مقدمه‌ای بر تقویت‌کننده‌ها 

یک تقویت کننده یک دستگاه یا مدار الکترونیکی است که بر ای افزایش اندازه سیگنال اعمال شده به ورودی خود استفاده می‌شود.

تقویت کننده ها

تقویت کننده یک اصطلاح عمومی است که برای توصیف مداری که ورژنی از سیگنال ورودی خود را تولید و افزایش می‌دهد، توصیف شده است. اگرچه، تمام مدارهای تقویت کننده مثل هم نیستند و آنها طبق پیکربندی مداری شان و حالت عملکردشان طبقه بندی شده اند.

در “الکترونیک”، تقویت کننده های سیگنال کوچک عموما دستگاه هایی را بکار برده اند که آنها قابلیت نسبی برای تقویت سیگنال ورودی کوچک را دارند، برای مثال در سنسور مانند قطعات نوری، یک سیگنال خروجی خیلی بزرگتر برای راه اندازی رله، لامپ یا بلندگو  بوجود آورده اند.

حالت های زیادی از مدارهایی که به عنوان تقویت کننده طبقه بندی شده اند وجود دارد، از تقویت کننده های عملیاتی و سیگنال کوچک تا تقویت کننده های قدرت و سیگنال بزرگ. طبقه بندی یک تقویت کننده بستگی به اندازه سیگنال، بزرگی و کوچکی، پیکربندی فیزیکی آن و نحوه پرداش سیگنال ورودی، دارد این یک رابطه بین سیگنال ورودی و جریان جاری در بار است.

نوع و طبقه بندی یک تقویت کننده در جدول زیر آورده شده است:

طبقه بندی تقویت کننده سیگنال

تقویت کننده ها می‌توانند به عنوان یک جعبه ساده یا بلوکی که شامل قطعه تقویت کننده مانند، ترانزیستور دوقطبی، ترانزیستور اثر میدانی  یا تقویت کننده عملیاتی که دارای دو ترمینال ورودی و دو ترمینال خروجی (زمین مشترک شده است) با سیگنال خروجی که خیلی بزرگتر از سیگنال ورودی همانطور که در “تقویت شده” اتفاق می‌افتد، در نظر گرفت.

یک تقویت کننده سیگنال ایده آل دارای سه ویژگی خواهد بود: مقاومت ورودی یا (R_IN) ، مقاومت خروجی یا (R_OUT) و البته تقویت که معمولا بصورت بهره یا (A) شناخته می شود، است. نحوه پیچیدگی یک مدار تقویت کننده اهمیتی ندارد، یک تقویت کننده عمومی همچنان می‌تواند برای نشان دادن رابطه بین این سه ویژگی بکار رود.

مدل تقویت کننده ایده آل

تفاوت میزان تقویت بین سیگنالهای ورودی و خروجی به عنوان بهره تقویت کننده شناخته می‌شود. بهره اساسا اندازه گیری  مقدار “تقویت” سیگنال ورودی یک تقویت کننده است. برای مثال، اگر ما دارای سیگنال ورودی 1 ولت و خروجی 50 ولت باشیم، بعد بهره تقویت کننده  “50” خواهد بود. در بیان دیگر، سیگنال ورودی با فاکتور 50 افزایش یافته است. این افزایش بهره نامیده می‌شود.

بهره تقویت کننده بصورت ساده نسبت خروجی تقسیم شده به ورودی است. بهره از آنجایی که نسبت است واحدی ندارد، اما در الکترونیک آن عموما دارای نماد “A” برای تقویت است. سپس بهره یک تقویت کننده، بسادگی توسط ” سیگنال خروجی تقسیم شده به سیگنال ورودی” بدست می‌آید.

بهره تقویت کننده

به عنوان توضیحی برای بهره تقویت کننده، می توان رابطه موجود بین سیگنال اندازه گیری شده در خروجی با سیگنال اندازه گیری شده در ورودی را بیان کرد. سه نوع مختلف از بهره تقویت کننده که می توانند اندازه گیری شوند، وجود دارد و آنها: بهره ولتاژ(A_V)، بهره جریان (A_i)، بهره توان(A_p) هستند و وابسته به کمیتی که اندازه گیری می‌شود موجود هستند، مثالهایی از این انواع مختلف بهره در زیر آورده شده است.

بهره تقویت کننده سیگنال ورودی

بهره تقویت کننده ولتاژ

بهره ولتاژ(A_v) = ولتاژورودی / ولتاژ خروجی [latex] (frac{V_{out}}{V_{in}})= [/latex]

بهره تقویت کننده جریان

بهره جریان(A_i) = جریان ورودی / جریان خروجی [latex] (frac{I_{out}}{I_{in}})= [/latex]

بهره تقویت کننده توان

بهره توان A_p) = A_v × A_i)

توجه داشته باشید که برای بهره توان همچنین می توانید توان بدست آمده در خروجی را بر توان بدست آمده در ورودی تقسیم کنید. همچنین هنگام محاسبه بهره یک تقویت کننده، مشترکات v ، i و p برای نشان دادن نوع بهره سیگنال که مورد استفاده قرار گرفته، بکار می‌روند.

بهره توان (Ap) یا سطح توان تقویت کننده را نیز می توان در دسی بل (dB¹) بیان کرد. بل  (B) یک واحد لگاریتمی (پایه 10) از  اندازه گیری است که هیچ واحدی ندارد. از آنجا که بل یک واحد اندازه گیری بسیار بزرگ است، آن را با پیشوند دسی بیان می‌کنیم بطوریکه دسی بل بدست می‌آید، یک دسیبل یک دهم (10/1)  بل است. برای محاسبه بهره تقویت کننده در دسی بل یا dB می‌توانیم از عبارات زیر استفاده کنیم.

بهره ولتاژ در dB :[latex] a_{v}=20log(A_{v}) [/latex]

بهره جریان در dB : [latex] a_{i}=20log(A_{i}) [/latex]

بهره توان در dB : [latex] a_{p}=10log(A_{p}) [/latex]

توجه داشته باشید که بهره توان DC یک تقویت کننده برابر است با ده برابر  لگاریتم مشترک نسبت خروجی به ورودی، در حالی که در بهره ولتاژ و جریان این  20 برابر لگاریتم مشترک نسبت است. با این وجود توجه داشته باشید که 20dB به دلیل مقیاس لگاریتم دارای دو برابر توان بیشتر نسبت به  dB10 نیست.

همچنین، یک مقدار مثبت dB نشان دهنده یک بهره است و مقدار منفی dB یک افت را در داخل تقویت کننده نشان می‌دهد. برای مثال، بهره تقویت کننده  +3dB نشان می‌دهد که سیگنال خروجی تقویت کننده “دو برابر” شده است (×2)، در حالی که بهره تقویت کننده -3dB نشان می‌دهد که سیگنال “نصف شده است”، ( ×0.5) یا به عبارت دیگر افت کرده است.

نقطه -3dB یک تقویت کننده نقطه نصف توان خوانده می‌شود بطوریکه -3dB پایین تر از ماکزیمم است، نقطه 0dB به عنوان مقدار خروجی ماکزیمم در نظر گرفته می‌شود.

مثال شماره 1 تقویت کننده

بهره ولتاژ، جریان، توان یک تقویت کننده که دارای یک سیگنال خروجی 1 میلی آمپر در ولتاژ10 میلی ولت و سیگنال خروجی متناظر 10 میلی آمپر در ولتاژ 1 ولت است. همچنین، تمام بهره ها را دی دسی بل (dB) بیان کنید.

[latex] A_{v}= (frac{V_{out}}{V_{in}})=(frac{1}{0.01})=100 [/latex]

[latex] A_{i}= (frac{I_{out}}{I_{in}})=(frac{10}{1})=10= [/latex]

[latex] A_{p}=A_{v}times A_{i}=100times 10=1000 [/latex]

بهره های تقویت کننده نشان داده شده در دسی بل (dB):

[latex] a_{v}=20log(A_{v})=20log100=40dB [/latex]

[latex] a_{i}=20log(A_{i})=20log10=20dB [/latex]

[latex] a_{p}=20log(A_{p})=10log1000=30dB [/latex]

سپس تقویت کننده دارای یک بهره ولتاژ   (A_v) مقدار 100، بهره جریان (A_i) مقدار 10 و بهره توان (A_p) 1000 است.

عموما، تقویت کننده ها می‌توانند به دو نوع متمایز طبق بهره توان و ولتاژ شان تقسیم شوند. یک نوع، تقویت کننده سیگنال کوچک خوانده می‌شود که شامل پیش تقویت کننده ها، تقویت کننده های ابزاردقیق و غیره است. تقویت کننده های سیگنال کوچک برای تقویت سطوح ولتاژ سیگنال خیلی کوچک سنسورها یا سیگنالهای صوتی تنها در حد چند میکرو ولت (µV) طراحی شده اند.

نوع دیگر، تقویت کننده سیگنال بزرگ نامیده می‌شود مانند تقویت کننده های توان صوتی یا تقویت کننده های سوئیچینگ توان. تقویت کننده های سیگنال بزرگ برای تقویت سیگنالهای ولتاژ ورودی بزرگ یا سوئیچ جریانهایی با بار سنگین مانند بلندگوهای بزرگ، طراحی شده اند.

تقویت کننده توان

تقویت کننده سیگنال کوچک عموما به عنوان تقویت کننده “ولتاژ” اشاره می‌شود زیرا معمولا یک ولتاز ورودی کوچک را به ولتاژ خروجی خیلی بزرگتر تبدیل می‌کند. بضی اوقات مدار یک تقویت کننده برای راه اندازی یک موتور یا برای تغذیه یک بلندگو نیاز است و برای این نوع کاربردها چون جریانهای سوئیچینگ بالا نیاز هستند، تقویت کننده های توان مورد نیاز است.

همانطور که نام آنها نشان می‌دهد، وظیفه اصلی “تقویت کننده توان” ( همچنین به عنوان تقویت کننده سیگنال بزرگ شناخته می‌شود)،  تحویل توان به بار است و همانطور که از بالا دانستیم، محصول ولتاژ و جریان اعمال شده به بار با توان سیگنال خروجی بزرگتر از توان سیگنال ورودی است.

به عبارت دیگر، یک تقویت کننده توان، توان سیگنال ورودی را تقویت می‌کند و برای این است که چرا این نوع از مدارهای تقویت کننده در خروجی تقویت کننده صوتی برای راه اندازی بلندگو ها  استفاده می‌شوند.

تقویت کننده توان بر اساس اصل تبدیل توان DC که از منبع تغذیه میکشد به یک سیگنال ولتاژ AC تحویل داده شده به بار، کار می کند. اگرچه تقویت زیاد است، اما کارایی تبدیل از خروجی منبع تغذیه DC به خروجی سیگنال ولتاژ AC معمولاً ضعیف است.

تقویت کننده عالی یا ایده آل به ما نرخ کارایی 100%  خواهد داد یا حداقل توان “ورودی” برابر با توان”خروجی خواهد شد. اگرچه، در واقعیت این هیچ وقت نمی‌تواند اتفاق بیافتد زیرا مقداری توان در حالت گرما از دست می‌رود و همچنین تقویت کننده خودش در طول پروسه تقویت، توان مصرف می‌کند. سپس کارایی یک تقویت کننده بصورت زیر بیان می‌شود:

راندمان تقویت کننده

راندمان [latex] (frac{P_{out}}{P_{in}})=(frac{A}{B})=eta [/latex]

A= توان تحویلی به یار

B= توان گرفته شده از منبع تغذیه

تقویت کننده ایده آل

اکنون می‌توانیم ویژگی های یک تقویت کننده ایده ال را از بحث هایمان در بالا با توجه به بهره آن، بهره ولتاژ معنا دار  تعیین کنیم:

بهره تقویت کننده(A)، باید برای مقادیر متغیر سیگنال ورودی ثابت بماند.

بهره توسط فرکانس تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد. سیگنالهای تمام فرکانس ها باید دقیقا توسط مقدار یکسان تقویت شوند.

بهره تقویت کننده نباید نویز را به سیگنال خروجی اضافه کند. آن باید هر نویزی را که قبلا در سیگنال ورودی  وجود داشته را حذف کنند.

بهره سیگنال نباید تحت تاثیر تغییرات دما قرا بگیرد باید پایداری دمای خوبی داشته باشد.

بهره تقویت کننده باید در طول بازه زمانی طولانی پایدار بماند.

کلاس تقویت کننده الکترونیک

طبقه بندی تقویت کننده هم ولتاژ یا یک تقویت کننده توان  با مقایسه ویژگی های سیگنالهای ورودی و خروجی توسط اندازه گیری متوسط زمان در رابطه با سیگنال ورودی که جریان در مدار خروجی جاری می‌شود، ساخته شده است.

ما در آموزش ترانزیستور امیتر مشترک دیدیم که برای عمل کردن ترانزیستور در داخل “ناحیه فعالش” اش بعضی حالت های “بایاس بیس” نیاز بود.این ولتاژ بایاس بیس  اضافه شده به سیگنال ورودی به ترانزستور اجازه تولید مجدد شکل موج ورودی کامل در خروجی اش بدون هیچ افت سیگنالی را داد.

اگرچه، با تغییر موقعیت این ولتاژ بایاس بیس، امکان عمل کردن یک تقویت کننده در یک حالت تقویت کنندگی  جدای از آن برای تولید مجدد شکل موج کامل را  دارد. با توضیح تقویت کننده یک ولتاژ بایاس بیس، محدوده های عملیاتی متفاوت و حالت های عملیاتی می‌توانند بدست آیند، که طبق طبقه بندی آنها دسته بندی شده اند. این حالتهای مختلف عملیاتی بیشتر به عنوان کلاس طبقه بندی شناخته شده تر هستند.

تقویت کننده های توان صوتی در ترتیب الفبا طبق پیکربندی مداری و حالت عملیاتی آنها طبقه بندی شده اند. تقویت کننده ها  توسط کلاس های مختلفی از عملیات مانند کلاس  “A”، کلاس ” B”، کلاس “C”، کلاس “AB ” و غیره طراحی شده اند. این کلاسهای تقویت کننده متفاوت از محدوده یک خروجی غیر خطی اما با کارایی پایین تا یک خروجی غیر خطی اما با کارایی بالا هستند.

هیچ کلاسی “بهتر” یا “بدتر” از هر کلاس دیگر با نوع عملیاتی که توسط کاربرد مدار تقویت کننده تعیین شده نیست. کارایی های تبدیل ماکزیمم نوعی برای انواع مختلف یا کلاس تقویت کننده وجود دارند. رایج ترین آنها:

تقویت کننده کلاس A : دارای کارایی کمتر از 40 % اما احیا سیگنال و خطیت خوب است.

تقویت کننده کلاس  B: دو برابر کارآمدتر از تقویت کننده کلاس A با کارایی نظری ماکزیمم تقریبا 70% است زیرا دستگاه تقویتی تنها برای نصف سیگنال ورودی ( و توان استفاده شده) هدایت می‌کند.

تقویت کننده کلاس AB : دارای نرخ کارایی بین کلاس Aو کلاس  B است اما احیا سیگنال ضعیفتری از کلاس تقویت کننده A  دارد.

تقویت کننده کلاس C : کارآمدترین ترین کلاس است اما انحراف بسیار بالا است بطوریکه تنها بخش کوچکی از سیگنال ورودی تقویت شده است در نتیجه سیگنال خروجی شباهت بسیار کمی با ورودی دارد. تقویت کننده کلاس C دارای احیای سیگنال بدتری است.

عملکرد تقویت کننده کلاس A

عملکرد تقویت کننده کلاس A جایی است که کل شکل موج سیگنال ورودی در پایانه خروجی  تقویت کننده احیا شده زیرا که ترانزیستور کاملاً در منطقه فعال خود بایاس شده است. این بدان معنی است که ترانزیستور سوئیچینگ هرگز به نواحی قطع یا اشباع خود هدایت نمی شود. نتیجه این است که سیگنال ورودی AC کاملاً  بین محدوده های  سیگنال فوقانی و تحتانی تقویت کننده “متمرکز ” شده است که در شکل زیر نیز نشان داده شده است.

شکل موج خروجی تقویت کننده کلاس A

یک پیکربندی تقویت کننده کلاس A از ترانزیستور سوئیچینگ یکسان برای هر دو نیمه شکل موج خروجی استفاده می‌کند و به دلیل ترتیب بایاس مرکزی آن، ترانزیستور خروجی همیشه جریان بایاس DC  ثابت دارد (I_CQ)  که از آن حتی اگر سیگنال ورودی وجود نداشته باشد، جریان می‌یابد. به عبارت دیگر، ترانزیستورهای خروجی هرگز “خاموش” نمی‌شوند و در حالت دائمی بیکاری قرار دارند.

نتیجه آن ناکارآمدی حدودی کلاس نوع A است زیرا تبدیل آن از منبع تغذیه DC به توان سیگنال AC تحویل داده شده به بار معمولاً بسیار کم است.

با توجه به این نقطه بایاس مرکزی، ترانزیستور خروجی یک تقویت کننده کلاس A می تواند خیلی گرم شود، حتی اگر هیچ سیگنال ورودی وجود نداشته باشد، بنابراین نوعی از هیت سینک احتیاج است. جریان بایاس DC شارشی در کلکتور ترانزیستور (I_CQ) برابر با جریان شارشی در بار کلکتور است. بنابراین یک تقویت کننده کلاس A بسیار ناکارآمد است زیرا بیشتر این توان های  DC به گرما تبدیل می‌شوند.

عملکرد تقویت کننده کلاس B

برخلاف حالت عملیاتی تقویت کننده کلاس A  فوق که یک ترانزیستور تنها را برای مرحله توان خروجی اش بکار می‌برد، تقویت کننده کلاس B دو ترانزیستور مکمل  ( هم یک NPN و یک  PNP یا یک NMOS و یک PMOS)  را برای تقویت هر نصف شکل موج خروجی بکار می‌برد.

یکی ترانزیستور فقط برای هدایت نیمی از شکل موج سیگنال بکار می‌رود در حالی که دیگری برای نیمه دیگر یا مخالف  شکل موج سیگنال استفاده می‌شود. این بدان معنی است که هر ترانزیستور نیمی از زمان خود را در ناحیه فعال  و نیمی از زمان خود  را در ناحیه قطع صرف می‌کند و در نتیجه تنها 50٪  از سیگنال ورودی را تقویت می‌کند.

عملكرد کلاس B بر خلاف تقویت کننده کلاس A ولتاژ بایاس DC مستقیم ندارد، اما در عوض ترانزیستور فقط هنگامی كه سیگنال ورودی از ولتاژ بیس-امیتر (V_BE)  بزرگتر باشد هدایت می‌کند و برای ترانزیستورهای سیلیكون ، ولتاژ بیس- امیتر تقریباً 7/0 ولت است. بنابراین با سیگنال ورودی صفر خروجی صفر وجود دارد. از آنجا که تنها نیمی از سیگنال ورودی در خروجی تقویت کننده وجود دارد، این کارآیی تقویت کننده را نسبت به پیکربندی کلاس A قبلی مانند شکل زیر بهبود می‌بخشد.

شکل موج خروجی تقویت کننده کلاس B

در یک تقویت کننده کلاس B، از هیچ ولتاژ DC برای بایاس ترانزیستورها استفاده نمی‌شود، بنابراین برای اینکه ترانزیستورهای خروجی شروع به هدایت  هر نصف از شکل موج، ،هم  مثبت و منفی کنند، به ولتاژ بیس-امیترر V_BE برای بزرگتر شدن  از ولتاژ 7/0 ولت نیاز دارند. افت ولتاژ مستقیم برای شروع  هدایت ترانزیستور دو قطبی استاندارد مورد نیاز است.

بنابراین قسمت پایین تر شکل موج خروجی که در زیر این پنجره 0.7v قرار دارد به طور دقیق احیا نخواهد شد. این در یک منطقه منحرف شده از شکل موج خروجی بوجود می‌آید زیرا وقتی که یک ترانزیستور “خاموش” شد منتظر دیگری می‌ماند تا “روشن ” شود زمانیکه  V_BE> 0.7V است. نتیجه این که بخش کوچکی از شکل موج خروجی در نقطه ولتاژ صفر، نقطه متقاطع منحرف خواهد شد. به این نوع از اعوجاج انحراف متقاطع گفته می شود و بعدا در این بخش بررسی می شود.

عملکرد تقویت کننده کلاس AB

تقویت کننده کلاس AB یک سازش بین پیکربندی کلاس A و B در بالا است. در حالی که عملکرد کلاسAB همچنان در مرحله خروجی خود از دو ترانزیستور مکمل استفاده می‌کند، ولتاژ بایاس خیلی کوچک  به بیس هر ترانزیستور اعمال شده تا آنها را نزدیک به ناحیه قطعشان، وقتی که هیچ سیگنال ورودی موجود نیست، بایاس کند.

یک سیگنال ورودی باعث می شود تا ترانزیستور بطور عادی در ناحیه فعال خود عمل کند و هرگونه انحراف متقاطع که همیشه در پیکربندی کلاس B وجود دارد را از بین ببرد. هنگامی که هیچ سیگنال ورودی موجود نباشد جریان جریان کلکتورکوچک بایاس(I_CQ) در ترانزیستور جریان خواهد یافت، اما عموما آن از جریان پیکربندی تقویت کننده کلاس A  بسیار کمتر است.

بنابراین هر ترانزیستور برای بیش از نیم سیکل شکل موج ورودی، “روشن” می‌ماند. بایاس کوچک پیکربندی تقویت کننده کلاس  AB کارایی و خطی بودن مدار تقویت کننده را در مقایسه با یک پیکربندی کلاس  A بهبود می‌دهد.

شکل موج خروجی تقویت کننده کلاس AB

در زمان طراحی مدارهای تقویت کننده، کلاس عملیاتی یک تقویت کننده خیلی مهم است زیرا که آن مقدار بایاس ترانزیستور مورد نیاز برای عملکرد خود، مانند ماکزیمم دامنه سیگنال ورودی را تعیین می‌کند.

پیکربندی تقویت کننده بخشی از سیگنال ورودی را برای  هدایت ترانزیستور خروجی در نظر می گیرد همانند تعیین کارایی و مقدار توانی که هر دو ترانزیستور سوئیچینگ مصرف می‌کند و بصورت گرما از دست می‌دهد. در اینجا می توانیم مقایسه ای بین انوع رایج طبقه بندی تقویت کننده ها در جدول زیر انجام دهیم.

کلاس تقویت کننده توان

تقویت کننده هایی که بد طراحی می‌شوند مخصوصا نوع کلاس “A ” ممکن است نیازمند ترانزیستورهای توان بزرگتر، هیت سینک های گرانتر، فن های خنک کننده یا حتی یک افزایش در اندازه توان تغذیه مورد نیاز برای تحویل توان هدر رفته اضافی مورد نیاز برای تقویت کننده باشند.

توان تبدیل شده به گرما از ترانزیستورها، مقاومت ها یا هر المنت دیگر برای آن ماهیت، هر مدار الکترونیکی را ناکارآمد می‌کند و منجر به شکست زودرس دستگاه خواهد شد.

پس چرا تقویت کننده کلاس  A را استفاده کنیم اگر کارایی آن کمتر از 40% در مقایسه با تقویت کننده کلاس B که دارای نرخ کارایی بیشتر از 70% است. اساسا، یک تقویت کننده کلاس A خروجی خطی بیشتری می‌دهد به این معنی که آن دارای خطیت در یک پاسخ فرکانسی بزرگ  حتی اگر آن مقدار زیادی توان DC صرف کند، است.

در این مقدمه بر آموزش تقویت کننده، دیدیم که انواع مختلفی از مدار تقویت کننده، هرکدام با مزایا و معایبشان  وجود دارد. در آموزش بعدی در مورد تقویت کننده ها، بر متداول ترین نوع مدار تقویت کننده ترانزیستوری، تقویت کننده امیتر مشترک، خواهیم پرداخت.

اکثر تقویت کننده های ترانزیستور، به دلیل بهره های ولتاژ، جریان و توان بزرگ شان همانند مشخصه های ورودی/خروجی عالی شان،  امیتر مشترک یا مدار نوع CE² هستند.

1. Decibel

2.  Common Emitter