مُضخِّمات الإشارة

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

يُزيد مُضخِّم الإشارة قيمةَ السعة (التيار، الفولطية أو مستوى القدرة) لإشارةٍ ذات تردّد صوتي (AF) أو راديوي (RF).

في هذا الفصل سوف نتعلّم كيفية عمل الأنواع الأكثر انتشاراً لمضخّمات الإشارة.

 

عامِل التضخيم

يمكننا تحديدُ مقدار مدى زيادة شدّة الإشارة في دارةٍ ما بدلالة عامِل التضخيم، المُقدَّر بالديسيبل (Decibels) (dB).

يختلف تعريف عامِل التضخيم وفقاً لكونه موافقاً للفولطية، أو للتيّار أو للقدرة.

 

الديسيبل

يتحسّس البشرُ غالبيةَ المقادير المتغيّرة بطريقة غير خطّيّة. ابتكر العلميون والمهندسون نظامَ الديسيبل حيث يُعبَّر عن تغيّرات السعة بدلالة لوغاريتم شدّة الإشارة الحقيقيّة. يُعطي الاكتساب قيمَ ديسيبل موجبةً، بينما يقتضي الفقدُ والضياع قيمَ ديسيبل سالبة.

 

فكرة مفيدة:  يعادل تغيّرُ السعة بمقدار ±1 ديسيبل تقريباً المدى الأصغري الذي يمكننا به اكتشافُ تغيُّرٍ مفاجئٍ نرتقبه في شدّة الإشارة.

إذا لم نكن ننتظر أو نتوقّع أيّ تغيّر في شدّة الإشارة فعندها يساوي الفرق الأصغري القابل للملاحظة -في حال حصول التحوّل فجأة- حوالي ±3 ديسيبل.

 

ديسيبل الفولطية

لنتخيّل مضخِّماً بفولطيّة دخل مستمرّ قيمتها الفعّالة E_in وفولطيّة خرج بقيمة فعّالة E_out حيث نُقدِّر كلتا الفولطيّتَين بالوحدات نفسها. لنفترض كذلك أن ممانعة الدخل مطابقة لممانعة الخرج.

في هذه الحالة يمكن حساب اكتساب الفولطية للدارة مُقدّراً بالديسيبل بالعلاقة: 

 

ديسيبل التيّار

يمكن أن نحسب اكتساب التيّار في دارةٍ ما تماماً بالطريقة نفسها التي حسبنا فيها اكتساب الفولطية. إذا رمزنا بـ I_in للقيمة الفعّالة لتيّار الدخل وبـ I_out للقيمة الفعّالة لتيّار الخرج مُقدّرتَين بالوحدات نفسها، وإذا تساوت ممانعة الدخل مع ممانعة الخرج كان لدينا:

لا بدّ لأيّ جهازٍ (أو دارةٍ) غير نشِطٍ (أي لا مصدر طاقةٍ خارجيّاً -مثل بطارية- له) يُنتِج كسباً في الفولطية من أن يقتضي ضياعاً وفقداً في التيّار، والعكس بالعكس.

نورد كمثال على ذلك دارةَ محوِّل تيار متناوب. تستطيع الأجهزة أو الدارات الفعّالة النشطة (أي التي تحتوي على مصادر طاقة خارجيّة وتستخدم مكوناتٍ مثل ترانزستورات أو مضخّمات تشغيلية) – في بعض الحالات – أن تُنتِج كسباً في كلا الفولطية والتيّار. 

 

فكرة مفيدة: عندما تُبدي دارةٌ ما كسباً في كلا شدّة التيّار والفولطية فإن هناك اختلافاً بين شكلَي الديسيبل الموافقَين لكون ممانعة الخرج أكبر أو أصغر من ممانعة الدخل. يتطابق الشكلان مع بعضهما إذا، وفقط إذا، تطابقت ممانعة الدخل مع ممانعة الخرج.

 

ديسيبل القدرة

يمكننا حساب الاكتساب في القدرة لجهاز أو دارة أو منظومةٍ مُقدّراً بالديسيبل باستعمال العبارة:

حيث P_out تمثّل القدرة إشارة الخرج بينما P_in تمثّل القدرة إشارة الدخل، مُقدّرتَين بالوحدات نفسها. تصلح هذه العبارة بغضّ النظر عن قيمِ ممانعتَي الدخل والخرج، اللتَين يمكن أن تختلفا كثيراً فيما بينهما، ومع ذلك تبقى العبارة صالحة.

 

مسألة 7-1:

افترض أن القيمة الفعّالة لفولطيّة الدخل في دارة تساوي 10 مل فولط، بينما القيمة الفعالة لفولطيّة الخرج (70 مل فولط).

ما هو الاكتساب في الفولطية، مع افتراض كون ممانعتَي الدخل والخرج متطابقتَين.

 

الحلّ: 

نضع E_in=10 وE_out=70، ثم نستخدم العبارة المُعرَّفة سابقاً لاكتساب الفولطية لنجد:

علينا تقريب هذه الإجابة لـ +17 dB، لأن معطيةَ الدخل عندنا صحيحة لغاية رقمَين معنويَّين فقط.

 

مسألة 7-2 :

إذا كانت القيمة الفعّالة لتيّار الدخل في دارة تساوي 250 مكرو أمبير فولط، بينما القيمة الفعالة لتيّار الخرج (100 مكرو أمبير).

ما هو الاكتساب في شدّة التيّار، مع افتراض كون ممانعتَي الدخل والخرج متطابقتَين.

 

الحلّ: 

يجب أولاً أن نقدّر قيمتَي تيّار الدخل والخرج بالوحدات نفسها. لنستخدم الملّي أمبير.

لدينا عندها I_in=0.250 وI_out=100، وبالتالي نستطيع الآن استخدام العلاقة المُعرَّفة سابقاً للاكتساب في التيّار:

علينا تقريب هذه الإجابة لـ +52.0 dB، لأن الدقّةَ في معطية الدخل عندنا لا تتجاوز ثلاثة أرقام معنوية.

 

مسألة 7-3 :

لنفترض أننا نطبّق مقداراً ما من إشارة قدرة على مُوهِّن تردّد راديوي (دارة تُصمَّم خصّيصاً من أجل تخفيض شدّة إشارة ما عبر التسبّب بتبديد قسمٍ منها في شبكة مقاومات).

نحصل تماماً على قدرة خرجٍ مساوية لـ1/15  من قدرة الدخل. ما هو الاكتساب في القدرة مُقدّراً بالديسيبل؟ ما مقدار الفقد في القدرة مُقدّراً بالديسيبل؟

 

الحلّ:

لدينا هنا نسبةٌ وليس قيماً فعليّة للقدرة. مع ذلك يمكننا حساب الاكتساب في القدرة وعامِل الضياع؛ لأننا نحتاج لذلك إلى معرفة النسبة لا غير. لنعطِ القيمةَ (وحدة) P_in=15  فتكون وحدة P_out=1 (يمكننا استعمال أي رقمَين آخرَين طالما بقيت النسبةُ بينهما مساويةً لـ 15).

باستخدام العلاقة المُعرَّفة سابقاً الاكتساب في القدرة، نكتب

بما أن عامِل التوهين عددٌ صحيح، يمكن أن ندع هذه القيمةَ كما هي (يمكن لمهندسٍ متمرّس أن يقرّب الاكتساب إلى  dB-12، بشكلٍ يسمح ببعض الارتياب المُبرَّر).

هذا هو الاكتساب في القدرة للمُوهِّن. نستطيع أيضاً القول إن الدارة تتسبّب بـ 12 dB  كضياعٍ في القدرة.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]