فرادرسانواع تقویت کننده های سیگنال بزرگ — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)
همه تقویت‌کننده‌ها یکسان نیستند و در پیکربندی و عملکرد، تفاوت‌های زیادی دارند. مشخصه‌های اصلی عملکرد یک تقویت‌کننده ایده‌آل، خطی بودن، بهره سیگنال، بازده و توان خروجی است، اما در عمل، همواره بین این مشخصه‌ها باید مصالحه‌ای برقرار باشد.
معمولاً تقویت‌کننده‌های سیگنال بزرگ یا توان، در طبقات خروجی سیستم‌های تقویت‌کننده صوت برای به صدا درآوردن یک بلندگو به کار می‌روند. امپدانس یک بلندگوی معمولی، بین 4 تا 8 اهم است، بنابراین، یک تقویت‌کننده توان، باید قابلیت تغذیه جریان‌های بار بزرگ مورد نیاز برای بلندگوی امپدانس پایین را داشته باشد.
یک راه برای تمایز مشخصه‌های الکتریکی انواع مختلف تقویت‌کننده‌ها، «کلاس» آن‌ها است؛ به گونه‌ای که می‌توان تقویت‌کننده‌ها را بر اساس پیکربندی مدار و روش عملکرد در کلاس‌های مختلف دسته‌بندی کرد. بنابراین، کلاس تقویت‌کننده‌ها، اصطلاحی است که برای تمایز بین انواع تقویت‌کننده‌های مختلف استفاده می‌شود.
کلاس تقویت‌کننده، در واقع سیگنال خروجی یک سیکل کاری را نشان می‌دهد که از روی ورودی تولید شده و با توجه به مدار تقویت‌کننده تغییر می‌کند. کلاس‌بندی تقویت‌کننده‌ها، از عملکرد کاملاً خطی (برای استفاده در تقویت سیگنال با کیفیت بالا) با بازدهی بسیار کم تا عملکرد کاملاً غیرخطی (که بازتولید سیگنال پایدار خیلی مهم نیست) اما با بازده بسیار بیشتر وجود دارد و سایر دسته‌بندی‌ها هم بین این دو قرار می‌گیرند.
کلاس تقویت‌کننده‌ها را می‌توان در دو دسته پایه بررسی کرد. دسته اول، تقویت‌کننده‌هایی هستند که زاویه هدایت آن‌ها به صورت کلاسیک کنترل می‌شود و خود شامل کلاس‌های معروف AB ،B ،A و C هستند که بسته به کاملاً روشن یا خاموش بودن ترانزیستور خروجی، با میزان هدایت شکل موج دسته‌بندی می‌شوند.
دسته دیگر تقویت‌کننده‌ها که جدیدترند، تقویت‌کننده‌های «سوئیچینگ» (Switching) نام دارند و شامل کلاس‌های T، S، G، F، E، D و غیره هستند که از مدارهای دیجیتال و مدولاسیون پهنای پالس (PWM) برای سوئیچ ممتد سیگنال بین کاملاً ON و کاملاً OFF به منظور بردن خروجی به ناحیه‌های قطع و اشباع ترانزیستور بهره می‌گیرند.
تقویت‌کننده کلاس A
تقویت‌کننده‌های کلاس A به دلیل طراحی آسانی که دارند، رایج‌ترین نوع تقویت‌کننده‌ها محسوب می‌شوند. کلاس A را در لفظ به معنی «بهترین کلاس» تقویت‌کننده می‌شناسیم. دلیل این امر، اعوجاج کم و بهترین صدای خروجی در بین تقویت‌کننده‌های دیگر است. تقویت‌کننده کلاس A، بالاترین میزان خطی بودن را نسبت به سایر کلاس‌های تقویت‌کننده‌ها دارد.
تقویت‌کننده‌های کلاس A، معمولاً یک ترانزیستور (IGBT ،FET ،BJT و غیره) با پیکربندی امیتر مشترک برای دو نیمه شکل موج دارند و جریان ترانزیستور آن‌ها همیشه برقرار است، حتی زمانی که ورودی وجود نداشته باشد. این بدین معنی است که ترانزیستور طبقه خروجی (BJT یا MOSFET یا IGBT) هیچگاه کاملاً به ناحیه قطع یا اشباع نخواهد رفت. اما در عوض، بایاس بیس نقطه کار تقویت‌کننده در وسط خط بار است. بنابراین، ترانزیستور هیچگاه خاموش نمی‌شود که این، یکی از معایب آن است.
برای دست یافتن به خاصیت خطی و بهره بالا، طبقه خروجی تقویت‌کننده کلاس A، همیشه بایاس ON می‌شود و هدایت می‌کند. بنابراین، برای تقویت‌کننده‌ای که در کلاس A قرار می‌گیرد، به منظور تولید بزرگترین سیگنال خروجی، جریان آزاد یا بی‌باری سیگنال صفر طبقه خروجی باید برابر با یا بزرگتر از حداکثر جریان بار (معمولاً یک بلندگو) باشد.
از آنجایی که تقویت‌کننده کلاس A در ناحیه خطی عمل می‌کند، ولتاژ بایاس DC بیس (یا گیت) باید برای تضمین عملکرد صحیح و اعوجاج کم، به درستی انتخاب شود. با این حال، وقتی ترانزیستور همیشه ON باشد، همواره جریانی وجود خواهد داشت که سبب اتلاف مداوم توان در مدار می‌شود.
به دلیل این تلفات توان مداوم، تقویت‌کننده‌های کلاس A علاوه بر بازده کم حدود 30 درصد، گرمای بسیار زیادی تولید می‌کنند. همین عوامل سبب شده استفاده از این تقویت‌کننده‌ها برای توان‌های بالا غیرعملی باشد. همچنین به دلیل جریان بی‌باری زیاد تقویت‌کننده، منبع تغذیه را باید به طور مناسب طراحی کرد و برای جلوگیری از هرگونه وزوز و نویز آن را به خوبی فیلتر کرد. با توجه به بازده کم و دمای بالای تقویت‌کننده‌های کلاس A، کلاس دیگری از تقویت‌کننده‌ها ساخته شده است.
تقویت‌کننده کلاس B
تقویت‌کننده‌های کلاس B به عنوان یک راه حل برای مشکلات مربوط به بازده و گرمای تقویت‌کننده‌های کلاس A ارائه شده‌اند. یک تقویت‌کننده کلاس B پایه، در مدار خود دو ترانزیستور مکمل دوقطبی یا FET برای هر نصف شکل موج دارد که به صورت پوش-پول پیکربندی شده‌اند و هرکدام فقط یک نصف شکل موج را در خروجی تقویت می‌کند.
در تقویت‌کننده‌های کلاس B، بایاس بیس DC وجود ندارد، زیرا جریان نقطه کار صفر است و بنابراین توان DC کم و بازده نسبت به کلاس A بیشتر خواهد بود.
وقتی سیگنال ورودی مثبت شود، ترانزیستوری که بایاس شده، هدایت می‌کند و ترانزیستور دیگر با بایاس منفی، خاموش می‌شود. به صورت مشابه، وقتی سیگنال ورودی منفی است، ترانزیستور مثبت خاموش می‌شود، در حالی که ترانزیستور بایاس منفی روشن شده و بخش منفی سیگنال را هدایت می‌کند.
بنابراین مشاهده می‌شود که هر ترانزیستور تقویت‌کننده کلاس B، نصف شکل موج را هدایت می‌کند. در خروجی نیز، این نصف موج ها با هم ترکیب شده و شکل موج کاملاً خطی را تولید می‌کنند.
واضح است که بازده تقویت‌کننده پوش-پول از تقویت‌کننده کلاس A بیشتر است. اما مشکل تقویت‌کننده کلاس B، تولید اعوجاج گذر از صفر و ایجاد ناحیه مرده در شکل موج خروجی به دلیل ولتاژ ورودی بیس 0.7- تا 0.7 ولت است.
برای غلبه بر این مشکل، تقویت‌کننده‌های کلاس AB معرفی شده‌اند.
تقویت‌کننده کلاس AB
این تقویت‌کننده همان‌گونه که از نامش پیداست، ترکیبی از تقویت‌کننده‌های کلاس A و کلاس B است. امروزه تقویت‌کننده کلاس AB یکی از متداول‌ترین انواع تقویت‌کننده‌های توان صوتی است. در واقع، تقویت‌کننده کلاس AB، نوعی تقویت‌کننده کلاس B است، با این تفاوت که دو ترانزیستور به طور همزمان در نقطه گذر از صفر عمل کرده و مشکل اعوجاج گذر از صفر را رفع می‌کنند.
دو ترانزیستور، ولتاژ بایاس بسیار کوچکی دارند. بنابراین، قطعه هادی (BJT یا FET) برای بیش از نصف سیکل و کمتر از کل آن روشن خواهد بود. از همین رو در تقویت‌کننده‌های کلاس AB، ترانزیستورهای پوش-پول، بیش از نصف و کمتر از کل موج را نسبت به تقویت‌کننده‌های کلاس B به خروجی هدایت می‌کنند.
به عبارت دیگر، زاویه هدایت تقویت‌کننده کلاس AB، بسته به نقطه بایاس بین 180 تا 360 درجه است.
مزیت این ولتاژ بایاس کوچک که با دیودهای سری تامین می‌شود، غلبه بر اعوجاج گذر از صفری است که در کلاس B وجود دارد. همچنین در این کلاس، با کم بودن بازده که در تقویت‌کننده کلاس A وجود داشت مواجه نخواهیم بود.
بنابراین، تقویت‌کننده کلاس AB از نظر بازده و خطی بودن، ترکیب مناسبی از تقویت‌کننده‌های کلاس A و کلاس B است که بازده تبدیل آن به 50 تا 60 درصد می‌رسد.
تقویت‌کننده کلاس C
تقویت‌کننده کلاس C از نظر بازده بهترین و از نظر خطی بودن، بدترین تقویت‌کننده است. تقویت‌کننده‌های کلاس B ،A و AB خطی هستند، زیرا در آن‌ها، دامنه و فاز سیگنال خروجی، رابطه خطی نسبت به دامنه و فاز سیگنال ورودی دارد.
بایاس تقویت‌کننده کلاس C بزرگ است و جریان خروجی برای بیش از نصف سیکل سیگنال ورودی سینوسی صفر است. به عبارت دیگر، زاویه هدایت ترانزیستور بسیار کمتر از 180 درجه و حدود 90 درجه است.
هرچند این نوع بایاس ترانزیستور، بازدهی تقویت‌کننده را به حدود 80 درصد می‌رساند، اما اعوجاج بسیار بزرگی در خروجی ایجاد می‌کند. بنابراین تقویت‌کننده‌های کلاس C برای استفاده به عنوان تقویت‌کننده صوتی مناسب نیستند.
با توجه به اعوجاج صوتی بسیار بزرگ تقویت‌کننده کلاس C، این نوع تقویت‌کننده‌ها معمولاً در اسیلاتورهای سینوسی فرکانس بالا و نوع مشخصی از تقویت‌کننده‌های فرکانس رادیویی به کار می‌روند که در آن‌ها پالس‌های جریان تولیدی به شکل موج‌های سینوسی در فرکانس‌های خاصی برای استفاده مدارهای رزونانسی (تشدید) LC در مدار کلکتور تبدیل می‌شود.
جمع‌بندی
همان‌طور که دیدیم، نقطه کار DC، کلاس تقویت‌کننده را مشخص می‌کند. با تنظیم نقطه کار روی نیمه خط بار منحنی مشخصه، تقویت‌کننده به کلاس A تعلق دارد. با حرکت نقطه کار به پایین‌تر از خط بار، تقویت‌کننده متعلق به یکی از کلاس‌های B ،AB یا C خواهد بود. با این اوصاف، کلاس تقویت‌کننده‌ها را می‌توان با استفاده از شکل زیر تعیین کرد:
مشابه تقویت‌کننده‌های صوتی، کلاس‌های دیگری از تقویت‌کننده‌های پربازده وجود دارند که تقویت‌کننده سوئیچینگ نامیده می‌شوند و از روش‌های سوئیچینگ برای کاهش توان و افزایش بازده استفاده می‌کنند. تعدادی از این کلاس‌ها که از تشدید‌کننده‌های RLC یا منابع تغذیه برای کاهش تلفات توان استفاده می‌کنند. تعدادی نیز تقویت‌کننده‌های DSP دیجیتال هستند که از تکنیک‌های سوئیچینگ مدولاسیون پهنای پالس (PWM) بهره می‌برند.
کلاس‌های دیگر تقویت‌کننده‌های توان
- تقویت‌کننده کلاس D: تقویت‌کننده صوتی کلاس D اساساً یک تقویت‌کننده سوئیچینگ غیرخطی یا PWM است. از آنجایی که جریان فقط توسط ترانزیستور روشن کشیده می‌شود، شکل موج‌های جریان و ولتاژ در یک سیکل هم‌پوشی ندارند و این تقویت‌کننده‌ها، از نظر تئوری می‌توانند بازده 100 درصدی داشته باشند.
- تقویت‌کننده کلاس F: این تقویت‌کننده‌ها بازده و خروجی را با تشدید کننده‌های هارمونیک در خروجی شبکه به منظور تبدیل خروجی به یک موج مربعی افزایش می‌دهند. بازده تقویت‌کننده‌های کلاس F را می‌توان با استفاده از هارمونیک بینهایت تا 90 درصد افزایش داد.
- تقویت‌کننده کلاس G: این تقویت‌کننده، نسخه ارتقا یافته تقویت‌کننده کلاس AB است. تقویت‌کننده کلاس G از چند ولتاژ تغذیه با مقادیر مختلف استفاده می‌کند و با تغییر جریان، به صورت خودکار بین این منابع سوئیچ می‌شود. سوئیچینگ ثابت، مصرف توان میانگین و در نتیجه، اتلاف توان و تولید گرما را کاهش می‌دهد.
- تقویت‌کننده کلاس I: در خروجی این تقویت‌کننده دو قطعه سوئیچینگ مکمل در یک پیکربندی پوش-پول و دو قطعه سوئیچینگ برای نمونه‌برداری شکل موج ورودی وجود دارد. مشابه کلاس B، یک قطعه، نیمه مثبت شکل موج و دیگری نیمه منفی را سوئیچ می‌کند. اگر سیگنال ورودی اعمال نشود یا به نقطه گذر از صفر برسد، هر دو قطعه سوئیچینگ همزمان در یک لحظه با 50 درصد سیکل وظیفه PWM روشن و خاموش می‌شوند. برای تولید نیمه مثبت سیگنال خروجی، سیکل وظیفه قطعه سوئیچینگ مثبت افزایش پیدا می‌کند و سیکل وظیفه قطعه سوئیچینگ منفی کاهش می‌یابد.
- تقویت‌کننده کلاس S: تقویت‌کننده توان کلاس S، یک تقویت‌کننده سوئیچینگ غیرخطی است که عملکرد آن، شبیه تقویت‌کننده کلاس D است. تقویت‌کننده کلاس S، سیگنال آنالوگ ورودی را با استفاده از مدولاتور دلتا-سیگما به پالس مربعی دیجیتال تبدیل کرده و قبل از دمدوله شدن با فیلتر میان‌گذر خروجی، آن را تقویت می‌کند. از آنجایی که سیگنال دیجیتال این تقویت‌کننده سوئیچینگ همیشه کاملاً ON یا OFF است (از نظر تئوری تلفات توان صفر است)، بازدهی در صورت امکان به 100 درصد خواهد رسید.
- تقویت‌کننده کلاس T: این نوع تقویت‌کننده نوع دیگری از تقویت‌کننده‌های سوئیچینگ دیجیتال است. امروزه محبوبیت تقویت‌کننده کلاس T به خاطر داشتن تراشه‌های DSP و تقویت‌کننده‌های صدای چندکاناله (تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به سیگنال‌های مدوله شده پهنای پالس برای افزایش بازده) در حال افزایش است. تقویت‌کننده کلاس T ترکیبی از سطوح سیگنال کم اعوجاج کلاس AB و بازده توان کلاس D است.
دیدیم که تقویت‌کننده‌ها را می‌توان از خطی تا غیرخطی دسته‌بندی کرد و همچنین با توجه به خط بار با هم فرق دارند. تقویت‌کننده‌های کلاس B ،AB و C را می‌توان براساس زاویه $$\theta$$ طبق جدول زیر تعریف کرد:
| کلاس تقویت‌کننده | توصیف | زاویه هدایت |
| کلاس A | هدایت کامل 360 درجه | $$\theta=2\pi$$ |
| کلاس B | هدایت نیم سیکل 180 درجه | $$\theta =\pi$$ |
| کلاس AB | هدایت کمی بیشتر از 180 درجه | $$\pi < \theta < 2\pi$$ |
| کلاس C | هدایت کمی کمتر از 180 درجه | $$\theta<\pi$$ |
| کلاس D تا T | سوئیچینگ غیرخطی ON-OFF | $$\theta=0$$ |
اگر مطلب بالا برای شما مفید بوده است و علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- انواع تقویت کننده ها (Amplifier Types) -- به زبان ساده
- تقویت کننده های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
^^
فیلم های آموزش انواع تقویت کننده های سیگنال بزرگ — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)
فیلم آموزشی تقویت‌کننده کلاس A
فیلم آموزشی تقویت‌کننده توان کلاس AB
فیلم آموزشی تقویت‌کننده توان کلاس C
فیلم آموزشی تقویت‌کننده توان کلاس D
سلام
خسته نباشید
میخواستم بدونم تقویت کننده های Outphasing و دوهرتی جزو کدام نوع از تقویت کننده ها هستند