Підсилювачі

Пристрої, призначені для підсилення електричних сигналів мають назву підсилювачі.

Процес підсилення є один з випадків процесу керування енергією і, в принципі полягає в тому, що надійшовший на вхід підсилювача від керуючого джерела електричної енергії слабкий сигнал керує більш сильним сигналом на його виході.

Вхідний сигнал не є джерелом енергії вихідного сигналу. Енергія вихідного сигналу утворюється за рахунок витрачання енергії електричних джерел живлення, але в той же час без сигналу на вході не утворюється і сигнал на виході.

Отже вхідний сигнал керує вихідним сигналом, джерелом енергії якого є певний пристрій живлення.

Узагальнена структурна схема підсилюючого пристрою:

Вхідний пристрій (вхідне коло) призначений для подачі підсилюємого сигналу на підсилюючий елемент, який забезпечує керування з боку вхідного сигналу вихідним, створюючи тим самим підсилення.

Підсилений сигнал передається споживачу – навантаженню підсилювача. Коло, в яке включений споживач, називається вихідним колом (вихідним пристроєм).

Пристрій живлення забезпечує роботу підсилюючого елементу і є джерелом енергії вихідного сигналу.

Підсилюючий елемент необхідний для забезпечення процесу підсилення.

Такі підсилюючі властивості має і транзистор. Як було показано вище, значення колекторного струму залежить від в основному від струму емітера і може змінюватись в широких межах при зміні напруги між емітером і базою.

В узагальненому викладі фізична суть роботи підсилюючого елемента можна розглядати як властивість його змінювати в широких межах його опір під дією вхідного сигналу. В результаті цього на опорі навантаження, який включений послідовно з підсилюючим елементом (ПЕ), здійснюється пульсація напруги і виділяється підсилений по потужності сигнал U _вих, утворений джерелом ЕРС Е завдяки протіканню струму в навантаженні.

Для більшого підсилення сигнал з виходу першого ПЕ подається на такий же елемент, тобто підсилювач може мати кілька підсилюючих елементів, що послідовно підсилюють сигнал. Частина схема, що складається з одного ПЕ із вхідними і вихідними колами, називається підсилюючим каскадом.

Умовне позначення підсилюючого каскаду:

В багатокаскадних підсилювачах розрізняють попередній і кінцевий каскади. Попередній – підсилює вхідний сигнал до рівня, що забезпечує нормальну роботу наступних каскадів. Кінцевий – забезпечує підсилення потужності сигналу до рівня, необхідного для нормальної роботи вихідного пристрою (гучномовця в акустичних системах, електродвигуна в системах автоматики і т. ін.).

Коефіцієнт підсилення – це відношення величини сигналу на виході до величини сигналу на вході підсилювача:

К _U = U _вих / U _вх; К _І = І _вих / І _вх; К _Р = Р _вих / Р _вх;

Якщо підсилювач складається з кількох (n) каскадів, то К = К ₁× К ₂ × … × К _n.

Часто коефіцієнт підсилення відображають не у відносних, а в логарифмічних одиницях, тобто використовують не К, а його логарифм. Доцільність цього обумовлена тим, що органи відчуття людини сприймають підвищення сили зовнішнього подразнення не пропорційно, а значно повільніше: де

S – суб’єктивне сприйняття підсиленого сигналу;

S ₀ – суб'єктивне сприйняття вхідного сигналу;

U – фактична амплітуда підсиленого сигналу;

U ₀ – фактична амплітуда вхідного сигналу;

A – коефіцієнт пропорційності.

Так, якщо сила звуку підвищиться в 100 разів, то суб'єктивно це підвищення сприйметься як збільшення приблизно в 2 рази (lg 100 = 2).

Є два види логарифмічних одиниць: децибели і непери.

Співвідношення: К _[Дб] = 20×lg K = 20×lg(U _вих / U _вх); К = 10^{0,05 К [Дб]}

Якщо К _[Дб] = 1 Дб, то К = 1,12;

К _[Дб] = 2 Дб, то К = 1,25.

Коефіцієнт підсилення по потужності:

К _Р[Дб] = 10×lg K _Р

К = 10^{0,1 К р[Дб]}

Коефіцієнт підсилення для U і І в неперах:

К _[Нп] = ln К; К = е ^{К Нп} (е» 2,72).

При К _[Нп]= 1 Нп, К = е» 2,72.

Для потужності: К _{Р [Нп]} = 0,5×ln К _Р; К _Р = е ^{2 К р[Нп]}.

При К _Р[Нп] = 1, К _Р = 7,4.

Для багато каскадних підсилювачів:

К _[Дб] = 20×(lg K ₁ + lg K ₂ + … + lg K _n) = K _1[Дб] + K _2[Дб] + … + K _n[Дб].