Електроника

Усилването на електрическите сигнали представлява управление по даден закон на енергията на електрически източник. Устройствата, които осъществяват управлението и усилването се наричат усилвателни устройства или електронни усилватели. Източникът на управляващ сигнал изразходва някаква мощност за управление. От своя страна усилвателят доставя известна мощност в изхода си, свързана по определен закон с управляващата, входната мощност. За усилване и усилватели може да се говори само тогава, когато изходната (управляваната) мощност Po е по-голяма от входната (управляващата) мощност Pi т.е.

Po > Pi

Понятието транзистор означава полупроводников елемент, който осигурява усилване по ток, напрежение или мощност на  входните сигнали. Според вида на основните токоносители в PN преходите на транзисторите, те се делят на NPN и PNP транзистори. Съответно в първия вид основни токоносители са електроните, а във втория дупките (първите се характеризират с по-голямо бързодействие).

Електронните усилватели са транзисторни схеми, предназначени да усилват мощността на даден входен сигнал. На тази снимка можете да видите блоковата схема на такъв усилвател:

На тази снимка параметрите са:

eG – генераторно напрежение

RG  – вътрешно съпротивление на генератора (в частност се приема, че генератора е идеален и има нулево вътрешно съпротивление)

i -  входен ток

io – изходен ток

ui – входно напрежение

uo – изходно напрежение

RL – товар

Усилването на електрически сигнали е линейна функция. Това означава, че при увеличаването на амплитудата на входния сигнал трябва да се запази неговата форма. Ако след преминаване на сигнала през усилвателя изходният сигнал съдържа хармонични съставки, различни от тези на входния, се получава изкривяване на информацията, носена от аналоговите сигнали. Основната причина за това е нелинейния характер на волтамерната характеристика на транзисторите, които изграждат усилвателите. За да се намалят изкривяванията в изходния сигнал,  се избират постояннотокови режими на работа, при които се използват линейните области от характеристиките на транзисторите. При работа с малки сигнали зависимостите между напреженията и токовете могат да се приемат за линейни, при това усилвателите функционират като линейни електронни схеми. В този случай горепосочената схема може да се замени с два еквивалентни модела.

Схемите на Нортън и Тевенен се отнасят до използването на еквивалентни заместващи схеми на един активен двуполюсник, по отношение на даден клон в който режимът не се променя, когато се разглежда цялата схема (клонът с товара в случая).

Формули:

Коефициент на предаване на входната верига

Kin = ui/eG = RiA/RiA+RG , където ui = i*RiA= [ eG/(RiA+RG) ]*RiA и i = eG/RG+RiA

Коефициент на усилване по напрежение

1) За теоремата на Нортън – Au = uo/ui = Auo*[ RL/(RL+RoA )], където uo = io*RL = [Auo*ui/(Roa+RL)]*RL, io = Auo*ui/RoA+RL

Следователно Au = SRoa*[RL/(RL+RoA)]

2) За теоремата на Тевенен – Au = uoПХ/ui = SRoA , където uoПХ е изходно напрежение на празен ход

Пълен коефициент на усилване по напрежение

Au = uo/eG = Au*Kin

Коефициент на усилване по ток

Ai = io/i = uo/RL*RiA/ui = Au*RiA/RL, където io = uo/RL и i = ui/RiA

Мощност на входния и изходния сигнал

Pi = ui*i – мощност на входния сигнал

Po = uo*io – мощност на изходния сигнал

Коефициент на усилване по мощност

Ap = PL/Pi = Au*Ai

Коефициент на полезно действие

η = PL/Pcc , където Pcc е мощността консумирана от захранващия източник на усилвателя, като Pc = Pcc – PL е отделената в PN преходите на транзисторите електрическа мощност, която се преобразува в топлина (загубна или разсейвана мощност).

Входно съпротивление

RiA = ui/i

Изходно съпротивление

RoA = uoПХ/io,кс ; където  io,кс е изходния ток на късо съединение.

Съпротивленията RiA и RoA за реален усилвател обикновено се определят от следните изрази:

RiA = ui*RG/(eG – ui)

RoA = (uoПХ-uo)/u*RL