تقویت کننده ها (Amplifiers)

شرکت سنابرق توان که یکی از فروشندگان اینورتر ایرانی می باشد، قصد دارد در این مقاله شما را بیشتر با تقویت کننده ها آشنا سازد. پس با ما همراه باشید تا به جواب تمامی سوالات خود در این زمینه برسید.

 

تقویت‌کننده‌ها

ویلیام شاکلی، برندۀ جایزۀ نوبل و از مخترعین ترانزیستور به شکلی واضح آن را تشریح می‌کند: «اگر شما یک گونی یونجه بردارید، آن را به یک قاطر ببندید، سپس کبریت را روشن کنید و گونی را آتش بزنید و میزان انرژی را که کمی بعد قاطر صرف می‌کند با میزان انرژی که خودتان برای روشن کردن کبریت صرف کردید مقایسه کنید، مفهوم تقویت‌کنندگی را درک خواهید کرد.»

تقویت‌کننده‌ها اجزایی ریز در سمعک‌ها هستند که موجب می‌شوند صداها بلندتر شوند. همچنین ابزاری در رادیوها هستند که موجب تقویت سیگنال‌های دوردست می‌شوند و بخش­هایی در تجهیزات استریو هستند که بلندگوها و جعبه‌های سیاه بزرگی را که به گیتارهای الکتریکی متصل می‌کنید، راه می‌اندازند تا بتوانید حسابی سروصدا به پا کنید. تقویت­ کننده‌ها چیستند؟ چطورکار می‌کنند؟ بیایید نگاه دقیق‌تری داشته باشیم!

تقویت­ کننده چیست؟

تقویت­ کننده (که معمولاً به انگلیسی “amp” نامیده می‌شود) یک قطعۀ الکترومغناطیسی یا الکترونیکی است که جریان الکتریکی را تقویت می‌کند. اگر شما سمعک بزنید، می­دانید که از یک میکروفون برای دریافت صداهای محیط اطراف شما استفاده می­کند و آنها را به یک جریان نوسانی الکتریکی (یک سیگنال) تبدیل می­کند که دامنۀ آن به­ طور مداوم تغییر می­کند. تقویت­ کنندۀ مبتنی بر ترانزیستور، سیگنال (ورودی) را دریافت می­کند و قبل از انتقال آن به بلندگوی کوچکی که در داخل گوش شما قرار گرفته است، آن را به اندازۀ زیادی تقویت می­کند تا شما نسخۀ بسیار تقویت­ شدۀ صداهای اصلی (خروجی) را بشنوید.

محاسبۀ میزان اختلاف تقویت­ کننده آسان است: این مقدار نسبت سیگنال خروجی به سیگنال ورودی است که مقدار اندازه ­گیری شده بهرۀ تقویت­ کننده (یا گاهی اوقات ضریب بهره یا ضریب تقویت­ کنندگی) نامیده می­شود. بنابراین تقویت ­کننده­ای که اندازۀ سیگنال اصلی را دو برابر می‌کند، بهرۀ 2 دارد. برای تقویت­ کننده‌های صوتی، غالباً بهره به دسی­بل بیان می‌شود (که در واقع مقدار آن ده برابر لگاریتم توان خروجی تقسیم بر توان ورودی است).

اعوجاج و فیدبک

اکنون مسئلۀ کلیدی در مورد تقویت ­کننده فقط تقویت جریان الکتریکی نیست. این مسئله قسمت سادۀ قضیه است. قسمت سخت قضیه این است که با وجود تغییرات مداوم (و گاهی اوقات به طور چشمگیر) هم در فرکانس و هم در دامنه سیگنال (برای یک تقویت­کننده صوتی، منظور حجم صداست)، باید سیگنالی به خوبی کیفیت سیگنال ورودی تولید شود.

یک تقویت­ کننده صوتی ممکن است با بعضی فرکانس‌های صدا بهتر از سایر فرکانس­ ها کار کند. دامنۀ فرکانسی که تقویت­ کننده روی آنها به طور قابل قبولی کار می­کند، پهنای باند آن نامیده می‌شود. در حالت ایده ­آل، تقویت ­کننده باید یک پاسخ مسطح یا پاسخ خطی به طیف گسترده‌ای از سیگنال‌های ورودی مختلف ایجاد کند (بنابراین بهره در طیف فرکانسی تقریباً ثابت است). اگر تقویت­ کننده به خوبی فرکانس‌های ورودی را در خروجی خود تولید نکند، دارای مشکلی به نام پاسخ فرکانسی است، به این معنی که برخی فرکانس‌ها را بیش از بقیه تقویت می‌کند. (بعضی اوقات این اثر عمدی است. هدفون‌های ایربادکوچک غالباً به این شکل طراحی می‌شوند تا بیس اضافی ایجاد کنند.)

نمودارها: بالا: تقویت خطی: اگر بهرۀ تقویت­ کننده همیشه ثابت باشد، مهم نیست که سیگنال ورودی چیست، ما آن را یک پاسخ خطی می‌نامیم. در اینجا می‌بینید که خروجی (محور عمودی) همیشه ده برابر بیشتر از ورودی (محور افقی) است. پایین: بریده شده: در عمل، هیچ تقویت ­کننده‌ای پاسخ کاملاً خطی نخواهد داشت: فقط می‌تواند تا حد زیادی تقویت کند. اگر سیگنال ورودی بیش از حد بزرگ باشد، پاسخ تا یک نقطه خطی خواهد بود و سپس برای بیشتر از آن “بریده می‌شود”: حتی اگر ورودی را افزایش دهید، خروجی به همان اندازه افزایش نمی‌یابد.

تقویت­ کننده‌ها همچنین باید در گستره وسیعی از دامنه‌ها کار کنند (به طور معمول این به معنای میزان صدا است)، که منجر به مشکل دیگری می‌شود. با افزایش دامنۀ ورودی، تقویت­ کننده برای ایجاد افزایش متناظر در خروجی دچار مشکل می­‎شود، زیرا در میزان توان تولیدی آن محدودیت وجود دارد. این بدان معناست که هرگونه افزایش بیشتر در ورودی، به سادگی همان سطح از خروجی و مقادیر بیشتری از اعوجاج – پدیده‌ای که به عنوان برش شناخته می‌شود – را تولید می‌کند.

مشکل دیگر تقویت­ کننده‌ها فیدبک نامیده می‌شود – و افرادی که از میکروفن روی صحنه استفاده می‌کنند با آن بسیار آشنا هستند. اگر میکروفون با صدای خیلی زیاد روشن شود یا خیلی نزدیک به بلندگو قرار بگیرد، نه تنها صدای فرد یا ساز دریافت می­کند بلکه صدای تقویت ­شدۀ فرد یا ساز را که با کمی فاصله از بلندگو خارج می­شود را نیز دریافت می­کند که در نتیجه دوباره تقویت می­شود – یک بار دیگر از بلندگو عبور می­کند و دوباره تقویت می­شود. نتیجه سوت وحشتناک کرکننده ­ای است که ما آن را فیدبک می‌نامیم. بسیاری از ستاره‌ها و گروه‌های راک جلوه‌های فیدبک را آگاهانه تبدیل بخشی از موسیقی خود کرده ­اند، از جمله جیم هندریکس و نیروانا.

تقویت ­کننده چگونه کار می‌کند؟

وظیفۀ تقویت­ کننده این است که یک جریان الکتریکی کوچک را به یک جریان بزرگ­تر تبدیل کند و بسته به آنچه دقیقاً می‌خواهید انجام دهید روش‌های مختلفی برای دستیابی به آن وجود دارد.

اگر می‌خواهید یک ولتاژ الکتریکی ثابت را به طور منطقی تقویت کنید، می‌توانید از دستگاه الکترومغناطیسی به نام ترانسفورماتور استفاده کنید. اکثر ما خانه‌ای پر از ترانسفورماتور داریم بدون اینکه متوجه آن باشیم. آنها به طور گسترده‌ای برای راه­ اندازی دستگاه­های ولتاژپایین مانند پخش کننده‌های MP3 و لپ­تاپ­ها از طریق پریزهای برق خانگی با ولتاژ بالاتر استفاده می‌شوند، همچنین در پست­های برق برای تبدیل برق فشار قوی نیروگاه‌ها به ولتاژهای بسیار پایین‌تر قابل استفاده در خانه‌ها و دفاتر مورد استفاده قرار می­گیرند. در تمام این موارد روزمره، ترانسفورماتورها ولتاژهای بالا را به ولتاژهای پایین­تر تبدیل می‌کنند (اینها ترانسفورماتورهای کاهنده هستند)، اما ما همچنین می‌توانیم از آنها به شکل برعکس (به عنوان دستگاه‌های افزاینده) استفاده کنیم تا ولتاژهای پایین­تر را به بالاتر افزایش دهد.

اگر جریان ورودی صرفاً یک پالس کوتاه الکتریکی باشد که برای روشن یا خاموش کردن چیزی طراحی شده است، می‌توانید از یک رلۀ الکترومغناطیسی برای تقویت آن استفاده کنید. یک رله با استفاده از آهنرباهای الکتریکی دو مدار الکتریکی را به ­هم مرتبط می­سازد به طوری که وقتی جریان کوچکی از سیم پیچ موجود در رله عبور کند، میدان مغناطیسی اطراف سیم پیچ باعث جذب تیغه رله به سمت خود شده و می تواند جریان بسیار بزرگتری از طریق مدار دیگر عبور دهد. با استفاده از رله، یک جریان الکتریکی کوچک می‌تواند توان دستگاهی را تأمین کند که در حالت عادی برای کارکرد آن به جریان بسیار بیشتری نیاز است. به عنوان مثال، ممکن است شما یک سلول فوتوالکتریک (چشم جادویی) را برای دریافت پرتوی نور نامرئی مادون قرمز در زنگ خطر نصب کرده باشید. هنگامی که کسی پرتو را قطع می­کند، یک جریان کوچک به یک رله ارسال می‌شود که موجب عمل کردن آن شده و و جریان بسیار بزرگتری را ایجاد می‌کند که زنگ هشدار کنار خانه را به صدا در می‌آورد. جریان کوچک خروجی سلول فوتوالکتریک به خودی خود بسیار کمتر از آن است که بتواند توان زنگ را تأمین کند.

 

اگر می‌خواهید یک سیگنال در حال نوسان، مانند سیگنال رادیو یا تلویزیون، صدای شخصی از یک خط تلفن یا ورودی از میکروفون یک سمعک را تقویت کنید، معمولاً از تقویت­ کنندۀ پایه ترانزیستور استفاده می‌کنید. یک ترانزیستور دارای سه اتصال سیمی به نام بیس، امیتر و کلکتور است. هنگامی که یک جریان ورودی کوچک را بین بیس و امیتر برقرار می‌کنید، جریان خروجی بسیار بزرگتری بین امیتر و کلکتور ایجاد می­شود. بنابراین، در چیزی مثل سمعک، به طور گسترده‌تر، خروجی را از میکروفون را به بیس می­‎دهید و از خروجی کلکتور برای بلندگو استفاده می­‎کنید. قبل از اختراع ترانزیستورها در سال 1947، تقویت ­کننده‌های الکترونیکی بسیار بزرگتری به نام لوله‌های خلاء (معروف به «سوپاپ» در انگلستان) در مواردی مانند تلویزیون و رادیو استفاده می‌شد.

 

همانطور که قبلاً نیز دیده‌ایم، تقویت­ کننده­ها دارای محدودیتی برای میزان تقویت­ کنندگی سیگنال بدون برش یا اعوجاج هستند. یک راه برای دور زدن این مسئله این است که بیش از یک تقویت­ کننده را به هم متصل کنید تا خروجی از یکی به ورودی بعدی را تغذیه کند – و به همین ترتیب، به صورت زنجیره‌ای، تا جایی که به اندازه مورد نیاز خود تقویت کنید. دستگاه‌هایی که به این شکل عمل می‌کنند تقویت ­کننده‌های چندطبقه نامیده می‌شوند.

برخی از انواع تجهیزات صوتی از دو تقویت­ کنندۀ جداگانه استفاده می‌کنند – یک پیش ­تقویت ­کننده (Pre-amp) و یک تقویت­ کنندۀ اصلی. پیش ­تقویت­ کننده سیگنال اصلی را گرفته و آن را به حداقل سطح ورودی که تقویت­ کنندۀ اصلی قادر به کنترل آن است، افزایش می‌دهد. سپس تقویت­ کنندۀ اصلی سیگنال را به اندازۀ کافی تقویت می‌کند تا بلندگوها را تأمین کند. معمولاً وسایلی مثل صفحات ضبط و پخش و پخش­کننده‌های MP3 (که از طریق تجهیزات استریوی بزرگ پخش می­شود) به پیش ­تقویت­ کننده نیاز دارند.

آیا تقویت­ کننده‌ها انرژی تولید می‌کنند؟

از هر نوع تقویت­ کننده­ای استفاده می‌کنید، هرگز بیشتر از میزان انرژی ورودی خود در خروجی دریافت نمی­کنید. درست است که جریان یا ولتاژ خروجی ممکن است چندین برابر بیشتر از سیگنال ورودی باشد، اما این به این معنی نیست که شما انرژی اضافی به صورت رایگان تولید می‌کنید – قانون پایۀ فیزیک به نام اصل تبدیل انرژی چنین اجازه­ای نمی­دهد.

بنابراین چطور چیزی شبیه تقویت­ کنندۀ گیتار الکتریکی صدای بیشتری نسبت به ورودی خود تولید می‌کند؟ آیا این تولید انرژی نیست؟ نه! یک تقویت­ کننده تقریباً همیشه از نوعی منبع تغذیۀ خارجی استفاده می‌کند و دلیل تفاوت بین انرژی ورودی و خروجی این است: انرژی «اضافی» از منبع تغذیه تأمین می‌شود.

به سمعک معمولی فکر کنید. انرژی صوتی که از بلندگو خارج می‌شود بسیار بیشتر از ورودی آن به میکروفون است، اما این به این معنی نیست که از لایه­های نازک هوا انرژی تولید می‌کند. ترانزیستور (یا تراشه مدار مجتمع) که سیگنال ورودی را تقویت می‌کند باید توسط باتری‌ها تغذیه شود و این جایی است که انرژی اضافی از آن می­آید. به همین صورت، در مورد گیتار برقی هم: قبل از شنیدن هر صدایی باید تقویت­کننده را به پریز برق وصل کنید.

متأسفانه چیزی به عنوان انرژی رایگان وجود ندارد – انرژی «اضافی» همیشه باید از جایی تأمین شود. حتی با قاطر شاکلی، انرژی از لایۀ نازک هوا ایجاد نمی‌شود: تفاوت بین انرژی کبریتی که آتش می­زنید و قاطر در حال جفتک انداختن ناشی از غذایی است که قاطر باید قبلاً مصرف کرده باشد!

انواع تقویت­ کننده‌ها

یک هواپیمابر از تقویت­کننده‌های بزرگ شیپور گوش استفاده می‌کند که برای نزدیک شدن به هواپیماها در بولینگ فیلد در سال 1921 گوش فرا می‌دهند.

 

اگر تقویت ­کننده ­ها فقط یک کار ساده برای انجام دادن داشته باشند – بزرگ‌تر کردن یک سیگنال در حالی که تا حد ممکن اعوجاج کم باشد – ممکن است فکر کنید یک نوع تقویت­ کننده کافی است. به ­هرحال، با چند روش مختلف می‌توانید چیزی را بزرگ­تر کنید؟ در حقیقت، همانطور که با یک جستجوی سریع آنلاین مشخص می‌شود، هزاران میلیون نوع تقویت­ کننده وجود دارد که در هر شکل و اندازه‌ای وجود دارند (از ترانزیستورهای منفرد استفاده شده در سمعک‌ها گرفته تا تقویت­ کننده ­های صوتی غول­پیکر که برای بلندگوهای بزرگ در کنسرت‌های راک استفاده می‌شوند) و می‌توانیم آنها را به طرق مختلف طبقه­ بندی کنیم. به عنوان مثال می‌توانیم آنها را بر اساس آنچه برای ما انجام می‌دهند طبقه ­بندی کنیم (ممکن است سیگنال‌های رادیویی را تقویت کنند، یا سیگنال‌ها را از یک دستگاه ضبط و پخش دریافت کنند و در بلندگوهای جلو و عقب آن را تقویت کنند) یا بر اساس چگونگی تقویت­ کنندگی آنها (سیم­کشی مدار داخلی آنها چگونه است) یا اینکه در مدار آنالوگ مورد استفاده قرار می­گیرند یا مدار دیجیتال؛ یا اینکه به تنهایی مورد استفاده قرار می­گیرند یا در ادامۀ تقویت ­کننده­ های دیگر؛ بهرۀ سیگنال آنها چقدر است یا اینکه با چه میزان کارایی از انرژی استفاده می­کنند و حتی اینکه توسط چه اجزایی ساخته شده ­اند (لوله‌های خلاء، ترانزیستورها یا مدارهای مجتمع). با وجود عوامل مختلفی که باید در مورد آنها فکر کنید، تقویت­ کننده­ها در اولین مواجهه می­توانند بسیار گیج کننده باشند. بیایید سعی کنیم همه آنها را یکسان درک کنیم.

طبقه ­بندی بر اساس ولتاژ، جریان و توان

هر تقویت­ کننده نوعی سیگنال ورودی را دریافت می‌کند (جریان و ولتاژ مشخصی که با هم ضرب می‌شوند تا سطح قدرت مشخصی را بدست آورند) و سیگنال خروجی بزرگ­تری تولید می‌کند (که ممکن است جریان، ولتاژ یا توان متفاوتی داشته باشد). یک طبقه بندی اساسی که می‌توانیم انجام دهیم بین تقویت­ کننده‌های ولتاژ و توان است. در یک تقویت ­کنندۀ ولتاژ، ولتاژ خروجی همیشه بزرگتر از ولتاژ ورودی است (بنابراین یک بهرۀ ولتاژ وجود دارد)، اگرچه این لزوماً به این معنی نیست که یک بهرۀ توان نیز وجود دارد (زیرا جریان می‌تواند همزمان کاهش یابد). در یک تقویت ­کنندۀ توان، توان خروجی همیشه بزرگ­تر از توان ورودی است زیرا حاصل­ ضرب ولتاژ خروجی در جریان خروجی (توان خروجی) از حاصل­ ضرب ولتاژ ورودی در جریان ورودی (توان ورودی) بزرگ‌تر است.

تقویت­ کننده ­ها همیشه برای تبدیل یک ولتاژ یا توان کوچک به بزرگ طراحی نشده‌اند. گاهی اوقات این جریان است که ما به آن علاقه داریم. در تقویت­کننده‌های معمولی، بهرۀ مورد نظر ما به عنوان نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی (یا جریان خروجی به جریان ورودی) تعریف می‌شود. با این حال، گاهی اوقات، ما می‌خواهیم یک تقویت­کننده، جریان خروجی متناسب با ولتاژ ورودی ما تولید کند. برای آن کار، ما می‌توانیم از آنچه که تقویت­ کنندۀ هدایت انتقالی نامیده می‌شود استفاده کنیم. یک تقویت­کنندۀ مقاومت انتقالی برعکس این عمل را انجام می­دهد (تولید ولتاژ خروجی متناسب با جریان ورودی).

طبقه ­بندی بر اساس فرکانس

از سیگنال‌های رادیویی مقطع پخش شده در هوا گرفته تا صداهای حک شده بر روی یک صفحه گرامافون، تقویت­ کننده‌ها معمولاً نه یک ولتاژ یا جریان ثابت بلکه یک سیگنال نوسانی از یک نوع را تقویت می­کنند. منظور ما از نوسان، تغییر آن با یک فرکانس مشخص است (چند بار در ثانیه، به اندازه چند هرتز). به عنوان مثال، سیگنال‌های صوتی (که ما می‌توانیم آنها را بشنویم) در محدودۀ فرکانسی وسیع از حدود 20 هرتز تا 20.000 کیلوهرتز تغییر می‌کنند (دامنۀ صوتی که گوش تیز و جوان انسان قادر به تشخیص آن است)؛ سیگنال‌های رادیویی هزاران بار سریع­تر نوسان می­کنند (در محدودۀ کیلوهرتز تا مگاهرتز) و سیگنال‌های ویدئویی (مورد استفاده در پخش تلویزیونی) باند وسیعی از فرکانس‌ها را پوشش می‌دهند، که معادل اجرای صدای بسیار کم (چند هرتز) تا سیگنال رادیویی بسیار بالا (مگا هرتز بالا) است. به دلیل روش طراحی تقویت ­کننده ­ها، در برخی فرکانس‌ها به طور مداوم بهتر از بقیه کار می‌کنند. این بدان معناست که تقویت­ کننده‌ای که برای افزایش قابل قبول سیگنال‌های صوتی طراحی شده است بعید است بتواند با سیگنال‌های رادیویی یا تصویری به همان اندازه مؤثر کار کند و بالعکس.

 

طبقه­بندی A تا D

هیچ تقویت­ کننده­ای از همه لحاظ کامل نیست و یا برای هر کاربرد کاملاً مناسب نیست. کاربردها و انواع مختلفی از تقویت­ کننده‌ها وجود دارد. وقتی که یک تقویت ­کننده را برای یک کاربرد خاص انتخاب می‌کنید، همیشه در مورد چیزی مصالحه می‌کنید – یا بهره (چقدر تقویت می‌کنید)، یا خطی بودن (چقدر سیگنال خروجی شبیه ورودی است، که معمولاًیه اصطلاح «وفاداری» نامیده می‌شود، به­ویژه برای تقویت ­کننده‌های صوتی)، یا بازده (چقدر انرژی را در طول فرایند تقویت ­کنندگی تلف می­کنید). جدا از طبقه­ بندی بر اساس مواردی مانند ولتاژ، توان، جریان و فرکانس یا مصرف نهایی آنها، تقویت ­کننده­ ها اغلب با استفاده از حروف الفبا (نوع A تا D) طبقه­ بندی می‌شوند، که به طور کلی، به شما می گوید که آیا یک تقویت ­کنندۀ خاص برای خطی ­بودن، کارایی یا سازش بین هر دوی آنها بهینه شده است یا نه.

تقویت­ کننده‌های کلاس A به طور کلی بهترین کیفیت خروجی (بهترین خطی بودن) را ارائه می‌دهند، اما تمایل دارند که بزرگ، داغ، سنگین، پرمصرف و ناکارآمد باشند. کلاس B از خطی ­سازی ضعیف‌تری برخوردار است اما ارزان‌تر، خنک‌تر و بسیار کارآمدتر است. کلاس AB یک راهکار مصالحه­ ای با نگاه به کیفیت خروجی کلاس A و کارایی کلاس B است. تقویت­ کننده‌های کلاس C دارای بازدهی بسیار بالاتر اما کیفیت خروجی بسیار پایین­تری هستند. همچنین بعضی اوقات کلاس‌های تقویت ­کننده دیگری از قبیل (D، F، G، H، I، S و T) را خواهید کرد، اگرچه ما در اینجا بیشتر از این به این مطلب نمی‌پردازیم.

طبقه­ بندی بر اساس ساختار

چنانچه تقویت ­کننده سیگنال شما را تقویت می­کند آیا واقعاً مهم است که چگونه ساخته شده است؟ از نظر بسیاری از مردم، پاسخ بسیار واضح است: بله. معمولاً هواداران Hi-Fi حاضرند روی تقویت­ کننده‌های قدیمی لولۀ خلاء (سوپاپی) قسم بخورند، به طوری که اصرار دارند صدای «گرم» و «با کیفیتی» تولید می­کند، گرچه ناگزیر بیشتر این اظهار نظرها ترجیح شخصی افراد بستگی دارد.

اگر هدف شما راه­ انداختن یک جفت بلندگوی درجه یک با یک صفحۀ گران­ قیمت باشد، لوله‌های خلاء می­توانند انتخاب خیلی خوبی باشند، اما اگر ناشنوا باشید و یک سمعک کوچک، جمع­ و­ جور، اما کاملاً دقیق بخواهید، فایده‌ای ندارد. در دهۀ 1950 و 1960، ترانزیستورها انقلابی در فناوری سمعک ایجاد کردند اما چیزی بیشتر از تقویت سیگنال‌های میکروفون (تقویت ورودی به طور مساوی موجب تقویت نویز پس ­زمینه به اندازۀ صداهایی که واقعاً می‌خواهید بشنوید می­شود.) را انجام دادند. از دهۀ 1980 به بعد، سمعک‌های دیجیتال از مدارهای مجتمع بسیار پیچیده‌تری استفاده کردند تا سیگنال‌های تقویت ­شدۀ انتخابی بدون نویز را دقیقاً متناسب با الگوی خاص کاهش شنوایی هر فرد ایجاد کنند. به عبارت دیگر، نحوۀ ساخت تقویت ­کننده بسیار مهم است.

تقویت ­کننده‌های ویژه دیگر

تقویت ­کننده‌ها همیشه برای تقویت ساده و سرراست سیگنال طراحی نشده‌اند. به عنوان مثال تقویت­ کننده‌های عملیاتی (آپ­امپ­ها) اجزای رایج در مدارهای الکترونیکی هستند که می‌توانند برای انواع مختلفی از عملیات محاسباتی اصلی مانند جمع و تفریق تا فیلتر سیگنال و نوسان استفاده شوند.

چه کسی تقویت­ کننده ­ها را اختراع کرد؟

طرح لی دی فارست تقویت­کننده لوله خلأ uum تریود شنوایی خود از حق ثبت اختراع ایالات متحده 879،532.

 

اگرچه او دوست داشت از خود به عنوان «پدر رادیو» یاد کند، احتمالاً بهتر است از لی دی فارست فیزیکدان و مهندس الکترونیک آمریکایی به عنوان «پدر تقویت ­کننده» یاد کنیم. در سال­های آغازین قرن 20ام، او در رادیو (که معمولاً به آن « تلگراف بی­سیم»می‌گفتند) کار می‌کرد و چند ده اختراع ثبت شده برای آنتن‌ها و گیرنده‌های بهبود یافته ثبت کرده بود. در 25 اکتبر 1906، وی حق ثبت اختراع «دستگاهی برای تقویت جریان‌های الکتریکی ضعیف» را ثبت کرد: یک لولۀ خلاء الکترونی جمع­و­جور به نام Audion، که بعداً به عنوان تریود شناخته شد (زیرا در نسخۀ نهایی آن، سه جزء اصلی الکتریکی درون آن بود). اگرچه دی فارست در ابتدا تریود را به عنوان یک تقویت­ کنندۀ مدار تلفن در نظر داشت، اما در نهایت به یک جزء اساسی گیرنده‌های رادیویی تبدیل شد. علیرغم اختراع Audion، دی فارست نه آن را کامل کرد و نه واقعاً فهمید که چگونه کار می‌کند (این دو موضوع ممکن بود به هم مربوط باشند). این کار برای دیگران به­جا ماند (به ویژه ایروینگ لانگمویر از جنرال الکتریک و ادوارد آرمسترانگ، مخترع رادیو FM) تا ایده را به وسیله‌ای عملی تبدیل کرده و فیزیک ورای آن را توضیح دهند.

حال، چگونه کار می‌کند؟ لولۀ خلاء شیشه‌ای مهروموم شده (خاکستری سایه ­دار و دارای برچسب D که از آن هوا خارج می‌شود) دارای سه جزء کلیدی اصلی در داخل است که من آنها را قرمز، آبی و سبز رنگ کرده‌ام. در سمت چپ، یک رشته سیم (قرمز، F) وجود دارد که توسط یک باتری گرم می‌شود. این ترمینال کاتدی یا منفی است. در سمت راست، یک صفحه پلاتین (سبز، b) وجود دارد که ترمینال مثبت است. در بین آنها، یک شبکه از سیم پلاتینی (آبی، a) وجود دارد. زمانی که رشته ­سیم گرم می­شود، الکترون‌های با بار منفی از آن جدا می­شوند و به سمت صفحه دارای بار مثبت کشیده می‌شوند که موجب ایجاد جریان الکتریکی می­شود. یک ولتاژ منفی نیز به شبکه اعمال می‌شود که به طور مؤثری موجب توقف جریان الکترون ­ها می­شود. از آنجا که شبکه بسیار نزدیک به رشته است، حتی تغییرات جزئی در ولتاژ آن نیز تفاوت زیادی در جریانی که از رشته به صفحه جریان دارد ایجاد می‌کند. اگر شبکه را ورودی تقویت ­کننده در نظر بگیریم، مدار صفحه کاتد خروجی آن است. یک سیگنال کوچک اعمال شده به شبکه می‌تواند به یک سیگنال بسیار بزرگتر و تقویت شده در صفحه تبدیل شود.

لوله‌های خلاء مبتنی بر تریود تقویت­ کننده‌های بسیار خوبی ایجاد کردند، اما آنها بزرگ، غیرقابل اعتماد و بسیار پرمصرف بودند. هنگامی که جان باردین، والتر براتین و ویلیام شاکلی ترانزیستور «حالت جامد» خود را در سال 1947 توسعه دادند، هر سه مشکل را در یک مرحله حل کردند که در نتیجه استفاده از تقویت ­کننده‌های کوچک، قابل ­حمل و با قابلیت اعتماد بالا را برای وسایلی مانند سمعک و رادیوهای ترانزیستوری امکان­پذیر کردند. در اواخر دهۀ 1950، وقتی مدارهای مجتمع اختراع شدند، مدارهای تقویت ­کنندۀ پیچیده ­تر، به اندازۀ یک تراشه کوچک شدند (مانند آپ­امپ­های معمولی که هم­اکنون وجود دارند).

 

مقاله پیشنهادی: پارامتر درایو