Ganancia (electrónica)

En electrónica, la ganancia, en lo referido a señales eléctricas, es una magnitud que expresa la relación entre la amplitud de una señal de salida respecto a la señal de entrada[1]​[2]​[3]​[4]​. Por lo tanto, la ganancia es una magnitud adimensional, que se mide en unidades como belio (símbolo: B) o submúltiplos de este como el decibelio (símbolo: dB).

En términos generales, se puede decir que la ganancia es una magnitud que caracteriza la amplificación en potencia, intensidad o tensión que da un dispositivo ante una determinada señal.[5]​[6]​

El término ganancia por sí solo es ambiguo y puede referirse a la relación entre tensión/voltaje de salida y entrada (ganancia de tensión), corriente eléctrica (ganancia de corriente ) o energía eléctrica ("ganancia de potencia").[4]​ En el campo de los amplificadores de audio y de uso general, especialmente los amplificadores operacionales, el término generalmente se refiere a la ganancia de tensión,[2]​ pero en amplificadores de radiofrecuencia generalmente se refiere a ganancia de potencia. Además, el término ganancia también se aplica en sistemas como sensores donde la entrada y la salida tienen unidades diferentes; en tales casos, se deben especificar las unidades de ganancia, como en "5 microvoltios por fotón" para la respuesta de un fotosensor. La "ganancia" de un transistor bipolar normalmente se refiere a la relación de transferencia de corriente directa, ya sea h_FE ("beta", la relación estática de I_c dividido por I_b en algún punto de operación), o a veces h_fe (el pequeño- ganancia de corriente de señal, la pendiente de la gráfica de I_c contra I_b en un punto).

Por ejemplo, si la potencia de salida de un amplificador es 40 W (vatios) y la de entrada era de 20 W, la ganancia sería de 10 log (40 W / 20 W) ≈ 3,0103 dB.

Cuando la ganancia es negativa (menor que 0), se denomina atenuación. Así, en el ejemplo anterior pero al revés: 40 W de entrada, frente 20 W de salida, el resultado sería de -3,0103 dB. No hablaríamos de una ganancia de -3 dB, sino de una atenuación de 3 dB.

Tipos de ganancia

Gráfica de la tensión de entrada ${\displaystyle v_{i}(t)}$ (azul) y la tensión de salida ${\displaystyle v_{o}(t)}$ (rojo) de un amplificador lineal ideal con una ganancia de tensión de 3, con una señal de entrada variable a lo largo del tiempo. En cualquier instante la tensión de salida es tres veces la tensión de entrada.

Aunque la ganancia, como se ha dicho, es adimensional, sin embargo se refiere a cierta magnitud, con lo que tenemos:[7]​[8]​[9]​

• Ganancia de potencia, definida como ${\displaystyle G_{P}={\frac {P_{\mathrm {salida} }}{P_{\mathrm {entrada} }}}}$ y expresada en decibeles es ${\displaystyle G_{P}(\mathrm {dB} )=10\cdot \log _{}{\frac {P_{\mathrm {salida} }}{P_{\mathrm {entrada} }}}}$
• Ganancia en tensión, definida como ${\displaystyle G_{V}={\frac {V_{\mathrm {salida} }}{V_{\mathrm {entrada} }}}}$ y expresada en decibeles es ${\displaystyle G_{V}(\mathrm {dB} )=20\cdot \log _{}{\frac {V_{\mathrm {salida} }}{V_{\mathrm {entrada} }}}}$
• Ganancia en corriente, definida como ${\displaystyle G_{I}={\frac {I_{\mathrm {salida} }}{I_{\mathrm {entrada} }}}}$ y expresada en decibeles es ${\displaystyle G_{I}(\mathrm {dB} )=20\cdot \log _{}{\frac {I_{\mathrm {salida} }}{I_{\mathrm {entrada} }}}}$

Estas ganancias se relacionan entre ellas a través de las impedancias de entrada y salida del circuito, pero se tiene una idea de sus magnitudes mediante las relaciones siguientes:

${\displaystyle G_{P}=G_{V}\cdot G_{I}}$ y, si las impedancias son iguales, ${\displaystyle G_{P}=G_{V}^{2}}$

Además existen ganancias "especiales" para determinados componentes:

• Ganancia de antena. Es la relación entre la potencia entregada por la antena y la potencia que entregaría una antena isotrópica.
• Ganancia de conversión. En el caso de mezcladores, determina la potencia de salida, a la frecuencia 2, dividida por la potencia de entrada, a frecuencia 1.
• Ganancia de transducción. Es la relación entre la potencia de una magnitud de entrada, por ejemplo: presión, y la potencia eléctrica entregada.

Unidades relativas de medida

La unidad relativa de medida para ganancias es el belio (B) o múltiplos de este; generalmente se utiliza el decibelio (dB). Como la unidad de medida de ganancia siempre expresa una relación entre dos magnitudes, en particular en el caso del decibelio especificaremos de qué tipo de decibelio estamos hablando, acompañando al dB[10]​[11]​.

• dB_SPL: Hace referencia al nivel de presión sonora. Es la medida que usamos al hablar de ganancia o atenuación de volumen.
• dBW: La W indica que el decibelio hace referencia a 1 vatio (1W). Así, a 1 W le corresponden 0 dBW.
• dBm: Cuando el valor expresado en vatios es muy pequeño, se usa el milivatio (mW). Así, a 1 mW le corresponden 0 dBm.
• dBu: El dBu expresa el nivel de señal en decibelios y referido a 0,7746 V. 0,7746 V es la tensión que aplicada a una impedancia de 600 Ω, disipa una potencia de 1 mW (es decir, ${\displaystyle {\sqrt {\frac {600}{1000}}}={\sqrt {\frac {3}{5}}}=0,774596669...V\,\!}$). Se emplea la referencia de una impedancia de 600 Ω por razones históricas.[12]​

Historia

El concepto de ganancia está estrechamente ligado al de atenuación y al de decibelio. Surgió en telefonía, cuando a principios de la década de 1920 se utilizaron amplificadores electrónicos de repetidor para compensar el debilitamiento de la señal en el cable. El amplificador se designa por la longitud en millas del cable cuyo efecto anula. En lenguaje telefónico, el amplificador debería dar una ganancia de aproximadamente 20 millas de cable estándar[13]​. La potencia suministrada por el amplificador proporciona una ganancia en el alcance de la transmisión. El decibelio, definido por la facilidad de cálculo más que por las características del cable, sustituyó en años posteriores al msc (milla de cable estándar), con casi el mismo valor.

Referencias

1. Graf, Rudolf F. (1999). Modern Dictionary of Electronics (7 edición). Newnes. p. 314. ISBN 0080511988. 
2. Basu, Dipak (2000). Dictionary of Pure and Applied Physics. CRC Press. p. 157. ISBN 1420050222. 
3. Bahl, Inder (2009). Fundamentals of RF and Microwave Transistor Amplifiers. John Wiley and Sons. p. 34. ISBN 0470462310. 
4. White, Glenn; Louie, Gary J (2005). The Audio Dictionary (3 edición). University of Washington Press. p. 18. ISBN 0295984988. 
5. «Ganancia (electrónica) - EcuRed». Consultado el 17 de noviembre de 2022. 
6. «What does GAIN mean?» (en inglés). Consultado el 29 de julio de 2021. 
7. Laster, Clay (1984). Relaciones de tensiones y corrientes en decibelios, en Guía del radioaficionado principiante. Marcombo. ISBN 84-267-0555-3.
8. Glisson, Tildon H. (2011). Introduction to Circuit Analysis and Design. Springer Science and Business Media. ISBN 978-9048194438. 
9. Patronis, Gene (1987). «Amplifiers». En Glen Ballou, ed. Handbook for Sound Engineers: The New Audio Cyclopedia. Howard W. Sams & Co. ISBN 978-0-672-21983-2. 
10. Crecraft, David; Gorham, David (2003). Electronics, 2nd Ed.. CRC Press. ISBN 978-0748770366. 
11. Agarwal, Anant; Lang, Jeffrey (2005). Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits. Morgan Kaufmann. ISBN 978-0080506814. 
12. Measuring audio
13. Bancroft Gherardi, Frank B. Jewett (March 1920). «Relés telefónicos». Annals of Posts, Telegraphs and Telephones. 

Véase también

• Atenuación
• Control automático de ganancia
• Potencia radiada aparente
• Transmitancia
• Amplificador electrónico

Enlaces externos

• diferencia entre ganancia y volumen

• Datos: Q854659