Б - Коэффициент усиления и коэффициент полезного действия.

Для количественной оценки усилительных свойств устройства пользуются понятием о коэффициенте усиления.

Поскольку сигнал характеризуется величиной мощности, напряжения и тока, различают соответственно три коэффициента усиления.

Коэффициент усиления мощности К_р показывает, во сколько раз мощность сигнала на выходе больше, чем на входе:

К_р = Р_вых / Р _вх , ( 1.3)

Коэффициент усиления напряжения К_и, или сокращенно, коэф­фициентом усиления К, называется отношение напряжения сигнала на выходе к напряжению на входе

К_и=U_вых/U_вx , ( 1.4)

Аналогично определяется коэффициентом усиления тока К_i как отношение выходного тока сигнала к входному:

K_i = I_вых/I_вх . ( 1.5)

Коэффициенты усиления напряжения и тока при наличии реак­тивных сопротивлений в схеме являются комплексными величинами; здесь рассматриваются их модули.

По определению сущности процесса усиления коэффициент усиления мощности всегда больше единицы, в то время как коэффи­циенты усиления напряжения или тока могут быть меньше единицы; иногда в этом случае называют коэффициент передачи напряжения или тока.

При активном сопротивлении нагрузки

 

Рвых=UвыхIвых, (1.6)

 

При активном входном сопротивлении усилителя

 

Р_вх=U_вх· I_вх , ( 1.7 )

 

Тогда коэффициент усиления мощности равен произведению

 

K_p = K_u·K_i. ( 1.8)

 

Работу усилителей принято анализировать и исследовать при синусоидальном сигнале на входе.

Мощность определяется через амплитуды и напряжения, как половина их произведения

P = l/2(U_м·I_м), ( 1.9)

 

Для многокаскадного усилителя коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления его каскадов :

K_∑=K₁·K₂· К₃....К_п. ( 1.10)

 

Более удобны логарифмические единицы измерения- децибелы, в которых могут быть выражены не только коэффициенты усиления и их изменения, но и другие относительные величины.

Таким образом, коэффициент усиления мощности в децибелах:

К_р(dБ)= 10 lg (P_вых/Р_вх) или K_p[dБ] = 10 lgK_p, (1.11)

 

Чтобы выразить в децибелах отношение напряжений и токов, надо брать 20 логарифмов этого отношения, учитывая, что отношение мощностей пропорционально квадрату отношения напряжений или токов ( при условии равенства сопротивлений), а при логарифмиро­вании степени показатель степени служит множителем при логарифме основания. Поэтому

 

K_u[dB]=20· Ig (U_вых/U_вх ) или K_u[dБ]= 20·1g K_u , (1. 12 )

 

и

 

K_i[dБ]=20· Ig (I_вых/ I_вx ) или K_i[dБ]= 20·1g K_i , ( 1.13)

 

При вычислении в децибелах коэффициент усиления многокас­кадного усилителя надо алгебраически суммировать коэффициенты усиления его каскадов

 

K_[dВ] = Kl_[dB] + K2_[dB] +Kз_[dБ] + ..... +K_П[dБ]. , ( 1.14)

 

Более того, логарифмические единицы оказались настолько удоб­ны при проектировании схем, что появился даже ряд производных от них величин. Например, мощность сигнала в схеме часто оценивает­ся по отношению к уровню мощности 1 мВт. При этом со знаком “+” или “-“ пишется разность в децибелах текущего уровня мощнос­ти от уровня 1 мВт, который принимается за точку отсчёта. Такие единицы принято обозначать дБм (децибел милливатт). Например, сигнал мощностью 1 мВт в таких единицах равен 0 дБм, сигнал 10мВт - +10 дБм, 0,01 мВт- -20 дБм. Точно также можно выражать и напряжение сигнала, при этом только необходимо зафиксировать сопротивление нагрузки, на котором обеспечивается данное напряже­ние. В высокочастотной технике используются единицы дБмкВ (децибел микровольт). Здесь за нулевую принимается точка в 1мкВ,а сопротивление нагрузки всегда считается равным 50 Ом.

Иногда пользуются сквозными показателями. Сквозным коэффициентом усиления по напряжению называют отношение сигнала на нагрузке усилителя U_вых к ЕДС источника сигнала Е_ист.

 

К_u = U_вых / Е_ист. ( 1.15)

Сквозные показатели характеризуют усилительные устройство в целом. Обычными показателями удобно пользоваться для характеристики отдельных частей усилителя. Один усилительный каскад обычно не обеспечивает достаточный коэффициент усиления. Поэтому для получения требуемого усиления соединяют несколько каскадов так, что выходное напряжение предыдущего каскада является входным для последующего. Такой усилитель называется многокаскадным. Структурная схема многокаскадного усилителя приведена на рисунке 1.4

Коэффициент полезного действия усилителя являются важным
показателем экономичности усилителя. Различают два значения
КПД : электрический КПД выходной цепи усилителя и полный
КПД усилителя (промышленный).

Электрический КПД выходной цепи усилителя - это отношение номинальной выходной мощности Р_макс к мощности, потребляемой выходной цепью усилителя источника питания Р_о:

ή_э= Р_макс./Р_о, ( 1.16)

 

Полный КПД усилителя определяется отношением номинальной выходной мощности Р _вых к мощности, потребляемой всеми цепя­ми усилителя от источника питания.

η=Р_вых/∑Р_о . ( 1.17 )

 

 

Рисунок 1.4 - Структурная схема многокаскадного усилителя