Пристрої, призначені для підсилення електричних сигналів мають назву підсилювачі.
Процес підсилення є один з випадків процесу керування енергією і, в принципі полягає в тому, що надійшовший на вхід підсилювача від керуючого джерела електричної енергії слабкий сигнал керує більш сильним сигналом на його виході.
Вхідний сигнал не є джерелом енергії вихідного сигналу. Енергія вихідного сигналу утворюється за рахунок витрачання енергії електричних джерел живлення, але в той же час без сигналу на вході не утворюється і сигнал на виході.
Отже вхідний сигнал керує вихідним сигналом, джерелом енергії якого є певний пристрій живлення.
Вхідний пристрій (вхідне коло)призначений для подачі підсилюємого сигналу на підсилюючий елемент, який забезпечує керування з боку вхідного сигналу вихідним, створюючи тим самим підсилення.
Підсилений сигнал передається споживачу – навантаженню підсилювача. Коло, в яке включений споживач, називається вихідним колом (вихідним пристроєм).
Пристрій живлення забезпечує роботу підсилюючого елементу і є джерелом енергії вихідного сигналу.
Підсилюючий елементнеобхідний для забезпечення процесу підсилення.
Такі підсилюючі властивості має і транзистор. Як було показано вище, значення колекторного струму залежить від в основному від струму емітера і може змінюватись в широких межах при зміні напруги між емітером і базою.
В узагальненому викладі фізична суть роботи підсилюючого елемента можна розглядати як властивість його змінювати в широких межах його опір під дією вхідного сигналу. В результаті цього на опорі навантаження, який включений послідовно з підсилюючим елементом (ПЕ), здійснюється пульсація напруги і виділяється підсилений по потужності сигнал Uвих, утворений джерелом ЕРС Е завдяки протіканню струму в навантаженні.
Для більшого підсилення сигнал з виходу першого ПЕ подається на такий же елемент, тобто підсилювач може мати кілька підсилюючих елементів, що послідовно підсилюють сигнал. Частина схема, що складається з одного ПЕ із вхідними і вихідними колами, називається підсилюючим каскадом.
Умовне позначення підсилюючого каскаду:
В багатокаскадних підсилювачах розрізняють попередній і кінцевий каскади. Попередній –підсилює вхідний сигнал до рівня, що забезпечує нормальну роботу наступних каскадів. Кінцевий – забезпечує підсилення потужності сигналу до рівня, необхідного для нормальної роботи вихідного пристрою (гучномовця в акустичних системах, електродвигуна в системах автоматики і т. ін.).
Коефіцієнт підсилення – це відношення величини сигналу на виході до величини сигналу на вході підсилювача:
КU = Uвих / Uвх; КІ = Івих / Івх;КР = Рвих / Рвх;
Якщо підсилювач складається з кількох (n) каскадів, то К = К1×К2 ×…×Кn.
Часто коефіцієнт підсилення відображають не у відносних, а в логарифмічних одиницях, тобто використовують не К, а його логарифм. Доцільність цього обумовлена тим, що органи відчуття людини сприймають підвищення сили зовнішнього подразнення не пропорційно, а значно повільніше: де
S – суб’єктивне сприйняття підсиленого сигналу;
S0 – суб'єктивне сприйняття вхідного сигналу;
U – фактична амплітуда підсиленого сигналу;
U0 – фактична амплітуда вхідного сигналу;
A – коефіцієнт пропорційності.
Так, якщо сила звуку підвищиться в 100 разів, то суб'єктивно це підвищення сприйметься як збільшення приблизно в 2 рази (lg 100 = 2).
Є два види логарифмічних одиниць: децибелиінепери.
Співвідношення: К[Дб] = 20×lgK =20×lg(Uвих / Uвх); К = 100,05К[Дб]
Якщо К[Дб] = 1 Дб, то К = 1,12;
К[Дб] = 2 Дб, то К = 1,25.
Коефіцієнт підсилення по потужності:
КР[Дб] = 10×lgKР
К = 100,1Кр[Дб]
Коефіцієнт підсилення для U і І в неперах:
К[Нп] = lnК;К = еКНп (е» 2,72).
При К[Нп]= 1 Нп, К = е » 2,72.
Для потужності: КР [Нп] = 0,5×lnКР;КР = е 2К р[Нп].
Викривлення, що виникають у підсилювачі внаслідок неоднакового підсилення сигналів різної частоти називаютьчастотними викривленнями.Вони виникають за рахунок реактивних елементів схеми, які можуть бути і неявними (міжелектродні ємності). Залежність коефіцієнта підсилення від частоти вхідного сигналу відображають графічно. Цей графік має назву частотна характеристика підсилювача.
Існує поняттякоефіцієнта частотних викривлень – це відношення коефіцієнта підсилення К0 на середній частоті діапазону до коефіцієнта підсилення К на даній частоті – М = К0 / К. для звукового підсилювача викривлення не відчуваються, якщо М знаходиться в межах 0,7 ¸ 1,4.
Робочий діапазон частот – смуга частот, в межах якої частотні викривлення не перевищують певне (визначене) допустиме значення.
Для вибіркових підсилювачів замість терміна робочий діапазон частот вживають термінсмуга пропуску.
Фазові викривлення зумовлені присутністю частотно-залежних елементів. Сигнали різної частоти мають неоднакові зсуви в часі, що призводить до викривлення форми складного вхідного сигналу в результуючому сигналі (для звукових підсилювачів ці викривлення несуттєві, а для відео-, телесигналу ці викривлення призводять до подвоєння та розмивання контуру).
Нелінійні викривлення – виникають за рахунок нелінійних елементів (транзисторів, дроселів, трансформаторів та ін.). Для звукового сигналу ці викривлення призводять до зміни тембру звуку.
Вихідна (номінальна) потужність –
найбільша потужність на навантаженні, при якій нелінійні викривлення не перевищують допустимі значення.
Чутливість підсилювача – напруга на вході підсилювача, при якій на виході розвивається номінальна потужність.
Динамічний діапазон виражений в децибелах – відношення максимальної амплітуди, при якій сигнал ще не викривляється, до мінімальної амплітуди, при якій сигнал ще достатньо перевищує заваду.