فرادرساعوجاج گذر از صفر (Crossover Distortion) در تقویت کننده ها — از صفر تا صد
دیدیم که یکی از معایب اصلی تقویت‌کننده‌های کلاس A، بازده کم آن‌ها به دلیل بایاس حول نقطه کار مرکزی است. همچنین دیدیم که می‌توان با پیکربندی پوش-پول کلاس B، بازده را به تقریباً دو برابر افزایش داد. اگرچه، این نوع تقویت‌کننده از نظر بازدهی عالی است، اما اکثر تقویت‌کننده‌های کلاس B بدون ترانسفورماتور هستند یا دو ترانزیستور مکمل در خروجی دارند.
یک مشکل اساسی در تقویت‌کننده‌های پوش-پول، عدم ترکیب کامل خروجی‌های دو ترانزیستور است؛ زیرا ترکیب بایاس قطع صفر منحصر به فردی دارند. هنگامی که این مشکل به دلیل تغییرات سیگنال یا «گذر از صفر» (Crossover) یک ترانزیستور به ترانزیستور دیگر در نقطه ولتاژ صفر رخ می‌دهد، مقداری «اعوجاج» (Distortion) در شکل موج خروجی به وجود می‌آید. این اعوجاج، «اعوجاج گذر از صفر» (Crossover Distortion) نامیده می‌شود.
اعوجاج گذر از صفر، یک «ناحیه تخت» (Flat Spot) یا «باند مرده» (Deadband) با ولتاژ صفر در شکل موج خروجی تولید کرده که از یک نیم شکل موج به دیگری عبور می‌کند. دلیل این امر این است که گذار ترانزیستورها، دقیقاً در نقطه گذر از صفر رخ نمی‌دهد و به همین دلیل، تاخیر کوچکی بین خاموش شدن ترانزیستور اول و روشن شدن ترانزیستور دوم ایجاد می‌شود. این تاخیر باعث می‌شود هر دو ترانزیستور در یک لحظه خاموش باشند. این اعوجاج در شکل زیر نشان داده شده است.
برای آنکه اعوجاجی در خروجی وجود نداشته باشد، باید هر تزانزیستور زمانی شروع به هدایت کند که ولتاژ بیس-امیتر بالاتر از صفر شود. اما می‌دانیم که این امر نشدنی است، زیرا ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستورهای دوقطبی برای هدایت باید حداقل 0.7 ولت باشد (به دلیل افت ولتاژ دیود مستقیم بیس-امیتر). بنابراین، ناحیه تخت ایجاد خواهد شد. این اعوجاج گذر از صفر، مقدار پیک-پیک شکل موج خروجی را نیز کاهش می‌دهد و در نتیجه حداکثر توان خروجی کاهش می‌یابد.
اثر این اعوجاج در سیگنال‌های ورودی بزرگ، خیلی محسوس نیست، اما در سیگنال‌های ورودی کوچک می‌تواند سبب اعوجاج صدا شود.
پیش‌بایاس خروجی
مسئله اعوجاج گذر از صفر را می‌توان با اعمال یک ولتاژ بایاس مستقیم به پایه‌های بیس ترانزیستورها از طریق سر وسط ترانسفورماتور ورودی کاهش داد.
بنابراین، ترانزیستورها دیگر با نقطه قطع بایاس نمی‌شوند و و به جای آن، در یک سطح ولتاژ معین، «پیش‌بایاس» می‌شوند.
از آنجایی که دو ترانزیستور کمی بالاتر از نقطه قطع اصلی‌شان بایاس شده‌اند، این نوع پیش‌بایاس مقاومتی سبب می‌شود یکی از ترانزیستورها دقیقاً در همان زمانی روشن شود که دیگری خاموش می‌شود. این پیش‌بایاس را می‌توان در تقویت‌کننده‌های بدون ترانس که ترانزیستورهای مکمل دارند، به سادگی و با تعویض مقاومت‌های مقسم ولتاژ با دیودهای بایاس نیز پیاده‌سازی کرد. این کار در شکل زیر نشان داده شده است.
ولتاژ پیش‌بایاس چه برای تقویت‌کننده‌های دارای ترانس و چه بدون ترانس، سبب حرکت نقطه کار اصلی قبل می‌شود و باعث خواهد شد هر ترانزیستور برای بیش از نصف شکل موج یا 180 درجه برای هم نیم سیکل در ناحیه فعال کار کند؛ به عبارت دیگر، 180+بایاس. ولتاژ بایاس دیود پایه بیس ترانزیستور را می‌توان با تعبیه دیودهای سری افزایش داد. با این کار، مداری به نام تقویت‌کننده کلاس AB خواهیم داشت که مشخصه آن در شکل زیر نشان داده شده است.
جمع‌بندی
اعوجاج گذر از صفر، به دلیل بایاس نقطه قطع در تقویت‌کننده‌های کلاس B اتفاق می‌افتد. این اعوجاج، در نتیجه این است که هنگام عبور شکل موج از صفر، هر دو ترانزیستور در یک لحظه خاموش هستند. با اعمال یک ولتاژ بایاس کوچک از طریق مقاومت مقسم ولتاژ یا دیود می‌توان با آوردن ترانزیستورها به نقطه‌ای که دقیقاً باید روشن شوند، اعوجاج گذر از صفر را کاهش داد یا حذف کرد.
این بایاس ولتاژ، به نوع دیگری از تقویت‌کننده‌ها به نام تقویت‌کننده کلاس AB منجر می‌شود. تفاوت بین یک تقویت‌کننده کلاس B با کلاس AB، سطح بایاس اعمالی به ترانزیستورهای خروجی است. مزیت استفاده از دیودها نسبت به مقاومت‌ها، پیوند PN آن‌هاست که با تغییر دمای ترانزیستورها تطبیق دارد.
بنابراین، می‌توان گفت تقویت‌کننده کلاس AB همان تقویت‌کننده کلاس B است که «بایاس» به آن افزوده شده است. در نتیجه می‌توان برای کلاس‌های مختلف، ویژگی‌های زیر را بیان کرد:
- تقویت‌کننده‌های کلاس A: چون در وسط خط بار بایاس می‌شوند، اعوجاج گذر از صفر ندارند.
- تقویت‌کننده‌های کلاس B: به دلیل بایاس در نقطه قطع، اعوجاج گذر از صفر زیادی دارند.
- تقویت‌کننده‌های کلاس AB: اگر سطح بایاس خیلی کوچک باشد، کمی اعوجاج گذر از صفر دارند.
علاوه بر سه کلاس تقویت‌کننده بالا، تقویت‌کننده‌های دیگری با بازده بالا وجود دارد که سوئیچینگ هستند و از تکنیک‌های سوئیچیگ برای کاهش تلفات توان و افزایش بازده استفاده می‌کنند. برخی از این تقویت‌کننده‌ها، در تشدیدکننده‌های RLC یا منابع تغذیه ولتاژ چندگانه برای کاهش تلفات و اعوجاج به کار می‌روند.
اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- تقویت کننده ها (Amplifiers) — به زبان ساده
- اعوجاج در تقویت کننده‌ها (Amplifier Distortion) -- به زبان ساده
- تقویت کننده های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
^^
