Појачање (електроника)

Графикон улазног $v_{i}(t)$ (плаво) и излазног напона $v_{o}(t)$ (црвено) идеалног линеарног појачавача са напонским појачањем од 3 са арбитрарним улазним сигналом. У сваком тренутку излазни напон је три пута већи од улазног напона.

У електроници, појачање је мера способности кола са два прикључка (често званог појачавач) да повећа снагу или амплитуду сигнала са улазног на излазни порт додавањем енергије сигналу конвертоване са неког извора напајања. Оно се обично дефинише као средњи однос амплитуде сигнала или снаге на излазном порту и амплитуде или снаге на улазном порту. Појачање се обично изражава користећи логаритамске децибелске (дБ) јединице („дБ појачање”). Појачање веће од један (веће од нула дБ), амплификација, дефинишуће је својство активне компоненте или кола, док пасивно коло има појачање мање од један.

Сам термин појачање је двосмислен, и може се односити на однос излаза и улаза напона (напонско појачање), струје (појачање струје) или електричне снаге (појачање снаге). У пољу аудио и општенаменских појачавача, а посебно операционих појачавача, термин се обично односи на напонско појачање, док се код радио фреквентних појачавача он обично односи на појачање снаге. Осим тога, термин појачање се исто тако примењује у системима као што су сензори, где улаз и излаз имају различите јединице; у таквим случајевима јединица појачања мора бити наведена, као у „5 микроволти по фотону” за респонзивност фотосензора. „Појачање” биполарног транзистора се нормално односи на преносни однос струје, било h_FE („бета”, статички однос од I_c подељен са I_b у некој оперативној тачки), или понекад h_fe (појачање струје слабог сигнала, нагиб графика зависности I_c од I_b у датој тачки).

Појачање електронског уређаја или кола генерално варира са фреквенцијом примењеног сигнала. Осим уколико је другачије наведено, термин се односи на појачање за фреквенције у пролазном опсегу, предвиђеном радном фреквентном опсегу опреме. Термин појачање има различита значења у антенском дизајну; антенско појачање је однос интензитета зрачења са усмерене антене на $P_{\text{in}}/4\pi$ (средњи интензитет радијације из антене без губитака).

Дефиниција

Појачање неког активног електронског елемента или електроничког склопа може се генерално дефинисати као однос промене величине излазног електричног напона или струје у односу на промену величине улазног напона или струје. У том се смислу разликује више могућности где се активни елементи, односно електронски склопови могу замислити као напонски или струјно управљани изворе електричног напона или струје. Појачање електронских склопова као целине односи се у правилу на однос величине излазног и улазног напона склопа:

${A_{V}}={\frac {U_{izl}}{U_{ul}}}\,$

Појачање електронске цеви

Електронска цев појачава наизменични електрични сигнал помоћу напонски управљаног струјног електричног извора унутрашњег отпора $R_{i}$ и струје

${i_{a}}=Su_{ul}\,$

где је S стрмина електронске цеви у радној тачки изражена у mA/V, а $u_{ul}\,$ наизменични напон који се појављује на управљачкој решетци електронске цеви. Пад напона $u_{R}\,$ на оптеретном отпору биће зависан од међусобног односа оптеретног отпора $R_{t}$ и унутарњег отпора извора

${u_{R}}=-Su_{g}{\frac {{R_{t}}{R_{i}}}{R_{t}+R_{i}}}$

те је напонско појачање појачала с електронском цеви одређено према једнакости

${A_{V}}=-S{\frac {{R_{t}}{R_{i}}}{R_{t}+R_{i}}}$

Напонско појачање електроничког склопа с електронском цеви одређено је, дакле, стрмином електронске цеви и међусобним односом оптеретног отпора и унутарњег отпора извора, а где се стрмина електронске цеви одређује на темељу преносне $I_{a}$/$U_{g}$ карактеристике. Појачање има негативан предзнак јер повећање улазног наизменичног напона има за последицу смањење анодног напона на излазу.

Појачање биполарног транзистора

Биполарни транзистор представља за наизменични електрични сигнал струјно управљан електрични извор струје и представља с надоместним извором унутарњег отпора $R_{i}$ и струје

${i_{c}}=h_{FE}i_{ul}\,$,

где је $h_{FE}$ динамички фактор струјног појачања, а $i_{ul}\,$ побудна струја која тече кроз базу биполарног транзистора. Међутим, у реалним околностима где је динамички електрични отпор између базе и емитера биполарног транзистора знатно већи од унутарњег отпора електричног извора који се прикључује између базе и емитера транзистора, ова једнакост се може приказати у нешто друкчијем облику

${i_{c}}=h_{FE}{\frac {u_{ul}}{R_{ul}}}$

где је $u_{ul}\,$ улазни напон који долази из напонског извора, а $R_{ul}$ динамички отпор на улазу транзистора. Пад напона $u_{R}\,$ на оптеретном отпору биће зависан од међусобног односа оптеретног отпора и унутарњег отпора извора

${u_{R}}=-h_{FE}{\frac {u_{ul}}{R_{ul}}}{\frac {{R_{t}}{R_{i}}}{R_{t}+R_{i}}}$

те је напонско појачање појачала с биполарним транзистором одређено према једнакости

${A_{V}}=-{\frac {h_{FE}}{R_{ul}}}{\frac {{R_{t}}{R_{i}}}{R_{t}+R_{i}}}$

Напонско појачање електронског склопа са биполарним транзисторима одређено је, дакле, првенствено фактором динамичког струјног појачања и динамичком улазном импедансом биполарног транзистора те међусобним односом оптеретног отпора и унутарњег отпора извора. Појачање има негативан предзнак јер повећање улазног наизменичног напона на бази транзистора има за последицу смањење колекторског напона на излазу.

Појачање униполарног транзистора

Униполарни транзистор се приказује за наизменични електрични сигнал као надомесни напонски управљан струјни електрични извор унутрашњег отпора $R_{i}$ и струје

${i_{s}}=Ku_{ul}\,$

где је К стрмина униполарног транзистора у радној тачки изражена у mA/V, а $u_{ul}\,$ наизменични напон који се појављује на вратима (gate) униполарног транзистора. Пад напона $u_{R}\,$ на оптеретном отпору биће зависан од међусобног односа оптеретног отпора $R_{t}$ и унутарњег отпора извора

${u_{R}}=-Ku_{ul}{\frac {{R_{t}}{R_{i}}}{R_{t}+R_{i}}}$

те је напонско појачање појачала с униполарним транзистором одређено према једначини

${A_{V}}=-K{\frac {{R_{t}}{R_{i}}}{R_{t}+R_{i}}}$

Напонско појачање електронског склопа с униполарним транзистором одређено је, дакле, стрмином униполарног транзистора и међусобним односом оптеретног отпора и унутрашњег отпора извора, а где се стрмина униполарног транзистора одређује на темељу преносне $I_{S}$/$U_{G}$ карактеристике, одн. карактеристике која показује зависност струје извора и напона врата.

Појачање операцијског појачала

Интегрисани операциони појачавач може се сматрати у ширем смислу јединственом, премда сложеном електронском компонентом. При разматрању својстава операцијског појачала редовно се говори искључиво о његову напонском појачању које може бити позитивно, ако се разматра неинвертирајући улаз, одн. негативно ако се разматра инвертирајући улаз. Појачање операцијског појачала је неупоредиво веће у односу на напонско појачање склопа с појединачним транзистором или електронском цеви.

Појачање и фреквенцијска амплитудна карактеристика

На довољно ниским фреквенцијама појачање активних електронских елемената и други параметри могу се сматрати независним од фреквенције. Међутим, на вишим фреквенцијама ваља узети у обзир различите међуелектродне паразитне електричне капацитете (пре свега капацитет између аноде и решетке код електронске цеви, између колектора и базе биполарног транзистора или између извора и врата униполарног транзистора). Утицајем низа чинилаца појачање нискофреквентних електронских склопова опада за фреквенције више од неколико стотина, неколико десетина или чак неколико kHz, што све наравно зависи од врсте и карактеристикама активног електроничког елемената.

Прилике су у том смислу специфичне код операционих појачала где се појачање операцијског појачала унутар петље негативне реакције почиње смањивати већ за фреквенције више од око 50 Хз (слика десно), а из разлога осигурања склопа од самоосцилација.

Литература

• Јелаковић Т. “Транзисторска аудиопојачала”, Школска књига, Загреб, 1973.
• Сомек. Б. “Електроакустика”, Техничка енциклопедија, Југославенски Лексикографски Завод, 1973.
• Стуарт Ј.Р. “Ан аппроацх то аудио амплифиер десигн”, Wирелесс Wорлд, Аугуст 1973
• Керр Р.Б. “Елецтрицал Нетwорк Сциенце”, Прентице-Халл Инц., 1977.
• Црецрафт, Давид; Горхам, Давид (2003). Елецтроницс, 2нд Ед. ЦРЦ Пресс. ИСБН 978-0748770366. 
• Агарwал, Анант; Ланг, Јеффреy (2005). Фоундатионс оф Аналог анд Дигитал Елецтрониц Цирцуитс. Морган Кауфманн. ИСБН 978-0080506814. 
• Глиссон, Тилдон Х. (2011). Интродуцтион то Цирцуит Аналyсис анд Десигн. Спрингер Сциенце анд Бусинесс Медиа. ИСБН 978-9048194438. 
• Патронис, Гене (1987). „Амплифиерс”. Ур.: Глен Баллоу. Хандбоок фор Соунд Енгинеерс: Тхе Неw Аудио Цyцлопедиа. Хоwард W. Самс & Цо. ИСБН 978-0-672-21983-2. 
• Сунгоок, Хонг (2001). Wирелесс: Фром Марцони'с Блацк-Боx то тхе Аудион. МИТ Пресс. ИСБН 978-0262082983. 
• Де Форест, Лее (1906). „Тхе Аудион; А Неw Рецеивер фор Wирелесс Телеграпхy”. Транс. АИЕЕ. 25. дои:10.1109/т-аиее.1906.4764762. Приступљено 7. 1. 2013. 
• Годфреy, Доналд Г. (1998). „Аудион”. Хисторицал Дицтионарy оф Америцан Радио. Греенwоод Публисхинг Гроуп. ИСБН 9780313296369. Приступљено 7. 1. 2013. 
• Амос, С. W. (2002). „Триоде”. Неwнес Дицтионарy оф Елецтроницс, 4тх Ед. Неwнес. ИСБН 9780080524054. Приступљено 7. 1. 2013. 
• МцНицол, Доналд (1946). Радио'с Цонqуест оф Спаце. Мурраy Хилл Боокс. 
• МцНицол, Доналд (1. 11. 1917). „Тхе Аудион Трибе”. Телеграпх анд Телепхоне Аге. 21. Приступљено 12. 5. 2017. 
• Енцyцлопедиа Америцана, Вол. 26. Тхе Енцyцлопедиа Америцана Цо. 1920. 

Спољашње везе

• AES guide to amplifier classes
• Design and analysis of a basic class D amplifier
• Conversion: distortion factor to distortion attenuation and THD
• „Ан алтернате топологy цаллед тхе гроундед бридге амплифиер” (ПДФ). Архивирано из оригинала (ПДФ) 3. 4. 2013. г. 
• „Амплифиер Анатомy - Парт 1” (ПДФ). Архивирано из оригинала (ПДФ) 10. 6. 2004. г.  – цонтаинс ан еxпланатион оф дифферент амплифиер цлассес
• „Реинвентинг тхе поwер амплифиер” (ПДФ). Архивирано из оригинала (ПДФ) 3. 4. 2013. г. 
• Anatomy of the power amplifier, including information about classes
• Tons of Tones - Site explaining non linear distortion stages in Amplifier Models
• „Цласс D аудио амплифиерс: тхеорy анд десигн” (ПДФ). Архивирано из оригинала (ПДФ) 29. 9. 2007. г. 
• „Цласс Е АМ Трансмиттер Десцриптионс, Цирцуитс, Етц.”.  – туториалс, сцхематицс, еxамплес, анд цонструцтион детаилс