مستويات المضخِّمات

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

يُصنِّف المهندسون دارات مضخِّم الإشارة إلى ثلاثة مستويات – المستوى أ والمستوى ب والمستوى ج – اعتماداً على الطريقة التي تنحاز فيها المكونات الفعّالة.

لكلّ من هذه المستوىوف مميِّزات وتطبيقات خاصّة به.

 

– المستوى أ

تعمل مُضخّمات الإشارة الضعيفة -مثل تلك المُستخدَمة في المُضخِّم المسبق لمِكروفون صوتيّ أو المُستعمَلة في المرحلة الأولى لمُستقبِل راديويّ حسّاس- دوماً في نمط المستوى أ.

يُبدي هذا النوع من المُضخّمات خطّيّةَ إشارة (Signal Linearity) ممتازة ممّا يعني أن شكلَ إشارة الخرج (أو شكل الموجة) يُمثِّل إعادةَ إنتاجٍ أمينة ولكن مُكبَّرة لشكل موجة إشارة الدّخل.

إذا أدخلنا إشارة جيبيّة لمُضخِّم بخطّيّة إشارة ممتازة، فعندها سوف نتوقّع أن نحصل على إشارة خرج جيبيّة أيضاً.

 

من أجل الحصول على نمطِ عملٍ موافقٍ للمستوى أ في ترانزستور ثنائي القطبية يجب أن يكون الانحياز موافقاً لعمل الجهاز -في غياب إشارة الدخل- بالقرب من منتصف القطعة المستقيمة في منحني تيّار المُجمِّع (I_C) إزاء تيّار القاعدة (I_B).

يُوضِّح الشكل 7-4 هذه الحالةَ من أجل ترانزستور ثنائي القطبيّة. أمّا من أجل ترانزستور JFET أو MOSFET، فإن الانحياز يجب أن يكون – في غياب إشارة الدخل – موافقاً لعمل الجهاز بالقرب من منتصف القطعة المستقيمة في منحني تيّار المصرِف (I_D) إزاء تيّار فولطيّة البوّابة (E_G).

يوضِّح الشكل 7-5 هذا الوضع من أجل جي فيت.  

 

– المستوى أب

عندما يكون انحياز ترانزستور ثنائي القطبية أعلى بقليل من النقطة الموافقة لانعدام تيّار القاعدة بغياب الإشارة (القطع)، أو عندما نجعل انحيازَ ترانزستور FET أعلى بقليل من النقطة الموافقة لانعدام تيّار البوّابة بغياب الإشارة (الحصْر)، فإن إشارة الدخل تقود المكون نحو القسم اللاخطّي من منحني التشغيل.

يكون لدينا عند ذلك عملٍ للمستوى آب. يُبيّن الشكل 7-4 هذا الوضعَ من أجل ترانزستور ثنائي القطبية، بينما يوضّحه الشكل 7-5 من أجل ترانزستور JFET.

يمكن لإشارة الدخل في المضخّم من المستوى آ ب أن تتسبّب بجعل المكون في وضع القطع أو الحصر من أجل قسم صغير من دورة العمل. تُحدِّد نقطةُ الانحياز الحقيقيّة مع شدّة إشارة الدخل من الذروة للذروة فيما إذا كان "القطع الموافِق لدورة عمل جزئيّة" أو "الحصر الموافق لدورة عمل جزئيّة" يحصلان أم لا.

 

إذا لم يذهب الترانزستور ثنائي القطبية أو ترانزستور FET أبداً نحو القطع أو الحصر خلال أيّ جزءٍ من دورة الإشارة، فإنه يكون لدينا حينها مُضخِّم من المستوى أ ب₁ .

أمّا إذا كان المكون يذهب نحو القطع أو الحصر في أيّ جزءٍ من الدورة كان لدينا حينها مُضخِّم من المستوى أ ب₂ .

يصلح نمط العمل في المستوى أ ب للاستخدام جيّداً في دارات تضخيم القدرة (PA) ذات التردّد الراديوي (RF). 

 

فكرة مفيدة:  يختلف شكل موجة إشارة الخرج عن شكل موجة إشارة الدخل في مضخِّم المستوى آ ب. مع ذلك، إذا رنّمنا الإشارةَ -كما نفعل في محوِّل صوت راديوي- فإن المُعطيات المطبوعة على الإشارة سوف تبزغ غيرَ مُشوَّهةٍ دوماً.

بعبارةٍ أخرى، يظلّ غلافُ الترنيم (تابِع تغيّرات شدّة الإشارة اللحظية مع الزمن) غيرَ مُشوَّهٍ بالرغم من تغيُّر الشكل الموجي للإشارة كثيراً ما بين الدخل والخرج.

 

– المستوى ب

عندما نجعل انحيازَ ترانزستور ثنائي القطبية تماماً عند القطع، أو عندما يكون انحيازُ ترانزستور FET عند الحصْر تماماً، يكون لدينا مُضخِّم يعمل في المستوى ب. وَسَمنا نقاطَ التشغيل هذه على المنحنيَين في الشكلَين 7-4 و7-5.

لا نلاحظ في المُضخِّم من المستوى ب أيّ تيّار مجمِّع أو تيّار مصرِف عند غياب إشارة الدخل. توفِّر هذه المستوىة المُميِّزة الكثيرَ من الطاقة مقارنةً مع دارات المستوى أ أو المستوى أ ب، لأن مُضخِّمات المستوى ب لا تحتاج "للقيام بأيّ عمل" عند غياب إشارة الدخل. عند ظهور إشارة الدخل، يمرّ التيّار في المكون خلال نصف الدور.

يصلح نمط العمل في المستوى ب -كحال نمطَي العمل في المستوى أ ب والمستوى أ ب₂ – للاستخدام جيّداً في دارات تضخيم القدرة ذات التردّد الراديوي (RF). يجب على شكل موجة الخرج أن يكون مختلفاً بشكلٍ كبير عن شكل موجة الدخل، ولذلك نلاحظ توافقيّاتٍ أخرى بالإضافة إلى التردّد الأساسي في إشارة خرج المُضخِّم.

يمكننا التغلّب على هذه المشكلة من خلال تضمين دارةِ ذاتيّةِ الحث- سعة مكثّفة (LC) في الخرج مُولَّفة على التردّد الأساسي. إذا رنّمنا الإشارة في مُضخِّم المستوى ب فإن غلاف الترنيم لا يتشوّه بالرغم من تغيّر الشكل الموجي للإشارة.    

 

– مُضخِّم دفع – شدّ

نستطيع وصل ترانزستورَين ثنائيَّي القطبية أو ترانزستورَي FET في دارات المستوى أب أو المستوى ب، وذلك باستخدام مكونٍ واحدٍ منهما لتضخيم النصف الموجب من الدورة والمكون الآخر لتضخيم النصف السالب.

بهذه الطريقة نستطيع حذفَ تشويهات شكل الموجة المتأصّلة في دارات المستوى أب أو المستوى ب. يدعو المهندسون هذا الترتيبَ بـ مضخِّم دفع – شدّ (الشكل 7-6).

"يُلغي" مُضخّم دفع – شدّ فعليّاً إشارةَ الخرج عند توافقيّات زوجيّة لتردّد الدخل (مضاعفات لـ 2، 4، 6، وهكذا).

لا أثر للعمل في النمط دفع – شدّ على طاقة الخرج عند التوافقيّات الفرديّة (مضاعفات لـ 3، 5، 7 وهكذا).  

 

– المستوى ج

نستطيع جعلَ انحيازَ الترانزستور ثنائي القطبية أو الترانزستور FET يقع خلف نقطة القطع أو الحصر، ويمكن للترانزستور بذلك أن يعمل كمضخّم قدرة إذا قدّمنا قدرة دخلٍ كافيةً للتغلّب على الانحياز وجعل المكون ناقِلاً خلال جزءٍ من الدورة.

ندعو هذا النوع من النّظم بـمضخّم من المستوى ج. وَسَمنا نقاط العمل التقريبيّة للمستوى ج في الشكلَين 7-4 و7-5.

للمُضخِّم (RF) في المستوى ج خطّيّة سيّئة (ويعني ذلك أنه غير خطّيّ) من أجل أغلفة إشارة تتغيّر فيها السعة، كالتي نجدها في إشارة ترنيم سعوي (AM) معياريّة.

لا تزوِّدنا دارةُ المستوى ج بنمطِ عملٍ خالٍ من التشويه إلاّ من أجل الإشارات التي تبقى فيها السعة ثابتة، أو أن يكون لها قيمتان فقط (ندعوهما تشغيل/ فصل، أو عالٍ/ منخفض، أو علامة/ فراغ).

نورد كأمثلةٍ عن هذه الأنماط الإبراقَ الراديوي ذا "الموجة المستمرّة" (CW)، والترنيم بانزياح التردّد (FSK)، والترنيم بانزياح الطور (PSK)، والترنيم التردّدي (FM).   

 

فكرة مفيدة:  يحتاج مُضخِّمُ القدرة (آر إف RF) في المستوى ج إلى قدرة دخلٍ كبيرةً من أجل التغلّب على انحياز القطع أو الحصر عند القاعدة أو البوّابة.

مع ذلك، لمضخِّم المستوى ج -عند عمله بشكلٍ جيّد- فعاليّة عالية. تستخدم بعضُ المُرسِلات بالترنيم التردّدي (FM) ذاتِ الحزمة العريضة نمطَ العمل هذا. 

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]