بلاگ

آشنایی با تقویت‌کننده‌ها (Amplifiers)

آشنایی با تقویت‌کننده‌ها (Amplifiers)

تقویت کننده برای افزایش دامنه شکل موج سیگنال، بدون تغییر سایر پارامترهای شکل موج مانند فرکانس یا شکل موج استفاده می شود. آنها یکی از رایج ترین مدارهای مورد استفاده در الکترونیک هستند و عملکردهای مختلفی را در بسیاری از سیستم های الکترونیکی انجام می دهند.

اکثر سیستم های الکترونیکی حداقل به یک مرحله تقویت نیاز دارند. از این رو تقویت کننده ها را می توان تقریباً در تمام دستگاه های الکترونیکی مشاهده کرد. تقویت کننده ها وسایلی هستند که دامنه سیگنال ورودی را افزایش می دهند. تقویت کننده ها فقط دامنه را افزایش می دهند و سایر پارامترها مانند فرکانس و شکل ثابت می مانند.

تقویت کننده (amplifier) چیست؟

به‌طور ساده، تقویت‌کننده یک دستگاه الکترومغناطیسی یا الکتریکی بسیار کوچک است که سیگنال ورودی را – چه جریان، چه ولتاژ یا قدرت – افزایش می‌دهد و این سیگنال تقویت‌شده را به مدار خروجی می‌رساند. نسبت بزرگی ورودی/خروجی تقویت کننده به عنوان “بهره” شناخته می شود که می تواند به صورت جریان، ولتاژ یا توان بیان شود.

تقویت کننده (amplifier) چیست؟

همچنین بخوانید: پشتیبانی خطوط تولید

آمپلی فایر چه کاری انجام می دهد؟

سیگنال تقویت شده برای تغذیه سیستمی که تقویت کننده به آن وصل شده است استفاده می شود و در عین حال اعوجاج (یا نویز) را به حداقل می رساند. یک تقویت کننده معمولاً حاوی یک ترانزیستور است که همانطور که در مقاله قبلی توضیح داده شد، بر اساس یک ماده نیمه رسانا با توانایی هدایت مقادیر متغیر جریان الکتریکی است. مراحل اساسی به شرح زیر است:

  • آمپلی فایر از منبع تغذیه شارژ می گیرد
  • جریان از طریق ترانزیستور به مدار خروجی منتقل می شود
  • مدار خروجی سیگنال خروجی افزایش یافته را به یک ولتاژ مساوی تبدیل می کند
  • ولتاژ تقویت شده سیستم را تغذیه می کند

دو جزء دیگر که معمولاً در مدار تقویت کننده یافت می شوند دیودها و یکسو کننده ها (rectifiers) هستند. دیود یک وسیله نیمه هادی دو ترمینالی است که هدف آن هدایت جریان تنها در یک جهت و جلوگیری از برگشت آن است. در همین حال، رکتیفایر مداری است که جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می کند.

بیشتر بخوانید: اجزای اصلی سخت افزار PLC کدامند؟

مشخصات مهم آمپلیفایر

کیفیت یک تقویت کننده با یک سری مشخصات اندازه گیری می شود. آنها به شرح زیر است:

  • پهنای باند: محدوده فرکانسی که تقویت کننده می تواند در آن کار کند.
  • نویز: مقدار اطلاعات اضافی ناخواسته موجود در خروجی.
  • Skew Rate: حداکثر نرخ تغییر خروجی.
  • Gain: شاید مهم ترین، نسبت بین بزرگی سیگنال های ورودی و خروجی باشد.
  • پایداری: توانایی ارائه خروجی ثابت و قابل اعتماد.
  • خطی بودن: درجه تناسب بین سیگنال های ورودی و خروجی.
  • راندمان: یکی دیگر از ویژگی های بسیار مهم، نسبت بین توان خروجی و توان مصرفی است.
  • محدوده دینامیکی خروجی: نسبت بین بزرگترین و کوچکترین سطوح خروجی مفید.

همچنین بخوانید: عیب یابی پی ال سی

انواع آمپلیفایر (تقویت کننده)

انواع مختلفی از تقویت کننده ها موجود است. اما آنها را می توان با نوع سیگنالی که تقویت می کنند تشخیص داد. همچنین می توان آنها را بر اساس نوع عملکردی که انجام می دهند طبقه بندی کرد. در حالی که انواع مختلفی از تقویت کننده ها وجود دارد، رایج ترین آنها عبارتند از:

  • ترانزیستورها: این دسته را می توان به ترانزیستورهای نقطه تماس، اتصال دوقطبی (BJT) و اثر میدانی اکسید فلز-نیمه هادی (MOSFET) تقسیم کرد.
  • تقویت کننده های عملیاتی: مدار یکپارچه ای که ولتاژ را با راندمان بالا تقویت می کند.
  • لوله‌های خلاء: عمدتاً با مدارهای مجتمع جایگزین می‌شوند، اما به دلیل خروجی قوی هنوز در سیستم‌های UHF، رادیوهای پرقدرت و کاربردهای رادار استفاده می‌شوند.
  • تقویت کننده های ساز: برای استفاده با آلات موسیقی
  • تقویت کننده های توزیع شده: در اسیلوسکوپ ها به دلیل توانایی آنها در تقسیم جریان ورودی و تقویت بخش های جداگانه یافت می شود.

مطلب مرتبط: انواع سنسورهای مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی

انواع آمپلیفایر (تقویت کننده)

انواع آمپلی فایر بر اساس عملکرد

یکی از راه‌های توصیف آمپلی فایر، نوع سیگنالی است که برای تقویت آن طراحی شده است. این معمولاً به باندی از فرکانس‌ها اشاره می‌کند که تقویت‌کننده از عهده آنها برمی‌آید، یا در برخی موارد، به عملکردی که آنها در یک سیستم الکترونیکی انجام می‌دهند.

آمپلی فایر A.F

تقویت‌کننده‌های فرکانس صوتی (Audio frequency amplifiers) برای تقویت سیگنال‌ها در محدوده شنوایی انسان، تقریباً 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز استفاده می‌شوند، اگرچه برخی از تقویت‌کننده‌های صوتی Hi-Fi این محدوده را تا حدود 100 کیلوهرتز افزایش می‌دهند، در حالی که سایر تقویت‌کننده‌های صوتی ممکن است محدودیت فرکانس بالا را به 15 کیلوهرتز یا کمتر محدود کنند.

تقویت‌کننده‌های ولتاژ صوتی برای تقویت سیگنال‌های سطح پایین از میکروفون‌ها، نوار و دیسک و غیره استفاده می‌شوند. با مدارهای اضافی، آنها همچنین عملکردهایی مانند یکسان سازی تصحیح صدا سطوح سیگنال و اختلاط از ورودی‌های مختلف را انجام می‌دهند، آنها معمولاً دارای بهره ولتاژ بالا و مقاومت خروجی متوسط به بالا هستند.

تقویت کننده‌های قدرت صوتی برای دریافت ورودی تقویت شده از یک سری تقویت کننده‌های ولتاژ استفاده می‌شوند و سپس قدرت کافی برای راه اندازی بلندگوها را فراهم می کنند.

بیشتر بخوانید: شبکه صنعتی پروفی باس و هرآنچه که باید از آن بدانید

آمپلی فایر I.F

آمپلیفایر های فرکانس متوسط (Intermediate Frequency amplifiers)، تقویت کننده های تنظیم شده ای هستند که در رادیو، تلویزیون و رادار استفاده می شوند. هدف آنها ارائه اکثریت تقویت ولتاژ یک سیگنال رادیویی، تلویزیونی یا راداری، قبل از جدا شدن (دمودولاسیون) اطلاعات صوتی یا تصویری حامل سیگنال از سیگنال رادیویی است. آنها در فرکانس کمتر از سیگنال های رادیویی دریافتی، اما بالاتر از سیگنال های صوتی یا تصویری که در نهایت توسط سیستم تولید می شوند، کار می کنند.

فرکانسی که در آن I.F. تقویت کننده ها کار می کنند و پهنای باند تقویت کننده به نوع تجهیزات بستگی دارد. به عنوان مثال، در گیرنده های رادیویی AM I.F. تقویت کننده ها در حدود 470 کیلوهرتز کار می کنند و پهنای باند آنها معمولاً 10 کیلوهرتز (465 کیلوهرتز تا 475 کیلوهرتز) است، در حالی که تلویزیون معمولا از پهنای باند 6 مگاهرتز برای I.F استفاده می کند. سیگنال در حدود 30 تا 40 مگاهرتز و در رادار ممکن است از پهنای باند 10 مگاهرتز استفاده شود.

بیشتر بخوانید: نقش مهم مغناطیس در الکترونیک

آمپلی فایر RF

آمپلیفایر های فرکانس رادیویی (Radio Frequency amplifiers) تقویت کننده های تنظیم شده ای هستند که در آنها فرکانس عملکرد توسط یک مدار تنظیم شده تنظیم می شود. این مدار ممکن است بسته به هدف تقویت کننده قابل تنظیم باشد یا نباشد. پهنای باند نیز به استفاده بستگی دارد و ممکن است نسبتاً گسترده یا باریک باشد. مقاومت ورودی به طور کلی کم است، همانطور که افزایش است. (برخی تقویت کننده های RF بهره کمی دارند یا اصلاً بهره ندارند، اما در درجه اول یک بافر بین آنتن گیرنده و مدارهای بعدی هستند تا از هرگونه سیگنال ناخواسته سطح بالا از مدارهای گیرنده که به آنتن می رسند، جایی که می توانند مجدداً به عنوان تداخل ارسال شوند، جلوگیری می کنند).

یکی از ویژگی های خاص تقویت کننده های RF که در مراحل اولیه یک گیرنده استفاده می شوند عملکرد کم نویز است. مهم است که نویز پس‌زمینه که عموماً توسط هر دستگاه الکترونیکی تولید می‌شود، به حداقل برسد، زیرا تقویت‌کننده سیگنال‌های دامنه بسیار کم از آنتن (μV یا کمتر) را کنترل می‌کند. به همین دلیل معمولاً در این مراحل از ترانزیستورهای FET کم نویز استفاده می شود.

همچنین بخوانید: آشنایی با ظرفیت خازنی و شارژ

انواع آمپلی فایر بر اساس عملکرد

تقویت کننده های اولتراسونیک (Ultrasonic Amplifiers)

تقویت‌کننده‌های اولتراسونیک نوعی تقویت‌کننده صوتی هستند که فرکانس‌هایی از حدود 20 کیلوهرتز تا حدود 100 کیلوهرتز را کنترل می‌کنند. آنها معمولاً برای اهداف خاصی مانند پاکسازی اولتراسونیک، تشخیص خرابی فلز، اسکن اولتراسوند، سیستم های کنترل از راه دور و غیره طراحی می شوند.

تقویت کننده های باند پهن

تقویت کننده های باند پهن (Wideband Amplifiers) باید یک بهره ثابت از DC تا چند ده مگاهرتز داشته باشند. آنها در تجهیزات اندازه گیری مانند اسیلوسکوپ و غیره استفاده می شوند که در آن نیاز به اندازه گیری دقیق سیگنال ها در طیف وسیعی از فرکانس ها وجود دارد. به دلیل پهنای باند بسیار گسترده آنها، بهره کم است.

همچنین بخوانید: معرفی و بررسی درایو الکتریکی

تقویت کننده های DC

تقویت کننده های DC برای تقویت ولتاژهای DC (0Hz) یا سیگنال های فرکانس بسیار پایین در جایی که سطح DC سیگنال مهم است استفاده می شود. آنها در بسیاری از سیستم های کنترل الکتریکی و ابزار اندازه گیری رایج هستند.

تقویت کننده های ویدئویی

تقویت‌کننده‌های ویدئویی (Video Amplifiers) نوع خاصی از تقویت‌کننده‌های باند وسیع هستند که سطح DC سیگنال را نیز حفظ می‌کنند و به‌طور خاص برای سیگنال‌هایی که قرار است روی CRT یا سایر تجهیزات ویدئویی اعمال شوند، استفاده می‌شوند. سیگنال ویدئویی تمام اطلاعات تصویری را در سیستم های تلویزیونی، ویدئویی و رادار حمل می کند. پهنای باند تقویت کننده های ویدئویی بستگی به استفاده دارد. در گیرنده های تلویزیون از 0 هرتز (DC) تا 6 مگاهرتز گسترش می یابد و همچنان در رادار گسترده تر است.

تقویت کننده های بافر

تقویت‌کننده‌های بافر (Buffer Amplifiers) یک نوع تقویت‌کننده تخصصی و رایج هستند که در هر یک از دسته‌های بالا یافت می‌شوند، آنها بین دو مدار دیگر قرار می‌گیرند تا از عملکرد یک مدار بر عملکرد مدار دیگر جلوگیری کنند. (آنها مدارها را از یکدیگر جدا می کنند).  اغلب تقویت‌کننده‌های بافر دارای یک بهره هستند، یعنی در واقع تقویت نمی‌شوند، به طوری که خروجی آنها همان دامنه ورودی آنها است، اما تقویت‌کننده‌های بافر دارای امپدانس ورودی بسیار بالا و امپدانس خروجی پایین هستند و بنابراین می‌توان از آنها به عنوان دستگاه تطبیق امپدانس استفاده کرد. این تضمین می‌کند که سیگنال‌ها بین مدارها ضعیف نمی‌شوند، همانطور که زمانی اتفاق می‌افتد که یک مدار با امپدانس خروجی بالا سیگنالی را مستقیماً به مدار دیگری با امپدانس ورودی پایین تغذیه می‌کند.

همچنین بخوانید: موشن کنترل چیست؟ هر آنچه که باید از آن بدانید

تقویت کننده های عملیاتی

تقویت‌کننده‌های عملیاتی (Op-amp) از مدارهایی که برای رایانه‌های آنالوگ اولیه طراحی شده‌اند، توسعه یافته‌اند، جایی که برای عملیات‌های ریاضی مانند جمع و تفریق استفاده می‌شوند. امروزه آنها به طور گسترده در شکل مدار مجتمع مورد استفاده قرار می گیرند، جایی که در بسته های تقویت کننده تک یا چندگانه موجود هستند و اغلب در مدارهای مجتمع پیچیده برای کاربردهای خاص گنجانده می شوند.

طراحی مبتنی بر آمپلی فایر افتراقی است که به جای یک ورودی، دو ورودی دارد و خروجی متناسب با تفاوت بین دو ورودی تولید می کند. بدون بازخورد منفی، آمپلی فایر عملیاتی دارای بهره بسیار بالایی است، معمولاً صدها هزار. اعمال بازخورد منفی پهنای باند را افزایش می دهد، بنابراین آنها می توانند به عنوان تقویت کننده های باند پهن با پهنای باند در محدوده مگاهرتز کار کنند، اما بهره آنها را کاهش می دهد. یک شبکه مقاومتی ساده می تواند چنین بازخوردی را به صورت خارجی اعمال کند و سایر شبکه های خارجی می توانند عملکرد آمپلی فایر عملیاتی را تغییر دهند.

بیشتر بخوانید: معرفی و بررسی درایو هیدرولیکی

آپلیفایر های ترانزیستوری

ترانزیستور یکی از قطعات الکترونیکی است. این همچنین به عنوان تقویت کننده استفاده می شود. تقویت کننده های ترانزیستوری ولتاژ یا جریان سیگنال ورودی را تقویت می کنند. دو نوع دستگاه ترانزیستوری وجود دارد.

1) BJT (ترانزیستورهای اتصال دوقطبی).

2) FET (ترانزیستورهای اثر میدانی).

تقویت کننده های ترانزیستوری در پیکربندی های مختلف تجزیه و تحلیل می شوند. آنها 1) Common Base، 2) Common Emitter و 3) Common Collector با استفاده از BJT هستند. با استفاده از FET، تقویت کننده های ترانزیستوری در پیکربندی های زیر تجزیه و تحلیل می شوند.

1) دروازه مشترک

2) منبع مشترک 

3) زهکشی مشترک

در ترانزیستورهای اتصال دوقطبی، جریان کوچک در ترمینال پایه می تواند جریان را در امیتر و کلکتور کنترل کند، در حالی که در ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) ولتاژ کوچک در دروازه می تواند ولتاژ را در منبع و تخلیه کنترل کند.

ویژگی های خروجی amplifier ها

آمپلی فایرها برای افزایش دامنه ولتاژ یا جریان یا افزایش مقدار توان موجود معمولاً از سیگنال AC استفاده می شوند. تکلیف هرچه که باشد، سه دسته تقویت کننده وجود دارد که به خواص خروجی آنها مربوط می شود.

  1. تقویت کننده های ولتاژ
  2. تقویت کننده های جریان
  3. تقویت کننده های قدرت

بیشتر بخوانید: ترانسمیتر یا ترانسدیوسر | مقایسه صفر تا صد ترانسمیتر و ترانسدیوسر

ویژگی های خروجی amplifier ها

تقویت کننده های ولتاژ (Voltage Amplifiers)

اینها رایج ترین تقویت کننده های مورد استفاده در دستگاه های الکترونیکی هستند. این تقویت کننده ها دامنه ولتاژ خروجی سیگنال را افزایش می دهند. هدف تقویت کننده ولتاژ این است که دامنه شکل موج ولتاژ خروجی را بیشتر از شکل موج ولتاژ ورودی کند (اگرچه دامنه جریان خروجی ممکن است بزرگتر یا کوچکتر از جریان ورودی باشد، اما این تغییر برای هدف طراحی شده تقویت کننده اهمیت کمتری دارد).

همچنین بخوانید: کاربرد ترموکوپل چیست و انواع آن کدام است؟

تقویت کننده های جریان (Power Amplifiers)

این تقویت کننده ها دامنه جریان ورودی را نسبت به شکل موج جریان ورودی افزایش می دهند. هدف تقویت کننده جریان این است که دامنه شکل موج جریان خروجی را بیشتر از شکل موج جریان ورودی کند (اگرچه دامنه ولتاژ خروجی ممکن است بزرگتر یا کوچکتر از ولتاژ ورودی باشد، اما این تغییر برای هدف طراحی شده تقویت کننده اهمیت کمتری دارد).

تقویت کننده های قدرت (Power Amplifiers)

هدف تقویت کننده های قدرت افزایش توان است یعنی حاصلضرب ولتاژ و جریان خروجی بیشتر از حاصل ضرب ولتاژ و جریان ورودی است. در یک تقویت کننده قدرت، حاصل ضرب ولتاژ و جریان (یعنی توان = ولتاژ x جریان) در خروجی بیشتر از حاصلضرب ولتاژ جریان در ورودی است. توجه داشته باشید که ولتاژ یا جریان ممکن است در خروجی کمتر از ورودی باشد. این محصول این دو است که به طور قابل توجهی افزایش یافته است.

ممکن است ولتاژ یا جریان در خروجی کمتر از ورودی باشد، ولتاژ یا جریان کلی محصول از ورودی بیشتر خواهد بود. هنگامی که یک سیگنال AC به تقویت کننده اعمال می شود، تنها بخشی از آن تقویت می شود. بسته به بخش موج تقویت شده، اینها به چهار کلاس طبقه بندی می شوند که شامل:

  • کلاس A
  • کلاس B
  • کلاس AB
  • کلاس C

بیشتر بخوانید: ترانسمیتر یا ترانسدیوسر | مقایسه صفر تا صد ترانسمیتر و ترانسدیوسر

کاربردهای آمپلی فایر

از کاربردهای معروف آمپلی فایرها می توان به سیستم های استریو، سمعک، ارتباطات بی سیم و گیرنده های تلویزیون اشاره کرد. تقویت کننده ها همچنین می توانند به شکل دستگاه های الکترومغناطیسی معروف به ترانسفورماتور باشند که ولتاژ را در عین ثابت نگه داشتن ولتاژ افزایش می دهند.

محتوای مرتبط: نقش مهم مغناطیس در الکترونیک

جمع بندی

آمپلی فایر یکی از پرکاربردترین وسایل الکترونیکی در جهان است. این یک بلوک ساختمانی اساسی از تعداد زیادی مدار است و به اشکال مختلف وجود دارد. تقویت کننده ها را می توان به سادگی به عنوان یک وسیله الکترونیکی که قدرت سیگنال را افزایش می دهد تعریف کرد. به عبارت دیگر، دامنه سیگنال را افزایش می دهد و آن را قوی تر از ورودی داده شده می کند.

اگرچه این امر در تئوری ساده به نظر می رسد، اما تقویت کننده ها پارامترها و شرایط زیادی در دنیای واقعی دارند. تقویت هرگز کاملاً کارآمد نیست، همیشه باید با تلفات و نویز مقابله کرد.

بنابراین، تعداد زیادی تقویت کننده ایجاد می شود که در موقعیت های مختلف بهترین عملکرد را دارند. همه تقویت‌کننده‌ها خروجی بهینه را در همه موقعیت‌ها ارائه نمی‌کنند و همیشه فاکتورهای هزینه‌ای وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *