Электроника для начинающих

В прошлом веке для усиления сигналов использовались электронные лампы, особый вид ламп с множеством выводов. Принцип действия в том, что небольшой ток может изменять большой ток. На сегодняшний день электронные лампы мало распространены, хотя и до сих пор используются в некоторых приборах, например в радиопередатчиках, усилителях для музыкальных инструментов или в Hi-Fi-аппаратуре. Эти лампы пользуются большой популярностью, потому что способны усиливать сигналы с высокой чистотой и точностью; но, к сожалению, требуют больших рабочих напряжений до 100 В, сильно нагреваются, изнашиваются со временем, а также очень хрупкие, так как изготовлены из стекла.

В 1947 году были разработаны транзисторы, которые, по сравнению с электронными лампами, не усиливают сигналы столь же эффективно, зато более долговечны и обладают компактными размерами. Транзисторы могут быть объединены различными способами для создания усилителей с различными характеристиками. После изобретения интегральных схем распространились также первые усилители, изготовленные на одном чипе. Чтобы эти компоненты работали, необходимы только несколько внешних пассивных компонентов. Некоторые современные чипы обеспечивают значительную мощность, даже десятки ватт, и предназначены для безопасного подключения к громкоговорителям.

Символом для общего усилителя является простой треугольник. Усилители характеризуются коэффициентом усиления, то есть числом, на которое будет умножаться входной сигнал.

Рис. 6.4. Символом для общего усилителя является простой треугольник

Достаточно сложно построить цепь с усилителем, который отвечает на любой вид сигнала, по этой причине существуют специализированные схемы для каждого типа использования. Например, усилители для звуковых сигналов, радиочастотные усилители, усилители для очень слабых сигналов, усилители мощности для управления большими динамиками, промежуточные усилители, а также усилители для единичного усиления, используемые для изоляции различных участков цепи.

Шум

Шум происходит от случайных движений электронов, а также от многочисленных причин, создающих пересекающиеся электрические колебания в кабелях и цепях. Каждый сигнал всегда сопровождается шумом, это неизбежно. По этой причине нужно учитывать не столько общее количество шума, сколько соотношение между сигналом и шумом (обозначаемое SNR, или отношение сигнал-шум). Чем больше значение этого соотношения, тем больше сигнал «отделен» от шума и, следовательно, лучше различим. Хороший усилитель должен усиливать сигнал и уменьшать шум, не позволяя ему возвращаться.

Коэффициент усиления, а также отношение сигнал-шум, как правило, выражаются в децибелах, потому что описывают соотношение между напряжениями, токами или мощностью.

Децибел

Децибелы используются для доступного обозначения соотношения между двумя величинами, которое может быть очень разным. В зависимости от типа переменных, которые вы сравниваете, используются две различные формулы: одна существует для сравнения величин, таких как напряжения, а другая для сравнения мощностей. Для расчета вам необходимо использовать логарифм по основанию 10; не вдаваясь в подробности, вы можете найти эту функцию в инженерном калькуляторе или в вычислительной таблице. Логарифм – это оператор, который преобразует числа и помогает сравнивать большие величины с очень маленькими величинами. Формулой для сравнения двух напряжений U₁ и U₂ является:

Формула для мощностей:

Логарифм имеет определенное поведение; если отношение между напряжениями больше единицы, тогда децибел имеет положительный знак, если отношение равно единице, мы будем иметь ноль децибел, и для отношений меньше единицы значение децибела будет отрицательным. Можно частенько встретить коэффициент усиления, выраженный в децибелах.

Если выходной сигнал равен двадцати входным сигналам, то коэффициент усиления составляет 20, в децибелах, мы имеем:

20 log₁₀ (20) = 26,02 дБ

Если входной сигнал равен выходному, коэффициент усиления будет равен одному, или ноль децибел:

20 log₁₀ (1) = 0 дБ

Коэффициент усиления 100 равен 40 децибел:

20 log₁₀ (100) = 40 дБ

Если коэффициент усиления доходит до 1000, у нас есть 60 децибел:

20 log₁₀ (1000) = 60 дБ

Импеданс