نوسان تقویت کننده به زبان ساده 

نوسان تقویت کننده در اشکال بسیاری مانند دامنه، فرکانس و نوسان فاز به دلیل قطع شدن رخ می‌دهد.

نوسان تقویت کننده

برای عمل کردن صحیح یک تقویت کننده سیگنال بدون هیچ نوسانی به سیگنال خروجی، نیازمند بعضی اشکال بایاس DC بر روی پایانه بیس یا گیت خود است. یک بایاس DC مورد نیاز است بنابراین تقویت کننده می‌تواند سیگنال ورودی را در طول سیکل کلی خود با “نقطه – Q” بایاس نزدیک به وسط خط بار تقویت کند.

تنظیمات نقطه Q به ما یک پیکربندی تقویت نوع “کلاس A” با رایج‌ترین آرایش “امیتر مشترک” برای ترانزیستورهای دوقطبی یا پیکربندی “منبع مشترک” برای ترانزیستورهای FET خواهد داد.

بهره توان، ولتاژ یا جریان، (تقویت) مهیا شده توسط تقویت کننده نسبت مقدار خروجی پیک به مقدار ورودی پیک خود است (ورودی / خروجی).

اگرچه، اگر ما مدار تقویت کننده خود را به غلط طراحی کنیم، و نقطه Q بایاس را در موقعیت غلط بر روی خط بار تنظیم کنیم یا یک سیگنال ورودی بزرگی را به تقویت کننده اعمال کنیم، سیگنال خروجی حاصل ممکن است تولید مجدد دقیق شکل موج سیگنال ورودی اصلی نباشد. در بیان دیگر، تقویت کننده از چیزی که عموما نوسان تقویت کننده نامیده می‌شود، رنج می‌برد. مدار تقویت کننده امیتر مشترک زیر را در نظر بگیرید.

تقویت کننده امیتر مشترک در نوسان تقویت کننده

نوسان شکل موج سیگنال خروجی ممکن است به دلایل زیر اتفاق بیفتد:

تقویت ممکن است به دلیل سطوح بایاس غلط در کل سیکل سیگنال اتفاق نیفتد.

سیگنال ورودی ممکن است خیلی بزرگ باشد که باعث می‌شود ترانزیستورهای تقویت کننده‌ها توسط ولتاژ تغذیه محدود شوند.

تقویت ممکن است در طول محدوده کلی فرکانسی ورودی‌ها سیگنال خطی نباشد.

پس این بدان معنی است که در طول پروسه تقویت شکل موج سیگنال، بعضی اشکال نوسان تقویت کننده رخ داده است.

تقویت کننده ها اساسا برای تقویت سیگنال‌های ورودی ولتاژ کوچک به سیگنال‌های خروجی بزرگتر طراحی شده‌اند، و این بدان معنی است که سیگنال خروجی بصورت ثابت توسط بعضی فاکتورها یا مقدار که بهره ضرب در سیگنال ورودی برای تمام فرکانس‌های ورودی خوانده می‌شود تغییر می‌کند. قبلا دیدیم که این عامل ضرب مقدار بتا β ترانزیستور نامیده می‌شود.

مدارهای ترانزیستور نوع منبع مشترک یا حتی امیتر مشترک برای سیگنال‌های ورودی AC کوچک خوب عمل می‌کند اما از یک عیب اساسی رنج می‌برد، موقعیت محاسبه شده نقطه Q یک تقویت کننده دو قطبی بر همان مقدار بتا برای تمام ترانزیستورها بستگی دارد. اگرچه، این مقدار بتا از ترانزیستورهای نوع یکسان تغییر خواهد کرد، در بیان دیگر، نقطه Q برای یک ترانزیستور به دلیل تلرانس ساخت ذاتی ضرورتا برابر با نقطه Q برای ترانزیستور دیگر همان نوع نیست.

سپس نوسان تقویتی به دلیل اینکه تقویت کننده خطی نیست رخ می‌دهد و یک نوع نوسان تقویت کننده که نوسان دامنه نامیده می‌شود حاصل خواهد شد. انتخاب دقیق ترانزیستور و مولفه‌های بایاس می‌تواند به حداقل کردن تاثیر نوسان تقویت کننده کمک کند.

نوسان دامنه در نوسان تقویت کننده

نوسان دامنه زمانی که مقادیر اوج شکل موج فرکانسی تضعیف می‌شوند رخ می‌دهد که باعث نوسان به دلیل شیفت در نقطه Q می‌شود و تقویت ممکن نیست در کل سیکل سیگنال رخ دهد. این غیرخطی بودن شکل موج خروجی در زیر نشان داده شده است.

نوسان دامنه به دلیل بایاس غلط

اگر نقطه بایاس ترانزیستور صحیح باشد، شکل موج خروجی باید همان شکلی از شکل موج ورودی فقط بزرگتر را داشته باشد، (تقویت شده). اگر بایاس کافی وجود نداشته باشد و نقطه Q در نیمه پایانی خط بار قرار داشته باشد، آنگاه شکل موج خروجی مانند نیمی از سمت راست با نیمه منفی شکل موج خروجی “قطع” یا قطع شده به نظر می‌رسد. به همین ترتیب، اگر بایاس بیش از حد وجود داشته باشد و نقطه Q در نیمه بالایی خط بار قرار داشته باشد، آنگاه شکل موج خروجی مانند نیمه سمت چپ “قطع” یا قطع شده به نظر می‌رسد.

همچنین، هنگامی که ولتاژ بایاس خیلی کوچک باشد، در طول نیمه منفی سیکل ترانزیستور کاملاً هدایت نمی‌کند، بنابراین خروجی توسط ولتاژ منبع تنظیم می‌شود. وقتی بایاس خیلی بزرگ است، نیمه مثبت سیکل ترانزیستور را اشباع می‌کند و خروجی تقریباً به صفر می‌رسد.

حتی با تنظیم صحیح سطح ولتاژ بایاس، هنوز هم ممکن است شکل موج خروجی به دلیل تقویت سیگنال ورودی بزرگ که توسط بهره مدارها تقویت شده، منحرف شود. سیگنال ولتاژ خروجی در هر دو قسمت مثبت و منفی شکل موج قطع می‌شود و دیگر شبیه موج سینوسی نیست، حتی اگر بایاس صحیح باشد. این نوع از نوسان دامنه قطع کردن نامیده می‌شود و نتیجه “راه‌اندازی بیش از حد” ورودی تقویت کننده است.

هنگامی که دامنه ورودی خیلی بزرگ می‌شود، قطع قابل توجه می‌شود و سیگنال شکل موج خروجی را مجبور می‌کند تا از ریل‌های ولتاژ منبع تغذیه با اوج (نیمه ve+) و فراتر از (نیمه ve-) قسمت‌های سیگنال شکل موج صاف شود یا “قطع شود”. برای جلوگیری از این، حداکثر مقدار سیگنال ورودی باید به سطحی محدود شود که همانطور که در بالا نشان داده شد، جلوی این اثر قطع را خواهد گرفت.

نوسان دامنه به دلیل قطع شدن

نوسان دامنه تا حد زیادی بهره‌وری یک مدار تقویت کننده را کاهش می‌دهد. این “سطح‌های مسطح” شکل موج خروجی منحرف شده یا به دلیل بایاس نادرست یا راه‌اندازی بیش از حد ورودی، هیچ چیزی را در استحکام سیگنال خروجی در فرکانس مورد نظر سهیم نمی‌شود.

با ارائه همه این موارد، برخی از گروه‌های معروف گیتاریست و راک ترجیح می‌دهند که صدای گسسته آنها با بصورت شدید توسط قطع شکل موج خروجی به هر دو ریل‌های تغذیه توان ve– و ve+ منحرف یا “بیش از حد راه‌اندازی شود”. همچنین، افزایش مقادیر قطع بر روی سینوسی باعث نوسان تقویت کننده خواهد شد که در نهایت یک شکل موج خروجی تولید می‌کند که شبیه به شکل “موج مربعی” است که می‌تواند در مدارهای تنظیم کننده الکترونیکی یا دیجیتال استفاده شود.

دیدیم که با یک سیگنال DC سطح بهره تقویت کننده می‌تواند با دامنه سیگنال تغییر کند، اما همانند نوسان دامنه، انواع دیگر نوسان تقویت کننده می‌تواند با سیگنال‌های AC در مدارهای تقویت کننده مانند نوسان فرکانس و نوسان فاز رخ دهد.

نوسان فرکانس در نوسان تقویت کننده

نوسان فرکانس نوع دیگری از نوسان تقویت کننده است که در یک تقویت کننده ترانزیستور اتفاق می‌افتد هنگامی که سطح تقویت با فرکانس متفاوت است. بسیاری از سیگنال‌های ورودی که تقویت کننده عملی را تقویت خواهند کرد شامل شکل موج سیگنال مورد نیاز به نام “فرکانس بنیادی” به همراه تعدادی فرکانس مختلف به نام “هارمونیک‌ها” است که بر روی آن قرار گرفته است.

به طور معمول، دامنه این هارمونیک‌ها کسری از دامنه بنیادی هستند و بنابراین تأثیر بسیار کم و یا هیچ تأثیری بر شکل موج خروجی ندارند. با این حال، اگر این فرکانس‌های هارمونیکی با توجه به فرکانس بنیادی در دامنه افزایش یابد، شکل موج خروجی می‌تواند منحرف شود. به عنوان مثال، شکل موج زیر را در نظر بگیرید:

نوسان فرکانس به دلیل هارمونیک ها

در مثال بالا، شکل موج ورودی شامل یک فرکانس بنیادی به علاوه یک سیگنال هارمونیک دوم است. شکل موج خروجی حاصل در سمت راست نشان داده شده است. نوسان فرکانس زمانی اتفاق می‌افتد که فرکانس بنیادی با هارمونیک دوم ترکیب شود تا سیگنال خروجی را تحریف کند. بنابراین هارمونیک‌ها چند برابر فرکانس اساسی هستند و در مثال ساده ما از هارمونیک دوم استفاده شده است.

بنابراین، فرکانس هارمونیک دو برابر، 2*f یا 2ƒ بنیادی است. سپس یک هارمونیک سوم ƒ3، یک چهار، 4ƒ و غیره خواهد بود. نوسان فرکانس به دلیل هارمونیک‌ها همیشه در مدارهای تقویت کننده حاوی عناصر راکتیو مانند خازن یا سلف امکان پذیر است.

نوسان فاز

نوسان فاز یا نوسان تاخیری یک نوع نوسان تقویت کننده است که در یک تقویت کننده ترانزیستور غیر خطی زمانی که یک تاخیر زمانی بین سیگنال ورودی و ظاهرآن در خروجی اتفاق می‌افتد.

اگر بگوییم که تغییر فاز بین ورودی و خروجی در فرکانس بنیادی صفر است، تأخیر زاویه فاز حاصل اختلاف بین هارمونیک و بنیادی خواهد بود. این تأخیر زمانی به ساخت تقویت کننده بستگی دارد و با فرکانس درون پهنای باند تقویت کننده به تدریج افزایش خواهد یافت. به عنوان مثال، شکل موج زیر را در نظر بگیرید:

نوسان فاز به دلیل تاخیر

غیر از تقویت کننده های صوتی بالا، اکثر تقویت کننده های تجربی بعضی اشکال نوسان تقویت کننده را خواهند داشت که ترکیبی از هر دو “نوسان فرکانسی” و “نوسان فاز” با هم با نوسان دامنه است. در اکثر کاربردها مانند تقویت کننده های صوتی یا تقویت کننده های توان، به جز اینکه انحراف تقویت کننده ها بیش از حد یا شدید است آن بصورت کلی عملیات یا صدای خروجی تقویت کننده را تحت تاثیر قرار نخواهد داد.

در آموزش بعدی درباره تقویت کننده ها، بر تقویت کننده کلاس A خواهیم پرداخت. تقویت کننده های کلاس A، نوع بسیار رایج حالت خروجی تقویت کننده ها هستند که آنها را برای استفاده در تقویت کننده های توان صوتی ایده‌آل می‌کند.