Децибел: основные понятия

October 18, 2013 by admin Комментировать »

В усилительной технике широко используется понятие децибела (дБ), который в логарифмическом виде показывает соотношение между двумя уровнями мощности либо напряжения. Например, в спецификации обычного интегрального ОУ такие параметры, как усиление по напряжению, усиление по мощности и коэффициент ослабления синфазного сигнала, приведены в децибелах. Децибел равен одной десятой бела; использование целого бела на практике не очень удобно, поскольку это слишком большая величина.

Несмотря на то что существует несколько способов выражения соотношения между двумя величинами, использование децибела в усилительной технике обусловлено следующими двумя причинами: во-первых, децибел является удобной единицей измерения для всех без исключения типов усилителей; во-вторых, он хорошо соответствует восприятию человеческим ухом громкости звука. Именно поэтому его применение очень удобно для характеристики свойств НЧ усилителей.

Человеческое ухо одинаково хорошо воспринимает как обычную речь, так и раскаты грома (которые могут быть в 100 000 раз громче речи). Это связано с тем, что реакция уха на звук не прямо пропорциональна его энергии, а приблизительно пропорциональна логарифму энергии звуковой волны. Обыкновенным или десятичным логарифмом (log10) числа N является значение, показывающее, сколько раз должно быть перемножено число 10 само на себя (то есть показатель степени), чтобы в результате получилось число N. Например, десятичным логарифмом числа 100 (которое можно представить как 10×10, или 102) является число 2. Логарифмом числа 100 000 (105) является число 5. Данное соотношение можно записать в следующем виде:

log10 100 000 = 5.

При сравнении двух значений энергии можно использовать бел. Он является логарифмом отношения двух значений энергии. Например, при сравнении энергии обычного разговора и энергии раската грома их отношение можно выразить следующим образом:

log энергия грома или foglo^00. энергия речи         1

Если применить более удобную величину – децибел, то увеличение силы звука от уровня человеческой речи до уровня раската грома будет соответствовать:

Таким же образом этот метод используется и при измерении усиления в усилителях, вне зависимости от того, предназначен ли усилитель для низкочастотного диапазона или нет. Увеличение выходной мощности любого усилителя может быть выражено следующим соотношением:

Это же выражение может быть представленно в виде:

где Р2 – выходная мощность, а Pt – мощность, подаваемая на вход усилителя. Если Р2 > Pj, то мощность увеличивается, что выражается положительным значением коэффициента усиления (+дБ). Если же Pt > Р2, то мощность ослабляется, что выражается отрицательным значением величины коэффициента усиления (-дБ). Во всех случаях берется отношение двух значений мощности (Pj и Р2), затем логарифм этого отношения умножается на 10. В результате, если соотношение значений мощностей равно 10, усиление – 10 дБ; если соотношение значений мощностей равно 100, то усиление – 20 дБ, если соотношение значений мощностей равно 1000, то усиление – 30 дБ и т.д.

Соотношения для удвоения мощности

Двукратное увеличение мощности в усилителе соответствует усилению +3 дБ. Например, если при повороте регулятора громкости усилителя выходная мощность возросла с 4 до 8 Вт, то мощность увеличилась на 3 дБ (+3 дБ). Если же выходная мощность снизилась с 4 до 2 Вт, то усиление упало на 3 дБ (-3 дБ).

Если первоначальная мощность 4 Вт увеличилась до 8 Вт, то усилеНие составит +3 дБ. Дальнейшее двукратное увеличение мощности (от 8 до 16 Вт) соответствует усилению еще на +3 дБ, но по сравнению с первоначальной мощностью 4 Вт общее усиление будет равно +6 дБ. При увеличении мощности до 40 Вт (то есть десятикратном увеличении относительно уровня 4 Вт) общее усиление мощности составит +10 дБ и т.д.

Сложение децибелов

Широкому применению децибелов в усилительной технике способствовало еще одно обстоятельство. При включении нескольких усилителей последовательно по каскадной схеме, которая достаточно часто используется в усилительных устройствах, общее значение усиления многокаскадного усилителя определяется перемножением коэффициентов усиления каждого каскада. Например, в случае включения по каскадной схеме трех усилителей, каждый из которых имеет коэффициент усиления, равный 10, общий коэффициент усиления составит 1000 (10xl0xl0).

При этом коэффициенты усиления, выраженные в децибелах, просто суммируются. Например, в приведенном выше выражении суммарный коэффициент усиления по мощности составит 10 дБ + 10 дБ + 10 дБ – +30 дБ. Совершенно аналогично

при последовательном включении двух каскадов усиления, первый из которых имеет усиление +30 дБ, а второй – ослабление -10 дБ, общий результат будет равен: +30 дБ – 10 дБ – +20 дБ.

Использование децибелов для сравнения величин напряжений и токов

Децибелы также применяются для сравнения уровней входного и выходного напряжений усилителя. Они могут использоваться и для выражения соотношения токов, однако такой подход в усилительной технике не распространен. Для сравнения величин напряжений или токов служат соотношения:

Здесь определяется отношение двух напряжений (или токов) и его логарифм умножается на коэффициент 20 (а не 10, как в случае отношения двух мощностей).

обычно больше по величине, чем

где Rj – сопротивление источника сигнала, или входной импеданс, R2 – сопротивление нагрузки, или выходной импеданс, а El, И – входные и E2,12 – выходные напряжения и токи. Причем

Необходимо отметить, что, хотя отношения значений мощности не зависят от импедансов (сопротивлений) источника сигнала и выходной нагрузки, соотношения для напряжений и токов справедливы лишь при равенстве импедансов источника сигнала и выходной нагрузки. Для усилителей, где величины входного и выходного импедансов различны, соотношения токов и напряжений определяются следующими выражениями:

Как и для соотношения мощностей, если значение выходного напряжения превышает входное, усиление, выраженное в децибелах, имеет положительный знак (+дБ). Если же выходное напряжение меньше входного, имеет место ослабление, которое выражается отрицательным значением величины (-дБ).

Следует отметить, что увеличение выходного напряжения вдвое характеризуется усилением на +6 дБ. Соответственно уменьшение выходного напряжения вдвое характеризуется ослаблением на -6 дБ. Для подсчета суммарного усиления по напряжению нескольких совместно работающих усилительных каскадов следует сложить (с учетом знака) их значения усиления или ослабления в децибелах.

Децибелы и измерения абсолютных величин

Если усилитель имеет усиление по мощности, равное +20 дБ, это означает, что выходная мощность в 100 раз превышает поступающую на вход усилителя. Несмотря на то что децибелы служат для определения отношений величин двух сигналов, иногда эту единицу используют для измерения абсолютных, а не только

относительных значений величин. С этой целью можно взять некоторую эталонную величину сигнала и определить любую другую величину в децибелах по отношению к эталонной.

В НЧ усилителях наиболее распространенными децибельными единицами для измерения абсолютных уровней мощностей являются дБм (децибел относительно уровня мощности 1 мВт) и единица уровня звука (VU – volume unit).

При использовании единиц уровня звука принимается, что нулевой (эталонный) уровень равен 0,001 Вт (1 мВт), а величина полного сопротивления (импеданс) – 600 Ом. Итак,

где Р2 – выходная мощность.

Таким образом, для единиц уровня звука и для дБм приняты одинаковые эталонные уровни отсчета. Когда измеряемый сигнал имеет синусоидальную форму, обычно применяются дБм (как правило, частота сигнала равна 1 кГц), а VU используются для измерений аудиосигналов сложной формы.

Источник: Ленк Д., 500 практических схем на популярных ИС: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, – 44 с.: ил. (Серия «Учебник»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты