آشنایی با آمپلی فایر

آمپلی فایر یک دستگاه یا مدار الکترونیکی است که برای افزایش اندازه سیگنال اعمال شده به ورودی آن استفاده می شود.

آمپلی فایر اصطلاح عمومی است که برای توصیف مداری استفاده می شود که نسخه سیگنال ورودی خود را تولید و افزایش می دهد. با این حال، همانطور که در این مقدمه برای آموزش آمپلی فایر خواهیم دید، همه مدارهای آمپلی فایر یکسان نیستند زیرا بر اساس پیکربندی مدار و حالت های عملکردشان طبقه بندی می شوند.

در «الکترونیک»، آمپلی فایرهای سیگنال کوچک دستگاه‌هایی هستند که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا توانایی تقویت سیگنال ورودی نسبتاً کوچک را دارند، به عنوان مثال از یک سنسور مانند یک دستگاه عکس، به یک سیگنال خروجی بسیار بزرگ‌تر برای هدایت رله، لامپ یا به عنوان مثال بلندگو

انواع مختلفی از مدارهای الکترونیکی وجود دارد که به عنوان آمپلی فایر طبقه بندی می شوند، از آمپلی فایر های عملیاتی و آمپلی فایرهای سیگنال کوچک تا آمپلی فایر های سیگنال بزرگ و قدرت. طبقه بندی یک آمپلی فایر به اندازه سیگنال، بزرگ یا کوچک، پیکربندی فیزیکی آن و نحوه پردازش سیگنال ورودی، که رابطه بین سیگنال ورودی و جریان در بار است، بستگی دارد.

نوع یا طبقه بندی آمپلی فایر در جدول زیر آورده شده است.

آمپلی فایر ها را می توان به عنوان یک جعبه یا بلوک ساده حاوی دستگاه آمپلی فایر، مانند ترانزیستور دوقطبی، ترانزیستور اثر میدان یا آمپلی فایر عملیاتی در نظر گرفت که دارای دو ترمینال ورودی و دو ترمینال خروجی (زمین معمول است) با سیگنال خروجی بسیار بیشتر است. از سیگنال ورودی که "تقویت شده" است.

یک آمپلی فایر سیگنال ایده آل دارای سه ویژگی اصلی است: مقاومت ورودی یا (RIN)، مقاومت خروجی یا (ROUT) و البته تقویت که معمولاً به عنوان Gain یا (A) شناخته می شود. مهم نیست که مدار آمپلی فایر چقدر پیچیده باشد، هنوز هم می توان از یک مدل آمپلی فایر عمومی برای نشان دادن رابطه این سه ویژگی استفاده کرد.

مدل آمپلی فایر ایده آل

تفاوت تقویت شده بین سیگنال های ورودی و خروجی به عنوان Gain آمپلی فایر شناخته می شود. Gain اساساً معیاری است که نشان می‌دهد یک آمپلی فایر چقدر سیگنال ورودی را "تقویت" می‌کند. به عنوان مثال، اگر سیگنال ورودی 1 ولت و خروجی 50 ولت داشته باشیم، Gain آمپلی فایر "50" خواهد بود. به عبارت دیگر سیگنال ورودی ضریب 50 افزایش یافته است که به این افزایش Gain می گویند.

Gain آمپلی فایر صرفاً نسبت خروجی تقسیم بر ورودی است. Gain هیچ واحدی به عنوان نسبت ندارد، اما در الکترونیک معمولاً به آن نماد "A" برای تقویت داده می شود. سپس Gain یک آمپلی فایر به سادگی به عنوان "سیگنال خروجی تقسیم بر سیگنال ورودی" محاسبه می شود.

افزایش آمپلی فایر
می توان گفت مقدمه Gain آمپلی فایر رابطه ای است که بین سیگنال اندازه گیری شده در خروجی با سیگنال اندازه گیری شده در ورودی وجود دارد. سه نوع مختلف Gain آمپلی فایر وجود دارد که می‌توان اندازه‌گیری کرد و اینها عبارتند از: افزایش ولتاژ (Av)، افزایش جریان (Ai) و افزایش قدرت (Ap) بسته به مقدار اندازه‌گیری شده با نمونه‌هایی از این انواع مختلف Gainها در زیر آورده شده است.

آمپلی فایر افزایش سیگنال ورودی

توجه داشته باشید که برای Power Gain می توانید توان بدست آمده در خروجی را بر توان بدست آمده در ورودی تقسیم کنید. همچنین هنگام محاسبه Gain آمپلی فایر، از زیرنویس های v، i و p برای نشان دادن نوع Gain سیگنال استفاده می شود.

Power Gain (Ap) یا سطح توان آمپلی فایر را نیز می توان بر حسب دسی بل (dB) بیان کرد. بل (B) یک واحد لگاریتمی (مبنای 10) اندازه گیری است که هیچ واحدی ندارد. از آنجایی که بل یک واحد اندازه گیری بسیار بزرگ است، پیشوند آن با دسی است که آن را دسی بل می کند به جای اینکه یک دسی بل یک دهم (1/10) بل باشد. برای محاسبه Gain آمپلی فایر بر حسب دسی بل یا دسی بل می توان از عبارات زیر استفاده کرد.

• Voltage Gain in dB:   av  =  20*log(Av)
•   Current Gain in dB:   ai  =  20*log(Ai)
•   Power Gain in dB:   ap  =  10*log(Ap)
• توجه داشته باشید که Gain DC یک آمپلی فایر برابر با ده برابر لاگ معمولی نسبت خروجی به ورودی است، در حالی که Gain های ولتاژ و جریان 20 برابر لاگ معمولی نسبت هستند. با این حال، توجه داشته باشید که 20dB به دلیل مقیاس log دو برابر قدرت 10dB نیست.
  
  همچنین مقدار مثبت dB نشان دهنده Gain و مقدار منفی dB نشان دهنده Loss در آمپلی فایر است. به عنوان مثال، Gain آمپلی فایر +3dB نشان می دهد که سیگنال خروجی آمپلی فایر "دوبرابر" شده است، (x2) در حالی که Gain آمپلی فایر -3dB نشان می دهد که سیگنال "نصف" شده است، (x0.5) یا به عبارت دیگر افت کرده است. .
  
  نقطه -3dB یک آمپلی فایر را نقطه نیمه توان می نامند که از حداکثر -3dB پایین تر است و 0dB را به عنوان حداکثر مقدار خروجی می گیرد.
  
  مقدمه ای بر آمپلی فایر مثال شماره 1
  ولتاژ، جریان و قدرت آمپلی فایر ای که دارای سیگنال ورودی 1 میلی آمپر در 10 میلی ولت و سیگنال خروجی متناظر 10 میلی آمپر در ولتاژ 1 ولت است را تعیین کنید. همچنین، هر سه افزایش را با دسی بل، (dB) بیان کنید.
  
  سودهای مختلف آمپلی فایر:
• سود آمپلی فایر به دسی بل (dB): سپس آمپلی فایر دارای افزایش ولتاژ، (Av) 100، افزایش جریان، (Ai) 10 و افزایش قدرت، (Ap) 1000 است.
  
  به طور کلی، آمپلی فایر ها را می توان بسته به قدرت یا افزایش ولتاژ آنها به دو نوع مجزا تقسیم کرد. یک نوع آمپلی فایر سیگنال کوچک نامیده می شود که شامل پیش آمپلی فایر ها، آمپلی فایر های ابزار دقیق و غیره است. آمپلی فایر های سیگنال کوچک برای تقویت سطوح ولتاژ سیگنال بسیار کوچک تنها چند میکرو ولت (μV) از سنسورها یا سیگنال های صوتی طراحی شده اند.
  
  نوع دیگر آمپلی فایر های سیگنال بزرگ مانند آمپلی فایر های قدرت صوتی یا آمپلی فایر های سوئیچینگ قدرت نامیده می شوند. تقویت‌کننده‌های سیگنال بزرگ برای تقویت سیگنال‌های ولتاژ ورودی بزرگ یا تغییر جریان‌های بار سنگین مانند بلندگوهای رانندگی طراحی شده‌اند.
  
  آشنایی با آمپلی فایر آمپلی فایر های قدرت
  آمپلی فایر سیگنال کوچک به طور کلی به عنوان آمپلی فایر "ولتاژ" شناخته می شود زیرا آنها معمولا یک ولتاژ ورودی کوچک را به یک ولتاژ خروجی بسیار بزرگتر تبدیل می کنند. گاهی اوقات یک مدار آمپلی فایر برای به حرکت درآوردن یک موتور یا تغذیه یک بلندگو مورد نیاز است و برای این نوع برنامه ها که در آن جریان سوئیچینگ بالا مورد نیاز است، آمپلی فایر های برق مورد نیاز است.
  
  همانطور که از نام آنها پیداست، کار اصلی "پاور آمپلی فایر" (که به عنوان آمپلی فایر سیگنال بزرگ نیز شناخته می شود)، رساندن توان به بار است و همانطور که از بالا می دانیم، حاصل ضرب ولتاژ و جریان اعمال شده به بار است. بار با قدرت سیگنال خروجی بیشتر از قدرت سیگنال ورودی است. به عبارت دیگر، یک آمپلی فایر قدرت، قدرت سیگنال ورودی را تقویت می کند، به همین دلیل است که این نوع مدارهای آمپلی فایر در مراحل خروجی آمپلی فایر صوتی برای راه اندازی بلندگوها استفاده می شوند.
  
  آمپلی فایر قدرت بر اساس اصل اولیه تبدیل توان DC گرفته شده از منبع تغذیه به سیگنال ولتاژ AC تحویل بار به بار کار می کند. اگرچه تقویت بالا است، اما بازده تبدیل از ورودی منبع تغذیه DC به خروجی سیگنال ولتاژ AC معمولا ضعیف است.
  
  آمپلی فایر کامل یا ایده آل به ما امتیاز بازدهی 100% می دهد یا حداقل توان "IN" برابر با توان "OUT" خواهد بود. با این حال، در واقع این هرگز نمی تواند اتفاق بیفتد زیرا مقداری از توان به صورت گرما از بین می رود و همچنین خود آمپلی فایر در طول فرآیند تقویت انرژی مصرف می کند. سپس راندمان یک آمپلی فایر به صورت زیر داده می شود:
  
  بازده آمپلی فایر
• 
  
• آمپلی فایر ایده آل
  ما می‌توانیم ویژگی‌های یک تقویت‌کننده ایده‌آل را از بحث ما در بالا با توجه به Gain، به معنای افزایش ولتاژ، مشخص کنیم:
  
  Gainآمپلی فایر، (A) باید برای مقادیر متغیر سیگنال ورودی ثابت بماند.
  سود تحت تأثیر فرکانس قرار نمی گیرد. سیگنال های همه فرکانس ها باید دقیقاً به همان میزان تقویت شوند.
  Gain آمپلی فایر نباید به سیگنال خروجی نویز اضافه کند. باید هر نویز موجود در سیگنال ورودی را حذف کند.
  Gain آمپلی فایر نباید تحت تأثیر تغییرات دما قرار گیرد که پایداری دمایی خوبی را ایجاد می کند.
  Gainآمپلی فایر باید در مدت زمان طولانی ثابت بماند.
• 
  کلاس های آمپلی فایر های الکترونیکی
  طبقه بندی یک آمپلی فایر به عنوان آمپلی فایر ولتاژ یا توان با مقایسه ویژگی های سیگنال های ورودی و خروجی با اندازه گیری مقدار زمان نسبت به سیگنال ورودی که جریان در مدار خروجی جریان دارد، انجام می شود.
  
  ما در آموزش ترانزیستور امیتر معمولی دیدیم که برای کارکرد ترانزیستور در "منطقه فعال" خود به نوعی "بایاس پایه" نیاز است. این ولتاژ کوچک Base Bias اضافه شده به سیگنال ورودی به ترانزیستور اجازه می دهد تا شکل موج ورودی کامل را در خروجی خود بدون از دست دادن سیگنال بازتولید کند.
  
  با این حال، با تغییر موقعیت این ولتاژ بایاس پایه، می‌توان تقویت‌کننده را در حالت تقویتی غیر از حالتی که برای بازتولید شکل موج کامل عمل کرد، کار کرد. با معرفی تقویت‌کننده ولتاژ بایاس پایه، محدوده‌های کاری و حالت‌های عملکرد متفاوتی را می‌توان به دست آورد که بر اساس طبقه‌بندی آنها دسته‌بندی می‌شوند. این حالت‌های مختلف عملکرد بهتر به عنوان کلاس تقویت‌کننده شناخته می‌شوند.
  
  آمپلی فایر های قدرت صوتی به ترتیب حروف الفبا بر اساس پیکربندی مدار و نحوه عملکردشان طبقه بندی می شوند. آمپلی‌فایرها با کلاس‌های عملکردی مختلفی مانند کلاس A، کلاس B، کلاس C، کلاس AB و غیره تعیین می‌شوند. خروجی خطی اما با راندمان بالا.
  
  هیچ کلاسی از عملکرد "بهتر" یا "بدتر" از هر کلاس دیگری نیست و نوع عملکرد با استفاده از مدار آمپلی فایر تعیین می شود. حداکثر بازده تبدیل معمولی برای انواع مختلف یا کلاس آمپلی فایر وجود دارد که رایج ترین آنها عبارتند از:
  
  آمپلی فایر کلاس A - دارای راندمان پایین کمتر از 40٪ اما بازتولید سیگنال و خطی بودن خوب است.
  آمپلی فایر کلاس B - دو برابر بازدهی آمپلی فایر های کلاس A با حداکثر راندمان نظری حدود 70٪ است زیرا دستگاه آمپلی فایر فقط نیمی از سیگنال ورودی را هدایت می کند (و از توان استفاده می کند).
  آمپلی فایر کلاس AB - دارای رتبه بازدهی بین کلاس A و کلاس B است اما بازتولید سیگنال ضعیف تری نسبت به آمپلی فایر های کلاس A دارد.
  آمپلی فایر کلاس C - کارآمدترین کلاس آمپلی فایر است، اما اعوجاج بسیار زیاد است، زیرا تنها بخش کوچکی از سیگنال ورودی تقویت می شود، بنابراین سیگنال خروجی شباهت بسیار کمی به سیگنال ورودی دارد. آمپلی فایر های کلاس C بدترین بازتولید سیگنال را دارند.
• مقدمه ای بر آمپلی فایر - آمپلی فایر کلاس A
  پیکربندی اولیه یک آمپلی فایر کلاس A مقدمه خوبی برای مدار آمپلی فایر فراهم می کند. عملکرد آمپلی فایر کلاس A جایی است که کل شکل موج سیگنال ورودی به طور صادقانه در ترمینال خروجی آمپلی فایر بازتولید می شود زیرا ترانزیستور کاملاً در ناحیه فعال خود بایاس می شود. این بدان معنی است که ترانزیستور سوئیچینگ هرگز به مناطق قطع یا اشباع خود هدایت نمی شود. نتیجه این است که سیگنال ورودی AC کاملاً بین مرزهای سیگنال بالایی و پایینی آمپلی فایر مطابق شکل زیر "مرکز" است.
  
  شکل موج خروجی آمپلی فایر کلاس A
• 

یک پیکربندی آمپلی فایر کلاس A از ترانزیستور سوئیچینگ یکسان برای هر دو نیمه شکل موج خروجی استفاده می کند و به دلیل آرایش بایاس مرکزی آن، ترانزیستور خروجی همیشه دارای یک جریان بایاس DC ثابت است، (ICQ) که از آن عبور می کند، حتی اگر ورودی وجود نداشته باشد. سیگنال موجود به عبارت دیگر ترانزیستورهای خروجی هرگز خاموش نمی شوند و در حالت بیکار دائمی هستند.

این منجر به عملکرد نوع کلاس A تا حدودی ناکارآمد می شود زیرا تبدیل برق منبع DC به توان سیگنال AC تحویلی به بار معمولاً بسیار کم است.

با توجه به این نقطه بایاس متمرکز، ترانزیستور خروجی آمپلی فایر کلاس A می تواند بسیار داغ شود، حتی زمانی که سیگنال ورودی وجود نداشته باشد، بنابراین به نوعی فروکش حرارتی نیاز است. جریان بایاس DC که از کلکتور ترانزیستور (ICQ) می گذرد برابر با جریانی است که از بار کلکتور می گذرد. بنابراین یک آمپلی فایر کلاس A بسیار ناکارآمد است زیرا بیشتر این توان DC به گرما تبدیل می شود.

مقدمه ای بر آمپلی فایر - آمپلی فایر کلاس B
برخلاف حالت عملکرد آمپلی فایر کلاس A که در بالا از یک ترانزیستور برای مرحله توان خروجی خود استفاده می کند، آمپلی فایر کلاس B از دو ترانزیستور مکمل (یک NPN و یک PNP یا یک NMOS و یک PMOS) برای تقویت هر نیمه از ترانزیستور استفاده می کند. شکل موج خروجی

یک ترانزیستور فقط برای نیمی از شکل موج سیگنال هدایت می کند در حالی که دیگری برای نیمه دیگر یا مخالف شکل موج سیگنال هدایت می کند. این بدان معنی است که هر ترانزیستور نیمی از زمان خود را در ناحیه فعال و نیمی از زمان خود را در منطقه قطع می گذراند و در نتیجه تنها 50٪ از سیگنال ورودی را تقویت می کند.

عملکرد کلاس B برخلاف آمپلی فایر کلاس A ولتاژ بایاس مستقیم DC ندارد، اما در عوض ترانزیستور تنها زمانی هدایت می‌شود که سیگنال ورودی بیشتر از ولتاژ پایه-امیتر (VBE) باشد و برای ترانزیستورهای سیلیکونی، این ولتاژ حدود 0.7 ولت است. بنابراین با سیگنال ورودی صفر خروجی صفر است. از آنجایی که تنها نیمی از سیگنال ورودی در خروجی تقویت‌کننده‌ها ارائه می‌شود، این کار راندمان تقویت‌کننده را نسبت به پیکربندی کلاس A قبلی همانطور که در زیر نشان داده شده است، بهبود می‌بخشد.

شکل موج خروجی آمپلی فایر کلاس B

در آمپلی فایر های کلاس B، هیچ ولتاژ DC برای بایاس ترانزیستورها استفاده نمی شود، بنابراین برای اینکه ترانزیستورهای خروجی شروع به هدایت هر نیمه شکل موج اعم از مثبت و منفی کنند، نیاز دارند که ولتاژ پایه-امیتر VBE بیشتر از افت ولتاژ رو به جلو 0.7 ولت برای شروع هدایت یک ترانزیستور دوقطبی استاندارد لازم است.

بنابراین قسمت پایینی شکل موج خروجی که زیر این پنجره 0.7 ولتی است به طور دقیق بازتولید نمی شود. این منجر به ایجاد یک ناحیه اعوجاج از شکل موج خروجی می شود، زیرا یک ترانزیستور خاموش می شود و منتظر می ماند تا ترانزیستور بعد از VBE> 0.7 ولت، دوباره روشن شود. نتیجه این است که قسمت کوچکی از شکل موج خروجی در نقطه تلاقی ولتاژ صفر وجود دارد که دچار اعوجاج می شود. این نوع اعوجاج اعوجاج متقاطع نامیده می شود و در ادامه در این بخش به آن پرداخته می شود.

مقدمه ای بر آمپلی فایر – آمپلی فایر کلاس AB
آمپلی فایر Class-AB مصالحه ای بین پیکربندی های Class-A و Class-B در بالا است. در حالی که عملیات کلاس-AB هنوز از دو ترانزیستور مکمل در مرحله خروجی خود استفاده می کند، یک ولتاژ بایاس بسیار کوچک به پایه هر ترانزیستور اعمال می شود تا زمانی که سیگنال ورودی وجود ندارد، آنها را به منطقه قطع خود نزدیک کند.

یک سیگنال ورودی باعث می شود که ترانزیستور به صورت عادی در منطقه فعال خود عمل کند و هرگونه اعوجاج متقاطع را که همیشه در پیکربندی کلاس B وجود دارد حذف می کند. یک جریان کلکتور بایاس کوچک (ICQ) زمانی که سیگنال ورودی وجود نداشته باشد از ترانزیستور عبور می کند، اما به طور کلی بسیار کمتر از پیکربندی آمپلی فایر کلاس A است.

بنابراین هر ترانزیستور برای کمی بیش از نیم سیکل شکل موج ورودی، "روشن" را هدایت می کند. بایاس کوچک پیکربندی آمپلی فایر Class-AB هم کارایی و هم خطی بودن مدار آمپلی فایر را در مقایسه با پیکربندی خالص کلاس A در بالا بهبود می بخشد.

شکل موج خروجی آمپلی فایر کلاس AB

به عنوان مقدمه ای بر آمپلی فایر، هنگام طراحی مدارهای آمپلی فایر، کلاس عملکرد آمپلی فایر بسیار مهم است زیرا میزان بایاس ترانزیستور مورد نیاز برای عملکرد آن و همچنین حداکثر دامنه سیگنال ورودی را تعیین می کند.

طبقه‌بندی تقویت‌کننده، بخشی از سیگنال ورودی را که در آن ترانزیستور خروجی هدایت می‌کند، در نظر می‌گیرد و همچنین بازده و مقدار توانی را که ترانزیستور سوئیچینگ هم مصرف می‌کند و هم به شکل گرمای هدر می‌دهد، تعیین می‌کند. در اینجا می توانیم مقایسه ای بین رایج ترین انواع طبقه بندی آمپلی فایر ها در جدول زیر انجام دهیم.

کلاس های پاور آمپلی فایر

آمپلی‌فایرهای بد طراحی شده به‌ویژه انواع کلاس A ممکن است به ترانزیستورهای قدرت بزرگ‌تر، هیت سینک‌های گران‌تر، فن‌های خنک‌کننده یا حتی افزایش اندازه منبع تغذیه مورد نیاز برای ارائه توان تلف شده اضافی مورد نیاز تقویت‌کننده نیاز داشته باشند. برق تبدیل شده به گرما از ترانزیستورها، مقاومت ها یا هر جزء دیگر، هر مدار الکترونیکی را ناکارآمد می کند و منجر به خرابی زودرس دستگاه می شود.

پس چرا از یک آمپلی فایر کلاس A استفاده کنیم اگر بازده آن کمتر از 40٪ در مقایسه با آمپلی فایر کلاس B است که دارای راندمان بالاتر بالای 70٪ است. اساساً، تقویت‌کننده کلاس A خروجی خطی‌تری به معنای خطی بودن آن نسبت به یک پاسخ فرکانس بزرگ‌تر می‌دهد، حتی اگر مقدار زیادی توان DC را مصرف کند.

در این مقدمه آموزش آمپلی فایر، دیدیم که انواع مختلفی از مدار آمپلی فایر وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. در آموزش بعدی در مورد آمپلی فایر ها، ما به رایج ترین نوع اتصال دهنده مدار آمپلی فایر ترانزیستوری، آمپلی فایر امیتر رایج خواهیم پرداخت. بیشتر آمپلی فایرهای ترانزیستوری به دلیل افزایش زیاد ولتاژ، جریان و توان و همچنین ویژگی‌های ورودی/خروجی عالی‌شان، از مدارهای رایج امیتر یا CE هستند.