آمپلی فایر دستگاه یا مداری الکترونیکی است که برای افزایش بزرگی سیگنال وارد شده به آن استفاده می‌شود.
تقویت کننده اصطلاح کلی است که برای توصیف مداری استفاده می‌شود که نسخه افزایش یافته سیگنال ورودی آن را تولید می‌کند. با این حال، همه مدارهای تقویت کننده یکسان نیستند و بر اساس پیکربندی مدار و حالت عملکرد آنها طبقه بندی می‌شوند.
در «الکترونیک»، تقویت کننده‌های سیگنال کوچک دستگاه‌های رایجی هستند که توانایی تقویت سیگنال‌های ورودی نسبتا کوچک، به عنوان مثال از حسگری مانند یک دستگاه نوری، را دارند و از آن برای راه اندازی یک رله، لامپ یا بلندگو استفاده کنند.
اشکال مختلفی از مدارهای الکترونیکی وجود دارد که به عنوان تقویت کننده طبقه بندی می‌شوند، از تقویت کننده‌های عملیاتی و تقویت کننده‌های سیگنال کوچک گرفته تا تقویت کننده‌های سیگنال بزرگ و توان. طبقه بندی یک تقویت کننده بستگی به اندازه سیگنال، بزرگ یا کوچک، پیکربندی فیزیکی آن و نحوه پردازش سیگنال ورودی دارد، یعنی رابطه بین سیگنال ورودی و جریان عبوری از بار.
نوع یا طبقه بندی یک تقویت کننده در جدول زیر آورده شده است.
طبقه بندی تقویت کننده سیگنال
نوع سیگنال | نوع پیکربندی | طبقه بندی | فرکانس کاری |
سیگنال کوچک | امیتر مشترک | تقویت کننده کلاس A | جریان مستقیم (DC) |
سیگنال بزرگ | بیس مشترک | تقویت کننده کلاس B | فرکانس‌های صوتی (AF) |
کلکتور مشترک | تقویت کننده کلاس AB | فرکانس‌های رادیویی (RF) | |
| تقویت کننده کلاس C | فرکانس‌های VHF، UHF و SHF |
تقویت کننده‌ها را می‌توان یک جعبه یا بلوک ساده در نظر گرفت که شامل دستگاه تقویت کننده، مانند ترانزیستور دو قطبی، ترانزیستور اثر میدان یا تقویت کننده عملیاتی است، که دارای دو ترمینال ورودی و یک ترمینال خروجی (زمین مشترک) است و سیگنال خروجی آنها بسیار بزرگتر از سیگنال ورودی است، چراکه «تقویت» شده است.
آمپلی فایر سیگنال ایده‌آل دارای سه ویژگی اصلی است: مقاومت ورودی (یا Rin)، مقاومت خروجی (یا Rout) و البته تقویت، که معمولاً به نام بهره (یا A) شناخته می‌شود. مهم نیست که تقویت کننده چقدر پیچیده باشد، با این وجود می‌توان از یک مدل تقویت کننده عمومی برای نشان دادن رابطه این سه ویژگی استفاده کرد.
مدل تقویت کننده ایده‌آل
تفاوت تقویت شده بین سیگنال‌های ورودی و خروجی به عنوان بهره تقویت کننده شناخته می‌شود. بهره اساسا معیار اندازه گیری میزان «تقویت» سیگنال ورودی توسط یک تقویت کننده است. به عنوان مثال، اگر سیگنال ورودی 1V و خروجی 50V باشد، در این صورت بهره آمپلی فایر «50» خواهد بود. به عبارت دیگر، سیگنال ورودی با ضریب 50 افزایش یافته است. به این افزایش بهره گفته می‌شود.
بهره تقویت کننده به سادگی نسبت خروجی تقسیم بر ورودی است. بهره هیچ واحدی ندارد، چراکه یک نسبت است، اما در الکترونیک معمولا به آن نماد «A» (حرف اول Amplification) داده می‌شود. پس بهره تقویت کننده به سادگی به صورت «سیگنال خروجی تقسیم بر سیگنال ورودی» محاسبه می‌شود.
بهره تقویت کننده
مقدمه بهره تقویت کننده را می‌توان رابطه‌ای دانست که بین سیگنال اندازه گیری شده در خروجی با سیگنال اندازه گیری شده در ورودی وجود دارد. سه نوع مختلف بهره تقویت کننده وجود دارد که می‌تواند اندازه گیری شود: بهره ولتاژ (Av) ، بهره جریان (Ai) و بهره توان (Ap) که به کمیت اندازه گیری شده بستگی دارد. نمونه‌هایی از این انواع مختلف بهره در زیر آورده شده است.
بهره تقویت کننده سیگنال ورودی
بهره تقویت کننده ولتاژ
بهره تقویت کننده جریان
بهره تقویت کننده توان
توجه داشته باشید که برای بهره توان می‌توانید توان به دست آمده در خروجی را بر توان به دست آمده در ورودی تقسیم کنید. همچنین هنگام محاسبه بهره یک تقویت کننده، از اندیس‌های v، i و p برای نشان دادن نوع بهره سیگنال استفاده می‌شود.
بهره توان (Ap) یا سطح توان تقویت کننده را می‌توان با دسی بل (dB) نیز بیان کرد. بل (B) یک واحد اندازه گیری لگاریتمی (پایه 10) است که هیچ واحدی ندارد. از آنجا که بل یک واحد اندازه گیری بزرگ است، پیشوند دسی به آن اضافه می‌شود، به طوری که یک دسی بل یک دهم (1/10) بل است. برای محاسبه بهره تقویت کننده به دسی بل (یا dB)، می‌توانیم از عبارات زیر استفاده کنیم.
بهره ولتاژ به دسی بل
بهره جریان به دسی بل
بهره توان به دسی بل
توجه داشته باشید که بهره توان DC یک تقویت کننده، ده برابر لگاریتم نسبت خروجی به ورودی است، در حالیکه برای ولتاژ و جریان، بیست برابر است. با این حال توجه داشته باشید که به دلیل مقیاس لگاریتمی، 20dB دو برابر 10dB نیست.
همچنین، مقدار مثبت dB نشان دهنده تقویت و مقدار منفی dB نشان دهنده تضعیف در تقویت کننده است. به عنوان مثال، بهره +3dB نشان می‌دهد که سیگنال خروجی تقویت کننده «دو برابر» (×2) شده است، در حالی که بهره -3dB نشان می‌دهد که سیگنال «نصف» (×0.5)، یا به عبارت دیگر، تضعیف شده است.
به نقطه -3dB تقویت کننده، نقطه نیمه توان گفته می‌شود که 3dB از حداکثر کمتر است و 0dB به عنوان حداکثر مقدار خروجی در نظر گرفته می‌شود.
تقویت کننده، مثال 1
بهره ولتاژ، جریان و توان تقویت کننده‌ای را که دارای سیگنال ورودی 1mA در 10mV و سیگنال خروجی مربوطه 10mA در 1V است، تعیین کنید. همچنین، هر سه بهره را بر حسب دسی بل (dB) بیان کنید.
بهره‌های مختلف تقویت کننده:
بهره‌های تقویت کننده بر حسب دسی بل (dB):
پس تقویت کننده دارای بهره ولتاژ (Av) 100، بهره جریان (Ai) 10 و بهره توان (Ap) 1000 است.
به طور کلی، آمپلی فایر ها بسته به بهره توان یا ولتاژ خود، می‌توانند به دو نوع مجزا تقسیم شوند. یک نوع، تقویت کننده سیگنال کوچک نامیده می‌شود که شامل پیش تقویت کننده‌ها، تقویت کننده‌های ابزار دقیق و غیره است. تقویت کننده‌های سیگنال کوچک برای تقویت سطح ولتاژ سیگنال بسیار کوچک، در حد چند میکرو ولت (μV)، از حسگرها یا سیگنال‌های صوتی طراحی شده‌اند.
نوع دیگر، تقویت کننده سیگنال بزرگ نامیده می‌شود، مانند تقویت کننده‌های قدرت (توان) صوتی یا تقویت کننده‌های سوئیچینگ قدرت. تقویت کننده‌های سیگنال بزرگ برای تقویت سیگنال‌های ولتاژ ورودی بزرگ یا سوئیچ جریان‌های بار سنگین طراحی شده‌اند، مانند جریان‌های تحریک کننده بلندگو.
تقویت کننده‌های توان (یا قدرت)
از تقویت کننده سیگنال کوچک به عنوان تقویت کننده «ولتاژ» یاد می‌شود، زیرا معمولا ولتاژ ورودی کوچکی را به ولتاژ خروجی بسیار بزرگ‌تری تبدیل می‌کند. گاهی اوقات برای تحریک موتور یا تغذیه بلندگو به مدار تقویت کننده نیاز است و برای این نوع کاربردها که به جریان‌های سوئیچینگ بالا نیاز دارند، از تقویت کننده‌های توان استفاده می‌شود.
همانطور که از نام آن پیدا است، وظیفه اصلی «تقویت کننده توان» (که به عنوان تقویت کننده سیگنال بزرگ نیز شناخته می‌شود)، انتقال توان به بار است و همانطور که از بالا می‌دانیم، توان حاصل ضرب ولتاژ و جریان اعمال شده به بار می‌باشد. توان سیگنال خروجی، بزرگتر از توان سیگنال ورودی است. به عبارت دیگر، یک تقویت کننده قدرت، توان سیگنال ورودی را تقویت می‌کند، به همین دلیل از این نوع مدارهای تقویت کننده در مراحل خروجی تقویت کننده صدا برای تحریک بلندگوها استفاده می‌شود.
تقویت کننده توان بر اساس اصل اولیه تبدیل توان DC حاصل از منبع تغذیه به سیگنال ولتاژ AC تحویل شده به بار کار می‌کند. اگرچه تقویت زیاد است، اما بازده (یا راندمان) تبدیل از منبع تغذیه DC ورودی به خروجی سیگنال ولتاژ AC معمولا ضعیف است.
تقویت کننده عالی یا ایده‌آل به ما بازده 100% می‌دهد، یا حداقل توان «ورودی» برابر با «خروجی» است. با این حال در واقعیت، این هرگز نمی‌تواند اتفاق بیافتد، زیرا مقداری از انرژی به صورت گرما از بین می‌رود و همچنین، تقویت کننده در طول فرایند تقویت، توان مصرف می‌کند. پس بازده (η) تقویت کننده به این صورت است:
بازده تقویت کننده
تقویت کننده ایده‌آل
می‌توانیم ویژگی‌های یک تقویت کننده ایده‌آل را با توجه به مباحث بالا در مورد بهره آن، یعنی بهره ولتاژ، مشخص کنیم:
- بهره تقویت کننده (A) به ازای مقادیر مختلف سیگنال ورودی، باید ثابت بماند.
- بهره تحت تاثیر فرکانس نیست. سیگنال‌ها در همه فرکانس‌ها باید دقیقا به همان مقدار تقویت شوند.
- بهره تقویت کننده نباید به سیگنال خروجی نویز اضافه کند. بلکه باید نویزهایی را که از قبل در سیگنال ورودی وجود دارد، حذف کند.
- بهره تقویت کننده نباید تحت تاثیر تغییرات دما قرار گیرد و باید ثبات دمایی خوبی ایجاد کند.
- بهره تقویت کننده باید در مدت زمان طولانی ثابت بماند.
کلاسهای تقویت کننده الکترونیکی
طبقه بندی یک تقویت کننده به عنوان تقویت کننده ولتاژ یا توان، با مقایسه مشخصات سیگنال‌های ورودی و خروجی، با اندازه گیری مدت زمان نسبت به سیگنال ورودی که جریان در مدار خروجی جاری است، انجام می‌شود.
در آموزش ترانزیستور امیتر مشترک مشاهده کردیم که برای عملکرد ترانزیستور در «ناحیه فعال» نوعی «بایاس بیس» مورد نیاز است. این ولتاژ کوچک بایاس بیس، که به سیگنال ورودی اضافه می‌شود، ترانزیستور را قادر می‌سازد تا شکل موج کامل ورودی را در خروجی خود، بدون اتلاف سیگنال، تولید کند.
با این حال، با تغییر موقعیت این ولتاژ بایاس بیس، می‌توان از یک تقویت کننده در یک حالت تقویت غیر از حالت بازتولید کامل شکل موج، استفاده کرد. با اضافه کردن ولتاژ بایاس بیس به تقویت کننده، می‌توان دامنه‌ها و حالت‌های مختلف عملکردی را به دست آورد که براساس طبقه بندی آنها دسته بندی می‌شود. این حالت‌های مختلف عملکرد بیشتر با نام کلاسهای تقویت کننده شناخته می‌شوند.
تقویت کننده‌های توان صوتی با توجه به پیکربندی مدار و نحوه عملکرد، به ترتیب حروف الفبا طبقه بندی می‌شوند. تقویت کننده ها توسط کلاسهای مختلف عملیاتی مانند کلاس “A” ، کلاس “B” ، کلاس “C” ، کلاس “AB” و غیره تعیین می شوند. تقویت کننده‌ها بر اساس کلاسهای مختلف عملیاتی، مانند کلاس «A»، کلاس «B»، کلاس «C»، کلاس «AB» و غیره معین می‌شوند. این کلاسهای مختلف تقویت کننده از یک خروجی تقریبا خطی اما با بازده کم، تا یک خروجی غیر خطی اما با بازده بالا متغیر هستند.
هیچ یک از کلاسهای عملکرد «بهتر» یا «بدتر» از دیگری نیستند و نوع عملکرد توسط کاربرد مدار تقویت کننده تعیین می‌شود. یک بازده تبدیل حداکثر معمول برای انواع یا کلاسهای مختلف تقویت کننده وجود دارد که رایج‌ترین آنها در زیر آمده است:
- تقویت کننده کلاس A – دارای بازده پایین، کمتر از 40%، اما بازتولید سیگنال و حالت خطی خوب است.
- تقویت کننده کلاس B – دو برابر تقویت کننده کلاس A کارآمد بوده و حداکثر بازده نظری آن حدود 70% است، زیرا دستگاه تقویت کننده تنها نیمی از سیگنال ورودی را هدایت می‌کند (و تنها نیمی از توان آن را مصرف می‌کند).
- تقویت کننده کلاس AB – بازده نامی آن بین کلاس A و کلاس B است اما بازتولید آن سیگنال ضعیف‌تر از تقویت کننده‌های کلاس A است.
- تقویت کننده کلاس C – کارآمدترین کلاس تقویت کننده است، اما اعوجاج بسیار زیادی دارد، زیرا تنها بخش کوچکی از سیگنال ورودی تقویت می‌شود، در نتیجه سیگنال خروجی شباهت بسیار کمی به سیگنال ورودی دارد. تقویت کننده‌های کلاس C بدترین بازتولید سیگنال را دارند.
عملکرد تقویت کننده کلاس A
عملکرد تقویت کننده کلاس A جایی است که کل شکل موج سیگنال ورودی صادقانه در ترمینال خروجی تقویت کننده بازتولید می‌شود، زیرا ترانزیستور کاملا در ناحیه فعال خود بایاس شده است. این بدان معنی است که ترانزیستور سوئیچینگ هرگز به مناطق قطع یا اشباع خود منتقل نمی‌شود. نتیجه این است که سیگنال ورودی AC، همانطور که نشان داده شده، کاملا «در مرکز» حدود بالا و پایین سیگنال تقویت کننده قرار دارد.
شکل موج خروجی تقویت کننده کلاس A
در پیکربندی تقویت کننده کلاس A از یک ترانزیستور سوئیچینگ برای هر دو نیمه شکل موج خروجی استفاده می‌شود و به دلیل آرایش بایاس مرکزی آن، ترانزیستور خروجی همواره یک جریان ثابت بایاس DC (ICQ) دارد که از آن عبور می‌کند، حتی اگر هیچ سیگنال ورودی وجود نداشته باشد. به عبارت دیگر، ترانزیستور خروجی هرگز «خاموش» نمی‌شود و در حالت بی باری دائم قرار دارد.
در نتیجه آن، نوع کلاس A تا حدی ناکارآمد است، زیرا تبدیل منبع تغذیه DC آن به سیگنال توان AC تحویل داده شده به بار بسیار کم است.
به دلیل این نقطه بایاس متمرکز، ترانزیستور خروجی یک تقویت کننده کلاس A می‌تواند بسیار گرم شود، حتی در صورت عدم وجود سیگنال ورودی، بنابراین نوعی هیت سینک مورد نیاز است. جریان بایاس DC که از کلکتور ترانزیستور عبور می‌کند (ICQ) برابر با جریان عبوری از بار کلکتور است. بنابراین یک تقویت کننده کلاس A بسیار ناکارآمد است، زیرا بیشتر این توان DC به گرما تبدیل می‌شود.
عملکرد تقویت کننده کلاس B
برخلاف حالت عملکرد تقویت کننده کلاس A که از یک ترانزیستور واحد برای مرحله توان خروجی خود استفاده می‌کند، تقویت کننده کلاس B از دو ترانزیستور مکمل (npn و pnp یا NMOS و PMOS) برای تقویت هر نیمه از شکل موج خروجی استفاده می‌کند.
یک ترانزیستور تنها نیمی از شکل موج سیگنال را هدایت می‌کند، در حالی که دیگری نیمه دیگر را هدایت می‌کند. این بدان معنی است که هر ترانزیستور نیمی از وقت خود را در ناحیه فعال و نیمی از زمان خود را در ناحیه قطع می‌گذراند و در نتیجه تنها 50% از سیگنال ورودی را تقویت می‌کند.
عملکرد کلاس B برخلاف تقویت کننده کلاس A، فاقد ولتاژ بایاس DC مستقیم است، در عوض ترانزیستور تنها هنگامی هدایت می‌کند که سیگنال ورودی از ولتاژ بیس-امیتر (VBE) بزرگتر باشد و برای ترانزیستورهای سیلیکونی، این تقریبا 0.7V است. بنابراین با سیگنال ورودی صفر، خروجی صفر است. از آنجا که تنها نیمی از سیگنال ورودی در خروجی تقویت کننده‌ها ارائه می‌شود، بازده تقویت کننده نسبت به پیکربندی کلاس A بهبود می‌یابد.
شکل موج خروجی تقویت کننده کلاس B
در تقویت کننده کلاس B، از ولتاژ DC برای بایاس ترانزیستورها استفاده نمی‌شود. بنابراین برای اینکه ترانزیستورهای خروجی شروع به هدایت هر نیمه از شکل موج کنند (مثبت و منفی)، نیاز دارند که ولتاژ بیس-امیتر (VBE) بیشتر از افت ولتاژ 0.7V مستقیم باشد که برای شروع هدایت ترانزیستور دو قطبی استاندارد لازم است.
بنابراین بخش پایینی شکل موج خروجی که کمتر از 0.7V است، به طور دقیق بازتولید نمی‌شود. این منجر به ایجاد یک ناحیه اعوجاج در شکل موج خروجی می‌شود، زیرا یک ترانزیستور «خاموش» شده و منتظر می‌ماند تا هنگامی که VBE>0.7V، دیگری «روشن» شود. نتیجه این است که بخش کوچکی از شکل موج خروجی در محل عبور از ولتاژ صفر، اعوجاج خواهد داشت. به این نوع اعوجاج، اعوجاج عبوری گفته می‌شود و بعدا در این بخش بررسی آن را بررسی خواهیم کرد.
عملکرد تقویت کننده کلاس AB
تقویت کننده کلاس AB سازش بین پیکربندی‌های کلاس A و کلاس B است. در حالی که عملکرد کلاس AB همچنان از دو ترانزیستور مکمل در مرحله خروجی خود استفاده می‌کند، ولتاژ بایاس بسیار کوچکی به بیس هر ترانزیستور اعمال می‌شود تا در صورت عدم وجود سیگنال ورودی، آنها را نزدیک به ناحیه قطع خود قرار دهد.
یک سیگنال ورودی باعث می‌شود که ترانزیستور در ناحیه فعال خود به صورت عادی کار کند و هرگونه اعوجاج عبوری را که همواره در پیکربندی کلاس B وجود دارد، از بین می‌برد. در صورت عدم وجود سیگنال ورودی، جریان کلکتور بایاس کوچکی (ICQ) از ترانزیستور عبور می‌کند، اما به طور کلی نسبت به پیکربندی تقویت کننده کلاس A بسیار کمتر است.
بنابراین هر ترانزیستور مدت کمی بیشتر از نیم سیکل شکل موج ورودی، آن را هدایت می‌کند («روشن» است). بایاس کوچک پیکربندی تقویت کننده کلاس AB، در مقایسه با پیکربندی کلاس A خالص، هم بازده و هم حالت خطی مدار تقویت کننده را بهبود می‌بخشد.
شکل موج خروجی تقویت کننده کلاس AB
هنگام طراحی مدارهای تقویت کننده، کلاس عملکرد آن بسیار مهم است، زیرا مقدار بایاس ترانزیستور مورد نیاز برای عملکرد آن و همچنین حداکثر دامنه سیگنال ورودی را تعیین می‌کند.
طبقه بندی تقویت کننده، بخشی از سیگنال ورودی را که ترانزیستور خروجی در آن هدایت می‌کند و همچنین بازده و مقدار توانی که ترانزیستور سوئیچینگ هم مصرف می‌کند و هم به صورت گرمای هدر رفته از بین می‌برد، در نظر می‌گیرد. در جدول زیر مقایسه‌ای بین متداول ترین انواع طبقه بندی آمپلی فایر ها آمده است.
کلاس های تقویت کننده توان
کلاس | A | B | C | AB |
زاویه هدایت | 360° | 180° | کمتر از 90° | 180° تا 360° |
موقعیت نقطه Q | نقطه مرکزی خط بار | دقیقاً روی محور x | پایین‌تر از محور x | بین محور x و خط بار مرکزی |
بازده کلی | ضعیف 25% تا 30% | بهتر 70% تا 80% | بیشتر از 80% | بهتر از A اما کمتر از B 50% تا 70% |
اعوجاج سیگنال | اگر به درستی بایاس شده باشد، وجود ندارد | در محل عبور از محور x | زیاد | کم |
تقویت کننده‌هایی که بد طراحی شده‌اند، به خصوص انواع کلاس «A»، ممکن است به ترانزیستورهای قدرت بزرگتر، هیت سینک‌های گران‌تر، فن‌های خنک کننده یا حتی افزایش اندازه منبع تغذیه مورد نیاز برای تامین توان تلف شده اضافی تقویت کننده، نیاز داشته باشند. برق تبدیل شده به گرما توسط ترانزیستورها، مقاومت ها یا هر قطعه دیگری، هر مدار الکترونیکی را ناکارآمد کرده و منجر به خرابی زودرس دستگاه می‌شود.
پس چرا باید از تقویت کننده کلاس A، که بازده آن کمتر از 40% است، استفاده کرد، در حالی که تقویت کننده کلاس B دارای بازده بالاتر از 70% است؟ اساسا، یک تقویت کننده کلاس A خروجی بسیار خطی‌تری دارد، یعنی با این که مقادیر توان DC زیادی مصرف می‌کند، دارای حالت خطی نسبت به پاسخ فرکانسی بزرگ‌تری است.
در این معرفی آمپلی فایر، مشاهده کردیم که انواع مختلفی از مدارهای تقویت کننده با مزایا و معایب خاص خود وجود دارند. در آموزش بعدی در مورد تقویت کننده‌ها، رایج‌ترین نوع مدار تقویت کننده ترانزیستوری، تقویت کننده امیتر مشترک را بررسی خواهیم کرد. بیشتر تقویت کننده‌های ترانزیستوری، به دلیل بهره زیاد ولتاژ، جریان و توان و همچنین مشخصه‌های ورودی و خروجی عالی، از نوع مدار امیتر مشترک (یا CE) هستند.
