تقویت کننده یا آمپلی فایر یک قطعه یا مدار الکترونیکی است که برای افزایش مقدار دامنه سیگنال ورودی کاربرد دارد. تقویت کننده اصطلاح عمومی است که برای توصیف مدار یا قطعه الکترونیکی استفاده میشود که سیگنال در طبقه ورودی خود را عینا و با افزایش دامنه در خروجی پدیدار میکند. با این حال تمام مدارات تقویت کننده یکسان نیستند و با توجه به آرایش مدار و نحوه کاردکردشان تقسیم بندی میشوند.

تقویت کننده یا آمپلی فایر

در الکترونیک، تقویت کننده های سیگنال کوچک معمولا به مداراتی گفته میشوند که توانایی تقویت سیگنال ورودی نسبتا کوچکی را دارند، به عنوان مثال در سنسورها اغلب سیگنال خروجی سنسور بسیار کوچک است که با کمک تقویت کننده ها دامنه سیگنال را تقویت کرده به طوری که در مواردی امکان کنترل قطعات پر مصرف مانند رله را نیز دارند.

انواع بسیاری از مدارات تقویت کننده وجود دارد از تقویت کننده های عملیاتی گرفته تا تقویت کننده سیگنال کوچک تا سیگنال بزرگ و تقویت کننده توان. طبقه بندی تقویت کننده بر اساس سیگنال ورودی (کوچک یا بزرگ بودن)، آرایش مداری و نحوه پردازش سیگنال که شامل رابطه بین سیگنال ورودی و جریان جاری در بار می باشد انجام میگیرد. انواع طبقه بندی تقویت کننده ها در جدول زیر آورده شده است.

آمپلی فایر را میتوان به صورت یک جعبه با بلوک ساده در نظر گرفت که شامل عناصر مداری مانند ترانزیستور دوقطبی، ترانزیستور اثر میدانی یا تقویت کننده عملیاتی که دارای دو ورودی و دو خروجی (در خروجی میتواند پایه زمین با ورودی مشترک باشد) می باشد ولی در نهایت سیگنال خروجی از سیگنال ورودی بیشتر خواهد بود. به این معنی که سیگنال ورودی تقویت شده و در خروجی ظاهر میگردد.

یک تفویت کننده سیگنال ایده آل دارای سه ویژگی اصلی است: مقاومت ورودی (Rin) ، مقاومت خروجی (Rout) و تقویت کنندگی که معمولا به عنوان بهره یا GAIN عنوان میشود با (A) نمایش داده میشود. مهم نیست مدار یک تقویت کننده چقدر پیچیده باشد، یک تقویت کننده عمومی نیز هم میتواند برای نشان دادن رابطه این سه ویژگی استفاده شود.

مدل ایده آل امپلی فایر

میزان تقویت بین خروجی و ورودی سیگنال به صورت بهره یا گین شناخته میشود. بهره اساسا معیاری برای میزان تقویت سیگنال ورودی می باشد. به عنوان مثال، اگر سیگنال ورودی ۱ ولت باشد و خروجی ۵۰ ولت تقویت شده باشد، بهره ۵۰ خواهد بود. به عبارت دیگر سیگنال ورودی با ضریب ۵۰ افزایش می یابد این میزان افزایش را گین یا بهره می نامند.

بهره امپلی فایر به سادگی نسبت خروجی به ورودی است از این رو هیچ واحدی ندارد اما در الکترونیک معمولا نماد “A” را برای تقویت کنندگی در نظر گرفته میشود. بنابراین بهره به سادگی از حاصل تقسیم دامنه سیگنال خروجی به دامنه سیگنال ورودی محاسبه میشود.

بهره تقویت کننده

برای توصیف بهره تقویت کننده می توان به این صورت در نظر گرفت که با توجه به نوع سیگنال در ورودی و خروجی سه نوع تقویت خواهیم داشت. سه نوع تقویت که قابل اندازه گیری است به این صورت خواهد بود : بهره ولتاژ (Av)، بهره جریان (Ai) و بهره توان (Ap) که با توجه به معیار در نظر گرفته شده در توصیف سیگنال قابل اندازه گیری است. روابط هر یک از این انواع در زیر اورده شده است.

بهره تقویت کننده سیگنال ورودی

[pmath] Voltagte Gain(A_v )=(Output Voltage)/(Input Voltage)=(V out )/(V in) [/pmath]

بهره تقویت کننده ولتاژ

[pmath] Current Gain(A_v )=(Output Current)/(Input Current)=(I out)/(I in ) [/pmath]

بهره تقویت کننده جریان

[pmath] Power Gain (Ap)= A_v * A_i [/pmath]

توجه داشته باشید که بهره توان با محاسبه توان موجود در ورودی و توان حاصل از تقویت کنندگی در خروجی محاسبه میشود. همچنین برای محاسبه بهره یک تقویت کننده با توجه به جریان، ولتاژ و توان برای نشان دادن نوع تقویت کنندگی مورد استفاده قرار میگیرد.

بهره توان (Ap) یا سطح توان تقویت کننده می تواند به صورت دسی بل (Decibel) که با (dB) نمایش داده میشود بیان شود. بل یا Bel یک معیار لگاریتمی (پایه ۱۰) است که هیچ واحدی ندارد. از آنجا که بل یک واحد اندازه گیری نسبتا بزرگی است از دسی بل که ۰٫۱ بل می باشد استفاده میکنند. برای محاسبه بهره یک تقویت کننده با دسی بل از روابط زیر استفاده میشود.

بهره ولتاژ dB: av = 20 * log (Av)

بهره جریان dB: ai = 20 * log (Ai)

    بهره توان  dB: log = 10 * log (Ap)

توجه داشته باشید که در دسی بل بهره توان DC یک امپلی فایر ده برابر لگاریتم در مبنای ده بهره تقویت کننده است. این در حالی است که بهره ولتاژ و جریان ۲۰ برابر بهره ولتاژ و جریان است. همچنین مقدار مثبت دسی بل معرف بهره و مقدار منفی دسی بل معرف تلفات است. به عنوان مثال در یک آمپلی فایر اگر بهره ۳+ دسی بل باشد این به این معنی است که سیگنال خروجی دو برابر تقویت شده است، در حالی که اگر بهره ۳- دسی بل باشد نشان دهنده سیگنال خروجی نسبت به ورودی نصف شده است یا به عبارت دیگر دچار تلفات شده است.

مثال اول از تقویت کننده

یک تقویت کننده را در نظر بگیرید که در ورودی ان سیگنالی با ۱۰ میلی ولت و ۱ میلی امپر اعمال شده است و در خروجی نیز شاهد سیگنال تقویت شده تا ۱ ولت و ۱۰ میلی امپر باشیم. به صورت زیر بهره ولتاژ و جریان و توان این تقویت کننده در دو حالت معمولی و به صورت دسی بل به صورت زیر محاسبه میشود.

[pmath]Av=(Output Voltage)/(Input Voltage)=(1 )/0.01=100[/pmath]

[pmath]Ai=(Output Current)/(Input Current)=(10 )/1=10[/pmath]

[pmath]Power Gain (Ap)= A_v *A_i=10*100=1000[/pmath]

به همین ترتیب به صورت دسی بل خواهیم داشت:

به طور کلی، بسته به بهره توان و بهره ولتاژ، تقویت کننده ها به دو نوع کلی تقسیم بندی میشوند. نوع اول تقویت کننده های سیگنال کوچک نامیده میشوند که به منظور تقویت سطوح ولتاژی بسیار کوچک حتی در حدود چند میکرو ولت (uV) مانند خروجی سنسورها و سیگنالهای صوتی استفاده می شود.

نوع دیگر به تقویت کننده های سیگنال بزرگ معروف هستند که برای تقویت ولتاژ ورودی بسیار بزرگ مانند آمپلی فایرهای توان بالای صوتی یا منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده میشود. امپلی فایر های سیگنال بزرگ را میتوان در بلندگوهای خودرو ها مشاهده کرد.

امپلی فایر قدرت

تقویت کننده سیگنال کوچک معمولا به عنوان تقویت کننده ولتاژ شناخته میشود زیرا انها یک ولتاژ ورودی کوچک را به یک ولتاژ خروجی بزرگتری تبدل میکنند. گاهی اوقات مدار تقویت کننده در راه اندازی موتور یا تغذیه بلندگوها کاربرد دارند که در این موارد جریان بالای کلیدزنی نیاز به تقویت کننده های توان دارند.

همانطور که از نام این نوع پیدا است، کار اصلی آمپلی فایر های توان (همچنین به عنوان تقویت کننده سیگنال بزرگ نیز شناخته میشوند) تامین توان مصرف کننده است و همانطور که قبلا اشاره شد ولتاژ و جریان اعمال شده در مصرف کننده حاصل تقویت کردن سیگنال (ولتاژ و جریان) در ورودی است. به عبارت دیگر تقویت کننده توان باعث افزایش قدرت سیگنال ورودی می شود به همین دلیل از این نوع تقویت کننده ها در طبقات خروجی لوازم صوتی به کار گرفته در خودرو استفاده میشود.

تقویت کننده توان بر اساس اصل تبدیل توان DC که از منبع تغذیه تامین میشود به سیگنال AC برای اعمال در ورودی و تحویل به بار کار میکند. اگر چه میزان تقویت کننده بالا است ولی بازده تبدیل توان منبع DC به ولتاژ AC معمولا مقدار کمی است. تقویت کننده ایده آل ممکن است دارای بازده ۱۰۰ درصد باشد یعنی تمام توان سیگنال ورودی در خروجی ظاهر شود.

با این حال در واقعیت این اتفاق هرگز رخ نخواهد داد زیرا مقداری از نیرو به صورت گرما در مدار تلف خواهد شد و همچنین تقویت کننده خود هم برای انجام فرایند تقویت به توان نیاز دارد. بنابراین بهره وری یا بازدهی یک تقویت کننده به صورت زیر محاسبه میشود.

تقویت کننده توان بر اساس اصل تبدیل توان DC که از منبع تغذیه تامین میشود به سیگنال AC برای اعمال در ورودی و تحویل به بار کار میکند. اگر چه میزان تقویت کننده بالا است ولی بازده تبدیل توان منبع DC به ولتاژ AC معمولا مقدار کمی است.

تقویت کننده ایده آل ممکن است دارای بازده ۱۰۰ درصد باشد یعنی تمام توان سیگنال ورودی در خروجی ظاهر شود. با این حال در واقعیت این اتفاق هرگز رخ نخواهد داد زیرا مقداری از نیرو به صورت گرما در مدار تلف خواهد شد و همچنین تقویت کننده خود هم برای انجام فرایند تقویت به توان نیاز دارد. بنابراین بهره وری یا بازدهی یک تقویت کننده به صورت زیر محاسبه میشود.

اگر چه میزان تقویت کننده بالا است ولی بازده تبدیل توان منبع DC به ولتاژ AC معمولا مقدار کمی است. تقویت کننده ایده آل ممکن است دارای بازده ۱۰۰ درصد باشد یعنی تمام توان سیگنال ورودی در خروجی ظاهر شود. با این حال در واقعیت این اتفاق هرگز رخ نخواهد داد زیرا مقداری از نیرو به صورت گرما در مدار تلف خواهد شد و همچنین تقویت کننده خود هم برای انجام فرایند تقویت به توان نیاز دارد. بنابراین بهره وری یا بازدهی یک تقویت کننده به صورت زیر محاسبه میشود.

Efficiency(eta )=frac{(power delivered to the load)}{(DC power taken from the supply )}=frac{(P out)}{(P in)}