Zisk (elektronika) - Gain (electronics)

v elektronika, získat je míra schopnosti a dva porty obvod (často an zesilovač ) ke zvýšení Napájení nebo amplituda a signál ze vstupu na výstupní port^[1]^[2]^[3]^[4] přidáním energie převedené z některých zdroj napájení k signálu. Obvykle je definována jako průměr poměr z signál amplituda nebo výkon na výstupu přístav na amplitudu nebo výkon na vstupním portu.^[1] Často se vyjadřuje pomocí logaritmický decibel (dB) jednotky („dB zisk“).^[4] Zisk větší než jedna (větší než nula dB), tj. Zesílení, je definující vlastnost aktivní složka nebo okruh, zatímco a pasivní obvod bude mít zisk menší než jeden.^[4]

Termín získat sám o sobě je nejednoznačný a může odkazovat na poměr výstupu k vstupu Napětí (zisk napětí), proud (aktuální zisk) nebo elektrická energie (zisk energie).^[4] Zejména v oblasti audio a univerzálních zesilovačů operační zesilovače, termín obvykle označuje zisk napětí,^[2] ale v rádiová frekvence zesilovače to obvykle odkazuje na zisk energie. Kromě toho se termín zisk používá také v systémech, jako jsou senzory kde vstup a výstup mají různé jednotky; v takových případech musí být jednotky zisku specifikovány, jako v "5 mikrovoltech na foton" pro citlivost a fotosenzor. „Zisk“ a bipolární tranzistor obvykle označuje převodový poměr dopředného proudu h_FE ("beta", statický poměr Já_C děleno Já_b v určitém provozním bodě), nebo někdy h_fe (proudový zisk malého signálu, sklon grafu Já_C proti Já_b v bodě).

Zisk elektronického zařízení nebo obvodu se obecně liší podle frekvence aplikovaného signálu. Pokud není uvedeno jinak, vztahuje se tento výraz na zisk frekvencí v propustné pásmo, zamýšlený rozsah provozních kmitočtů zařízení. Termín získat má jiný význam v anténa design; zisk antény je poměr intenzita záření od směrové antény k ${ displaystyle P _ { text {in}} / 4 pi}$ (střední intenzita záření z bezztrátové antény).

Graf vstupu

{ displaystyle v_ {i} (t)}

(modrý) a výstupní napětí

{ displaystyle v_ {o} (t)}

(Červené) ideální lineární zesilovač se ziskem napětí 3 s libovolným vstupním signálem. V každém okamžiku je výstupní napětí trojnásobek vstupního napětí.

Logaritmické jednotky a decibely

Zisk síly

Zisk síly, v decibely (dB), je definován takto:

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

kde ${ displaystyle P _ { text {in}}}$ je síla aplikovaná na vstup, ${ displaystyle P _ { text {out}}}$ je síla z výstupu.

Podobný výpočet lze provést pomocí a přirozený logaritmus místo desetinného logaritmu, což má za následek nepers místo decibelů:

{ displaystyle { text {gain-np}} = { frac {1} {2}} ln left ({ frac {P _ { text {out}}} {P _ { text {in}} }} right) ~ { text {Np}}.}

Zisk napětí

Zisk výkonu lze vypočítat pomocí napětí místo použití energie Jouleův první zákon ${ displaystyle P = V ^ {2} / R}$ ; vzorec je:

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

V mnoha případech vstupní impedance ${ displaystyle R _ { text {in}}}$ a výstupní impedance ${ displaystyle R _ { text {out}}}$ jsou stejné, takže výše uvedená rovnice může být zjednodušena na:

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

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

Tento zjednodušený vzorec, 20 log pravidlo, se používá k výpočtu a zisk napětí v decibelech a je ekvivalentní k energetickému zisku právě tehdy, když impedance na vstupu a výstupu jsou stejné.

Aktuální zisk

Stejným způsobem, když se zisk energie vypočítá pomocí proudu místo energie, čímž se provede substituce ${ displaystyle P = I ^ {2} R}$ , vzorec je:

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

V mnoha případech jsou vstupní a výstupní impedance stejné, takže výše uvedenou rovnici lze zjednodušit na:

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

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

Tento zjednodušený vzorec se používá k výpočtu a aktuální zisk v decibelech a je ekvivalentní zisku energie právě tehdy, když impedance na vstupu a výstupu jsou stejné.

„Aktuální zisk“ a bipolární tranzistor, ${ displaystyle h _ { text {FE}}}$ nebo ${ displaystyle h _ { text {fe}}}$ , se obvykle uvádí jako bezrozměrné číslo, poměr ${ displaystyle I _ { text {c}}}$ na ${ displaystyle I _ { text {b}}}$ (nebo sklon ${ displaystyle I _ { text {c}}}$ -proti- ${ displaystyle I _ { text {b}}}$ graf, pro ${ displaystyle h _ { text {fe}}}$ ).

Ve výše uvedených případech bude zisk bezrozměrná veličina, protože jde o poměr podobných jednotek (decibely se nepoužívají jako jednotky, ale spíše jako metoda indikace logaritmického vztahu). V příkladu bipolárního tranzistoru je to poměr výstupního proudu ke vstupnímu proudu, oba měřené v ampéry. V případě jiných zařízení bude mít zisk hodnotu v SI Jednotky. Tak je tomu v případě operační transkonduktanční zesilovač, který má zisk v otevřené smyčce (transkonduktance ) v siemens (mhos ), protože zisk je poměr výstupního proudu ke vstupnímu napětí.

Příklad

Otázka: Zesilovač má vstupní impedanci 50 ohmů a řídí zátěž 50 ohmů. Když je jeho vstup ( ${ displaystyle V _ { text {in}}}$ ) je 1 volt, jeho výstup ( ${ displaystyle V _ { text {out}}}$ ) je 10 voltů. Jaké je jeho napětí a výkonový zisk?