فهم دوائر مكبر للصوت

بشكل عام ، يمكن تعريف مكبر الصوت على أنه دائرة مصممة لتعزيز إشارة إدخال طاقة منخفضة مطبقة في إشارة خرج عالية الطاقة ، وفقًا للتصنيف المحدد للمكونات.

على الرغم من أن الوظيفة الأساسية تظل كما هي ، يمكن تصنيف مكبرات الصوت إلى فئات مختلفة اعتمادًا على تصميمها وتكويناتها.

دارات تضخيم المدخلات المنطقية

ربما تكون قد صادفت مضخمات ترانزستور مفردة تم تكوينها للعمل وتضخيم منطق إشارة منخفض من أجهزة استشعار الإدخال مثل LDRs ، الثنائيات الضوئية ، أجهزة الأشعة تحت الحمراء. ثم يتم استخدام الإخراج من هذه المضخمات للتبديل نعال الشاطئ أو مرحل ON / OFF استجابة للإشارات من أجهزة الاستشعار.

ربما تكون قد شاهدت أيضًا مكبرات صوت صغيرة تُستخدم لتضخيم الموسيقى أو إدخال الصوت مسبقًا ، أو لتشغيل مصباح LED.
كل هذه مكبرات الصوت الصغيرة يتم تصنيفها على أنها مضخمات إشارة صغيرة.

أنواع مكبرات الصوت

في المقام الأول ، يتم دمج دارات مكبر الصوت لتضخيم تردد الموسيقى بحيث يتم تضخيم مدخلات الموسيقى الصغيرة التي يتم تغذيتها إلى العديد من الطيات ، عادةً من 100 مرة إلى 1000 مرة وإعادة إنتاجها عبر مكبر الصوت.

اعتمادًا على القوة الكهربائية أو تصنيف الطاقة ، قد تحتوي هذه الدوائر على تصميمات تتراوح من مضخمات الإشارة الصغيرة القائمة على opamp إلى مضخمات الإشارة الكبيرة التي تسمى أيضًا مضخمات الطاقة. يتم تصنيف هذه المضخمات تقنيًا بناءً على مبادئ عملها ومراحل الدائرة والطريقة في والتي قد يتم تكوينها لمعالجة وظيفة التضخيم.

يوفر الجدول التالي تفاصيل تصنيف مكبرات الصوت بناءً على مواصفاتها الفنية ومبدأ التشغيل:

في تصميم مكبر الصوت الأساسي ، نجد أنه يتضمن في الغالب بضع مراحل بها شبكات من الترانزستورات ثنائية القطب أو BJTs أو ترانزستورات التأثير الميداني (FETs) أو مكبرات الصوت التشغيلية.

يمكن ملاحظة أن كتل أو وحدات مكبر الصوت هذه تحتوي على طرفين لتغذية إشارة الدخل ، وزوجًا آخر من المحطات عند الخرج للحصول على الإشارة المضخمة عبر مكبر صوت متصل.

أحد المحطات من هذين المطرافين هو المحطات الأرضية ويمكن اعتبارها خطًا مشتركًا عبر مرحلتي الإدخال والإخراج.

ثلاث خواص لمكبر الصوت

الخصائص الثلاث الهامة التي يجب أن يتمتع بها مكبر الصوت المثالي هي:

• مقاومة المدخلات (رين)
• مقاومة الإخراج (التوجيه)
• الكسب (A) وهو نطاق تضخيم مكبر الصوت.

فهم عمل مكبر الصوت المثالي

يُطلق على الاختلاف في الإشارة المضخمة بين الإخراج والمدخلات كسب مكبر الصوت. إنه الحجم أو المقدار الذي يستطيع من خلاله مكبر الصوت تضخيم إشارة الإدخال عبر أطراف الخرج الخاصة به.

خذ على سبيل المثال ، إذا تم تصنيف مكبر للصوت لمعالجة إشارة دخل قدرها 1 فولت في إشارة مضخمة بمقدار 50 فولت ، فسنقول أن مكبر الصوت لديه ربح قدره 50 ، فهو بهذه البساطة.
هذا التحسين لإشارة الدخل المنخفضة إلى إشارة خرج أعلى يسمى مكسب مكبر للصوت. بدلاً من ذلك ، يمكن فهم هذا على أنه زيادة في إشارة الدخل بمعامل 50.

نسبة الكسب وبالتالي ، فإن كسب مكبر الصوت هو أساسًا نسبة قيم الإخراج والمدخلات لمستويات الإشارة ، أو ببساطة طاقة الخرج مقسومة على طاقة الإدخال ، ويعزى ذلك بالحرف 'A' الذي يشير أيضًا إلى قوة التضخيم للمضخم.

أنواع مكاسب مكبر للصوت يمكن تصنيف الأنواع المختلفة من مكاسب مكبر الصوت على النحو التالي:

1. كسب الجهد (إيقاف)
2. الكسب الحالي (Ai)
3. اكتساب الطاقة (AP)

مثال على الصيغ لحساب مكاسب مكبر الصوت اعتمادًا على الأنواع الثلاثة المذكورة أعلاه من المكاسب ، يمكن تعلم الصيغ لحساب هذه من الأمثلة التالية:

1. كسب الجهد (Av) = جهد الإخراج / جهد الإدخال = Vout / Vin
2. الكسب الحالي (Ai) = تيار الإخراج / تيار الإدخال = Iout / Iin
3. اكتساب الطاقة (Ap) = Av.x.A أنا

لحساب كسب الطاقة ، يمكنك أيضًا استخدام الصيغة:
كسب الطاقة (Ap) = طاقة الإخراج / طاقة الإدخال = Aout / Ain

سيكون من المهم أن نلاحظ أن منخفض ص ، ت ، ط المستخدمة لحساب القدرة يتم تعيينها لتحديد النوع المحدد لكسب الإشارة الذي يتم العمل عليه.

التعبير عن ديسيبل

ستجد طريقة أخرى للتعبير عن اكتساب الطاقة لمكبر الصوت ، وهو في ديسيبل أو (ديسيبل).
المقياس أو الكمية Bel (B) هي وحدة لوغاريتمية (أساس 10) لا تحتوي على وحدة قياس.
ومع ذلك ، يمكن أن يكون الديسيبل وحدة كبيرة جدًا للاستخدام العملي ، لذلك نستخدم الإصدار المنخفض ديسيبل (ديسيبل) لحسابات مكبر الصوت.
فيما يلي بعض الصيغ التي يمكن استخدامها لقياس كسب مكبر الصوت بالديسيبل:

1. كسب الجهد في ديسيبل: إيقاف التشغيل = 20 * تسجيل (إيقاف)
2. الكسب الحالي بالديسيبل: ai = 20 * log (Ai)
3. كسب الطاقة في ديسيبل: ap = 10 * تسجيل (Ap)

بعض الحقائق عن قياس ديسيبل
سيكون من المهم ملاحظة أن كسب طاقة التيار المستمر لمكبر الصوت هو 10 أضعاف السجل المشترك لنسبة الخرج / الإدخال ، في حين أن مكاسب التيار والجهد هي 20 ضعف السجل المشترك لنسبها.

وهذا يعني أنه نظرًا لوجود مقياس لوغاريتمي ، لا يمكن اعتبار كسب 20 ديسيبل ضعف 10 ديسيبل ، نظرًا لخاصية القياس غير الخطية للمقاييس اللوغاريتمية.

عندما يتم قياس الكسب بالديسيبل ، تشير القيم الموجبة إلى كسب مكبر الصوت بينما تشير القيمة السالبة ديسيبل إلى فقدان كسب مكبر الصوت.

على سبيل المثال ، إذا تم تحديد كسب + 3dB ، فإنه يشير إلى كسب 2 أضعاف أو x2 لإخراج مكبر الصوت المعين.

على العكس من ذلك ، إذا كانت النتيجة -3 ديسيبل ، فهذا يشير إلى أن مكبر الصوت لديه خسارة بنسبة 50 ٪ أو مقياس خسارة بمقدار 0.5 في مكاسبه. يشار إلى هذا أيضًا باسم نقطة نصف الطاقة التي تعني -3 ديسيبل أقل من الحد الأقصى للطاقة التي يمكن تحقيقها ، فيما يتعلق بـ 0 ديسيبل وهو أقصى خرج ممكن من مكبر الصوت

مكبرات الصوت

احسب الجهد والتيار وكسب الطاقة لمكبر الصوت بالمواصفات التالية: إشارة الإدخال = 10mV @ 1mAutput Signal = 1V @ 10mA اكتشف أيضًا كسب مكبر الصوت باستخدام قيم ديسيبل (ديسيبل).

المحلول:

من خلال تطبيق الصيغ التي تم تعلمها أعلاه ، يمكننا تقييم الأنواع المختلفة من المكاسب المرتبطة بمكبر الصوت وفقًا لمواصفات الإدخال والإخراج المتوفرة:

كسب الجهد (Av) = جهد الإخراج / جهد الإدخال = Vout / Vin = 1 / 0.01 = 100
الكسب الحالي (Ai) = تيار الإخراج / تيار الإدخال = Iout / Iin = 10/1 = 10
اكتساب الطاقة (Ap) = Av. x أ أنا = 100 × 10 = 1000

للحصول على النتائج بالديسيبل ، نطبق الصيغ المقابلة كما هو موضح أدناه:

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

تقسيمات مكبر للصوت

مكبرات الصوت الصغيرة: فيما يتعلق بمواصفات اكتساب الطاقة والجهد لمكبر الصوت ، يصبح من الممكن لنا تقسيمها إلى فئتين مختلفتين.

يشار إلى النوع الأول باسم مضخم الإشارة الصغير. يتم استخدام مكبرات الصوت الصغيرة هذه بشكل عام في مراحل المضخم ، ومضخمات الأجهزة ، إلخ.

يتم إنشاء هذه الأنواع من مكبرات الصوت للتعامل مع مستويات الإشارة الدقيقة عند مدخلاتها ، ضمن نطاق بعض الفولتات الصغيرة ، مثل أجهزة الاستشعار أو مدخلات الإشارات الصوتية الصغيرة.

مضخمات إشارة كبيرة: يُطلق على النوع الثاني من مكبرات الصوت اسم مضخمات إشارة كبيرة ، وكما يوحي الاسم ، يتم استخدامها في تطبيقات مضخمات الطاقة لتحقيق نطاقات تضخيم ضخمة. في هذه المكبرات ، تكون إشارة الدخل أكبر نسبيًا من حيث الحجم بحيث يمكن تضخيمها بشكل كبير لإعادة إنتاجها وقيادتها إلى مكبرات الصوت القوية.

كيف تعمل مضخمات الطاقة

نظرًا لأن مكبرات الصوت الصغيرة مصممة لمعالجة الفولتية الصغيرة للإدخال ، يشار إليها باسم مضخمات الإشارة الصغيرة. ومع ذلك ، عندما يكون مكبر الصوت مطلوبًا للعمل مع التطبيقات الحالية ذات التحويل العالي في مخرجاتها ، مثل تشغيل محرك أو تشغيل مكبرات الصوت الفرعية ، يصبح مضخم الطاقة أمرًا لا مفر منه.

الأكثر شيوعًا ، يتم استخدام مضخمات الطاقة كمكبرات صوت لقيادة مكبرات الصوت الكبيرة ولتحقيق تضخمات كبيرة على مستوى الموسيقى ومخرجات الصوت.

يتطلب مضخم الطاقة طاقة تيار مستمر خارجية لعملها ، ويتم استخدام طاقة التيار المستمر هذه لتحقيق تضخيم الطاقة المرتفع المقصود عند خرجها. عادة ما يتم اشتقاق طاقة التيار المستمر من خلال مصادر طاقة عالية الجهد عالية التيار من خلال المحولات أو الوحدات القائمة على SMPS.

على الرغم من أن مضخمات الطاقة قادرة على تعزيز إشارة الدخل المنخفضة إلى إشارات خرج عالية ، إلا أن الإجراء في الواقع ليس فعالاً للغاية. وذلك لأنه في هذه العملية يتم إهدار كمية كبيرة من طاقة التيار المستمر في شكل تبديد الحرارة.

نحن نعلم أن مكبر الصوت المثالي من شأنه أن ينتج مخرجات مساوية تقريبًا للطاقة المستهلكة ، مما ينتج عنه كفاءة بنسبة 100٪. ومع ذلك ، يبدو هذا بعيدًا من الناحية العملية وقد لا يكون ممكنًا ، بسبب فقدان طاقة التيار المستمر المتأصل من أجهزة الطاقة في شكل حرارة.

كفاءة مكبر للصوت من الاعتبارات المذكورة أعلاه ، يمكننا التعبير عن كفاءة مكبر الصوت على النحو التالي:

الكفاءة = خرج الطاقة للمضخم / استهلاك التيار المباشر للمضخم = العبوة / الدبوس

مكبر صوت مثالي

بالإشارة إلى المناقشة أعلاه ، قد يكون من الممكن بالنسبة لنا تحديد الخطوط العريضة فيما يتعلق بالخصائص الرئيسية لمكبر الصوت المثالي. هم على وجه التحديد كما هو موضح أدناه:

يجب أن يكون الكسب (A) لمكبر الصوت المثالي ثابتًا بغض النظر عن إشارة الدخل المتغيرة.

1. يظل الكسب ثابتًا بغض النظر عن تردد إشارة الإدخال ، مما يتيح لتضخيم الخرج أن يظل غير متأثر.
2. خرج مكبر الصوت خالي من أي نوع من الضوضاء أثناء عملية التضخيم ، على العكس من ذلك ، فهو يشتمل على ميزة تقليل الضوضاء التي تلغي أي ضوضاء محتملة يتم إدخالها من خلال مصدر الإدخال.
3. يبقى غير متأثر بالتغيرات في درجة الحرارة المحيطة أو درجة حرارة الغلاف الجوي.
4. الاستخدام لفترة طويلة له تأثير ضئيل أو معدوم على أداء مكبر الصوت ، ويظل ثابتًا.

تصنيف مكبر الصوت الإلكتروني

سواء كان مضخمًا للجهد أو مضخمًا للطاقة ، يتم تصنيفها بناءً على خصائص إشارة الإدخال والإخراج. يتم ذلك عن طريق تحليل تدفق التيار فيما يتعلق بإشارة الإدخال والوقت اللازم للوصول إلى المخرجات.

بناءً على تكوين الدائرة الخاصة بهم ، يمكن تصنيف مضخمات الطاقة بترتيب أبجدي. يتم تعيينهم بفئات تشغيلية مختلفة مثل:

الفئة 'أ'
الصف ب'
فئة ج'
فئة 'AB' وهكذا.

قد يكون لهذه الخواص خصائص تتراوح من استجابة الخرج الخطية تقريبًا ولكن كفاءة منخفضة إلى استجابة خرج غير خطية بكفاءة عالية.

لا يمكن تمييز أي من هذه الفئات من مكبرات الصوت على أنها أفقر أو أفضل من بعضها البعض ، لأن لكل منها منطقة تطبيق خاصة بها اعتمادًا على المتطلبات.

قد تجد كفاءات تحويل مثالية لكل من هذه ، ويمكن تحديد شعبيتها بالترتيب التالي:

مكبرات الصوت من الفئة 'أ': تكون الكفاءة عادةً أقل من 40٪ ، ولكنها قد تُظهر إخراج إشارة خطية محسّنًا.

مكبرات الصوت من الفئة 'ب': قد يكون معدل الكفاءة ضعف مثيله في الفئة أ ، أي حوالي 70٪ تقريبًا ، نظرًا لحقيقة أن الأجهزة النشطة فقط من مكبر الصوت تستهلك الطاقة ، مما يتسبب في استخدام 50٪ فقط من الطاقة.

مكبرات الصوت من الفئة AB: تتمتع مكبرات الصوت في هذه الفئة بمستوى كفاءة في مكان ما بين مستوى الفئة A والفئة B ، ولكن إعادة إنتاج الإشارة يكون أقل مقارنة بالفئة A.

مكبرات الصوت من الفئة 'C': تعتبر ذات كفاءة استثنائية من حيث استهلاك الطاقة ، ولكن إعادة إنتاج الإشارة يكون أسوأ مع الكثير من التشويه ، مما يتسبب في تكرار ضعيف للغاية لخصائص إشارة الإدخال.

كيف تعمل مكبرات الصوت من الفئة أ:

تحتوي مكبرات الصوت من الفئة A على ترانزستورات منحازة بشكل مثالي داخل المنطقة النشطة مما يجعل من الممكن تضخيم إشارة الإدخال بدقة عند الخرج.

نظرًا لخاصية التحيز المثالية هذه ، لا يُسمح أبدًا للترانزستور بالانجراف نحو مناطق القطع أو التشبع ، مما يؤدي إلى تحسين تضخيم الإشارة بشكل صحيح وتوسيطه بين الحدود العلوية والسفلية المحددة للإشارة ، كما هو موضح في ما يلي صورة:

في تكوين الفئة A ، يتم تطبيق مجموعات متطابقة من الترانزستورات عبر نصفين من شكل الموجة الناتج. واعتمادًا على نوع التحيز الذي تستخدمه ، يتم دائمًا تقديم ترانزستورات طاقة الخرج في وضع التبديل ON ، بغض النظر عما إذا كانت إشارة الإدخال مطبقة أم لا.

لهذا السبب ، تحصل مكبرات الصوت من الفئة أ على كفاءة رديئة للغاية من حيث استهلاك الطاقة ، حيث يتم إعاقة التوصيل الفعلي للطاقة إلى المخرجات بسبب الهدر الزائد من خلال تبديد الجهاز.

مع الوضع الموضح أعلاه ، يمكن رؤية مضخمات الفئة تحتوي دائمًا على ترانزستورات طاقة خرج ساخنة حتى في حالة عدم وجود إشارة دخل.

حتى في حالة عدم وجود إشارة إدخال ، يُسمح للتيار المستمر (Ic) من مصدر الطاقة بالتدفق عبر ترانزستورات الطاقة ، والتي قد تكون مساوية للتيار المتدفق عبر مكبر الصوت عند وجود إشارة الإدخال. يؤدي هذا إلى ظهور ترانزستورات 'ساخنة' مستمرة وإهدار للطاقة.

تشغيل مكبر للصوت من الفئة ب

على عكس تكوين مكبر الصوت من الفئة A والذي يعتمد على ترانزستورات القدرة المفردة ، تستخدم الفئة B زوجًا من BJTs التكميلية عبر كل نصف أقسام من الدائرة. يمكن أن تكون هذه في شكل NPN / PNP ، أو mosfet N-channel / P-channel mosfet).

هنا ، يُسمح لأحد الترانزستورات بالتصرف استجابة لدورة نصف الموجة لإشارة الإدخال ، بينما يعالج الترانزستور الآخر نصف الدورة الأخرى لشكل الموجة.

هذا يضمن أن كل ترانزستور في الزوج يجري نصف الوقت داخل المنطقة النشطة ونصف الوقت في منطقة القطع ، مما يسمح بمشاركة 50٪ فقط في تضخيم الإشارة.

على عكس مكبرات الصوت من الفئة أ ، في مكبرات الصوت من الفئة ب ، لا تكون ترانزستورات الطاقة متحيزة مع تيار مستمر مباشر ، وبدلاً من ذلك يضمن التكوين أنها تجري فقط بينما تكون إشارة الإدخال أعلى من جهد الباعث الأساسي ، والذي يمكن أن يكون حوالي 0.6 فولت للسيليكون BJTs.

هذا يعني أنه في حالة عدم وجود إشارة إدخال ، تظل BJTs مغلقة ويكون تيار الإخراج صفرًا. ونتيجة لذلك ، يُسمح فقط بنسبة 50 ٪ من إشارة الإدخال بالدخول إلى المخرجات في أي حالة مما يتيح معدل كفاءة أفضل بكثير لمكبرات الصوت هذه. يمكن رؤية النتيجة في الرسم البياني التالي:

نظرًا لعدم وجود مشاركة مباشرة للتيار المستمر في تحيز ترانزستورات الطاقة في مكبرات الصوت من الفئة ب ، من أجل بدء التوصيل استجابةً لكل نصف دورات شكل الموجة +/- ، يصبح من الضروري لقاعدتهم / باعثهم Vbe للحصول على إمكانات أعلى من 0.6 فولت (قيمة انحياز أساسية قياسية لـ BJTs)

نظرًا للحقيقة المذكورة أعلاه ، فهذا يعني أنه بينما يكون شكل الموجة الناتج أقل من علامة 0.6 فولت ، لا يمكن تضخيمه وإعادة إنتاجه.

يؤدي هذا إلى ظهور منطقة مشوهة لشكل الموجة الناتج ، فقط خلال الفترة التي يتم فيها إيقاف تشغيل أحد BJTs وينتظر الآخر للعودة إلى وضع التشغيل.

ينتج عن هذا تعرض جزء صغير من شكل الموجة لتشويه طفيف أثناء فترة التقاطع أو الفترة الانتقالية بالقرب من تقاطع الصفر ، بالضبط عندما يحدث التحول من ترانزستور إلى آخر عبر أزواج مكملة.

عملية مكبر للصوت من الفئة AB

تم تصميم مضخم الصوت من الفئة AB باستخدام مزيج من الخصائص من تصميمات الدوائر من الفئة A والفئة B ، ومن هنا جاء اسم الفئة AB.

على الرغم من أن تصميم الفئة AB يعمل أيضًا مع زوج من BJTs التكميلية ، إلا أن مرحلة الإخراج تضمن التحكم في انحياز BJTs للطاقة بإغلاق عتبة القطع ، في حالة عدم وجود إشارة دخل.

في هذه الحالة ، بمجرد استشعار إشارة الإدخال ، تعمل الترانزستورات بشكل طبيعي في منطقتها النشطة وبالتالي تمنع أي احتمال للتشوه المتقاطع ، وهو أمر سائد عادةً في تكوينات الفئة ب. ومع ذلك ، قد يكون هناك قدر ضئيل من تيار المجمع الذي يتم توصيله عبر BJTs ، ويمكن اعتبار المبلغ ضئيلًا مقارنة بتصميمات الفئة أ.

يُظهر نوع مكبر الصوت من الفئة AB معدل كفاءة محسنًا بشكل كبير واستجابة خطية على عكس نظيره من الفئة أ.

فئة AB مكبر للصوت الناتج الموجي

تعد فئة مكبر الصوت معلمة مهمة تعتمد على كيفية انحياز الترانزستورات من خلال اتساع إشارة الإدخال ، لتنفيذ عملية التضخيم.

إنه يعتمد على مقدار حجم شكل موجة إشارة الإدخال المستخدم في إجراء الترانزستورات ، وكذلك عامل الكفاءة ، الذي يتم تحديده من خلال كمية الطاقة المستخدمة فعليًا لتسليم المخرجات و / أو المهدرة من خلال التبديد.

فيما يتعلق بهذه العوامل ، يمكننا أخيرًا إنشاء تقرير مقارنة يوضح الاختلافات بين فئات مختلفة من مكبرات الصوت ، كما هو موضح في الجدول التالي.

ثم يمكننا إجراء مقارنة بين الأنواع الأكثر شيوعًا لتصنيفات المضخمات في الجدول التالي.

فئات مضخم الطاقة

افكار اخيرة

إذا لم يتم تصميم مكبر الصوت بشكل صحيح ، مثل تصميم مكبر للصوت من الفئة أ على سبيل المثال ، فقد يتطلب خافض حرارة كبير على أجهزة الطاقة ، إلى جانب مراوح التبريد للعمليات. ستحتاج مثل هذه التصميمات أيضًا إلى مدخلات إمداد طاقة أكبر لتعويض الكميات الهائلة من الطاقة المهدرة في الحرارة. كل هذه العيوب يمكن أن تجعل مثل هذه المضخمات غير فعالة للغاية والتي بدورها يمكن أن تتسبب في تدهور تدريجي للأجهزة وفي النهاية فشل.

لذلك ، قد يكون من المستحسن استخدام مضخم صوت من الفئة B مصمم بكفاءة أعلى تبلغ حوالي 70٪ مقابل 40٪ من مضخم صوت من الفئة A. يُقال أن مضخم الصوت من الفئة A قد يعد باستجابة خطية أكثر بتضخيمه واستجابة تردد أوسع ، على الرغم من أن هذا يأتي مع ثمن هدر كبير في الطاقة.