المكبرات Amplifiers – الجزء الأول – مقدمة – الكسب – أنواع المكبرات :
المكبرات Amplifiers – الجزء الأول – مقدمة – الكسب – أنواع المكبرات : فى "الإلكترونيات" يشيع استخدام مصطلح " مكبرات الإشارة " على أنها الأجهزة التى لديها القدرة على تكبير إشارة الدخل الصغيرة نسبيا (على سبيل المثال من "الحساس" الضوئى) إلى إشارة خرج كبيرة جدا لتشغيل ريلاى أو مصباح أو سماعة على سبيل المثال . هناك العديد من أشكال الدوائر الإلكترونية والتى تصنف كمكبرات , مثل مكبرات العمليات ومكبرات الإشارة الصغيرة ومكبرات الإشارة الكبيرة ومكبرات القدرة. يمكن اعتبار المكبرات كصندوق بسيط أو كتلة (بلوك) تحتوى على جهاز تكبير ( مثل الترانزستور أو ترانزستور تأثير المجال أو مكبر العمليات ) والذى له طرفى دخل وطرفى خرج ( والأرضى مشترك) وتكون إشارة الخرج أكبر بكثير من إشارة الخرج نتيجة لتكبيرها . مكبر الإشالاة المثالى له ثلاثة خصائص رئيسية : "مقاومة الدخل" Input Resistance ( Rin ) و "مقاومة الخرج" Output Resistance ( Rout ) و بالطبع "التكبير" والمعروف باسم "الكسب" Gain ( A ) . بغض النظر عن مدى مدى تعقيد دائرة المكبر , فإن النموذج العام للمكبر مايزال يستخدم لإظهار العلاقة بين هذه الخصائص الثلاثة .
الفرق بين إشارتى الدخل والخرج يعرف بكسب المكبر Gain وهو فى الأساس مقياس لمدى "تكبير" المكبر لإشارة الدخل . على سبيل المثال , إذا كان لدينا إشارة دخل 1 volt وإشارة خرج 50 volt , عندئذ يكون كسب المكبر "50" . وبعبارة أخرى , يتم زيادة إشارة الدخل بالمعامل "50" . هذه الزيادة تسمى "الكسب" . الكسب هو النسبة بين الخرج والدخل output÷input , وليس له وحدات وفى الإلكترونيات يشار إليه عادة بالرمز "A" , من التكبير Amplification . لذلك يتم ببساطة حساب كسب المكبر بقسمة إشارة الخرج على إشارة الدخل . كسب المكبر Amplifier Gain : يمكن القول أن كسب المكبر هو العلاقة القائمة بين الإشارة المقاسة عند الخرج مع الإشارة المقاسة عند الدخل . يوجد ثلاثة أنواع مختلفة من كسب المكبر والتى يمكن قياسها وهى : "كسب الجهد"Voltage Gain ( Av ) و"كسب التيار" Current Gain ( Ai ) و"كسب القدرة" Power Gain ( Ap ) تبعا للكمية المقاسة كما هو مبين فيما يلى :
لاحظ أنه بالنسبة لكسب القدرة يمكنك قسمة القدرة التى يتم الحصول عليها عند الخرج على القدرة التى يتم الحصول عليها عند الدخل . وأيضا أنه عند حساب كسب المكبر , يتم استخدام الحروف الصغيرة v, i , p للدلالة على على نوع كسب الإشارة المستخدمة . يمكننا أيضا التعبير عن كسب القدرة أو مستوى القدرة للمكبر "بالديسيبل"(dB)Decibels , . "البل" Bel هو وحدة قياس لوغاريتمية للأساس عشرة ليس له وحدات . ونظرا لأن "البل" وحدة قياس كبيرة جدا , فيتم سبقها بكلمة deciلتكون Decibels لتعبر عن واحد على عشرة (1/10th) من البل . لحساب كسب المكبر بالديسيبل أو dB , يمكننا استخدام الصيغ التالية :
لاحظ أن كسب القدرة للتيار المستمر للمكبر يساوى عشر مرات اللوغاريتم العادى للنسبة بين الخرج والدخل , بينما يكون كسب الجهد أو التيار 20 مرة للوغاريتم العادى للنسبة . لكن لاحظ أن 20dB ليس ضعف 10dB بسبب القياس اللوغاريتمى . أيضا , القيمة الموجبة بالديسيبل dB تمثل "كسب" Gain والقيمة السالبة بالديسيبل "فقد أو خسارة " Loss داخل المكبر . على سبيل المثال , كسب مكبر بالقيمة +3dB"" يشير إلى أن خرج المكبر يضاعف الإشارة أى يضربها فى 2 (x2) , بينما كسب مكبر بالقيمة -3dB"" يشير إلى أن المكبر يخفض الإشارة إلى النصف (x0.5) أو بعبارة أخرى "فقد أو خسارة" . النقطة "-3dB" للمكبر تسمى "نقطة نصف القدرة" half-power point وتكون تحت القيمة القصوى بقيمة "-3dB" , مع أخذ نقطة "0dB" كقيمة قصوى للخرج . مثال : عين كسب الجهد والتيار والقدرة لمكبر له إشارة دخل بالقيم 1mA و 10mV وإشارة الخرج المناظرة بالقيم 10mA و 1V . أيضا , عبر عن هذه القيم بالديسيبل .
الحل : كسب المكبر :
التعبير بالديسيبل (dB) :
عموما , يمكن للمكبرات أن تقسم إلى نوعين متميزين تبعا لكسب القدرة أو كسب الجهد . أحد الأنواع يسمى "مكبرالإشارة الصغيرة" Small Signal Amplifier ويشمل : المكبرات الابتدائية pre-amplifiers , ومكبرات الأجهزة instrumentation amplifiers وغيرها . مكبرات الإشارة الصغيرة يتم تصميمها لتكبير الإشارة الصغيرة جدا لمستويات الجهد والتى فقط فى حدود عدة ميكروفولت (μV) من الحساسات أو الإشارات الصوتية. النوع الآخر يطلق عليه "مكبرات الإشارة الكبيرة" Large Signal Amplifiers مثل مكبرات القدرى الصوتية أو مكبرات تحويل (تبديل) القدرة switching amplifiers . مكبرات الإشارة الكبيرة يتم تصميمها لتكبير إشارات الدخل الكبيرة أو تحويل تيارات الحمل الكبير كما هو الحال فى تشغيل السماعات .
مكبرات القدرة Power Amplifiers : عموما , يشار إلى "مكبر الإشارة" على أنه مكبر "جهد" "Voltage" لأنه عادة يستخدم لتحويل جهد أشارة الدخل الصغير إلى جهد إشارة الخرج الأكبر بكثير . فى بعض الأحيان يكون المطلوب هو تشغيل (قيادة) محرك أو تغذية سماعة , ولذه الأنواع من التطبيقات التى تحتاج إلى تيارات تحويل عالية يمون المطلوب هو "مكبر القدرة" . كما يوحى الاسم , فإن المهمة الرئيسية لمكبر القدرة ( يعرف أيضا بمكبر الإشارة الكبيرة) هى إرسال قدرة إلى الحمل , وكما نعلم , القدرة هى حاصل ضرب الجهد فى التيار المطبق على الحمل مع كون قدرة إشارة الخرج أكبر من قدرة إشارة الدخل . بعبارة أخرى , مكبر القدرة يكبر قدرة إشارة الدخل وهذا هو السبب فى استخدام هذا النوع من الدوائر فى مراحل خرج مكبر الصوت لتشغيل السماعات . مكبر القدرة يعمل بالمبدأ الأساسى لتحويل قدرة التيار المستمر DC المسحوب من مصدر القدرة إلى إشارة جهد متردد AC لإرسالها إلى الحمل . على الرغم من أن التكبير مرتفع إلا أن كفاءة التحويل من قدرة التيار المستمر من مصدر القدرة كدخل إلى جهد أشارة متردد كخرج عادة تكون "ضعيفة" . المكبر المثالى يجب أن يعطى كفاءة بمعدل 100% أو على الأقل يجب أن تساوى قدرة الدخل قدرة الخرج . مع ذلك , فى الواقع لا يمكن حدوث ذلك أبدا بسبب فقد بعض من القدرة على شكل حرارة , وأيضا فإن المكبر نفسه يستهلك قدرة خلال عملية التكبير . لذلك فإن كفاءة المكبر تعطى بالعلاقة :
المكبر المثالى : يمكننا الآن تحديد خصائص المكبر المثالى فيما يتعلق بكسبه , نقصد كسب الجهد :
كسب المكبر (A) يجب أن يظل ثابت للقيم المتغيرة لإشارة الدخل .
الكسب لا يتأثر بالتردد . الإشارات بجميع الترددات يجب تكبيرها بنفس القيمة بالضبط .
كسب المكبر يجب ألا يضيف ضوضاء لإشارة الخرج . يجب أن يزيل أى ضوضاء والتى قد تتواجد بإشارة الدخل .
كسب المكبر يجب ألا يتأثر بالتغيرات فى درجة الحرارة معطيا استقرار حرارى جيد .
كسب المكبر يجب أن يظل مستقر على مدى فترات طويلة من الزمن .
فئات المكبر Amplifier Classes : يتم تصنيف المكبرات إما مكبر جهد أو مكبر قدرة من خلال مقارنة خصائص أشارات الدخل والخرج عن طريق قياس مقدار الزمن وعلاقته بإشارة الدخل التى تمرر تيار بدائرة الخرج . لقد رأينا أنه لكى يعمل الترانزستور فى مدى منطقته الفعالة يتطلب شكل ما من انحياز القاعدة . هذا الجهد الصغير لانحياز القاعدة يضاف إلى إشارة الدخل ليسمح للترانزستور بإعادة انتاج الشكل الموجى للدخل بالكامل على مخرجه مع عدم فقدان الإشارة . ومع ذلك , عن طريق تغيير مكان هذا الجهد لانحياز القاعدة , فمن الممكن تشغيل المكبر فى نظام تكبير آخر غير إعادة إنتاج الشكل الموجى الكامل . عن طريق جهد انحياز القاعدة يمكن الحصول على أنظمة ونطاقات تشغيل مختلفة . الأنظمة المختلفة للتشغيل تعرف بشكل أفضل باسم "فئة المكبر" Amplifier Class . تصنف مكبرات القدرة الصوتية بالترتيب الأبجدى وفقا لتكوينات دوائرها ونظام عملها . يتم تعيين المكبرات عن طريق بفئات تشغيل مختلفة مثل الفئة "A" والفئة "B" والفئة "C" والفئة "AB" ..ألخ . فئات التشغيل المتعددة هذه تمتد من الخرج القريب من الخطى ولكن مع كفاءة منخفضة إلى الخرج الغير خطى ولكن مع كفاءة مرتفعة . لا توجد فئة أفضل أو أسوأ من فئة آخرى فنوع العملية يتحدد عن طريق استخدام دائرة التكبير . يوجد أقصى كفاءة للأنواع المختلفة أو فئات المكبرات , والأكثر شيوعا هى :
الفئة "A" : ولها كفءة منخفضة (أقل من 40% ) لكن إعادة انتاج جسد للإشارة وخطية .
الفئة "B" : لها ضعف كفاءة الفئة "A" , أقصى كفاءة نظرية حوالى 70% لأن جهاز التكبير يوصل فقط ( ويستخدم قدرة) نصف إشارة الدخل .
الفئة "AB" : لها كفاءة بين الفئة A والفئة B ولكن إعادة انتاج الإشارة أضعف من مكبرات الفئة A .
الفئة "C" : هى الفئة الأكثر كفاءة لأن جزء صغير من إشارة الدخل يتم تكبيره , لذلك فإن إشارة الخرج تكاد لا تشبه إشارة الدخل . الفئة C لديها أسوأ إعادة انتاج للإشارة .
عمل الفئة A : عمل الفئة A يكون حيث يراد أمانة فى إعادة إنتاج الشكل الموجى لأشارة الدخل بالكامل بخرج على خرج المكبر لأن الترانزستور يكون منحاز تماما داخل المنطقة الفعالة , وبالتالى لا تصل أبدا لأى من منطقة القطع أو التشبع . ومن ثم فإن ذلك يؤدى إلى أن إشارة الدخل المتردد تكون متمركزة تماما بين الحد الأعلى والحد الأدنى لإشارة المكبر كما هو مبين بالشكل التالى :
فى هذا التكوين , يستخدم مكبر الفئة A الترانزستور نفسه من أجل نصفى الشكل الموجى للخرج ونتيجة لترتيب انحيازه فإن ترانزستور الخرج دائما له تيار يمر خلاله , حتى لو لم يكن هناك إشارة دخل . وبعبارة أخرى فإن ترانزستور الخرج لا "يقطع" أبدا . وهذا يؤدى إلى أن العمل بنوع الفئة A يكون ذات كفاءة منخفضة . عموما , ترانزستور الخرج لمكبر الفئة A يكون ساخن جدا حتى عند عدم وجود إشارة دخل ولذلك يكون من المطلوب شكل من أشكال التخلص من الحرارة . التيار المستمر المار خلال ترانزستور الخرج (Ic) عندما لا يوجد إشارة خرج سوف يساوى التيار المار فى الحمل . لذلك يكون مكبر الفئة A الخالص غير فعال للغاية حيث يتم تحويل معظم قدرة التيار المستمر إلى حرارة .
عمل الفئة B : وخلافا لنظام عمل الفئة A السابق والذى يستخدم ترانزستور وحيد من أجل مرحلة خرج القدرة , فإن الفئة B تستخدم ترانزستورين متكاملين (متتامين) complimentary ( NPN و PNP ) من أجل كل نصف شكل موجة الخرج . أحد الترانزستورين يوصل من أجل أحد نصفى الشكل الموجى للإشارة فى حين أن الآخر يوصل من أجا النصف الآخر للشكل الموجى للإشارة . هذا يعنى أن كل ترانزستور ينفق نصف وقته فى المنطقة الفعالة ونصف وقته فى منطقة القطع ومن ثم يكبر فقط 50% من إشارة الدخل . عمل الفئة B لا يوجد لديه جهد تحيز للتيار المستمر مثل الفئة A , لكن بدلا من ذلك فإن الترانزستور يوصل فقط عندما تكون إشارة الدخل أكبر من جهد "القاعدة – البعث" وهو لأجهزة السيليكون حوالى 0.7v . لذلك , عندما يكون الدخل بصفر فإن الخرج يكون بصفر . وهذا يؤدى إلى تقديم نصف إشارة الدخل فقط على خرج المكبر ليعطى قدر أكبر من الكفاءة للمكبر كما هو مبين بالشكل التالى :
فى الفئة B , لا يتم استخدام تيار مستمر لانحياز الترانزستور , لذلك لكى يبدأ تبدأ ترانزستورات الخرج فى التوصيل كل نصف دورة من الشكل الموجى , كلا الموجب والسالب , فهى تحتاج لجهد"قاعدة – مشع " Vbe يكون أكبر من 0.7v والمطلوب للترانزستور ثنائى القطبية لبدء التوصيل . لذلك فإن النصف السفلى للشكل الموجى للخرج والموجود أسفل نافذة 0.7v سوف لا يتم إعادة انتاجه بدقة وينتج منطقة تشوه فى شكل موجة الخرج لأن أحد الترانزستورين يكون فى حال "الفصل" منتظرا الترانزستور الآخر ليعود مرة أخرى لحالة "التوصيل" . والنتيجة , هى أن هناك جزء صغير من الشكل الموجى للخرج عند جهد الصفر بع نقطة عبور والتى سوف تكون مشوهة . هذا النوع من التشويه يسمى "تشويه العبور" Crossover Distortion وسوف نتناوله فيما بعد . عمل الفئة AB :
عمل الفئة AB : مكبر الفئة AB يمثل الحل الوسط بين تكوين الفئة A والفئة B . بينما لايزال عمل الفئة AB يستخدم ترانزستورين متكاملين فى مرحلة الخرج , يتم تطبيق جهد انحياز صغير جدا على قاعدة الترانزستور لانحيازه بالقرب من منطقة القطع عند عدم وجود إشارة دخل . إشارة الدخل سوف تتسبب فى عمل الترانزستور كالمعتاد فى منطقته الفعالة وبالتالى القضاء على أى "تشويه العبور" والذى يوجد فى تكوين الفئة B . سوف يمر تيار مجمع صغير عند عدم وجود إشارة دخل ولكنه أقل بكثير من الموجود فى تكوين الفئة A . وهذا يعنى أن الترانزستور سوف يكون "موصل" ON لأكثر من نصف دورة الشكل الموجى . هذا النوع من تكوين المكبر يحسن كل من كفاءة وخطية دائرة المكبر بالمقارنة بتكون الفئةA الصرف .
فئة عمل المكبر مهمة جدا وتعتمد على كمية انحياز الترانزستور المطلوب للعمل , فضلا عن السعة المطلوبة لإشارة الدخل . تصنيف المكبرات يأخذ فى الاعتبار الجزء من إشارة الدخل التى يوصل فيها الترانزستور وكذلك تحديد كل من الكفاءة وكمية القدرة التى يستهلكها ويبددها ترانزستور التحويل فى شكا حرارة مفقودة. لذلك يمكننا عمل مقارنة بين الأنواع الأكثر شيوعا من تصنيفات المكبرات كما فى الجدول التالى :
المكبرات المصممة بشكل سى وخاصة أنوع الفئة A قد تتطلب أيضا ترانزستورات قدرة أكبر , ومبردات حرارة أكثر كلفة , ومراوح تبريد , أو حتى زيادة فى حجم مصدر القدرة المطلوب لإمداد القدرة الإضافية المطلوبة بواسطة المكبر . القدرة المحولة إلى حرارة من الترانزستورات أو المقاومات أو أى مكون آخر , تجعل أى دائرة إلكترونية غير فعالة وسوف تؤدى إلى الفشل المبكر للجهاز . إذا لماذا نستخدم مكبر الفئة A إذا كانت كفاءته أقل من 40% مقارنة بمكبر الفئة B الذى لديه كفاءة أكثر من 70% . فى الأساس , مكبر الفئة A يعطى خرج أكثر خطية .
المكبرات Amplifiers – الجزء الأول – مقدمة – الكسب – أنواع المكبرات :
