , jak również maksymalne wzmocnienie, bez sprzężenia zwrotnego, przy n 'dowolnej częstotliwości.

Załączniki

Bibliografia

Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna , Międzynarodowy Słownik Elektrotechniczny IEC 60050 ,2019( 1 st ed. 1987) ( odczyt linii ).
Tahar Neffati , Elektronika od A do Z , Paryż, Dunod,2006, s. 121 „Wzmocnienie (patrz decybele”.
Michel Fleutry , Encyklopedyczny słownik elektroniki: angielsko-francuski , Paryż, Dom słownika,1991, 1054 s. ( ISBN 2-85608-043-X ) , str. 320-321

Powiązane artykuły

Uwagi i odniesienia

IEC 60050 „ Drgania, sygnały i powiązane urządzenia. Drgania i fale. 702-02-11 „wzmocnienie” ” .
IEC 60050 „ Technologia sterowania. Zachowanie i charakterystyka elementów transferowych. 351-45-42 „wzmocnienie ” .
IEC 60050 „ Pomiary elektryczne i elektroniczne. Ogólne terminy dotyczące pomiarów elektrycznych. 312-06-07 „wzmocnienie urządzenia pomiarowego” ” ; Neffati 2006 ; Richard Taillet , Loïc Villain i Pascal Febvre , Słownik fizyki , Bruksela, De Boeck,2013, s. 304 „Zysk”.
Jean-Jeacques Rousseau, „ Wprowadzenie do elektroniki ” ,2010(dostęp 11 grudnia 2019 ) .
IEC 60050 „ Teoria obwodów. Sieci dwuportowe i n- portowe. 131-14-18 „raport transferu” ” .
„ Basic Parameters ” (dostęp 12 grudnia 2019 ) .
Bancroft Gherardi i Frank B. Jewett , „ Telephone Relays ”, Annals of Posts, Telegraphs and Telephones ,Marzec 1920, s. 78 ( czytaj online )
„ The bipolar transistor ” (dostęp 12 grudnia 2019 ) .
Światowy katalog tranzystorów , Radio Editions,1980, 4 th ed. , s. 9.
Bogdan Grabowski , Komponenty elektroniczne , Paryż, Dunod,1982, s. 199.
„ Pierwsze zamówienie: produkt Gain Bande ” (dostęp 10 grudnia 2019 r . ) .