تقویت کننده ها (Amplifiers)
تقویت‌کننده (Amplifier) یا «آمپلی‌فایر»، یک اصطلاح عمومی است که برای توصیف مدارهای تقویت‌کننده سیگنال به کار می‌رود. از آنجایی که مدارهای تقویت‌کننده‌ها شبیه به هم نیستند، آن‌ها را براساس پیکربندی‌های مدار و مُد کاری‌شان دسته‌بندی می‌کنند.
در «الکترونیک»، تقویت‌کننده‌های سیگنال کوچک، معمولاً در دستگاه‌هایی به کار می‌روند که سیگنال ورودی آن‌ها ضعیف است؛ برای مثال، سیگنال ضعیف یک سنسور در نمایشگر تصویر و سیگنال خروجی بزرگتر مثلاً برای راه‌اندازی رله، لامپ و بلندگو.
شکل‌های مختلفی از مدارهای الکترونیکی – از «تقویت‌کننده‌های عملیاتی» (Operational Amplifier) و سیگنال کوچک تا تقویت‌کننده‌های سیگنال بزرگ و توان – وجود دارند که در تقویت‌کننده‌ها دسته‌بندی می‌شوند. دسته‌بندی تقویت‌کننده‌ها، به مواردی مانند اندازه سیگنال، پیکربندی فیزیکی و چگونگی پردازش سیگنال ورودی (رابطه بین سیگنال ورودی و جریان بار) بستگی دارد.
انوع تقویت‌کننده‌ها در جدول زیر آورده شده است:
| نوع سیگنال | نوع پیکربندی | دسته‌بندی | فرکانس کاری |
| سیگنال کوچک | امیتر مشترک | تقویت‌کننده کلاس A | جریان مستقیم (DC) |
| سیگنال بزرگ | بیس مشترک | تقویت‌کننده کلاس B | فرکانس صوتی (AF) |
| کلکتور مشترک | تقویت‌کننده کلاس AB | فرکانس رادیویی (RF) | |
| تقویت‌کننده کلاس C | فرکانس‌های UHF ،VHF و SHF |
تقویت‌کننده را می‌توان به عنوان یک جعبه سیاه در نظر گرفت که از عناصر تقویت‌کننده مانند «ترانزیستور دوقطبی» (Bipolar Transistor) یا «ترانزیستور اثر میدان» (Field Effect Transistor) یا تقویت‌کننده عملیاتی تشکیل شده و دو پایه ورودی و دو پایه خروجی دارد (زمین مشترک است).
یک تقویت‌کننده سیگنال ایده‌آل، سه مشخصه اصلی دارد: مقاومت ورودی (RINRIN)، مقاومت خروجی (ROUTROUT) و اندازه تقویت‌کنندگی که بهره (A) نامیده می‌شود. بدون توجه به پیچیدگی مدار تقویت‌کننده‌ها، مدل عمومی آن‌ها را می‌توان با شکل زیر نشان داد که رابطه بین سه مشخصه را بیان می‌کند.
مدل تقویت‌کننده ایده‌آل
مقدار تقویت خروجی نسبت به ورودی را «بهره» (Gain) یا «گین» تقویت‌کننده می‌نامند. بهره، اساساً آن مقدار یا اندازه‌ای است که تقویت‌کننده ورودی را تقویت می‌کند. برای مثال، اگر سیگنال ورودی، ۱ ولت و خروجی، ۵۰ ولت باشد، بهره تقویت‌کننده «۵۰» خواهد بود. به عبارت دیگر، سیگنال ورودی، با ضریب ۵۰ افزایش یافته است. این افزایش، بهره نامیده می‌شود.
بهره تقویت‌کننده را می‌توان به سادگی و با تقسیم خروجی بر ورودی به‌دست آورد. از آنجایی که بهره، یک نسبت است، واحدی ندارد، اما در الکترونیک از نماد «A» برای نمایش میزان تقویت‌کنندگی استفاده می‌شود.
بهره تقویت‌کننده
همانطور که گفتیم، بهره تقویت‌کننده با تقسیم خروجی به ورودی قابل محاسبه است. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد:
بهره تقویت‌کننده سیگنال ورودی
به این ترتیب، سه نوع بهره وجود دارد: بهره ولتاژ (AvAv)، بهره جریان (AiAi) و بهره توان (ApAp) که به‌صورت زیر محاسبه می‌شوند:
بهره توان با تقسیم توان خروجی به توان ورودی قابل محاسبه است. همچنین، اندیس‌های i ،v و p برای نشان دادن نوع تقویت‌کننده به کار می‌روند.
بهره یا سطح توان یک تقویت‌کننده را با واحد دسی‌بل (Decibel) یا dB بیان می‌کنند. بل (B) مقیاس لگاریتمی (مبنای ۱۰) اندازه‌گیری است که واحدی ندارد. از آنجایی که بل، یک واحد بسیار بزرگ اندازه‌گیری به حساب می‌آید، با پیشوند دسی به دسی‌بل تبدیل می‌شود که یک‌دهمِ یک بل است. برای محاسبه بهره تقویت‌کننده با دسی‌بل یا dB، می‌توان از عبارات زیر استفاده کرد:
av=20×log(Av)av=20×log(Av) :بهره ولتاژ برحسب dB
ai=20×log(Ai)ai=20×log(Ai) :بهره جریان برحسب dB
ap=10×log(Ap)ap=10×log(Ap) :بهره توان برحسب dB
از آنجایی که بهره‌های ولتاژ و جریان، ۲۰ برابر لگاریتمِ نسبت خروجی به ورودی هستند، بهره توان DC یک تقویت‌کننده، ۱۰ برابر لگاریتم عادیِ نسبت خروجی به ورودی است. هرچند، به دلیل وجود لگاریتم، توان ۲۰dB، دو برابر ۱۰dB نیست. همچنین، مقدار مثبت dB، تقویت‌کنندگی و مقدار منفی آن، تضعیف را نشان می‌دهد. برای مثال، بهره تقویت‌کننده 3dB+ به این معنی است که سیگنال خروجی دو برابر سیگنال ورودی است و بهره 3dB- نشان می‌دهد که سیگنال، نصف و به عبارت دیگر تضعیف شده است. در یک تقویت‌کننده، نقطه 3dB- «نقطه نیم توان» (Half-Power Point) یا «نقطه نصف توان» نامیده می‌شود که به اندازه 3dB- از نقطه حداکثر کمتر است (با فرض نقطه حداکثر برابر ۰dB).
مثال
بهره ولتاژ، جریان و توان تقویتکنندهای را محاسبه کنید که جریان و ولتاژ سیگنال ورودی آن به‌ترتیب، 1mA و 10mV و جریان و ولتاژ خروجی آن نیز، ۱۰mA و ۱V است. این بهره‌ها را برحسب دسی‌بل (dB) نیز بیان کنید.
بهره‌های مختلف تقویت‌کننده به‌صورت زیر است:
و برحسب دسی‌بل (dB) به‌شکل زیر خواهد بود:
عموماً می‌توان تقویت‌کننده‌ها را بسته به بهره توان یا ولتاژ به زیردسته‌هایی تقسیم‌بندی کرد. اولین آن‌ها، تقویت‌کننده سیگنال کوچک است که «پیش تقویت‌کننده‌ها»، «تقویت‌کننده‌های ابزار دقیق» و غیره از این نوع هستند. این تقویت‌کننده‌ها، به منظور تقویت سیگنال‌های ورودی با سطوح ولتاژ بسیار پایین در حد میکروولت (μVμV) برای سنسورها یا سیگنال‌های رادیویی طراحی می‌شوند. نوع دیگر، تقویت‌کننده‌های سیگنال بزرگ مانند «تقویت‌کننده‌های توان صوتی» یا «تقویتکنندهای سوئیچینگ توان» هستند. این تقویت‌کننده‌ها، برای تقویت سیگنال‌های ورودی بزرگ یا سوئیچ کردن جریان‌های بسیار زیاد به کار می‌روند.
تقویت‌کننده توان
تقویت‌کننده‌های ولتاژ، عموماً تقویت‌کننده سیگنال کوچک نامیده می‌شوند، زیرا معمولاْ یک ولتاژ ورودی کوچک را به یک ولتاژ خروجی بزرگتر تبدیل می‌کنند. گاهی اوقات، برای راه‌اندازی یک موتور یا تغذیه یک بلندگو، استفاده از یک مدار تقویت‌کننده ضروری است. در این موارد، معمولاً جریان سوئیچینگ بالا لازم است که تقویت‌کننده‌های توان، آن را تامین می‌کنند.
همان‌گونه که از نام تقویت‌کننده‌های توان (یا تقویت‌کننده‌های سیگنال بزرگ) پیداست، وظیفه آن‌ها، تحویل توان به بار است. این توان، از توان ورودی تقویت‌کننده بیشتر است. تقویت‌کننده‌های توان، توان DC منبع تغذیه را به یک سیگنال ولتاژ AC برای تحویل به بار تبدیل می‌کنند. گرچه میزان تقویت‌کنندگی این تقویت‌کننده‌ها بالاست، اما بازده آن‌ها برای تبدیل از منبع به سیگنال خروجی معمولاً پایین است.
بازده «تقویت‌کننده کامل» یا «ایده‌آل»، ۱۰۰ درصد است؛ به عبارت دیگر، توان ورودی «IN»، حداقل برابر با توان خروجی «OUT» خواهد بود. هرچند، چنین چیزی در واقعیت رخ نخواهد داد، زیرا همواره مقداری از توان به صورت گرما و غیره تلف خواهد شد و خود تقویت‌کننده نیز، در فرایند تقویت‌کنندگی مقداری توان مصرف خواهد کرد. بازده یک تقویت‌کننده به‌صورت زیر تعریف می‌شود:
تقویت‌کننده ایده‌آل
بر اساس مواردی که گفته شد، یک تقویت‌کننده ایده‌آل باید مشخصه‌های زیر را داشته باشد (در عبارات زیر، منظور از بهره، بهره ولتاژ است):
- بهره تقویت‌کننده (A)، باید به ازای مقادیر مختلف سیگنال ورودی، ثابت باشد.
- بهره، نباید تحت تاثیر فرکانس قرار گیرد. تمام سیگنال‌ها با فرکانس‌های مختلف، باید به مقدار یکسانی تقویت شوند.
- بهره تقویت‌کننده، نباید نویز به سیگنال خروجی اضافه کند. همچنین باید همه نویزهای موجود در ورودی را از قبل حذف کند.
- بهره نباید تحت تاثیر تغییرات دمایی قرار گیرد و لازم است پایداری حرارتی مناسبی داشته باشد.
- بهره تقویت‌کننده باید در هر لحظه ثابت بماند.
کلاس تقویت‌کننده‌های الکترونیکی
دسته‌بندی تقویت‌کننده‌ها به عنوان تقویت‌کننده توان یا ولتاژ، با مقایسه مشخصه‌های سیگنال ورودی و خروجی انجام می‌شود. این کار با اندازه‌گیری سیگنال ورودی، هنگام وجود جریان خروجی در مدار صورت می‌گیرد.
همانطور که می‌دانیم، برای اینکه «ترانزیستور امیتر مشترک» در «ناحیه فعال» (Active Region) کار کند، «بایاسِ بیس» (Base Biasing) ضروری است. افزودن یک ولتاژ بایاس بیس کوچک به سیگنال ورودی، موجب می‌شود ترانزیستور موج کامل ورودی را در خروجی تولید کند.
البته با تغییر وضعیت ولتاژ بایاس بیس، تقویت‌کننده می‌تواند علاوه بر تولید موج کامل، در مُد تقویت‌کنندگی نیز عمل کند. با توجه به ولتاژ بایاس بیس، مُدها و محدوده‌های کاری مختلفی وجود دارد که می‌توان آن‌ها را دسته‌بندی کرد. مُد کاری، بیشتر با نام «کلاس» (Class) تقویت‌کننده شناخته می‌شود.
تقویت‌کننده‌های توان صوتی، بر اساس پیکربندی مدار و مُد کاری، به صورت الفبایی در کلاس A، کلاس B، کلاس C، کلاس AB و غیره دسته‌بندی می‌شوند. این کلاس‌ها، از خروجی تقریباً خطی با بازده پایین تا خروجی غیرخطی با بازده بالا وجود دارند. هیچ‌کدام از تقویت‌کننده‌ها، «بهتر» یا «بدتر» از دیگری نیست و بنا بر نیاز، کاربرد مشخصی دارد. هریک از کلاس‌های مختلف تقویت‌کننده‌ها، بازده حداکثر مشخصی دارد و متداول‌ترین آن‌ها به‌صورت زیر است:
- تقویت‌کننده کلاس A: بازده آن کمتر از ۴۰ درصد است، اما «بازتولید» (Reproducing) و خطی بودن (Linearity) آن مناسب است.
- تقویت‌کننده کلاس B: بازده آن تقریباً دو برابر تقویت‌کننده کلاس A و از نظر تئوری، حداکثر حدود ۷۰ درصد است، زیرا فقط برای نصف سیگنال ورودی هدایت کرده و درنتیجه توان مصرف می‌کند.
- تقویت‌کننده کلاس AB: بازده آن بین بازده تقویت‌کننده کلاس A و کلاس B است، اما سیگنال ضعیف‌تری نسبت به تقویت‌کننده‌های کلاس A تولید می‌کند.
- تقویت‌کننده کلاس C: پربازده‌ترین کلاس تقویت‌کننده است، اما اعوجاج در آن بالاست و بخش کوچکی از سیگنال ورودی تقویت می‌شود، بنابراین، خروجی آن، شباهت بسیار کمی با سیگنال ورودی دارد. تقویت‌کننده‌های کلاس C کمترین بازتولید را دارند.
تقویت‌کننده کلاس A
تقویت‌کننده کلاس A، سیگنال ورودی را به‌طور کامل در خروجی بازتولید می‌کند. در این تقویت‌کننده، ترانزیستور در ناحیه فعال، کاملاً بایاس شده و بنابراین، در نواحی «قطع» (Cut-Off) یا «اشباع» (Saturation) کار نمی‌کند. در نتیجه، سیگنال ورودی AC دقیقاً بین کران بالا و پایین سیگنال تقویت‌کننده قرار خواهد داشت. شکل زیر، این موضوع را نشان می‌دهد.
شکل موج خروجی تقویت‌کننده کلاس A
در این پیکربندی، از ترانزیستورهای مشابه برای هر دو نیمه شکل موج خروجی استفاده می‌شود و بسته به نحوه بایاس، حتی اگر سیگنال ورودی وجود نداشته باشد، جریان خروجی ترانزیستور برقرار است. به عبارت دیگر، ترانزیستورهای خروجی، هیچگاه خاموش نمی‌شوند. به همین دلیل است که عملکرد کلاس A بسیار کم‌بازده است و توانی که از منبع DC به سیگنال AC تبدیل می‌شود خیلی کم است.
معمولاً ترانزیستور خروجی یک تقویت‌کننده کلاس A، حتی زمانی که سیگنال ورودی وجود نداشته باشد، بسیار داغ می‌شود و بنابراین باید از «هیت‌سینک» (Heat Sinking) یا گرمابَر استفاده کرد. وقتی جریان خروجی برقرار نباشد، جریان مستقیم ترانزیستور (IcIc) برابر با جریان بار خواهد بود. یک تقویت‌کننده کلاس A، بیشتر توان DC را به گرما تبدیل می‌کند، از همین رو بسیار کم‌بازده است.
تقویت‌کننده کلاس B
برخلاف تقویت‌کننده کلاس A، در تقویت‌کننده کلاس B از دو ترانزیستور مکمل (یک NPN و یک PNP یا یک NMOS و یک PMOS) برای تولید هر نیم موج خروجی استفاده می‌شود. یک ترانزیستور، نصف شکل موج و دیگری نیمه باقیمانده را به خروجی هدایت می‌کنند. یعنی هر ترانزیستور، نصف مدت کاری در ناحیه فعال و نصف دیگر در ناحیه قطع است. به همین دلیل، ۵۰ درصد سیگنال ورودی را تقویت می‌کند.
در این کلاس، ولتاژ بایاس وجود ندارد، اما به جای آن، ترانزیستور، تنها زمانی عمل می‌کند که سیگنال ورودی، از ولتاژ بیس-امیتر بزرگتر (برای قطعات نیمه‌رسانا حدود 0.7 ولت) باشد. بنابراین، هنگامی که ورودی صفر است، خروجی نیز صفر خواهد شد. ظاهر شدن نصف شکل موج ورودی در خروجی، موجب می‌شود تقویت‌کننده بازده بیشتری داشته باشد.
شکل موج خروجی تقویت‌کننده کلاس B
در تقویت‌کننده کلاس B، از ولتاژ DC برای بایاس ترانزیستورها استفاده نمی‌شود، بنابراین برای هدایت هر نیم موج مثبت و منفی توسط ترانزیستورها، به ولتاژ بیس-امیتر (VbeVbe) بزرگتر از ۰.۷ ولت نیاز است. بنابراین، بخش پایینی شکل موج خروجی که زیر پنجره 0.7 ولتی است، تولید نخواهد شد. به همین دلیل، یک ناحیه اعوجاج یافته وجود خواهد داشت که وقتی یک ترانزیستور خاموش می‌شود، مدتی می‌گذرد تا ترانزیستور بعدی روشن شود. در نتیجه، بخش کوچکی از شکل موج خروجی در ولتاژ صفر قرار دارد که اعوجاج می‌یابد. این اعوجاج، «اعوجاج گذر از صفر» (Crossover Distortion) نامیده می‌شود.
تقویت‌کننده کلاس AB
پیکربندی تقویت‌کننده کلاس AB، چیزی بین پیکربندی کلاس A و B است. اگرچه در این کلاس، از دو ترانزیستور مکمل در خروجی استفاده می‌شود، هنگامی که سیگنال ورودی وجود ندارد، برای نزدیک شدن ترانزیستور به ناحیه قطع، یک ولتاژ بایاس بسیار کوچک به بیس ترانزیستور اعمال می‌شود. سیگنال ورودی، سبب می‌شود ترانزیستور به صورت نرمال در ناحیه فعال کار کند و بدین صورت، از هر اعوجاج قطع که در کلاس B وجود داشت جلوگیری خواهد شد. این یعنی ترانزیستور برای بیش از نصف شکل موج، در یک تناوب فعال خواهد شد. بهره و خاصیت خطی بودن این کلاس تقویت‌کننده، در مقایسه با کلاس A بیشتر است.
شکل موج خروجی تقویت‌کننده کلاس AB
کلاس کاری یک تقویت‌کننده، بسیار مهم است و همان‌گونه که سیگنال ورودی باید دامنه داشته باشد، وجود بایاس برای ترانزیستور نیز ضروری است. در دسته‌بندی تقویت‌کننده‌ها، سیگنال ورودی، بازده و توان مصرفی و توان اتلافی در قالب گرما در نظر گرفته می‌شوند. با این اوصاف، می‌توان انواع تقویت‌کننده‌ها را در جدول زیر دسته‌بندی کرد:
| کلاس | A | B | C | AB |
| زاویه هدایت | ۳۶۰ درجه | ۱۸۰ درجه | کمتر از ۹۰ درجه | ۱۸۰ تا ۳۶۰ درجه |
| وضعیت نقطه Q | نقطه مرکز خط بار | دقیقاً روی محور X | زیر محور X | بین محور X و مرکز خط بار |
| بازده کلی | ۲۵ تا ۳۰ درصد | ۷۰ تا ۸۰ درصد | بش از ۸۰ درصد | ۵۰ تا ۷۰ درصد |
| اعوجاج سیگنال | اگر به درستی بایاس شود، وجود ندارد | در نقطه قطع محور X | زیاد | کم |
تقویت‌کننده‌هایی که به خوبی طراحی نشده باشند (مخصوصاً کلاس A) به ترانزیستورهای توان بزرگتر، هیت‌سینک گران‌تر، خنک‌کننده و حتی منابع تغذیه بزرگتر نیاز دارند تا توان تلف شده اضافه را جبران کنند. توانی که در ترانزیستورها، مقاومت‌ها یا هر یک از عناصر دیگر به گرما تبدیل می‌شود، هر مدار الکترونیکی را کم‌بازده کرده و گاهی عدم عملکرد آن را رقم می‌زند.
حال این پرسش پیش می‌آید که چرا از یک تقویت‌کننده کلاس A استفاده می‌کنیم که بازده آن کمتر از ۴۰ درصد است و از کلاس B با بازده بیش از ۷۰ درصد استفاده نمی‌کنیم. این امر به دلیل خاصیت خطی تقویت‌کننده کلاس A در یک پاسخ فرکانسی بزرگتر است. در این حالت، تقویت‌کننده کلاس A حتی ممکن است توان DC بیشتری مصرف کند.
