اعوجاج تقویت کننده می‌تواند اشکال مختلفی مانند دامنه، فرکانس و اعوجاج فاز در اثر برش داشته باشد.
برای این که یک تقویت کننده سیگنال به درستی و بدون هیچگونه اعوجاج در سیگنال خروجی کار کند، به نوعی بایاس DC در ترمینال بیس یا گیت خود نیاز دارد. بایاس DC لازم است تا تقویت کننده بتواند سیگنال ورودی را در کل سیکل خود تقویت کند؛ برای این کار، بایاس «نقطه Q» باید طوری تنظیم شود که تا حد ممکن به نقطه وسط خط بار نزدیک باشد.
تنظیم بایاس نقطه Q به ما یک پیکربندی تقویت از نوع «کلاس A» به ما می‌دهد که متداول‌ترین آرایش آن، «امیتر مشترک» برای ترانزیستورهای دو قطبی یا «سورس مشترک» برای ترانزیستورهای تک قطبی FET است.
بهره توان، ولتاژ یا جریان (تقویت) که توسط تقویت کننده ارائه می‌شود، نسبت مقدار پیک خروجی به مقدار پیک ورودی است (خروجی ÷ ورودی).
با این حال، اگر مدار تقویت کننده را اشتباه طراحی کنیم و بایاس نقطه Q را در موقعیت اشتباه روی خط بار تنظیم کنیم یا یک سیگنال ورودی بیش از حد بزرگ به تقویت کننده اعمال کنیم، ممکن است سیگنال خروجی حاصل، بازتولید دقیق شکل موج سیگنال ورودی اصلی نباشد. به عبارت دیگر، این مدار از اعوجاج تقویت کننده رنج خواهد برد. مدار تقویت کننده امیتر مشترک زیر را در نظر بگیرید.
تقویت کننده امیتر مشترک
اعوجاج شکل موج سیگنال خروجی ممکن است به دلایل زیر رخ دهد:
× به دلیل سطح بایاس نادرست، ممکن است تقویت در کل چرخه سیگنال انجام نشود.
×× ممکن است سیگنال ورودی خیلی بزرگ باشد و باعث شود ترانزیستورهای تقویت کننده توسط ولتاژ تغذیه محدود شوند.
××× تقویت ممکن است یک سیگنال خطی در کل دامنه فرکانس ورودی نباشد.
این یعنی در طی فرایند تقویت شکل موج سیگنال، نوعی اعوجاج تقویت کننده رخ داده است.
تقویت کننده‌ها اساسا برای تقویت سیگنالهای ورودی ولتاژ کوچک به سیگنالهای خروجی بسیار بزرگ‌تر طراحی شده‌اند و این بدان معنی است که سیگنال خروجی دائما با فاکتور یا مقداری به نام بهره، که در سیگنال ورودی برای همه فرکانس‌های ورودی ضرب می‌شود، تغییر می‌کند. قبلا دیدیم که به این فاکتور ضرب، مقدار بتای (β) ترانزیستور گفته می‌شود.
مدارهای ترانزیستوری امیتر مشترک یا حتی سورس مشترک برای سیگنالهای ورودی کوچک AC خوب عمل می‌کنند اما از یک نقطه ضعف بزرگ رنج می‌برند، موقعیت محاسبه شده بایاس نقطه Q یک تقویت کننده دو قطبی برای همه ترانزیستورها به مقدار بتا بستگی دارد. با این حال، این مقدار بتا برای ترانزیستورهای هم نوع متفاوت است، به عبارت دیگر، به دلیل تلورانس‌های ذاتی تولید، نقطه Q برای یک ترانزیستور لزوما با نقطه Q برای ترانزیستور دیگر از همان نوع یکسان نخواهد بود.
پس اعوجاج تقویت کننده رخ می‌دهد، زیرا تقویت کننده خطی نیست و نوعی اعوجاج تقویت کننده به نام اعوجاج دامنه به وجود می‌آید. دقت در انتخاب ترانزیستور و اجزای بایاس می‌تواند در به حداقل رساندن اثر اعوجاج تقویت کننده کمک کند.
اعوجاج دامنه
اعوجاج دامنه زمانی اتفاق می‌افتد که مقادیر پیک شکل موج فرکانس تضعیف شده و باعث ایجاد اعوجاج به دلیل تغییر موقعیت نقطه Q می‌شود و ممکن است در کل چرخه سیگنال تقویت صورت نگیرد. این غیر خطی بودن شکل موج خروجی در شکل زیر نشان داده شده است.
اعوجاج دامنه به دلیل بایاس نادرست
اگر نقطه بایاس ترانزیستورها درست باشد، شکل موج خروجی باید همان شکل موج ورودی اما بزرگ‌تر (تقویت شده) باشد. اگر بایاس کافی وجود نداشته باشد و نقطه Q در نیمه پایینی خط بار قرار داشته باشد، شکل موج خروجی مانند شکل سمت راست خواهد بود که در آن نیم سیکل منفی شکل موج «قطع شده» یا برش خورده است. به همین ترتیب، اگر بایاس بیش از حد باشد و نقطه Q در نیمه بالایی خط بار قرار داشته باشد، شکل موج خروجی مانند شکل سمت چپ خواهد بود که در آن نیم سیکل مثبت شکل موج «قطع شده» یا برش خورده است.
همچنین، وقتی ولتاژ بایاس خیلی کم تنظیم شود، در طول نیم سیکل منفی، ترانزیستور به طور کامل هدایت نمی‌کند، بنابراین خروجی توسط ولتاژ تغذیه تنظیم می‌شود. وقتی بایاس خیلی زیاد باشد، نیم سیکل مثبت ترانزیستور را اشباع می‌کند و خروجی تقریبا به صفر می‌رسد.
حتی با تنظیم صحیح سطح ولتاژ بایاس، بازهم ممکن است به دلیل تقویت شدن سیگنال ورودی بزرگ توسط بهره مدار، شکل موج خروجی اعوجاج پیدا کند. سیگنال ولتاژ خروجی در هر دو قسمت مثبت و منفی شکل موج، برش می‌خورد و دیگر به موج سینوسی شباهت ندارد، حتی اگر بایاس درست باشد. به این نوع اعوجاج دامنه، برش گفته می‌شود و نتیجه «اوردرایو (بیش رانش)» ورودی تقویت کننده است.
هنگامی که دامنه ورودی بیش از حد بزرگ شود، برش قابل ملاحظه می‌شود و سیگنال شکل موج خروجی را مجبور می‌کند تا از ریل‌های ولتاژ تغذیه فراتر رود و حداکثر (نیمه +ve) و حداقل (نیمه -ve) سیگنال شکل موج خروجی مسطح یا «بریده» شود. برای جلوگیری از این، حداکثر مقدار سیگنال ورودی را باید به سطحی محدود کنیم که مانع از این اثر برش شود.
اعوجاج دامنه به دلیل برش
اعوجاج دامنه کارایی مدار تقویت کننده را به شدت کاهش می‌دهد. این «قله‌های مسطح» شکل موج خروجی اعوجاج یافته، به دلیل بایاس نادرست یا اوردرایو ورودی، هیچ چیزی به قدرت سیگنال خروجی در فرکانس مورد نظر اضافه نمی‌کند.
با این وجود، برخی از گروه‌های موزیک راک و گیتاریست‌ها در واقع ترجیح می‌دهند که صدای متمایز آنها با برش زیاد شکل موج خروجی به هر دو ریل تغذیه (+ve و -ve) بسیار اعوجاج یافته یا «بیش رانده» باشد. همچنین، افزایش مقادیر برش در شکل موج سینوسی آنقدر باعث ایجاد اعوجاج تقویت کننده می‌شود که در نهایت شکل موج خروجی شبیه شکل «موج مربعی» خواهد بود و می‌تواند در مدارهای ترکیب کننده الکترونیکی یا دیجیتال استفاده شود.
دیدیم که با یک سیگنال DC، سطح بهره تقویت کننده می‌تواند نسبت به دامنه سیگنال متغیر باشد، اما علاوه بر اعوجاج دامنه، انواع دیگری از اعوجاج تقویت کننده می‌تواند با سیگنالهای AC در مدارهای تقویت کننده رخ دهد، مانند اعوجاج فرکانس و اعوجاج فاز.
اعوجاج فرکانس
اعوجاج فرکانس نوع دیگری از اعوجاج تقویت کننده است که در یک تقویت کننده ترانزیستوری، هنگامی رخ می‌دهد که سطح تقویت با فرکانس متغیر باشد. بسیاری از سیگنالهای ورودی که یک تقویت کننده عملی تقویت می‌کند، از شکل موج سیگنال مورد نیاز به نام «فرکانس پایه» تشکیل شده است، به علاوه تعدادی فرکانس مختلف به نام «هارمونیک» که بر روی آن سوار شده‌اند.
به طور معمول، دامنه این هارمونیک‌ها کسری از دامنه پایه هستند و بنابراین تاثیر بسیار کمی روی شکل موج خروجی دارند و یا هیچ تاثیری ندارند. با این حال، اگر دامنه این فرکانس‌های هارمونیک نسبت به فرکانس پایه افزایش یابد، شکل موج خروجی می‌تواند اعوجاج یابد. به عنوان مثال، شکل موج زیر را در نظر بگیرید:
اعوجاج فرکانس به دلیل هارمونیک‌ها
در مثال بالا، شکل موج ورودی شامل یک فرکانس پایه به علاوه یک سیگنال هارمونیک دوم است. شکل موج خروجی حاصل در سمت راست نشان داده شده است. اعوجاج فرکانس زمانی اتفاق می‌افتد که فرکانس پایه با هارمونیک دوم ترکیب شده و سیگنال خروجی را مخدوش کند. هارمونیک‌ها مضربی از فرکانس پایه هستند و در مثال ساده ما از هارمونیک دوم استفاده شده است.
بنابراین، فرکانس هارمونیک دوم، دو برابر فرکانس پایه است (2f). به همین ترتیب، هارمونیک سوم 3f، چهارم 4f و… خواهد بود. اعوجاج فرکانس به دلیل هارمونیک‌ها همواره در مدارهای تقویت کننده حاوی عناصر راکتیو مانند خازن یا سلف، امکان پذیر است.
اعوجاج فاز
اعوجاج فاز یا اعوجاج تاخیر نوعی اعوجاج تقویت کننده است که در یک تقویت کننده ترانزیستوری غیر خطی، هنگامی که بین سیگنال ورودی و نمایان شدن آن در خروجی تاخیر زمانی وجود دارد، رخ می‌دهد.
اگر بگوییم که اختلاف فاز بین ورودی و خروجی در فرکانس پایه صفر است، تاخیر زاویه فاز حاصل، تفاوت بین هارمونیک و پایه خواهد بود. این تاخیر زمانی به ساخت تقویت کننده بستگی دارد و با فرکانس داخل پهنای باند تقویت کننده به تدریج افزایش می‌یابد. به عنوان مثال، شکل موج زیر را در نظر بگیرید:
اعوجاج فاز به دلیل تاخیر
به غیر از تقویت کننده‌های پیشرفته صوتی، بیشتر تقویت کننده‌های کاربردی نوعی اعوجاج تقویت کننده را دارند که ترکیبی از «اعوجاج فرکانس» و «اعوجاج فاز»، همراه با اعوجاج دامنه است. به طور کلی، در بیشتر کاربردها مانند تقویت کننده‌های صوتی یا تقویت کننده‌های توان، اعوجاج بر عملکرد یا صدای خروجی تقویت کننده تاثیری نخواهد داشت، مگر این که اعوجاج تقویت کننده زیاد یا شدید باشد.
در آموزش بعدی در مورد تقویت کننده‌ها، تقویت کننده کلاس A را بررسی خواهیم کرد. تقویت کننده‌های کلاس A متداول‌ترین نوع مرحله خروجی تقویت کننده و برای استفاده در تقویت کننده‌های توان صوتی ایده‌آل هستند.
