Na eletrônica , o ganho é a capacidade de um dispositivo de aumentar a força de um sinal. O ganho geralmente expressa o coeficiente de transmissão de um dispositivo em decibéis .
Também falamos de ganho de antena , para expressar a capacidade de transmitir mais do que uma antena de referência em uma determinada direção.
De acordo com uma definição geral, o ganho é
A definição sumária de ganho como medida de amplificação, da vantagem proporcionada por um circuito, tem várias condições implícitas.
Poder Não falamos de ganho para a subida de tensão de um transformador , pois a potência não varia entre a entrada e a saída. No campo do processamento de sinais , definimos a magnitude que varia para produzir um sinal. Em um amplificador eletrônico , geralmente é a voltagem . Em alguns casos, como o de um amplificador seguidor ou o último estágio de um amplificador de áudio , a voltagem não muda entre a entrada e a saída, mas o circuito é capaz de fornecer uma corrente mais alta. Em todos os casos, o ganho se refere à proporção de aumento na potência do sinal em uma determinada carga, o que torna conveniente e consistente expressá-la em decibéis . Integridade do Sinal O sinal de saída deve corresponder, para a potência mais próxima, ao sinal de entrada. O ganho é calculado ou medido em um domínio onde o circuito é linear e invariante ao longo do tempo, de forma que, a qualquer momento, a amplitude do sinal de saída é obtida multiplicando a amplitude de entrada por um coeficiente constante. As quantidades de entrada e saída não precisam ser as mesmas. Frequência Qualquer circuito eletrônico tem um domínio de operação de frequência . O ganho é especificado, medido ou calculado para um sinal senoidal . Quando apenas um valor de frequência é considerado, ele é escolhido próximo à média geométrica dos limites da largura de banda .Essas considerações levam à definição sintética da Comissão Eletrotécnica Internacional :
ganho , para um sistema linear invariante no tempo com uma variável de entrada senoidal em estado estacionário da variável de saída, razão da amplitude da variável de saída para a amplitude da variável de entrada correspondente a um pulso dado.
Quando as magnitudes de entrada e saída são iguais, o ganho é calculado dividindo a amplitude do sinal de saída pela do sinal de entrada. Sua expressão completa indica a frequência do sinal ou seu pulso e o valor limite da distorção .
Exemplo da expressão completa de um ganho:Ganho de tensão: 32 dB a 1 KHz em uma carga de 10 kΩ , distorção harmônica total <0,1% .
Um elemento de um circuito elétrico ou eletrônico é freqüentemente fundamentado na forma de um quadrupolo . A noção de ganho é mais facilmente desenvolvida a partir do modelo quadrupolo de um amplificador. Neste modelo, o amplificador se reduz a uma impedância de entrada associada a um gerador de voltagem e a uma impedância de saída. Por definição, o gerador produz uma tensão V igual à da entrada, V e , multiplicada por um coeficiente, a “razão de transferência” .
As grandezas de entrada e saída dependem dos elementos externos do circuito; mas se as impedâncias de saída dos elementos, fonte e amplificador, são baixas em comparação com as impedâncias de entrada correspondentes, o ganho de tensão , a relação V s / V e das tensões nos terminais do quadrupolo, é para todos os fins práticos a transferência Razão.
Podemos transformar o gerador de tensão em um gerador de corrente, com o resistor de saída em paralelo, e fazer o mesmo com a corrente de entrada e a corrente de saída.
Como a tensão e a corrente são magnitudes de campo, que são ao quadrado no cálculo da potência, o valor em decibéis do ganho em tensão ou corrente é 20 vezes o logaritmo decimal da razão entre essas magnitudes.
O ganho é comumente expresso em decibéis , uma unidade logarítmica destinada a auxiliar no cálculo das transferências de energia em uma linha de transmissão ou série de circuitos . Em vez de multiplicar a amplitude do sinal por um coeficiente em cada etapa, adicionamos a soma dos valores de ganho e os valores negativos de atenuação .
O ganho de potência G de um circuito é definido da seguinte forma:
Com P e e P s, respectivamente, as potências de entrada e saída.
A lei de Ohm permite reescrever a fórmula acima de acordo com as tensões de entrada e saída V e e V s e a resistência de entrada R e do circuito e o resistor de carga R s .
Se o circuito é casado em impedância ( R s = R e ), esta expressão torna-se:
ou finalmente:
Esta fórmula é usada para calcular o ganho de tensão de um circuito. O raciocínio seria idêntico para um ganho de corrente. Em circuitos onde a impedância de entrada é igual à impedância de saída, os três ganhos, na corrente, na tensão e na potência são idênticos.
Para qualificar um circuito, frequentemente falamos de ganho alto ou baixo. Um "ganho forte" significa que teremos um valor de saída muito maior do que o de entrada; um "baixo ganho" implica um valor de saída da mesma ordem de magnitude que o valor de entrada.
Usado sozinho, o termo "ganho" é ambíguo. Deve ser especificado se é um ganho de tensão, corrente ou potência.
Quando as grandezas de entrada e saída não são idênticas, com entrada de corrente e saída de tensão ou vice-versa, ou o sistema possui elementos reativos , o conceito de ganho mostra seus limites. Uma função de transferência é então determinada .
A noção de ganho está intimamente ligada à de atenuação e ao decibel . Surgiu na telefonia , quando no início da década de 1920 os amplificadores repetidores eletrônicos possibilitavam compensar o enfraquecimento do sinal no cabo. O amplificador é designado pelo comprimento em milhas do cabo cujo efeito ele cancela. Diremos “de acordo com a linguagem do telefone, o amplificador deve dar um ganho de cerca de 20 milhas de cabo padrão” . A potência que fornece o amplificador fornece um ganho de alcance da transmissão. O decibel , definido mais pela facilidade de cálculo do que pelas características do cabo, vai substituir o msc ( milha do cabo padrão ), com quase o mesmo valor, nos anos seguintes.
O uso de uma antena direcional aumenta o alcance da transmissão na direção principal para a mesma potência total irradiada. A relação, expressa em decibéis , entre a antena de referência e uma determinada antena é chamada de ganho da antena .
O ganho de um transistor bipolar é a relação entre por um lado a corrente que flui em seu coletor e, por outro lado, a corrente que flui em sua base, no chamado modo linear (não saturado). Este ganho é freqüentemente designado pela letra β, ou por um parâmetro híbrido em h h FE ou h 21 ; também é chamada de transmissão de corrente contínua.
O ganho depende da construção do transistor. Varia com a corrente do coletor, tensão do coletor do emissor, frequência do sinal e temperatura. O ganho pode variar consideravelmente dentro de um mesmo lote.
A frequência na qual o ganho é igual a 1 é chamada de frequência de transição , ou seja, a frequência além da qual o transistor não amplifica mais.
Em geral, os transistores de potência têm ganho menor do que os transistores de baixo sinal. Um transistor Darlington tem um ganho maior. Normalmente, um transistor bipolar tem um ganho entre 50 e 300.