به نام خدا. توی این مقاله قصد داریم انواع تقویت کننده رو بررسی کنیم.

دیزاینهای مختلفی برای طراحی یه آمپلی فایر وجود داره.

ویژگی های اصلی یک آمپلی‌فایر ایده‌آل، خطی بودن، افزایش سیگنال، راندمان و توان خروجی هست، اما توی عمل هیچوقت شرایط ایده آل نیست.

به طور کلی، تقویت کننده های سیگنال یا قدرت در قسمتهای خروجی سیستم های تقویت کننده صوتی برای درایو کردن بار بلندگو استفاده میشن.

یک بلندگوی معمولی دارای امپدانس بین 4Ω تا 8Ω است، بنابراین یک تقویت‌کننده قدرت باید بتونه جریان‌های پیک بالایی که برای راه‌اندازی اسپیکر امپدانس پایین لازم هست، تامین کنه.

یکی از روش‌هایی که برای تشخیص ویژگی‌های الکتریکی انواع مختلف آمپلی فایرها استفاده می‌شه، «کلاس» هست.  تقویت‌کننده‌ها بر اساس پیکربندی مدار و روش کارشون طبقه‌بندی می‌شن.

کلاس های آمپلی فایر اصطلاحیه که برای تمایز بین انواع مختلف آمپلی فایر استفاده می شه. طبقه بندی تقویت کننده ها از عملکرد کاملا خطی (برای استفاده در تقویت سیگنال با دقت بالا) با راندمان بسیار پایین تا عملکرد

کاملاً غیر خطی (که در آن بازتولید سیگنال پایدار چندان مهم نیست) اما با راندمان بسیار بالاتر صورت میگیره.

کلاس های تقویت کننده عمدتاً به دو گروه اصلی تقسیم می شن.

دسته بندی تقویت کننده ها:

گروه اول تقویت‌کننده‌هایی که زاویه هدایت اونا به صورت کلاسیک کنترل میشه. کلاس‌های تقویت‌کننده  A، B، AB و شامل این گروه میشن

که بسته به کاملاً روشن یا خاموش بودن ترانزیستور خروجی، با میزان هدایت شکل موج دسته‌بندی می‌شن. در ادامه متوجه قضیه میشید!

گروه دوم آمپلی فایرها، آمپلی فایرهای سویچینگ نام دارن. کلاس D,E,F,G,S,T جزء این دسته هستن که از مدارهای دیجیتال و PWM یا مدولاسیون پهنای پالس

برای سوئیچ مداوم سیگنال بین کاملا ON و کاملا Off استفاده میکنن. این امر برای این هست که خروجی رو به ناحیه های قطع و اشباع ترانزیستور ببرن.

متداول‌ترین کلاس‌های آمپلی فایر، تقویت‌کننده‌هایی هستن که به‌عنوان تقویت‌کننده‌های صوتی استفاده می‌شن.

تقویت کننده های کلاس A:

تقویت کننده های کلاس A رایج ترین نوع توپولوژی آمپلی فایر هستن چون فقط از یه ترانزیستور سویچینگ خروجی(دوقطبی،IGBT،FET و…) با پیکربندی

امیتر مشترک برای دو نیمه شکل موج (تمام 360 درجه) توی طراحیشون استفاده میشن.

ترانزیستور طبقه خروجی توی این تقویت کننده هیچوقت به ناحیه کاملا قطع یا اشباع نمیره. دلیل این امر هم این هستش که جریان ترانزیستور همیشه برقراره حتی وقتی که ورودی نباشه.

از معایب خیلی بزرگ این تقویت کننده این هستش که بایاس بیس نقطه کار آمپلی فایر، وسط خط باره. بنابراین ترانزیستور هیچوقت خاموش نمیشه.

تقویت کننده های کلاس A به دلیل خطی بودن، گین بالا و کم اعواج بودن سیگنال بهترین تقویت کننده‌ها در نظر گرفته میشن.

البته این نوع تقویت کننده ها توی توانهای بالا به دلایلی که در ادامه میگیم به ندرت استفاده میشن.

تقویت کننده های کلاس A میتونن توی تقویت کننده هایی که توی این مقاله ذکر کردیم بهترین تقویت کننده ها باشن و میشه ازشون توی تقویت کننده های صوتی با کیفیت بالا استفاده کرد.

برای دستیابی به خاصیت خطی و بهره (گین) بالا، طبقه خروجی کلاس A همیشه تو حالت “ON” بایاس میشه.

از اونجایی که این نوع آمپلی فایرها تو ناحیه خطی عمل میکنن، ولتاژ بایاس DC بیس یا گیت باید برای عملکرد صحیح و اعواج و نوسان کم به درستی انتخاب بشه.

خب قبلتر گفتیم که ترانزیستور همیشه باید تو حالت “ON” باشه در نتیجه این امر همیشه یه جریانی تو مدار هست که باعث اتلاف مداوم توان تو مدار میشه.

با توجه به این تلفات علاوه بر اینکه بازده کم میشه (حدودا 30 درصد) گرمای زیادی هم تولید میشه و همونجور که در بالاتر گفتیم همین امر باعث میشه تا این آمپلی فایرها برای توانهای بالا به ندرت استفاده بشن.

در آخر هم باید گفت که به خاطر جریان بی باری زیاد آمپلی فایر، منبع تغذیه رو باید درست طراحی کنیم و برای جلوگیری از هرنویزی اونو به خوبی فیلتر کنیم.

تقویت کننده های کلاس B:

تقویت کننده کلاس B به عنوان یه راه حل برای مشکل بازده پایین کلاس A و همینطور گرمای شدید اون طراحی شدن.

این نوع تقویت کننده ها از دو ترانزیستور مکمل دو قطبی (یا FET) برای هر نیم موج داره که به صورت پوش پول پیکربندی شدن و هرکدوم یه نیم موج رو تقویت میکنن.

اگه میخواید راجع به پیکربندی پوش پول بیشتر بدونید میتونید به مقاله این نوع توپولوژی توی سایت مراجعه کنید.

توی تقویت کننده های کلاس B بایاس بیس DC وجود نداره چون جریان نقطه کار صفره.

نتیجتا توان DC و تلفات کمتر میشه و راندمان نسبت به کلاس A افزایش پیدا میکنه.

وقتی سیگنال ورودی مثبت میشه ترانزیستور بایاس مثبت (ترانزیستوری که برای ورودی مثبت در نظر گرفته شده) هدایت میکنه در همین زمان ترانزیستور منفی خاموشه

و همین پروسه برای سیکل منفی هم در نظر گرفته میشه به صورت برعکس.

پس هر ترانزیستور تقویت کننده کلاس B، نصف شکل موج (180 درجه) رو هدایت میکنه.

توی خروجی این نصف موج ها با همدیگه ترکیب میشن و شکل موج کاملا خطی تولید میکنن.

مشخصه که بازده تقویت کننده پوش پول حدود 50 درصد بهتر از کلاس A عمل میکنه اما مشکلی که وجود داره، تولید اعوجاج گذر از صفر و ایجاد ناحیه مرده

تو شکل موج خروجی به دلیل ولتاژ ورودی بیس -0.7 تا 0.7 ولت هست.

خب حالا بزارید بگیم که اعوجاج گذر از صفر چیه؟!

به طور خلاصه بخوایم بگیم تقویت کننده کلاس B توی نقطه قطع خودش بایاس میشه. این باعث میشه که هردو ترانزیستور به طور همزمان و با عبور شکل موج از نقطه صفر (تو محور افقی) خاموش بشن.

این باعث میشه که یه ناحیه مرده به وجود بیاد.

تقویت کننده کلاس AB:

همونجور که از اسم تقویت کننده مشخصه این تقویت کننده ترکیبی از تقویت کننده های کلاس A و B هست.

تقویت کننده AB امروزه یکی از متداول ترین نوع تقویت کننده های توان صوتیه.

در واقع تقویت کننده AB یه نوع تقویت کننده کلاس B هست که مشکل اعواج گذر از صفر در اون برطرف شده و دو ترانزیستور به صورت همزمان توی نقطه صفر عمل میکنن و مشکل اعواج گذر از صفر برطرف میشه.

دو ترانزیستور ولتاژ بایاس کوچیکی دارن بنابراین قطعه هادی (BJT یا FET) برای بیشتر از نصف سیکل و کمتر از همه اون روشنه.

به همین خاطر توی تقویت کننده های کلاس AB، ترانزیستورهای پوش پول بیشتر از نصف و کمتر از کل موج رو نسب به تقویت کننده های کلاس B توی خروجی هدایت میکنن.

به عبارت دیگه زاویه هدایت تقویت کننده کلاس AB، بسته به نقطه بایاس بین 180 تا 360 درجه هست.

این ولتاژ کوچیک که با دیودهای سری تامین میشه میتونه به مشکل اعواج گذر از صفر غلبه کنه. در ضمن مشکل بازده کمی که توی تقویت کننده A وجود داشت توی این تقویت کننده برطرف شده.

تقویت کننده کلاس C:

بهترین کلاس تقویت کننده از نظر بازده و بدترین کلاس از نظر خطی بودن هست.

تقویت کننده های کلاس A و BوAB، خطی هستند، چون دامنه و فاز سیگنال خروجی رابطه خطی نسبت به دامنه و فاز سیگنال ورودی داره.

بایاس تقویت کننده کلاس C بزرگه و جریان خروجی برای بیشتر از نصف سیکل سیگنال ورودی سینوسی صفره. به عبارت دیگه زاویه هدایت ترانزیستور خیلی کمتر از 180 درجه و حدود 90 درجه هست.

درسته که این نوع تقویت کننده بازده خروجی رو به 80 درصد میرسونه اما اعوجاج بسیار بزرگی توی خروجی ایجاد میکنه.

بنابراین آمپلی فایرهای کلاس C به هیچوجه برای سیستم های صوتی مناسب نیستن.

با توجه به اعواج خیلی بزرگ این تقویت کننده ها، معمولا توی اسیلاتورهای سینوسی فرکانس بالا و همینطور برخی از انواع تقویت کننده های فرکانس رادیویی استفده میشن که توی اونا پالس های

جریان تولیدی به شکل موج های سینوسی توی فرکانس های خاصی برای استفاده مدارهای رزونانسی (مدارهای تشدید)LC تو مدار کلکتور تبدیل میشن.

جمع بندی:

به طور کلی میتونیم نتیجه بگیریم که نقطه کار DC، کلاس تقویت کننده رو مشخص میکنه.

با تنظیم نقطه کار روی نیمه خط بار منحنی مشخصه، تقویت کننده کلاس A رو خواهیم داشت. با حرکت نقطه کار به سمت پایین تراز خط بار، یکی از تقویت کننده های کلاس A,B,AB یا C رو خواهیم داشت.

مثل تقویت‌کننده‌های صوتی، کلاس‌های دیگه‌ای از تقویت‌کننده‌های پربازده وجود داره که تقویت‌کننده سویچینگ نامیده میشن و از روش‌های سویچینگ برای کم کردن توان و افزایش بازده استفاده می‌کنن.

بعضی از این کلاس‌ها که از تشدید‌کننده‌های RLC‌ یا منابع تغذیه برای کاهش تلفات توان بهره میبرن.

بعضیای دیگه هم تقویت‌کننده‌های DSP دیجیتال هستند که از تکنیک‌های سوئیچینگ مدولاسیون پهنای پالس (PWM) استفاده میکنن.

کلاس های دیگر :

تقویت‌کننده کلاس D: آمپلی فایر صوتی کلاس D اساساً یک تقویت‌کننده سوئیچینگ غیرخطی یا PWM هست.

از اونجایی که جریان فقط توسط ترانزیستور روشن کشیده می‌شه، شکل موج‌های جریان و ولتاژ در یک سیکل همپوشی ندارن و این تقویت‌کننده‌ها، از نظر تئوری میتونن بازده 100 درصدی داشته باشن.

تقویت‌کننده کلاس F: این آمپلی فایر بازده و خروجی رو با تشدید کننده‌های هارمونیک تو خروجی شبکه به منظور تبدیل خروجی به یک موج مربعی افزایش می‌دن.

بازده تقویت‌کننده‌های کلاس F را می‌تونیم با استفاده از هارمونیک بینهایت تا 90 درصد افزایش بدیم.

تقویت‌کننده کلاس G: این آمپلی فایر، نسخه ارتقا یافته تقویت‌کننده کلاس AB هستش. تقویت‌کننده کلاس G از چند ولتاژ تغذیه با مقادیر مختلف استفاده می‌کنه و با تغییر جریان،

به صورت خودکار بین این منابع سوئیچ می‌شه. سویچینگ ثابت، مصرف توان میانگین و در نتیجه اون اتلاف توان و تولید گرما را کاهش میده.

تقویت‌کننده کلاس I: تو خروجی این آمپلی فایر دو قطعه سوئیچینگ مکمل تو پیکربندی پوش-پول و دو قطعه سویچینگ برای نمونه‌ برداری شکل موج ورودی وجود داره.

مثل کلاس B، یک قطعه، نیمه مثبت شکل موج و یکی دیگه نیمه منفی رو سوئیچ می‌کنه. اگر سیگنال ورودی اعمال نشه یا به نقطه گذر از صفر برسه، هر دو قطعه سویچینگ همزمان

تو یه لحظه با 50 درصد سیکل وظیفه PWM روشن و خاموش می‌شن.

برای تولید نیمه مثبت سیگنال خروجی، سیکل وظیفه قطعه سویچینگ مثبت افزایش و سیکل وظیفه قطعه سویچینگ منفی کاهش پیدا میکنه.

تقویت‌کننده کلاس S: آمپلی فایر توان کلاس S، یک تقویت‌کننده سویچینگ غیرخطیه که عملکرد اون، شبیه تقویت‌کننده کلاس Dهست.

تقویت‌کننده کلاس S، سیگنال آنالوگ ورودی رو با استفاده از مدولاتور دلتا-سیگما به پالس مربعی دیجیتال تبدیل کرده و قبل از دمدوله شدن با فیلتر میان‌گذر خروجی، اونو تقویت می‌کنه.

از اونجایی که سیگنال دیجیتال این تقویت‌کننده سوئیچینگ همیشه کاملاً ON یا OFF هست (از نظر تئوری تلفات توان صفره)، بازدهی در صورت امکان به 100 درصد میرسه.

تقویت‌کننده کلاس T: این نوع آمپلی فایر نوع دیگه‌ای از تقویت‌کننده‌های سوئیچینگ دیجیتاله. 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 افزایشه.

تقویت‌کننده کلاس T ترکیبی از سطوح سیگنال کم اعوجاج کلاس‌ AB و بازده توان کلاس D هست.

پایان.