Электрические сигналы — это носители информации, «хранящиеся» в электрическом токе. В нем можно хранить звук, изображения, а также информацию, записанную в цифровом формате. Для правильной передачи и воспроизведения сохраненной информации эти сигналы должны быть усилены.
Что представляют собой электрические сигналы?
Электрический сигнал обычно представляет собой изменяющуюся во времени форму волны электрического тока, несущую информацию. Сигналы могут быть описаны временной зависимостью электрического напряжения или тока (рис.1).
Сигнал может быть аналоговым (являться непрерывной функцией времени):
Примечание. Аналоговый сигнал — это сигнал, который может принимать любое значение из непрерывного интервала (бесконечного или ограниченного диапазоном изменения). Его значения могут быть определены в любой момент времени с помощью математической функции, описывающей сигнал.
или дискретным (принимающим не более чем пересчитываемое множество значений — см. рисунок 2):
Примечание. Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только строго определенные числовые значения.
Наиболее распространенным способом передачи цифровых данных является двоичный сигнал (также называемый логическим сигналом), который может принимать только два значения: логический ноль (низкое состояние) и логическую единицу (высокое состояние) — такие состояния легко отличить друг от друга, и их последовательность составляет большую часть данных (рис. 2).
Что такое усилитель и как он работает?
Часто, по разным причинам, возникает необходимость усиления сигналов — увеличения максимальных значений величины, описывающей форму сигнала (рис.3.). Для этого используются устройства, называемые усилителями.
Усилитель электрических сигналов всегда увеличивает мощность входного сигнала за счет энергии, потребляемой от источника тока. Мощность сигнала может быть описана формулой: P = I * U
Где: I — электрический ток сигнала, U — напряжение.
В зависимости от того, какая из величин, характеризующих сигнал, усиливается больше всего, мы можем разделить усилители на усилители электрического напряжения, тока или электрической мощности.
Основным параметром усилителя электрического сигнала является коэффициент усиления, который равен отношению амплитудного значения напряжения, тока или мощности электрического тока на выходе к амплитуде этой величины на входе. Амплитудой сигнала называется разница между максимальным значением величины, описывающей сигнал, и средним значением этой величины.
В зависимости от применения различают следующие усилители: электроакустические (гитарные, микрофонные, наушники и т.д.), антенные, радио (радиочастотные), зрительные, импульсные, операционные, измерительные и т.д.
Усиление сигнала достигается путем управления электрическим сигналом, который необходимо усилить, формой волны тока, протекающего от источника электрического тока. Элементами, отвечающими за работу усилителя, могут быть трехэлектродная вакуумная лампа, называемая триодом, или транзисторы. Транзисторы также являются трехэлектродными элементами, но их работа обусловлена свойствами полупроводниковых материалов.
Принцип усиления электрического сигнала
Схематично принцип усиления сигнала можно представить следующим образом (рис.4):
Источник тока заставляет электрический ток протекать через электрическую цепь, а на выходе цепи появляется электрическое напряжение. Электрический сигнал, включенный на входе (Input) усилителя, вызывает большие изменения в проведении тока через усилительный элемент — триод или транзистор. Можно сказать, что входной сигнал изменяет электрическое сопротивление усилительного элемента. Это вызывает протекание электрического тока в цепи при одном и том же напряжении источника, причем ток изменяется при изменении формы сигнала. Благодаря тому, что изменения электрического сопротивления триода или транзистора при малых изменениях величины входного сигнала очень велики, на выходе получается усиленный сигнал.
В триоде (смотрите рис. 5) электрический ток от источника протекает между отрицательным катодом К, который является источником электронов, и положительным анодом А. Изменение протекания электрического тока вызывается напряжением, приложенным к сетке S. Если к сетке приложено электрическое напряжение, отрицательное по отношению к катоду, то электроны, эмитированные с катода, тормозятся и возвращаются на катод. Это отрицательное напряжение уменьшает электрический ток, протекающий в цепи, без изменения напряжения между катодом и анодом. На катоде образуется электронное облако, которое препятствует эмиссии электронов с катода. Когда решетка положительно поляризована, она еще больше ускоряет электроны, увеличивая протекающий электрический ток (однако, некоторые электроны затем достигают решетки, вызывая протекание электрического тока в цепи).
Как и триод, транзисторы (рис.5.) имеют три электрода. Управление электрическим током в цепи достигается путем изменения числа носителей тока. Это изменение является результатом изменения электрического напряжения входного сигнала.
