مقدمه

تقویت کننده ها را میتوان مهم ترین مبحث در دروس الکترونیک دوره کارشناسی دانست وآن هم به علت اهمیت فراوان داشتن این ساختار ها و این مفهوم در دنیای واقعی میباشد.

ما به علت کاهش حداکثری تلفات در مسیر پردازش و عملیات بر روی سیگنالها معمولا آنها را بر روی جریان های پایین نگه میداریم تا تلفات اهمی((Ri² به حداقل خود برسد.ولی برای آنکه سیگنال دریافت شده از سنسور ها والمان هایی  که سیگنال مورد نیاز ما را تامین میکنند(که معمولا این سنسور ها و المان ها سیگنالی با اندازه ی بسیار کوچک تولید میکنند) را برای عملیات منطقی و پردازشی قابل استفاده کنیم نیاز داریم تا دامنه ی سیگنال را به حد قابل قبولی افزایش دهیم.بنابراین دامنه ی سیگنال را به تقویت کننده های ولتاژ افزایش وبه حد مورد نیاز خود می رسانیم ولی سعی بر آن داریم که جریان سیگنال را در حد پایین نگه داریم و بعد از انجام عملیات های پردازشی و منطقی بر روی سیگنال که حالا سیگنال آماده ی اعمال به طبقه ی بعدی که میتواند خروجی ما نیز باشد(به عنوان مثال اسپیکر ها) بایستی توان سیگنال افزایش پیدا کند تا بتواند خروجی مطلوب و قابل رضایتی را برای ما به ارمغان بیاورد.به عبارت دیگر در آخرین طبقه ما دامنه ی ولتاژ سیگنال خود را برای آخرین بار افزایش و اینبار تمرکز اصلی خود را بر روی اندازه ی جریان سیگنال میگذاریم و آنرا نیز به حد قابل قبولی افزایش میدهیم که در نتیجه توان سیگنالمان افزایش قابل توجه ای پیدا میکند که حالا سیگنال ما آماده ی اعمال به طبقه ی خروجی میباشد.

**تصویر زیر این روند را به نمایش میگذارد…

تفاوت بین تقویت کننده های توان و تقویت کننده های ولتاژ

این دو گروه تقویت کننده که شامل تقویت کننده های ولتاژ و توان میشوند یکسری شباهت ها و یکسری تفاوت هایی را با یکدیگر دارند که در جدول زیر میتوانید مشاهده کنید:

مواردی نیز بایستی در این باره ذکر شود که از جمله:

مقاومت خروجی تقویت کننده های توان معمولا پایین است علت هم پایین بودن مقاومت ورودی اسپیکر ها (که اگر به عنوان دیوایس خروجی این تقویت کننده در نظر گرفته شود ) که معمولا دارای مقاومت 4 تا8 اهم میباشند و برای آنکه حداکثر توان به آنها انتقال یابد بایستی مقاومت خروجی طبقه ی تقویت کننده ی متصل به آن هم کم باشد.

از جمله تفاوت های دیگر بین  ترانزیستور های تقویت کننده های توان و ولتاژ مربوط به ساختار آنها میباشد که چون تقویت کننده های توان بایستی در جریان های بالا کار کنند ترانزیستور های به کار برده شده دارای بیس زخیم تری نسب به بیس ترانزیستور های  تقویت کننده های ولتاژ هستند.

انواع کلاس های(Class) طبقه بندی تقویت کننده ها

تقویت کننده به کلاس های(Class) چندگانه دسته بندی میشوند که این کلاس ها عمدتا بر اساس زمان اختراع و میزان ارتقا میباشد که به کلاس های A,B, AB که تقویت کننده های کلاسیک شناخته میشوند و کلاس های  D,E,F,G,S,Tکه کلاس های جدیدتری هستند و به تقویت کننده های سوئیچینگ(Switching Amplifiers)  معروف هستند که دراین پژوهش تمرکزاصلی ما بر روی تقویت کننده ی توان کلاس D

که در ابتدا به بررسی ساختار و توضیحاتی جامع در مورد آن پرداخته و در ادامه به شبیه سازی یه بلوک کامل تقویت کننده ی این کلاس میپردازیم.

ساختار کلی تقویت کننده های کلاس D

ساختار کلی این نوع تقویت کننده ها شامل یک مقایسه کننده(Comparator) و یک واحد تولید موج مثلثی برای مدوله کردن سیگنال ورودی دو ترانزیستور مکمل(N-MOS and P-MOS) و یک فیلتر پایین گذر(LPF) میباشد که در بلوک-دیاگرام زیر میتوانید مشاهده کنید:

در ادامه هر قسمت از دیاگرام فوق را به صورت کامل بررسی خواهیم کرد

مقایسه کننده (Comparator)

این بلوک به همراه تولید کننده موج مثلثی برای مدوله کردن سیگنال سینوسی ورودی بر دامنه (PWM) به کار میروند.به اینصورت که Comparator سیگنال موج مثلثی را که دارای فرکانسی بسیار بیشتر از فرکانس سیگنال ورودی ما میباشد در ورودی ما ضرب کرده و خروجی را که یک پالس مربعی با عرض پالس متغیر با اندازه ی دامنه ی سیگنال ورودی میباشد تحویل میدهد.این کار با تغییرو تاثیربر تعریفی به نام سیکل وظیفه (Duty Cycle) انجام میشود که خود سیکل وظیفه به صورت میزان یک بودن سیگنال بخش بر میزان دوره ی کل سیگنال تعریف میشود:

D=(PW/T)*100%

D   دیوتی سایکل
PW  مدت زمان یک بودن سیگنال

T   دوره ی سیگنال

همانطور که در تصویر بالا قابل مشاهده است عرض پالس مربعی ما با دامنه ی ولتاژ سینوسی که سیگنال ورودی است تغییر میکند و در زمان هایی که دامنه ی سیگنال سینوسی به بیشترین مقدار میرسد عرض پالس مربعی هم به بیشتر مقدار خود میرسد و در زمانی که که دامنه ی سیگنال سینوسی به کمترین مقدار خود یعنی مقادیر منفی میرسد عرض پالس هم به صفر میل میکند که در نهایت سیگنال PWM مورد نیاز برای ورودی ترانزیستور ها را میسازد.

بدنه ی اصلی تقویت کننده:ترانزیستور های مکمل

در این قسمت که قسمت اصلی تقویت کننده بوده و ترانزیسور های ما قرار میگیرند از دو ترانزیستور مکمل که در نمونه ی FET ترانزیستور هااز نوع N-MOS  وP-MOS و در نمونه ی BJT ترانزیستور ها از نوع  NPN و PNP  استفاده میشوند که در سیکل مثبت ورودی اعمال شده به پایه ی گیت یا بیس ترانزیستور بالا و در سیکل منفی ترانزیستور پایینی هدایت سیگنال را انجام میدهد وترانزیستور دیگر قطع است این ساختار به PUSH-PULL نیز شناخته میشود که در این ساختار ولتاژ مثبت تغذیه به کلکتور یا درین ترانزیستور بالا و ولتاژ زمین به ترانزیستور پایین وصل میشود.همچنین میتوان از دو ترانزیستور از یک نوع کانال(NMOS) به کار برد ولی در این صورت نیاز به بلوک های دیگری از جمله بلوک Level–Shifting میباشد.

از آنجا که از PWM استفاده می شود ، MOSFET ها در مناطق قطع یا خطی خود قرار می گیرند که در آن انرژی کمتری از بین می رود و فقط در حالت های سوئیچ  وقت خود را در مناطق اشباع صرف می کنند.

شمای کلی مدار به صورت زیر است:

فیلتر پایین گذر(LPF)

از یک فیلتر پایین گذر در خروجی طبقه ی سوئیچینگ ترانزیستورها استفاده میکنیم تا بتوانیم سیگنال ورودی خود را از سیگنال موج حامل که سیگنال اصلی برروی آن مدوله شده است جدا کنیم.میدانیم که فیلتر پایین گذر تنها فرکانس های پایین که موج اصلی ما است را عبور داده و سیگنال های با فرکانس بالا که موج حامل ما میباشند را فیلتر میکند.شکل عمومی یک فیلتر پایین گذر:

این فیلتر پایین گذر بایستی فرکانس های بالای ماکزیمم  فرکانس اصواتی که گوش انسان قابل شنیدن آنرا دارا است یعنی 20KHz را فیلتر کرده و فرکانس های پایین تر از این مقدار را عبور دهد .به عبارتی این فیلتر باید دارای فرکانس قطع(Cut-off frequency) با مقدار 20KHz باشد. علت آن هم قرار گرفتن فرکانس صوت انسان در بازه ی کمتر از این مقدار میباشد که چون این تقویت کننده یک تقویت کنننده ی صوتی میباشد فیلتر پایین گذر به اینصورت طراحی میشود.

خب تا اینجای کار ما یک دید کلی از سیستم تقویت کننده ی کلاس D پیدا کرده و یک بررسی اجمالی از اجزای آن انجام دادیم.در ادامه وارد جزئیات بیشتری شده و محاسبات تئوری این تقویت کننده را پیگیری کرده و در ادامه ی آن مدار را میبندیم و شبیه سازی های مربوط به آن را انجام میدهیم.