آمپلی فایر

در این مقاله انواع کلاس های آمپلی فایر را معرفی و به بررسی ساختار آنها می پردازیم.
 کلمه آمپلی فایر به معنی تقویت کننده می باشد . برای طیف گسترده ای از سیگنالهای الکتریکی انواع تقویت کننده ها ساخته شده اند که بسیاری از آنها خارج از محدوده شنوایی انسان می باشند ، به این دلیل کلمه تقویت کننده صوتی (Audio Amplifier)  عبارت صحیح  برای نامیدن آن دسته از تقویت کننده هایی که مخصوص صوت ساخته شده اند می باشد اما در بازار تجاری نام  آمپلی فایر جا افتاده و منظور همان تقویت کننده صوتی می باشد که ما نیز از همین عبارت استفاده خواهیم کرد.

همه طرح های آمپلی فایر ها یکسان نیستند و تمایز واضحی بین آمپلی فایر ها و نحوه پیکر بندی و عملکرد آنها وجود دارد.  ویژگی اصلی یک آمپلی فایر ایده آل خطی بودن ، گین مناسب ، راندمان و توان خروجی است ، اما در دنیای واقعی همیشه یک مبادله بین این ویژگی ها وجود دارد ، بطور مثال تقویت کننده کلاس A  پاسخ بسیار خطی دارد اما بازده آن کمترین بازده بین کلاس های مختلف آمپلی فایر می باشد.

به طور کلی وظیفه اصلی آمپلی فایر ها تامین و انتقال سیگنال  قدرت  به بلندگو می باشد. بلندگو های معمولی دارای امپدانسی بین  4Ω تا 8Ω و حتی گاهی 1 و 2 اهم نیز هستند ، بنابراین یک آمپلی فایر باید بتواند جریان‌هایی با پیک بالا را که برای راه‌اندازی اسپیکر امپدانس پایین لازم است  تامین کند.

یکی از روش‌هایی که برای تشخیص ویژگی‌های الکتریکی انواع مختلف آمپلی فایر ها  استفاده می‌شود «کلاس» است و به این ترتیب آمپلی فایر ها بر اساس پیکربندی مدار و روش کارشان طبقه‌ بندی می‌شوند. کلاس  تقویت کننده اصطلاحی است که برای تمایز بین انواع مختلف آمپلی فایر استفاده می شود.

کلاس‌های آمپلی فایر مقدار سیگنال خروجی را نشان می‌دهند که در مدار تقویت‌کننده در طول یک سیکل عملیاتی زمانی که توسط یک سیگنال ورودی سینوسی تحریک می‌شود، تغییر می‌کند. 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 بازیابی سیگنال دقیق چندان مهم نیست) اما با راندمان بسیار بالاتر است.

کلاس های آمپلی فایر به طور کلی به دو گروه اصلی تقسیم می شوند. اولی تقویت‌کننده‌های زاویه هدایت کلاسیک کنترل‌شده هستند که کلاس‌های تقویت‌کننده رایج‌ تر A، B، AB و C را تشکیل می‌دهند که با طول هدایت آنها در بخشی از شکل موج خروجی تعریف می‌شوند بعبارتی در این کلاس ها آمپلی فایر ها یا منطقه هدایت کار می کنند یا خاموش هستند.

مجموعه دوم آمپلی فایر ها کلاس‌های تقویت‌کننده جدیدتر به‌اصطلاح «سوئیچینگ» D، E، F، G، S، T و غیره هستند که از مدارهای دیجیتال و مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای تقویت سیگنال صوتی استفاده می‌کنند. بعبارتی ترانزیستور در این کلاس ها یا در حالت اشباع یا در منطقه خاموش قرار دارند و ترانزیستور هیچ گاه در منطقه هدایت کار نمی کند و این علت بالا بودن بازده این مجموعه از آمپلی فایر ها می باشد.

برای ساده‌ تر کردن کار آمپلی فایر های کلاس A ,B ,AB و C را در اینجا با جزئیات بیشتری بررسی می‌کنیم و سعی می کنیم در مقالات بعدی سایر کلاس های آمپلی فایر را مورد بررسی قرار دهیم.

آمپلی فایر کلاس A

آمپلی فایر کلاس A ساده ترین نوع توپولوژی تقویت‌کننده هستند، زیرا فقط از یک ترانزیستور سوئیچینگ خروجی (BJT، FET، IGBT و غیره) در طراحی تقویت‌کننده خود استفاده می‌کنند. این تک ترانزیستور خروجی در اطراف نقطه Q در وسط خط بار خود بایاس می شود و بنابراین هرگز به مناطق قطع یا اشباع خود نمی رود ، به این علت به آن اجازه می دهد جریان را در تمام 360 درجه سیکل ورودی هدایت کند. ترانزیستور خروجی در توپولوژی کلاس A هرگز “خاموش” نمی شود که یکی از معایب اصلی آن است.

آمپلی فایر های کلاس “A” به دلیل پاسخ عالی خطی ، بهره بالا و سطوح اعوجاج پایین در صورت طراحی صحیح ، بهترین کلاس طراحی تقویت کننده در نظر گرفته می شوند. اگرچه به دلیل بالا بودن توان تلفاتی و تولید حرارت بالا به ندرت در تقویت کننده با توان بالا استفاده می شود، آمپلی فایرهای کلاس A دارای بهترین صدا در بین تمام کلاس های آمپلی فایر ذکر شده در اینجا هستند و به همین دلیل در طرح های تقویت کننده صوتی با کیفیت بالا استفاده می شوند.

برای رسیدن به پاسخ خطی عالی و بهره بالا، ترانزیستور خروجی تقویت کننده کلاس A همیشه در حالت “روشن” (رسانا) قرار گرفته است .

از آنجایی که تقویت کننده کلاس A در بخش خطی منحنی های مشخصه خود کار می کند، ترانزیستور خروجی همواره در طول 360 درجه در حال هدایت قرار دارد و سیگنال تقویت شده را به بلندگو تحویل می دهد . از آنجایی که یک تقویت کننده کلاس A در ناحیه خطی کار می کند، ولتاژ بایاس DC پایه (یا گیت) ترانزیستور باید به درستی انتخاب شود تا از عملکرد صحیح و اعوجاج کم اطمینان حاصل شود و هیچ گاه وارد منطقه روشن یا خاموش تراتزیستور نشویم.

به دلیل اینکه ترانزیستور خروجی همیشه “روشن” است، به طور مداوم مصرف توان و جریان کشی وجود دارد که بیانگر اتلاف مداوم توان دراین کلاس تقویت کننده است.


با توجه به اتلاف توان بالا ، آمپلی فایر های کلاس A مقادیر فوق‌العاده‌ای گرما ایجاد می‌کنند که منجر به راندمان بسیار پایین آن‌ها در حدود 30 درصد می شود واستفاده از آنها را برای تقویت‌کننده‌های با توان بالا غیرعملی می‌سازد. همچنین به دلیل جریان کشی در حالت بدون سیگنال ورودی آمپلی فایر، منبع تغذیه باید توان زیادی داشته باشد و به خوبی فیلتر شود تا از هرگونه نویز در خروجی آمپلی فایر جلوگیری شود. بنابراین به دلیل راندمان پایین و مشکلات بیش از حد گرمایش تقویت کننده های کلاس A، کلاس های تقویت کننده کارآمدتری ایجاد شده است.

آمپلی فایر کلاس B

تقویت کننده های کلاس B به عنوان راه حلی برای مشکلات راندمان و گرمایش مرتبط با تقویت کننده کلاس A اختراع شدند. تقویت کننده پایه کلاس B از دو ترانزیستور مکمل برای هر نیمه شکل موج استفاده می کند که مرحله خروجی آن در آرایش نوع “پوش پول” پیکربندی شده است، به طور کلی هر ترانزیستور تنها نیمی از شکل موج خروجی را تقویت می کند.

در تقویت کننده کلاس B، جریان بایاس DC وجود ندارد، زیرا جریان در حالت نبود سیگنال ورودی صفر است ، به این دلیل راندمان آن بسیار بیشتر از تقویت کننده کلاس A است.

هنگامی که سیگنال ورودی مثبت می شود، ترانزیستور بایاس مثبت (ترانزیستور بالایی در شکل) هدایت می کند در حالی که ترانزیستور منفی (ترانزیستور پایینی) خاموش است. به همین ترتیب، هنگامی که سیگنال ورودی منفی می شود، ترانزیستور مثبت خاموش می شود در حالی که ترانزیستور بایاس منفی روشن می شود و بخش منفی سیگنال را هدایت می کند.

بنابراین ترانزیستور فقط نیمی از زمان را هدایت می کند، چه در نیم سیکل مثبت یا منفی سیگنال ورودی. در نتیجه می‌توانیم ببینیم که هر ترانزیستور قدرت تقویت کننده کلاس B تنها یک نیم سیکل یا 180 درجه از شکل موج خروجی را در تناوب زمانی دقیق هدایت می‌کند، اما از آنجایی که خروجی باید دارای هر دو نیمه شکل موج سیگنال را دارا باشد ، دو نیم سیکل با هم ترکیب می‌شوند.
برای تولید شکل موج خروجی کامل خطی ، این طراحی تقویت‌کننده پوش پول به وضوح بازده بالاتری از کلاس A را دارا می باشد ، در حدود 50 درصد ، اما مشکل طراحی آمپلی فایر کلاس B این است که به دلیل ولتاژ مورد نیاز برای آغاز هدایت ترانزیستور، اعوجاجی در نقطه عبور از صفر شکل موج ایجاد کند.

به خاطر داریم که ولتاژ مورد نیاز برای آغاز هدایت ترانزیستور حدود 0.7 ولت می باشد ، بعبارتی 0.7 ولت نیاز است تا ترانزیستور BJT شروع به هدایت کند و این عدد در مورد ماسفتها بالاتر نیز هست. پس در یک آمپلی فایر کلاس B، تا زمانی که ولتاژ بیس ترانزیستور خروجی از 0.7 ولت بالاتر نرود به حالت «روشن» بایاس نمی‌شود.

این بدان معنی است که بخشی از شکل موج که در این بازه 0.7 ولتی قرار می گیرد به طور دقیق بازیابی نمی شود در نتیجه تقویت کننده کلاس B برای کاربردهای تقویت کننده صوتی با دقت بالا مناسب نیست. برای غلبه بر این اعوجاج تقویت کننده های کلاس AB اختراع شدند .

تقویت کننده کلاس AB

همانطور که از نام آن پیداست، تقویت کننده کلاس AB ترکیبی از آمپلی فایر های نوع “کلاس A” و “کلاس B” است که در بالا به آنها پرداختیم . آمپلی فایر کلاس AB در حال حاضر یکی از رایج ترین انواع طراحی تقویت کننده قدرت صوتی است. تقویت‌کننده کلاس AB نوعی از تقویت‌کننده کلاس B است که در بالا توضیح داده شد، با این تفاوت که هر دو ترانزیستور قدرت اجازه دارند همزمان در اطراف نقطه تقاطع شکل موج حرکت کنند و مشکلات اعوجاج گذر از صفر آمپلی فایر کلاس B را مرتفع کنند.

این دو ترانزیستور قدرت دارای جریان بایاس کمی میباشند بعبارتی در آستانه هدایت قرا گرفته اند . با استفاده از دو دیودی که بین بیس و امیتر ترانزیستور ها قرار گرفته ولتاژ 0.7 ولت برای قرار گرفتن در آستانه هدایت ترانزیستور های خروجی تامین می شود، در نتیجه با اعمال سیگنال ورودی چه در سیکل منفی چه مثبت ، بلافاصله ترانزیستور npn در سیکل مثبت و ترانزیستور pnp در سیکل منفی هدایت میکنند و سیگنال تقویت شده و بدون اعوجاج را به بلندگو تحویل می دهند.

مزیت این ولتاژ بایاس کوچک تامین شده توسط دیودها یا مقاومت های سری، این است که بر اعوجاج ایجاد شده توسط آمپلی فایر کلاس B ، بدون داشتن توان تلفاتی آمپلی فایر کلاس A غلبه می شود. بنابراین تقویت کننده کلاس AB یک ترکیب خوب بین کلاس A از نظر پاسخ خطی و کلاس B از نظر بازده می باشد.

آمپلی فایر کلاس C

طراحی آمپلی فایر کلاس C دارای بیشترین بازده اما ضعیف ترین پاسخ خطی کلاس های تقویت کننده های ذکر شده در اینجا است. کلاس های قبلی، A، B و AB تقویت کننده های خطی در نظر گرفته می شوند، زیرا دامنه و فاز سیگنال های خروجی به صورت خطی با دامنه و فاز سیگنال های ورودی مرتبط هستند.

در آمپلی فایر کلاس C جریان خروجی برای بیش از نیمی از یک سیکل سیگنال سینوسی ورودی صفر است. به عبارت دیگر، زاویه هدایت ترانزیستور به طور قابل توجهی کمتر از 180 درجه است و به طور کلی درحدود 90 درجه است. در حالی که این شکل از بایاسینگ ترانزیستور بازده بسیاربالایی در حدود 80 درصد به آمپلی فایر می دهد، اعوجاج بسیار شدیدی در سیگنال خروجی ایجاد می کند. بنابراین، تقویت کننده های کلاس C برای استفاده به عنوان تقویت کننده صوتی مناسب نیستند.

تقویت‌کننده‌های کلاس C به دلیل اعوجاج شدید صوتی، معمولاً در نوسانگرهای سینوسی فرکانس بالا و انواع خاصی از تقویت‌کننده‌های فرکانس رادیویی استفاده می‌شوند .