ข้ามไปเนื้อหา

ตัวขยายสัญญาณ

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ตัวอย่างวงจรขยายกำลังสัญญาณ

ตัวขยายสัญญาณ หรือ วงจรขยายสัญญาณ (อังกฤษ: Electronic Amplifier or Amplifier) หรือเรียกสั้นๆว่า Amp เป็นอุปกรณ์หรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ช่วยเพิ่มขนาดหรือกำลังของสัญญาณ โดยการใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟและการควบคุมสัญญาณเอาต์พุทให้มีรูปร่างเหมือนสัญญาณอินพุท แต่มีขนาดใหญ่กว่า ในความหมายนี้ ตัวขยายสัญญาณทำการกล้ำสัญญาณ (อังกฤษ: modulate) เอาต์พุทของแหล่งจ่ายไฟ

ตัวขยายอิเล็กทรอนิกส์มี 4 ประเภทพื้นฐานได้แก่ ตัวขยายแรงดัน, ตัวขยายกระแส, ตัวขยาย transconductance และตัวขยาย transresistance ความแตกต่างอยู่ที่สัญญาณเอาต์พุตจะแทนความหมายของสัญญาณอินพุทแบบเชิงเส้นหรือแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล ตัวขยายสัญญาณยังสามารถถูกแยกประเภทโดยการแทนที่ทางกายภาพในขบวนของสัญญาณด้วย[1]

ในบทความนี้ ตัวขยายสัญญาณหมายถึงอุปกรณ์เช่นทรานซิสเตอร์, หลอดสูญญากาศ ฯลฯ วงจรขยายสัญญาณหมายถึงอุปกรณ์ขยายสัญญาณหรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆที่ขยายสัญญาณ

คุณสมบัติ

[แก้]

บทความหลัก : Amplifier figures of merit

คุณภาพของตัวขยายขึ้นอยู่กับลักษณะสมบัติดังต่อไปนี้:

  • Gain คืออัตราส่วนระหว่างขนาดของสัญญาณที่เอาต์พุตกับสัญญาณที่อินพุท
  • แบนด์วิดธ์ คือความกว้างของช่วงความถี่ที่ใช้งานได้
  • ประสิทธิภาพ หมายถึงอัตราส่วนระหว่างกำลังของการส่งออกและการบริโภคพลังงานทั้งหมด
  • ความเป็นเชิงเส้น หมายถึงระดับของสัดส่วนระหว่าง input และ output ที่เพิ่มหรือลดอย่างตรงไปตรงมา
  • Noise หมายถึงการวัดการรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ที่ผสมเข้าไปในเอาต์พุต
  • ช่วงไดนามิกของเอาต์พุต หมายถึงอัตราส่วนของสัญญาณเอาต์พุตที่ใหญ่ที่สุดและที่เล็กที่สุด
  • Slew rate หมายถึงอัตราสูงสุดของการเปลี่ยนแปลงของเอาต์พุต
  • Rise time, settling time, ringing และ overshoot ที่บอกลักษณะการตอบสนองเป็นขั้นตอน
  • เสถียรภาพ หมายถึงความสามารถในการหลีกเลี่ยงความผันผวนตนเอง

ประเภทตัวขยาย

[แก้]

ตัวขยายมีความหมายตามคุณสมบัติของ input และ output[2]. ซึ่งมีบางชนิดของเกนหรือปัจจัยการคูณที่เชื่อมโยงขนาดของสัญญาณเอาต์พุตกับสัญญาณอินพุท เกนอาจจะระบุเป็นอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตกับอินพุท(เกนแรงดัน), กำลังที่ออกกับกำลังที่เข้า(เกนกำลัง) หรือผสมกันของทั้งกระแส, แรงดันและกำลัง ในหลายกรณีที่ input และ output มีหน่วยเดียวกัน เกนจึงไม่มีหน่วย (มักแสดงในหน่วยเดซิเบล) แต่บางเกนก็มีหน่วย ตัวอย่างเช่น ตัวขยายแบบ transconductance เกนมีหน่วยเป็น conductance (กระแสเอาต์พุตต่อแรงดันอินพุท)

เครื่องขยายเสียงมีสี่ประเภทพื้นฐาน[3] ดังนี้ :

  1. แอมป์แรงดันไฟฟ้า - นี้เป็นชนิดที่พบมากที่สุด แรงดันไฟฟ้าที่ถูกป้อนเข้าจะถูกขยายให้ได้แรงดันเอาต์พุตที่มีขนาดใหญ่ขึ้น อินพุตอิมพีแดนซ์ของตัวขยายจะสูงและเอาต์พุตอิมพีแดนซ์จะต่ำ
  2. แอมป์กระแส - แอมป์ชนิดนี้เปลี่ยนกระแสอินพุทให้เป็นกระแสเอาต์พุตที่มีขนาดใหญ่กว่า อินพุตอิมพีแดนซ์ของตัวขยายจะต่ำและเอาต์พุตอิมพีแดนซ์จะสูง
  3. แอมป์ transconductance - แอมป์นี้ตอบสนองต่อแรงดันที่เปลี่ยนแปลงโดยการส่งกระแสที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงออกไป
  4. แอมป์ transresistance - แอมป์นี้ตอบสนองต่อกระแสอินพุทที่เปลี่ยนแปลงโดยการส่งแรงดัน เอาต์พุตที่สัมพันะกับการเปลี่ยนแปลงนั้นออกไป ชื่ออื่นๆสำหรับอุปกรณ์ประเภทนี้คือตัวขยาย transimpedance และตัวแปลงกระแสให้เป็นแรงดันไฟฟ้า(อังกฤษ: current-to-voltage converter)

ในทางปฏิบัติ เกนกำลังของตัวขยายจะขึ้นอยู่กับแหล่งจ่ายไฟและโหลด impedances ที่ถูกใช้เช่นเดียวกับเกนแรงดัน/กระแสโดยธรรมชาติ ในขณะที่ ตัวขยาย RF อาจมี impedances ที่ถูกเลือกค่าที่ดีที่สุดสำหรับการถ่ายโอนกำลัง ตัวขยายเสียงและเครื่องดนตรีทั่วไปจะถูกออกแบบให้มีอินพุทและเอาต์พุต impedances ที่ดีที่สุดสำหรับช่วงที่มีโหลดน้อยและสัญญาณสูงสุด ตัวขยายที่บอกว่ามีเกน 20 dB อาจจะมีเกนแรงดันสิบเท่า และเกนกำลังที่จ่ายโหลดได้มีมากเกินกว่า 20 dB (อัตราส่วนกำลังที่ 100) แต่จะส่งมอบจริงด้วยเกนกำลังที่ต่ำกว่ามาก ยกตัวอย่างเช่น ถ้าอินพุทเป็นไมโครโฟน 600 โอห์มและเอาต์พุตเชื่อมต่อกับอินพุทซ็อกเก็ต 47 kiloโอห์มของเพาเวอร์แอมป์

ในกรณีส่วนใหญ่ ตัวขยายจะเป็นเชิงเส้น นั่นคือ เกนจะคงที่ทุกระดับสัญญาณปกติของอินพุทและเอาต์พุต ถ้าเกนไม่เป็นเชิงเส้น เช่นถูกตัดหัวสัญญาณออก เอาต์พุตก็จะบิดเบี้ยวไป อย่างไรก็ตาม มีบางกรณีที่เกนที่เปลี่ยนแปลงได้จะเป็นประโยชน์

ตัวขยายสัญญาณมีหลายประเภท มีใช้กันทั่วไปใน เครื่องส่งสัญญาณวิทยุและ เครื่องรับโทรทัศน์และ อุปกรณ์สเตอริโอไฮไฟ เครื่องไมโครคอมพิวเตอร์ และ อุปกรณ์ดิจิทัลอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ และ เครื่องขยายเสียง กีตาร์และเครื่องดนตรีอื่น ๆ ส่วนประกอบที่สำคัญ ของตัวขยายสัญญาณจะเป็นอุปกรณ์แอคทีฟเช่น หลอดสุญญากาศหรือทรานซิสเตอร์ ต่อไปนี้ เป็นการแนะนำสั้นๆของตัวขยายสัญญาณด้วยอิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท ดังนี้

พาวเวอร์แอมป์

[แก้]

พาวเวอร์แอมป์โดยทั่วไปจะเป็นตัวขยายสัญญาณตัวสุดท้าย ในขบวนการส่งผ่าน(ส่วนเอาต์พุต) และเป็นส่วนการขยายที่มักจะต้องให้ความสนใจมากที่สุดในประสิทธิภาพการทำงาน การพิจารณาด้านประสิทธิภาพนำไปสู่ระดับชั้นต่างๆ ของพาวเวอร์แอมป์ บนพื้นฐานของการ bias ของทรานซิสเตอร์หรือหลอดที่ทำหน้าที่เป็นตัวขยายเอาต์พุตตัวสุดท้าย : ดูระดับชั้นของพาวเวอร์แอมป์

พาวเวอร์แอมป์โดยการประยุกต์ใช้

[แก้]
  • พาวเวอร์แอมป์ขยายเสียงออดิโอ
  • พาวเวอร์แอมป์ RF เช่น ขั้นตอนสุดท้ายของการส่งสัญญาณ (ดูเพิ่มเติมที่: แอมป์เชิงเส้น)
  • ตัวควบคุมเซอร์โวมอเตอร์ ที่การทำงานเชิงเส้นเป็นสิ่งไม่สำคัญ
  • ออดิโอแอมป์แบบ Piezoelectric รวมถึงตัวแปลง DC-to-DC เพื่อสร้างเอาต์พุตแรงดันสูงเพื่อขับลำโพง piezoelectric[4]

วงจรพาวเวอร์แอมป์

[แก้]

วงจรพาวเวอร์แอมป์ รวมถึงชนิด ต่อไปนี้:

  • หลอดสูญญากาศ/วาล์วไฮบริดหรือทรานซิสเตอร์ขยายกำลัง
  • ส่วนเอาต์พุตสุดท้ายแบบ Push-Pull หรือ single-ended

แอมป์หลอดสุญญากาศ (วาล์ว)

[แก้]
หลอดเรืองแสง ECC83 ภายในปรีแอมป์

บทความหลัก: Valve amplifier

Symons กล่าวว่า ขณะที่แอมป์ที่ใช้สารกึ่งตัวนำได้เข้าแทนที่แอมป์วาล์วแทบทั้งหมด สำหรับการใช้งานพลังงานต่ำ, แอมป์วาล์วจะใช้ในงานพลังงานสูงเพราะมีต้นทุนที่มีประสิทธิภาพมากกว่า เช่น "เรดาร์ อุปกรณ์ตอบโต้ หรือ อุปกรณ์สื่อสาร" ตัวขยายสัญญาณไมโครเวฟ จำนวนมากที่ออกแบบใช้วาวล์เป็นพิเศษ เช่น klystron, gyrotron หลอดคลื่นเดินทาง และ ตัวขยายข้ามเขต และวาล์วไมโครเวฟเหล่านี้ให้พลังงานเอาต์พุตแบบอุปกรณ์เดียวที่ความถี่ไมโครเวฟ ได้สูงมากกว่าอุปกรณ์ที่เป็นโซลิดสเตท[5]

นอกจากนี้ แอมป์วาล์ว/หลอด ยังมีการใช้งานเฉพาะในพื้นที่อื่นๆ เช่น

  • เครื่องขยายเสียงกีตาร์ไฟฟ้า
  • ในเครื่องบินทหารรัสเซีย สำหรับความอดทน EMP (Electromagnetic pulse, การกระจายอำนาจแม่เหล็กฉับพลัน)
  • เสียงคุณภาพสูง (การบันทึกและอุปกรณ์เครื่องเสียง)

แอมป์แบบแม่เหล็ก

[แก้]

บทความหลัก: Magnetic Amplifier

รีแอคเตอร์ที่อิ่มตัวได้ เพื่อสาธิตหลักการของแม็กแอมป์

ตัวขยายสัญญาณแบบแม่เหล็ก (ที่รู้จักกันว่าเป็น "แม็กแอมป์") เป็นอุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อขยายสัญญาณไฟฟ้า ถูกคิดค้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 และถูกนำมาใช้เป็นทางเลือกแทนแอมป์หลอดสูญญากาศเมื่อต้องการความทนทานและความจุกระแสสูง ประเทศเยอรมนีทำให้ตัวขยายสัญญาณนี้สมบูรณ์ขึ้นในระหว่างสงครามโลกครั้งที่สองและมันก็ถูกนำมาใช้ในจรวด V-2 ตัวขยายสัญญาณแม่เหล็กโดดเด่นที่สุดในการใช้งานการควบคุมพลังงานและงานความถี่ต่ำจาก 1947 ถึง 1957 จนกระทั่งเมื่อทรานซิสเตอร์เริ่มเข้ามาแทนที่มัน. แม็กแอมป์ตอนนี้ส่วนใหญ่ถูกแทนที่โดยตัวขยายสัญญาณที่ใช้ทรานซิสเตอร์ ยกเว้นงานที่ต้องการความปลอดภัยที่สำคัญและความน่าเชื่อถือสูงหรือการใช้งานที่เรียกร้องต้องการใช้อย่างมากไม่กี่อย่าง เทคนิคทรานซิสเตอร์และ Mag-amp รวมกันยังคงถูกนำใช้ในปัจจุบัน

แอมป์ทรานซิสเตอร์

[แก้]

ดูเพิ่มเติม: ทรานซิสเตอร์, Bipolar junction transistor, Field-effect transistor, JFET, and MOSFET

บทบาทที่สำคัญขององค์ประกอบที่เป็นแอคทีฟชนิดนี้ คือการขยายสัญญาณอินพุทเพื่อให้ได้ สัญญาณเอาต์พุตที่มีขนาดใหญ่กว่า ปริมาณการขยาย(หรือ forward gain)จะถูกกำหนดโดย การออกแบบวงจรภายนอก เช่นเดียวกับอุปกรณ์ที่แอคทีฟ

อุปกรณ์แอคทีฟที่ใช้งานทั่วไปในตัวขยายสัญญาณทรานซิสเตอร์ คือทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อสองขั้ว (อังกฤษ: Bipolar Junction Transistor) หรือ BJT และ metal oxide semiconductor field-effect transistor(MOSFET)

การประยุกต์ใช้งานมีเป็นจำนวนมาก ตัวอย่างที่เห็นทั่วไปคือเครื่องขยายเสียงสเตอริโอในบ้านหรือระบบ PA, การผลิต RF พลังงานสูงสำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในงาน RF และไมโครเวฟ เช่นเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ

ตัวขยายสัญญาณที่ใช้ทรานซิสเตอร์ สามารถรับรู้ได้โดยใช้คอนฟิกกูเรชั่นต่างๆเช่น ถ้าเป็น BJT จะใช้คอนฟิกแบบ เบสร่วมกัน คอลเล็กเตอร์ร่วมกันหรืออีมิตเตอร์ร่วมกัน ถ้าใช้ MOSFET จะใช้คอนฟิกแบบ เกทร่วมกัน ซอสร่วมกันหรือเดรนร่วมกัน แต่ละคอนฟิกมีลักษณะสมบัติที่แตกต่างกัน เช่นเกน, อิมพีแดนซ์ ...

Operational amplifiers (op-amps)

[แก้]
LM741 ออปแอมป์วัตถุประสงค์ทั่วไป

บทความหลัก : Operational amplifier and Instrumentation amplifier

ออปแอมป์เป็นวงจรขยายที่มีเกนแบบวงเปิด(อังกฤษ: open loop gain)สูงมาก และเป็นวงจรที่มีอินพุทสองชุดที่มีค่าแตกต่างกันและถูกฟีดแบคจากภายนอกเพื่อควบคุมฟังก์ชันการถ่ายโอนหรือเกน แม้ว่าวันนี้คำว่าออปแอมป์โดยทั่วไปนำไปใช้กับวงจรรวม การออกแบบออปแอมป์แต่เดิมจะใช้วาวล์

ตัวขยายสัญญาณเชิงแตกต่างแบบครบเครื่อง

[แก้]

บทความหลัก: Fully differential amplifier

ตัวขยายสัญญาณเชิงแตกต่างแบบครบเครื่อง เป็นวงจรรวมแบบโซลิตสเตทที่ใช้การฟีดแบคจากภายนอก ในการควบคุมฟังก์ชันการถ่ายโอนหรือเกน มันคล้ายกับออปแอมป์ แต่ยังมีขาเอาต์พุตความแตกต่างอยู่ ตัวขยายสัญญาณแบบนี้มักจะสร้างโดยใช้ BJTs หรือ FETs

ตัวขยายสัญญาณวิดีโอ

[แก้]

ตัวขยายแบบนี้ทำงานกับสัญญาณวิดีโอ และมีแบนด์วิดท์ที่แปรเปลี่ยนได้ ขึ้นอยู่กับชนิดของสัญญาณวิดีโอว่าเป็นระบบอะไร: SDTV, EDTV, HDTV 720p หรือ 1080i/p ฯลฯ คุณสมบัติของแบนด์วิดธ์เองขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกรองที่ถูกนำมาใช้ และที่จุดไหน (-1 dB หรือ -3 dB ตัวอย่าง) ที่แบนด์วิดธ์ถูกวัด ข้อกำหนดบางอย่างที่พอจะยอมรับได้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการตอบสนองเป็นช่วงๆหรือที่เรียกว่าสเต็ปและภาพกระตุกหรือโอเวอร์ชูต

ตัวขยายสัญญาณในแนวตั้งของ Oscilloscope

[แก้]

ตัวขยายสัญญาณแบบนี้จะทำงานกับสัญญาณวิดีโอ ที่ไดรฟ์หลอด Oscilloscope และ สามารถมีแบนด์วิดท์ได้ถึงประมาณ 500 MHz ข้อกำหนดเกี่ยวกับการตอบสนองเป็นสเต็ป, rise time, overshoot และ ความผิดปกติของสีอาจทำให้การออกแบบตัวขยายสัญญาณเหล่านี้ยากยิ่งขึ้นไปอีก หนึ่งในผู้บุกเบิกในตัวขยายแบนด์วิธสูงแนวตั้งคือบริษัท Tektronix

ตัวขยายสัญญาณแบบกระจาย

[แก้]

บทความหลัก: Distributed Amplifier

ตัวขยายสัญญาณแบบนี้ใช้สายส่งเพื่อแยกสัญญาณออกเป็นส่วนๆชั่วคราวและขยายแต่ละส่วน แยกต่างหาก เพื่อให้บรรลุแบนด์วิธสูงกว่าที่เป็นไปได้จากตัวขยายเสียงเพียงตัวเดียว เอาต์พุตของแต่ละขั้นตอนจะถูกนำมารวมกันในเอาต์พุตของสายส่ง ประเภทของตัวขยายนี้จะถูกใช้ทั่วไปใน Oscilloscope ในฐานะที่เป็นตัวขยายแนวตั้งในขั้นตอนสุดท้าย สายส่งมักจะถูกเก็บ อยู่ภายในจอแสดงผลหลอดแก้ว

ตัวขยายสัญญาณแบบ Switched mode

[แก้]

แอมป์ไม่เชิงเส้นแบบนี้มีประสิทธิภาพสูงกว่าแอมป์เชิงเส้นมาก และมีการใช้ในที่ซึ่งการประหยัดพลังงานมีความคุ้มค่ากับความซับซ้อนที่มากเกิน

อุปกรณ์ความต้านทานเชิงลบ

[แก้]

ความต้านทานเชิงลบ สามารถใช้เป็นตัวขยาย เช่นแอมป์ไดโอดอุโมงค์

ตัวขยายไมโครเวฟ

[แก้]

แอมป์หลอดคลื่นเดินทาง

[แก้]

บทความหลัก: Traveling wave tube

แอมป์หลอดคลื่นเดินทาง (อังกฤษ: Traveling Wave Tube Amplifier) หรือ TWTA จะใช้สำหรับการขยายพลังงานสูงที่ความถี่ไมโครเวฟต่ำ มักจะสามารถขยายไปตามความกว้างของสเปกตรัมของความถี่; แต่มักจะไม่สามารถปรับได้เหมือน klystrons

Klystrons

[แก้]

บทความหลัก: Klystron

ไคลสตรอนกำลังสูงที่ใช้สำหรับการสื่อสารยานอวกาศที่แคนเบอรรา

en:Klystrons เป็นอุปกรณ์สูญญากาศที่มีลำแสงเชิงเส้นเชี่ยวชาญพิเศษ ที่ออกแบบมาเพื่อให้พลังงานสูง การขยายของคลื่นปรับได้อย่างกว้างขวางเป็นมิลลิเมตรและส่วนย่อยของมิลลิเมตร Klystrons ได้รับการออกแบบสำหรับการดำเนินงานขนาดใหญ่และแม้จะมีแบนด์วิดท์ที่แคบกว่า TWTAs แต่มันได้เปรียบในการขยายสัญญาณอ้างอิงอย่างสัมพันธ์กันที่ทำให้เอาต์พุตสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำทั้งขนาด ความถี่ และเฟส

วงจรขยายสัญญาณเสียงเครื่องดนตรี

[แก้]

บทความหลัก: Instrument amplifier

วงจรขยายกำลังสัญญาณเสียงออดิโอ มักจะใช้เพื่อขยายสัญญาณเช่นเพลงหรือเสียงพูด มีปัจจัยหลายประการที่มีความสำคัญในการเลือกวงจรขยายสัญญาณเสียงจากเครื่องดนตรี (เช่นแอมป์ของกีต้าร์) และแอมป์เสียงออดิโออื่นๆ(แม้ว่า ระบบเสียงทั้งหมด - ชิ้นส่วนเช่น ไมโครโฟน ลำโพง - ก็มีผลกระทบต่อพารามิเตอร์เหล่านี้) :

  • การตอบสนองความถี่ - ไม่เพียงแต่ช่วงความถี่ แต่ความต้องการระดับสัญญาณที่แตกต่างกัน น้อยมากในช่วงความถี่เสียงที่หูมนุษย์ไม่สามารถสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงได้ ข้อกำหนด ทั่วไปสำหรับวงจรขยายเสียงออดิโออยู่ระหว่าง 20 Hz ถึง 20 kHz และ +/- 0.5dB
  • พาวเวอร์เอาต์พุต - ระดับพาวเวอร์ที่ได้รับมีความเพี้ยนน้อย เพื่อให้ได้ระดับเสียงดังพอจากลำโพง
  • การบิดเบือนต่ำ - แอมป์และตัวทรานสดิวเซอร์ทุกตัวจะบิดเบือนสัญญาณไปบ้าง พวกนี้ไม่สามารถเป็นเชิงเส้นที่สมบูรณ์ แต่มุ่งมั่นที่จะผ่านสัญญาณโดยไม่มีผลต่อเนื้อหาที่เป็นฮาโมนิกของเสียงมากกว่าหูมนุษย์จะสามารถทนได้. ความอดทนต่อการบิดเบือนอันนั้น และแน่นอนที่ ความเป็นไปได้ ว่าความเพี้ยนของฮาร์โมนิกที่สอง (เสียงจากหลอด) จะปรับปรุงให้มีความเป็นเสียงดนตรีของเสียงเป็นเรื่องที่จะต้องมีการอภิปรายอย่างมาก

การจำแนกประเภทของขั้นตอนวงจรขยายสัญญาณและระบบ

[แก้]

การจำแนกประเภทหลายทางเลือกได้กล่าวถึงมุมมองที่แตกต่างกันของการออกแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องระหว่างพารามิเตอร์การออกแบบกับวัตถุประสงค์ของวงจร การออกแบบวงจรขยายสัญญาณจะต้องประนีประนอมอยู่เสมอกับปัจจัยหลายอย่าง เช่นค่าใช้จ่าย การใช้พลังงาน, ความไม่สมบูรณ์ของอุปกรณ์ในโลกแห่งความจริง และ ความหลากหลายของ คุณสมบัติของความสามารถในการทำงาน ด้านล่างนี้เป็นวิธีการที่แตกต่างกันหลายประการในการจัดหมวดหมู่ คือ:

ตัวแปรของอินพุตและเอาต์พุต

[แก้]
แหล่งจ่ายที่ไม่อิสระมีตัวแปรอยู่สี่ประเภท ตัวแปรการควบคุมอยู่ด้านซ้าย ตัวแปรเอาต์พุตอยู่ด้านขวา

วงจรขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ใช้ตัวแปรหนึ่งตัวที่แสดงเป็นทั้งกระแสและแรงดัน ซึ่งอาจเป็นได้ทั้งอินพุทและเอาต์พุต นำไปสู่สี่ประเภทของวงจรขยายสัญญาณ ในรูปแบบอุดมคติประเภทเหล่านี้จะเป็นตัวแทนของแต่ละประเภทของสี่แหล่งจ่ายไม่อิสระที่ใช้ในการวิเคราะห์เชิงเส้น ดังแสดงในรูปกล่าวคือ:

Input Output Dependent source Amplifier type
I I Current controlled current source CCCS Current amplifier
I V Current controlled voltage source CCVS Transresistance amplifier
V I Voltage controlled current source VCCS Transconductance amplifier
V V Voltage controlled voltage source VCVS Voltage amplifier

แต่ละประเภทของวงจรขยายสัญญาณในรูปแบบอุดมคติของมันจะมีความต้านทานอินพุทและความต้านทานเอาต์พุตในอุดมคติ ที่เป็นเช่นเดียวกับของแหล่งจ่ายไม่อิสระที่สอดคล้องกัน[6]:

Amplifier type Dependent source Input impedance Output impedance
Current CCCS 0 ∞
Transresistance CCVS 0 0
Transconductance VCCS ∞ ∞
Voltage VCVS ∞ 0

ในทางปฏิบัติ อิมพีแดนซ์ในอุดมคติจะมี่ค่าโดยประมาณเท่านั้น สำหรับวงจรใด การวิเคราะห์ สัญญาณขนาดเล็ก มักจะถูกใช้เพื่อหาค่าอิมพีแดนซ์ที่ได้จริง กระแสสลับ Ix ขนาดเล็กเพื่อทดสอบจะถูกป้อนเข้าที่อินพุทหรือเอาต์พุต, ทุกแหล่งจ่ายภายนอกจะถูกตั้งค่าไปที่ AC ศูนย์, และแรงดันไฟฟ้าสลับ Vx ที่ตกคร่อมแหล่งจ่ายกระแสที่ถูกทดสอบจะเป็นตัวกำหนดค่าอิมพีแดนซ์ที่โหนดนั้น ซึ่งจะมีค่า R = Vx / Ix .

วงจรขยายสัญญาณที่ออกแบบมาเพื่อแนบไปกับสายส่งที่อินพุทและ/หรือเอาต์พุต, โดยเฉพาะอย่างยิ่ง RF แอมป์, ไม่อยู่ในวิธีการจัดหมวดหมู่แบบนี้ แทนที่จะจัดการกับแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าเป็นรายตัว แอมป์แบบนี้จะจับคู่อินพุทและ/หรือเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ให้เข้ากันได้ดีกับอิมพีแดนซ์ของสายส่ง นั่นคือ แมทช์อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าเข้ากับกระแส หลาย RF แอมป์ตัวจริงสามารถทำได้ใกล้เคียงกับอุดมคตินี้ ถึงแม้ว่า RF แอมป์สามารถถูกจัดว่ามีคุณสมบัติที่ขยายแรงดันหรือกระแสได้ ถ้าให้แหล่งจ่ายและโหลดอิมพีแดนซ์ที่เหมาะสม, โดยพื้นฐานแล้ว แอมป์ RF เป็นพาวเวอร์แอมป์[7]

ขั้วที่ใช้ร่วมกัน

[แก้]

การจำแนกประเภทวงจรขยายสัญญาณแบบหนึ่งจะขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ว่าใช้ขั้วไหนร่วมกันทั้งอินพุทและเอาต์พุต ในกรณีของ bipolar junction transistors จะมีสามประเภทคือ อีมิตเตอร์ร่วม, เบสร่วม และ คอลเล็กเตอร์ร่วม สำหรับ field-effect transistor, จะมีสามประเภทเช่นกันคือซอสร่วม, เกทร่วมและเดรนร่วม สำหรับอุปกรณ์สุญญากาศ triode, แคโทดร่วม, กริดร่วมและ เพรทร่วม

ทางเดียวหรือสองทาง

[แก้]

เมื่อวงจรขยายสัญญาณมีเอาต์พุตที่ไม่มีสัญญาณป้อนกลับมาที่อินพุท เราเรียกว่าแบบ 'ทางเดียว' อินพุทอิมพีแดนซ์ของมันจะไม่ขึ้นกับโหลดและเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ก็ไม่ขึ้นกับอินพุท

ถ้ามีสัญญาณเอาต์พุตบางส่วนป้อนกลับมาที่อินพุท เราจะเรียกวงจรขยายสัญญาณนั้นว่าแบบ 'สองทาง' อินพุทอิมพีแดนซ์ของมันจะขึ้นกับโหลดและเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ก็ขึ้นกับอินพุท

วงจรขยายสัญญาณทั้งหมดเป็นแบบสองทางในระดับหนึ่ง แต่มันมักจะถูกจำลองเป็นแบบทางเดียว ภายใต้สภาวะการใช้งานที่การป้อนกลับมีขนาดเล็กพอที่จะละเลยเพื่อวัตถุประสงค์ส่วนใหญ่ ก็คือเพื่อให้การวิเคราะห์ที่ง่ายขึ้น (ดูบทความ เบสร่วม เป็นตัวอย่าง)

การป้อนกลับเชิงลบจะถูกนำมาใช้อย่างจงใจเพื่อปรับพฤฒิกรรมของวงจรขยายสัญญาณให้ได้ตามต้องการ การป้อนกลับบางครั้ง ซึ่งอาจจะเป็นบวกหรือลบ อาจหลีกเลี่ยงไม่ได้และไม่พึงประสงค์ ตัวอย่างเช่นโดย องค์ประกอบที่แฝงอยู่เช่นค่าคาปาซิแตนซ์โดยธรรมชาติระหว่างอินพุทและเอาต์พุตของอุปกรณ์ เช่นทรานซิสเตอร์และการมีการเชื่อมต่อถึงกันแบบ capacitative coupling อันเนื่องมาจากการเดินสายภายนอก การป้อนกลับเชิงบวกที่ขึ้นอยู่กับความถี่ที่มีมากเกินไป อาจก่อให้เกิดสิ่งที่ตั้งใจ/คาดว่าจะให้เป็นวงจรขยายสัญญาณ กลับกลายเป็นวงจร oscillator

วงจรขยายสัญญาณแบบทางเดียว และแบบสองทางเชิงเส้นสามารถแสดงเป็นเครือข่ายสองพอร์ต

ตัวอย่างเครือข่ายสองพอร์ต พอร์ตอินพุทและพอร์ตเอาต์พุต แต่ละพอร์ตมีสองขา ขาเข้าและขาออก ในสภาวะที่เหมาะสม กระแสที่ไหลเข้าขาหนึ่งของพอร์ตจะเท่ากับกระแสที่ออกจากอีกขาหนึ่งของพอร์ตเดียวกัน

กลับหัวหรือไม่กลับหัว

[แก้]

การจำแนกประเภทของแอมป์อีกวิธีหนึ่งก็คือ การจำแนกตามความสัมพันธ์ของเฟสของสัญญาณเข้ากับสัญญาณออกของวงจรขยายสัญญาณ วงจรที่ผลิตสัญญาณเอาต์พุตที่แตกต่างจากอินพุท 180 องศา (out of phase) เราเรียกว่าวงจรขยาย'กลับหัว' (นั่นคือการกลับขั้วหรือภาพสะท้อนในกระจกของอินพุท เท่าที่เห็นบนสโคป) วงจรขยายสัญญาณ'ไม่กลับหัว'จะรักษารูปคลื่นของสัญญาณเอาต์พุตให้ 'in phase' รูปคลื่นอินพุท วงจรอีมิตเตอร์ร่วมเป็นประเภทของวงจรขยายที่ไม่กลับหัว

ฟังก์ชัน

[แก้]

แอมป์อื่นๆอาจถูกจำแนกตามฟังก์ชัน หรือลักษณะของเอาต์พุต รายละเอียดของฟังก์ชันเหล่านี้มักจะนำไปใช้กับระบบการขยายสัญญาณที่สมบูรณ์แบบ หรือระบบย่อย และไม่ค่อยใช้กับขั้นตอนการขยายเฉพาะส่วน

  • วงจรขยายสัญญาณเซอร์โวจะมีวงรอบของการป้อนกลับที่ผนวกเข้ามาด้วย เพื่อควบคุมเอาต์พุตอย่างแข็งขันให้มีระดับที่ต้องการบางระดับ เซอร์โว DC ชี้ให้เห็นการใช้งานที่ความถี่ต่ำลงไปในระดับของ DC ที่ที่ความผันผวนอย่างรวดเร็วของสัญญาณเสียงหรือ RF จะไม่เกิดขึ้น ฟังก์ชันแบบนี้มักจะใช้ในต้วกลไก actuator หรืออุปกรณ์เช่นมอเตอร์กระแสตรง ที่ต้องรักษาความเร็วหรือแรงบิดให้คงที่ แอมป์ AC เซอร์โวสามารถทำเช่นนี้สำหรับบางมอเตอร์ AC
  • แอมป์เชิงเส้นตอบสนองต่อองค์ประกอบความถี่ที่แตกต่างกันได้อย่างเป็นอิสระ และไม่ได้สร้าง ความเพี้ยนฮาโมนิคหรือการบิดเบือนแบบ Intermodulation ไม่มีแอมป์ที่สามารถทำงานเชิงเส้นได้สมบูรณ์แบบ (แม้แต่แอมป์เชิงเส้นส่วนใหญ่ มีความไม่เชิงเส้นบางอย่าง เนื่องจากอุปกรณ์ที่ใช้ขยาย-ทรานซิสเตอร์หรือหลอดสูญญากาศ-ทำงานตามกฎที่ไม่เป็นเชิงเส้น เช่น square-laws และพึ่งพาเทคนิควงจรเพื่อลดผลกระทบเหล่านั้น)
  • แอมป์ไม่เชิงเส้นสร้างการบิดเบือนอย่างมีนัยสำคัญ และเปลี่ยนแปลงเนื้อหาของฮาโมนิค; มี หลายสถานการณ์ที่สิ่งนี้เป็นประโยชน์ วงจรขยายที่ให้ฟังก์ชันการถ่ายโอนที่ไม่เชิงเส้นอย่างจงใจ รวมถึง:
    • อุปกรณ์เช่น Silicon Controlled Rectifier หรือ ทรานซิสเตอร์ที่ใช้เป็นสวิทช์ อาจต้องนำมาใช้ที่จะปิดหรือเปิดโหลดเช่นหลอดไฟอย่างเต็มที่ บนพื้นฐานของเกณฑ์ในอินพุทที่แปรอย่างต่อเนื่อง
    • แอมป์ที่ไม่เชิงเส้นในแอนะล็อกคอมพิวเตอร์หรือคอนเวอร์เตอร์ RMS ที่แท้จริงเป็นตัวอย่าง ที่สามารถให้ฟังก์ชันการถ่ายโอนพิเศษเช่นลอการิทึม หรือ Square-law
    • แอมป์ RF Class C อาจจะถูกเลือกเพราะมันมีประสิทธิภาพมาก แต่จะไม่ใช่เชิงเส้น; ตามหลังวงจรเหล่านี้ เป็นวงจรขยายที่มีวงจรปรับแต่งที่สามารถลดฮาโมนิคที่ไม่พึงประสงค์ (การบิดเบือน) พอที่จะเป็นประโยชน์ในการส่งสัญญาณ หรือบางฮาโมนิคที่ต้องการอาจจะถูกเลือก โดยการตั้งค่าความถี่รีโซแนนซ์ของวงจรปรับความถี่ไปที่ความถี่สูง แทนที่จะเป็นความถี่พื้นฐาน ในวงจรทวีคูณความถี่
    • วงจรควบคุมอัตราการขยายอัตโนมัติ (อังกฤษ: Automatic Gain Control) หรือ AGC ต้องการเกนที่สามารถควบคุมได้ โดยขนาดของสัญญาณเฉลี่ยตามเวลา เพื่อให้ขนาดของสัญญาณที่เอาต์พุตจะแตกต่างกันเล็กน้อยแม้เมื่อรับสัญญาณจากสถานีที่มีสัญญาณอ่อน ความไม่เชิงเส้นสันนิษฐานว่าจะถูกจัดเตรียมเพื่อที่ว่าคลื่นสัญญาณที่มีขนาดค่อนข้างเล็กจะไม่ต้องทนทุกข์ทรมานจากการบิดเบือนมากนัก (การรบกวนข้ามสถานีส่ง หรือ intermodulation ) แต่ก็ยังถูกมอดูเลตโดยวงจรขยายที่มีเกนค่อนข้างใหญ่ที่ควบคุมได้
    • วงจรตรวจจับ AM ที่ใช้การขยายสัญญาณ เช่นเครื่องตรวจจับ Anode โค้ง, วงจรเรียงกระแส แม่นยำ และตัวตรวจจับอิมพีแดนซ์อนันต์ (ไม่รวมเครื่องตรวจจับที่ไม่ขยายเช่นเครื่องตรวจจับหนวดแมว) เช่นเดียวกับวงจรตรวจจับค่าพีค เหล่านี้จะพึ่งพาการเปลี่ยนแปลงในการขยายที่ขึ้นอยู่กับขนาดในทันทีทันใดของสัญญาณที่สืบทอดกระแสตรงจากอินพุทกระแสสลับ
    • ตัวเปรียบเทียบออพแอมป์และวงจรตรวจจับ
  • วงจรขยายสัญญาณ wideband มีปัจจัยการขยายที่แม่นยำตลอดช่วงความถี่กว้างและ มักจะใช้ เพื่อเพิ่มสัญญาณสำหรับการถ่ายทอดในระบบการสื่อสาร แอมป์ narrowband จะขยายสัญญาณในช่วงแคบๆที่เฉพาะเจาะจงของความถี่จนถึงการยกเว้นของความถี่อื่น ๆ
  • แอมป์ RF จะขยายสัญญาณในช่วงคลื่นความถี่แม่เหล็กไฟฟ้าและมักจะใช้เพื่อเพิ่มความไวของเครื่องรับหรือพาวเวอร์เอาต์พุตของเครื่องส่งสัญญาณ.
  • แอมป์ขยายเสียงออดิโอ ขยายเสียงที่มนุษย์ได้ยิน ซึ่งจะแบ่งย่อยออกเป็นวงจรขยายสัญญาณขนาดเล็กและพาวเวอร์แอมป์ที่มีการปรับให้เหมาะสมกับลำโพง บางครั้งก็ประกอบด้วยแอมป์ หลายกลุ่มรวมกันเป็นช่องทางที่แยกต่างหากหรือเชื่อมเข้าหากันเพื่อรองรับความต้องการที่แตกต่างกันในการทำเสียงขึ้นมาใหม่ คำที่ใช้บ่อยในแอมป์ออดิโอ รวมถึง:
    • preamp (พรีแอมป์) ซึ่งอาจรวมถึงพรีแอมป์ phono ที่มี RIAA equalization หรือ preamps หัวเทปที่มีตัวกรองแบบ CCIR equalisation และอาจรวมถึงตัวกรองหรือวงจรควบคุมโทนเสียง
    • พาวเวอร์แอมป์ (ปกติขับลำโพง), แอมป์หูฟังและแอมป์ประกาศสาธารณะในชุมชน
    • เครื่องขยายเสียงแบบสเตอริโอบ่งบอกถึงเอาต์พุตสองช่องทาง(ซ้ายและขวา) แม้ว่า คำนี้จะหมายถึงเสียงที่"แน่น" (หมายถึงสามมิติ) ดังนั้น สเตอริโอ quadraphonic จึงถูกนำมาใช้ สำหรับเครื่องขยายเสียงที่มีสี่ช่อง ระบบ 5.1 และ 7.1 หมายถึงระบบโฮมเธียเตอร์ที่มี 5 หรือ 7 ช่องที่ห่างกัน บวกซับวูฟเฟอร์อีกหนึ่งช่อง
  • แอมป์ buffer เป็นแอมป์สำรองหรือแอมป์ตัวช่วย ซึ่งอาจรวมถึง อีมิตเตอร์ร่วม, จะให้อินพุทที่มีอิมพีแดนซ์สูงสำหรับอุปกรณ์ (บางทีเป็นแอมป์ตัวอื่นหรือบางทีอาจเป็นโหลดที่หิวพลังงาน เช่นหลอดไฟ) ที่กลับกลายเป็นว่าจะดึงกระแสมากจนเกินไปจากแหล่งจ่ายไฟ ไลน์ไดรเวอร์เป็นประเภทของ buffer ที่ป้อนสายเคเบิลที่เชื่อมต่อระหว่างกันยาวหรือมีการรบกวนได้ง่าย อาจเป็นไปได้โดยใช้เอาต์พุตที่แตกต่างกัน(อังกฤษ: differential output)ผ่านสายคู่บิดเกลียว(อังกฤษ: twisted-pair cable)
  • แอมป์ชนิดพิเศษ - แต่เดิมใช้ในแอนะล็อกคอมพิวเตอร์ - ปัจจุบันถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องมือวัดสำหรับการประมวลผลสัญญาณ และการใช้งานอื่นๆอีกมากมาย แอมป์เหล่านี้เรียกว่า แอมป์ในการดำเนินงาน หรือ ออปแอมป์ ชื่อ "การดำเนินงาน" เพราะแอมป์ชนิดนี้ สามารถนำมาใช้ในวงจรที่ทำหน้าที่ทางคณิตศาสตร์ หรือ "การดำเนินงาน" กับสัญญาณอินพุทเพื่อให้ได้สัญญาณเอาต์พุตในประเภทที่ต้องการ ออปแอมป์สมัยใหม่มักจะอยู่ในวงจรรวมมากกว่าการสร้างขึ้นมาจากชิ้นส่วนย่อย ​​op-amp จะมีอินพุทแบบ differential (ขาหนึ่ง "กลับหัว"อีกขาหนึ่ง "ไม่กลับหัว") และมีหนึ่งเอาต์พุต op-amp ในอุดมคติมีลักษณะดังต่อไปนี้:
    • อินพุตอิมพีแดนซ์ไม่มีที่สิ้นสุด (ดังนั้นจึงไม่ได้โหลดวงจรที่เป็นอินพุตของมัน)
    • เอาต์พุตอิมพีแดนซ์เป็นศูนย์
    • เกนไม่มีที่สิ้นสุด
    • ความล่าช้าในการกระจายเป็นศูนย์

ประสิทธิภาพการทำงานของ op-amp ที่มีลักษณะเหล่านี้จะถูกกำหนดโดยสิ้นเชิงโดยส่วนประกอบ (ปกติเป็นพาสซีฟ) ที่ฟอร์มตัวเป็นการป้อนกลับเชิงลบรอบๆตัวมัน ตัวออปแอมป์เองไม่ได้มีผลกระทบอะไรต่อเอาต์พุต ออปแอมป์ในโลกแห่งความจริงทั้งหมดไม่ได้มีลักษณะตามอุดมคติข้างต้น แต่ก็มีส่วนประกอบที่ทันสมัยบางส่วนที่​​มีประสิทธิภาพการทำงานที่โดดเด่นและเข้าใกล้ในบางลักษณะดังกล่าว

วิธีการ coupling ระหว่างขั้นตอน

[แก้]

ดูเพิ่มเติม: multistage amplifiers

วงจรขยายสัญญาณบางครั้งถูกจำแนกโดยวิธีการเชื่อมโยงสัญญาณที่ขั้นตอนอินพุท ขั้นตอนเอาต์พุต หรือระหว่างขั้นตอนนั้น มีหลายชนิดที่แตกต่างกัน รวมถึง :

Resistive-capacitive coupled amplifier โดยใช้เครือข่ายของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ
โดยการออกแบบ วงจรขยายสัญญาณเหล่านี้ไม่สามารถขยายสัญญาณ DC เพราะตัวเก็บประจุจะบล็อกองค์ประกอบ DC ของสัญญาณอินพุท วงจรแบบนี้ถูกนำมาใช้ในวงจรหลอดสุญญากาศหรือทรานซิสเตอร์เป็นชิ้นส่วนแยก ในสมัยของวงจรรวม ทรานซิสเตอร์ไม่กี่ตัวบนชิปจะถูกกว่าและมีขนาดเล็กกว่าตัวเก็บประจุเสียอีก
Inductive-capacitive (LC) coupled amplifier ใช้เครือข่ายของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ
วงจรขยายสัญญาณชนิดนี้จะถูกใช้บ่อยที่สุดในวงจรเลือกคลื่นความถี่วิทยุ
Transformer coupled amplifier ใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเพื่อแมทช์ impedances หรือเพื่อแยกบางส่วนของวงจร
ค่อนข้างบ่อย วงจรขยาย LC-coupled และ transformer-coupled ไม่สามารถแยกความแตกต่างได้ เพราะหม้อแปลงไฟฟ้าก็เป็นตัวเหนี่ยวนำชนิดหนึ่ง
Direct coupled amplifier ไม่ใช้อิมพีแดนซ์ และชิ้นส่วนที่ bias matching
วงจรขยายสัญญาณแบบนี้เป็นเรื่องไม่ปกติในวันหลอดสุญญากาศ เมื่อแรงดันที่แอโหนด(output )สูงกว่าหลายร้อยโวลต์และแรงดันที่กริด(อินพุท) เป็นลบไม่กี่โวลต์ ดังนั้นวงจรพวกนี้จึงถูกนำมาใช้เฉพาะถ้าเกนถูกระบุลงไปที่ DC (เช่นในสโคป) ในบริบทของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย มีการส่งเสริมให้นักพัฒนาใช้วงจรแบบนี้ เมื่อใดก็ตามที่เป็นไปได้

ระดับชั้นของพาวเวอร์แอมป์

[แก้]

วงจรพาวเวอร์แอมป์(ขั้นตอนเอาต์พุต) จะจัดระดับเป็น A, B, AB และ C สำหรับการออกแบบ แอนะล็อก และ คลาส D และ E สำหรับการออกแบบสวิตชิง ตามสัดส่วนของแต่ละวงรอบของอินพุท (มุมการนำกระแส) โดยอุปกรณ์ขยายจะผ่านกระแสในระหว่างมุมนั้น. ภาพของมุมการนำกระแสจะมาจากการขยายสัญญาณรูปซายน์ หากอุปกรณ์ ON ตลอดเวลา มุมจะเท่ากับ 360° แต่ถ้ามัน ON เพียงครึ่งรอบมุมจะเท่ากับ 180° มุมของการไหลของกระแสจะเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับประสิทธิภาพการใช้พลังงานของวงจรขยาย คลาสต่างๆได้ถูกนำเสนอด้านล่าง ตามด้วยการอภิปรายรายละเอียดเพิ่มเติมภายใต้หัวข้อของแต่ละคลาสที่ต่ำลงไป

ในภาพประกอบด้านล่าง ทรานซิสเตอร์ BJT เป็นอุปกรณ์ขยาย หรืออาจเป็น MOSFETs หรือ หลอดสูญญากาศที่มีคุณสมบัติเหมือนกัน

คลาสของมุมการนำกระแส

[แก้]

คลาส A

[แก้]

ใช้ 100% ของสัญญาณอินพุท (มุมการนำ Θ = 360°) อุปกรณ์ขยายทำงานตลอดเวลา[8]

คลาส B

[แก้]

ใช้ 50% ของสัญญาณอินพุท (Θ = 180°) อุปกรณ์ขยายทำงานครึ่งเดียวในแต่ละรอบ และไม่ทำงานในอีกครึ่งรอบที่เหลือ

คลาส AB

[แก้]

คลาส AB อยู่ระหว่างคลาส A และ คลาส B, อุปกรณ์ขยายทั้งสองทำงานมากกว่าครึ่งหนึ่งของ เวลา

คลาส C

[แก้]

ใช้น้อยกว่า 50% ของสัญญาณอินพุท (มุมการนำ Θ < 180°)

แอมป์ "Class D" จะใช้บางรูปแบบของ pulse-width modulation ในการควบคุมอุปกรณ์เอาต์พุต; มุมการนำของอุปกรณ์แต่ละตัวจะไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับสัญญาณอินพุทอีกต่อไป แต่จะ เปลี่ยนตามความกว้างของพัลส์แทน งานนี้บางครั้งเรียกว่าแอมป์ "ดิจิทัล" เนื่องจากอุปกรณ์ เอาต์พุตจะเปลี่ยน ON หรือ OFF อย่างเต็มที่ และไม่ได้นำกระแสเป็นสัดส่วนกับขนาดของสัญญาณ

คลาสเพิ่มเติม

[แก้]

แอมป์ยังมีคลาสอื่นๆอีกหลายคลาส แต่ส่วนใหญ่จะเป็นรูปแบบดัดแปลงของคลาสที่ผ่านมา ตัวอย่างเช่น แอมป์คลาส G และ คลาส H เป็นการเปลี่ยนแปลงของรางจ่ายไฟที่ตามหลังสัญญาณอินพุท (แบบทีละขั้นและแบบต่อเนื่องตามลำดับ) ความร้อนที่สูญเปล่าของอุปกรณ์เอาต์พุตสามารถลดลงได้ถ้าแรงดันไฟฟ้าส่วนเกินจะถูกจัดการให้มีน้อยที่สุด แอมปฺ์ที่ถูกเลี้ยงด้วยรางแบบนี้ จะเป็นคลาสอะไรก็ได้ แอมป์พวกนี้มีความซับซ้อนมากกว่าและใช้เป็นหลักสำหรับการใช้งานเฉพาะ เช่นแอมป์กำลังสูงมาก แอมป์คลาส E และคลาส F ก็เช่นกัน สำหรับการใช้งานคลื่นความถี่วิทยุในที่ซึ่งประสิทธิภาพของคลาสแบบดั้งเดิมมีความสำคัญ แต่ยังมีหลายแง่มุมที่เบี่ยงเบนอย่างมีนัยสำคัญจากค่าในอุดมคติของพวกมัน คลาสเหล่านี้ใช้การจูนนิ่งเครือข่ายเอาต์พุตแบบฮาร์โมนิค เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและได้รับการพิจารณาว่าเป็น ส่วนย่อยของคลาส C เนื่องจากคุณลักษณะมุมการนำของพวกมัน

Class A

[แก้]
วงจรขยาย Class A

อุปกรณ์ขยายสัญญาณที่ทำงานในคลาส A นำกระแส ตลอดวงรอบของสัญญาณอินพุต วงจรขยายสัญญาณคลาส A มีความโดดเด่นด้วยขั้นตอนเอาต์พุตที่มีการ bias ให้เป็นคลาส A (ดูคำนิยามข้างต้น) ซับคลาส A2 บางครั้งใช้เพื่ออ้างถึงหลอดสุญญากาศ ที่ grid ถูกขับให้เป็นบวกเล็กน้อยบนยอดคลื่น ส่งผลให้มีกำลังมากกว่าคลาส A1 ปกติเล็กน้อย(A1; grid เป็นลบเสมอ[9]) แต่ก่อให้เกิดการบิดเบือนมากขึ้น

ข้อดีของแอมป์คลาส A

[แก้]

คลาส A ออกแบบเรียบง่ายกว่าคลาสอื่นๆ; ตัวอย่างเช่นการออกแบบของคลาส AB และ B จำเป็นต้องมีอุปกรณ์สองตัว (Push-Pull output) เพื่อจัดการแต่ละครึ่งของรูปคลื่น; คลาส A ใช้อุปกรณ์เดียวปลายเดียว

ตัวขยายสัญญาณจะถูกไบอัสเพื่อให้ผ่านกระแสได้ตลอดเวลา ปกติจะหมายถึงกระแส (สัญญาณขนาดเล็ก) ที่คอลเล็กเตอร์(สำหรับทรานซิสเตอร์) หรือที่เดรน(สำหรับ FET) หรือที่เพลท (สำหรับหลอดสูญญากาศ) เป็นกระแสนิ่งๆ อยู่ใกล้กับส่วนที่เป็นเส้นตรงของเส้นโค้ง transconductance มากที่สุด

เนื่องจากอุปกรณ์จะไม่มีการปิดๆเปิดๆ จึงมีปัญหาเพียงเล็กน้อยกับการจัดเก็บประจุ และทั่วไปแล้วประสิทธิภาพการทำงานที่ความถี่สูง อีกทั้งความมั่นคงของวงป้อนกลับจะดีขึ้น (และมักจะมีฮาโมนิคอันดับสูงเล็กน้อย)

จุดที่ใกล้ที่สุดก่อนที่อุปกรณ์จะถูกตัดออกไม่ได้อยู่ใกล้กับสัญญาณศูนย์ ดังนั้นปัญหาของการบิดเบือนครอสโอเวอร์ ที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบคลาส AB และ B ได้ถูกหลีกเลี่ยงไป

ข้อเสียของแอมป์คลาส A

[แก้]

แอมป์แบบนี้ไม่มีประสิทธิภาพ ตามทฤษฎีแล้ว สูงสุดเพียง 50% ถ้าใช้ coupling เอาต์พุตแบบเหนี่ยวนำ และเพียง 25% ถ้าใช้ coupling เอาต์พุตแบบเก็บประจุ เว้นแต่เจตนาจะใช้ nonlinearities (เช่นใน ขั้นตอนเอาต์พุต Square-law) ในพาวเวอร์แอมป์ ไม่เพียงแต่เสียพลังงานไปเปล่าๆและจำกัดการทำงานของแบตเตอรี่เท่านั้น ค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้นและอาจมีข้อจำกัดของอุปกรณ์เอาต์พุตที่สามารถนำมาใช้ได้ (เช่น, เมื่อตัดหลอดไตรโอดออดิโอบางตัวออก เพื่อรองรับลำโพงประสิทธิภาพต่ำที่ทันสมัย) ​​. การขาดประสิทธิภาพไม่ได้มาจากเพียงแค่ความจริงที่ว่าอุปกรณ์ผ่านกระแสตลอดเวลา(ที่เกิดขึ้นแม้จะเกิดกับคลาส AB ก็ตาม แต่ประสิทธิภาพของมันใกล้กับของคลาส B) นั่นก็คือกระแสยืนนิ่งมีประมาณครึ่งหนึ่งของกระแสเอาต์พุตสูงสุด (แม้ว่าสิ่งนี้สามารถมี่น้อยลงด้วยขั้นตอนเอาต์พุตแบบ square law) และส่วนใหญ่ของแรงดันไฟฟ้าที่แหล่งจ่ายไฟที่เกิดคร่อมอุปกรณ์เอาต์พุตที่ระดับสัญญาณต่ำ ( เช่นเดียวกับคลาส AB และ B แต่แตกต่างจากขั้นตอนเอาต์พุต เช่น คลาส D) . ถ้าต้องการเอาต์พุตกำลังสูงจากวงจรคลาส A ก็จะเกิดพลังงานสูญเปล่า(และความร้อนที่เกิดขึ้น). สำหรับทุกๆวัตต์ที่ส่งมอบให้กับโหลด ตัววงจรขยายสัญญาณเอง ที่ทำอย่างดีที่สุด ก็จะสร้างความร้อนขึ้นอีกหนึ่งวัตต์ สำหรับกำลังขยายมากๆ นี้หมายถึงแหล่งจ่ายไฟและ heat sink ต้องมีขนาดใหญ่และมีราคาแพงมาก

คลาส A ส่วนใหญ่ถูกแทนที่โดยการออกแบบที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น แม้ว่าพวกมันจะยังคงเป็นที่นิยมของมือสมัครเล่นบางคน ส่วนใหญ่เป็นเพราะความเรียบง่ายของมัน มีตลาดสำหรับเอทป์คลาส A ที่มีราคาแพงและความเที่ยงตรงสูง "เทพ" ในหมู่นักเล่นเครื่องเสียง[10] สำหรับแอมป์ที่ไม่มีการบิดเบือนแบบครอสโอเวอร์ และความเพี้ยนฮาร์โมนิคเลขคี่และฮาร์โมนิคขั้นสูงต่ำ

แอมป์แบบ Single-ended และ triode คลาส A

[แก้]

คนที่ชอบแอมป์คลาส A ยังชอบใช้ thermionic วาล์ว (หรือ"หลอด")แทนทรานซิสเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในแบบ Single-ended triode output configurations ด้วยเหตุผลหลายอย่างดังนี้:

  • แอมป์ในขั้นตอนเอาต์พุตแบบ Single-ended (อาจเป็นหลอดหรือทรานซิสเตอร์) มีฟังก์ชัน การถ่ายโอนที่ไม่สมมาตร ซึ่งหมายความว่า แม้ในฮาร์โมนิคระดับชั้นเลขคี่ในการบิดเบือนที่ถูกสร้างขึ้นจะมีแนวโน้มที่จะไม่ถูกหักล้างออกไป (ในช่วงขั้นตอนเอาต์พุตแบบ Push-Pull); สำหรับหลอดหรือ FETs, การบิดเบือนส่วนใหญ่จะเป็นฮาโมนิคส์ระดับขั้นที่สอง, จากลักษณะ การถ่ายโอนตามกฏ square law ซึ่งบางตัวจะผลิตเสียง "อุ่นขึ้น" และน่าพอใจมากขึ้น[11][12]
  • สำหรับผู้ที่ชื่นชอบการบิดเบือนตัวเลขต่ำ การใช้งานของหลอดคลาส A (ที่สร้างการบิดเบือน ฮาร์โมนิคเลขคี่เล็กๆน้อยๆที่กล่าวถึงข้างต้น) ร่วมกับวงจร สมมาตร (เช่น ขั้นตอนเอาต์พุต Push-Pull หรือขั้นตอนในระดับต่ำที่สมดุล) ส่งผลในการหักล้างส่วนใหญ่ของฮาร์โมนิคส์ผิดเพี้ยนเลขคู่ จึงเป็นการกำจัดส่วนใหญ่ของการบิดเบือน
  • ความเพี้ยนเป็นลักษณะสมบัติของเสียงจากเครื่องขยายเสียงกีตาร์ไฟฟ้า
  • ในอดีต, แอมป์วาล์ว มักจะใช้พาวเวอร์แอมป์คลาส A เพียงเพราะว่าวาล์วมีขนาดใหญ่และมีราคาแพง ; การออกแบบคลาส A เป็นจำนวนมากที่ใช้ ตัวขยายสัญญาณเพียงตัวเดียว

ทรานซิสเตอร์จะถูกกว่ามาก และการออกแบบที่ซับซ้อนมากขึ้นที่ให้ประสิทธิภาพมากขึ้นและใช้ชิ้นส่วนอื่นๆมากขึ้นยังทำให้มีค่าใช้จ่ายที่มีประสิทธิภาพดีอยู่ การประยุกต์ใช้แบบคลาสสิกสำหรับหนึ่งคู่ของอุปกรณ์คลาส A ก็คือ คู่หางยาว (อังกฤษ: long-tailed pair) ซึ่งเป็นบบ เชิงเส้นยกเว้น และสร้างเป็นรูปแบบพื้นฐานของวงจรที่ซับซ้อนมากๆ รวมถึงวงจรขยายสัญญาณเสียงออดิโอทั้งหลาย และเกือบทั้งหมดของออพแอมป์

แอมป์ Class A มักจะถูกใช้ในขั้นตอนเอาต์พุตของออพแอมป์คุณภาพสูง (แม้ว่าความแม่นยำของ bias ในออพแอมป์ตันทุนต่ำ เช่น 741 อาจส่งผลในคลาส A หรือ AB หรือ B ที่แตกต่างกันไปจากอุปกรณ์ตัวหนึ่ง ไปยังอุปกรณ์อีกตัวหนึ่ง หรือเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ) บางครั้งมันยังถูกใช้เป็นแอมป์ออดิโอพลังงานขนาดกลางที่มีประสิทธิภาพต่ำและค่าใช้จ่ายสูง การบริโภคพลังงานไม่มีความเกี่ยวข้องกับพลังงานที่เอาต์พุต ในขณะว่างงาน (ไม่มีอินพุท), การบริโภคพลังงานจะเท่ากับปริมาณพลังงานที่มีเอาต์พุตสูง ผลที่ได้คือประสิทธิภาพต่ำและการกระจายความร้อนที่สูง

Class B

[แก้]
วงจรขยาย Class B
วงจรขยาย Class B Push-Pull

วงจรขยายสัญญาณ Class B จะขยายครึ่งหนึ่งของวงรอบคลื่นอินพุตเท่านั้น ดังนั้นจึงสร้างการบิดเบือนเป็นจำนวนมาก แต่ ประสิทธิภาพจะดีขึ้นอย่างมากและจะดีกว่าแอมป์คลาส A. นอกจากนี้แอมป์ Class B ยัง เป็นที่ชื่นชอบในอุปกรณ์ที่ทำงานด้วยแบตเตอรี่ เช่น วิทยุ ทรานซิสเตอร์ Class B มีประสิทธิภาพสูงสุดตามทฤษฎีของ π/4 (กล่าวคือ 78.5%) เป็นเพราะตัวขยายสัญญาณจะปิดโดยสิ้นเชิงครึ่งหนึ่งของเวลาจึงไม่สามารถกระจายความร้อนในช่วงนั้น ตัวขยายคลาส B ดังกล่าวที่เป็นตัวเดี่ยว ไม่ค่อยพบในทางปฏิบัติ แม้ว่ามันจะถูกนำมาใช้เพื่อขับลำโพงในช่วงต้นของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลไอบีเอ็มด้วยเสียงบี๊บ และมันสามารถถูกนำมาใช้ในพาวเวอร์แอมป์ RF ที่ระดับความเพี้ยนมีความสำคัญน้อย อย่างไรก็ตามคลาส C ถูกนำมาใช้สำหรับงานนี้กันอย่างแพร่หลายมากกว่า

ในทางปฏิบัติ วงจรใช้ตัวขยายคลาส B คือขั้นตอน push–pull เช่นการจัดเป็นคู่เสริมอย่างง่าย มากที่แสดงด้านล่าง ที่นี่อุปกรณ์เสริมหรือกึ่งเสริมที่ใช้ในการขยายในแต่ละครึ่งของสัญญาณ อินพุท แล้วจะถูกรวมกันใหม่ที่เอาต์พุต การจัดเป็นคู่แบบนี้จะให้ประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยม แต่ สามารถประสบอุปสรรคที่มีการไม่แมทช์กันเล็กน้อยในบริเวณรอยต่อระหว่างสองส่วนของสัญญาณ ในขณะที่อุปกรณ์เอาต์พุตตัวหนึ่งจะต้องเข้าทำงานจ่ายพลังงานแทนในขณะที่อีกอุปกรณ์หนึ่งทำงานเสร็จ สิ่งนี้เรียกว่าการบิดเบือนครอสโอเวอร์ การปรับปรุงวิธีหนึ่งคือการไบอัสอุปกรณ์เพื่อให้มันไม่หยุดทำงานอย่างสมบูรณ์ เมื่อมันไม่ได้ทำงาน วิธีการนี้เรียกว่า การทำงานคลาส AB

คลาส AB

[แก้]

คลาส AB ถือว่าเป็นประนีประนอมที่ดีสำหรับพาวเวอร์แอมป์ออดิโอ เนื่องจากเวลาที่นานมากของช่วงที่เพลงเงียบ ที่นานพอที่จะทำให้สัญญาณคงอยู่ในบริเวณ"คลาส A" ในที่ซึ่งมันจะถูก ขยายด้วยความชัดเจนที่ดี (อังกฤษ: good fidelity) และโดยนิยาม ถ้าผ่านออกไปจาก บริเวณนี้ เวลาจะนานมากพอที่จะทำให้ผลิตภัณฑ์ของการบิดเบือนโดยทั่วไปของคลาส B มีขนาดค่อนข้างเล็ก การบิดเบือนครอสโอเวอร์สามารถทำให้ลดลงได้อีกโดยการใช้การป้อนกลับเชิงลบ

ในการดำเนินงานคลาส AB, แต่ละอุปกรณ์จะดำเนินงานเช่นเดียวกับในคลาส B มากกว่าครึ่งหนึ่งของรูปคลื่น แต่ยังนำกระแสขนาดเล็กๆในรูปคลื่นอีกครึ่งหนึ่ง ผลก็คือพื้นที่ที่อุปกรณ์ทั้งสองเกือบจะปิดพร้อมกัน ("dead zone") จะลดลง ผลที่ได้คือ เมื่อคลื่นจากทั้งสองอุปกรณ์นี้จะถูกนำมารวมกัน, ครอสโอเวอร์จะลดลงอย่างมาก หรือหักล้างกันไปโดยสิ้นเชิง ทางเลือกที่ถูกต้องของกระแสนิ่ง หรือกระแสที่ไหลขณะที่ไม่มีสัญญาณอินพุท จะทำให้เกิดความแตกต่างอย่างมากในขนาดของการบิดเบือน (และความเสี่ยงของไหลเชี่ยวอันเนื่องจากอุณหภูมิที่อาจสร้างความเสียหายต่ออุปกรณ์); ดังนั้น แรงดันไบอัสที่ใช้เพื่อตั้งค่ากระแสนิ่งนี้มักจะต้องถูกปรับด้วยอุณหภูมิของทรานซิสเตอร์เอาต์พุต (เช่น ในวงจรที่เริ่มต้นของบทความนี้ ไดโอดจะถูกติดตั้งอยู่ใกล้กับทรานซิสเตอร์เอาต์พุต และถูกเลือกให้มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิตรงกัน) วิธีการอีกอย่างหนึ่ง (มักจะใช้แบบเดียวกับแรงดันไบอัสเพื่อติดตามอุณหภูมิ) ก็คือการเพิ่มตัวต้านทาน ค่าน้อยๆ อนุกรมกับ emitters คลาส AB เสียสละประสิทธิภาพบางส่วนเหนือกว่าคลาส B เพื่อให้ได้ความเป็นเชิงเส้น ประสิทธิภาพจึงน้อยกว่า (ต่ำกว่า 78.5 % สำหรับ sinewaves เต็มคลื่นในแอมป์ทรานซิสเตอร์ ; น้อยกว่าคลาส AB แอมป์หลอดสุญญากาศ)มาก โดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพมากกว่าคลาส A.

บางครั้ง ตัวเลขจะถูกเพิ่มข้างท้ายสำหรับหลอดสุญญากาศ ถ้าแรงดันไฟฟ้าที่กริด เป็นลบอยู่ตลอดเวลาเมื่อเทียบกับแคโทด จะเป็นคลาส AB1 ถ้ากริดได้รับอนุญาตให้เป็นบวกได้เล็กน้อย (ทำให้มีกระแสที่กริด เป็นการเพิ่มการบิดเบือนมากขึ้น แต่ให้กำลังของเอาต์พุตสูงกว่าเล็กน้อย )ที่ยอดของสัญญาณ จะเป็นคลาส AB2

Class C

[แก้]
วงจรขยาย Class C

แอมป์คลาส C นำกระแสน้อยกว่า 50% ของสัญญาณเข้า และการบิดเบือนที่เอาต์พุตอยู่ในระดับสูง แต่มีประสิทธิภาพสูง (90% ขึ้นไป) การประยุกต์ใช้ทั่วไปสำหรับแอมป์ชนิดนี้จะเป็นเครื่องส่งสัญญาณ RF ที่ทำงานที่ความถี่เดียวคงที่ ในที่ซึ่ง การบิดเบือนจะถูกควบคุมโดยการปรับโหลดบนตัวขยายสัญญาณ สัญญาณอินพุทจะถูกใช้ในการสลับอุปกรณ์ที่ใช้งาน ก่อให้เกิดคลื่นของกระแสที่ไหลผ่านวงจรปรับแต่งที่ประกอบขึ้นมาเป็นส่วนหนึ่งของโหลด

แอมป๋คลาส C มีสองโหมดของการดำเนินงาน : ปรับและไม่ปรับ แผนภาพแสดงให้เห็นถึง สัญญาณจากวงจรคลาส C ง่ายๆโดยปราศจากโหลดปรับ การมำงานแบบนี้เรียกว่าแบบ untuned และการวิเคราะห์รูปคลื่นได้แสดงให้เห็นถึงการบิดเบือนขนาดใหญ่ที่ปรากฏในสัญญาณ เมื่อใช้โหลดที่เหมาะสม (เช่นตัวกรอง inductive-capacitive บวกกับโหลดตัวต้านทาน) มีสองสิ่งเกิดขึ้น สิ่งแรกคือ ระดับไบอัสของเอาต์พุต จะถูกบีบด้วยแรงดัน output เฉลี่ยเท่ากับแรงดันที่แหล่งจ่าย นี่คือเหตุผลที่การทำงานแบบปรับ บางครั้งเรียกว่า clamper วิธีการนี้จะช่วยให้ รูปแบบของคลื่นคืนกลับไปยังรูปร่างที่เหมาะสมของมัน แม้จะมีตัวขยายสัญญาณจะมีแหล่งจ่ายเพียงขั้วเดียว สิ่งนี้จะเกี่ยวข้องโดยตรงกับปรากฏการณ์ที่สอง : รูปคลื่นความถี่ที่ศูนย์กลางถูกบิดเบี้ยวน้อย การบิดเบือนที่ค้าง จะขึ้นอยู่กับแบนด์วิดธ์ของโหลดปรับด้วยความถี่ที่ศูนย์กลางที่มีการบิดเบือนน้อยมาก แต่การลดทอนจะยิ่งมากขึ้นเมื่อความถี่ของสัญญาณที่ได้รับยิ่งไกลจากความถี่ปรับ

วงจรปรับจะสะท้อน ที่ความถี่หนึ่งหรือเรียกว่าความถี่พาหะที่คงที่ และ ดังนั้น ความถี่ที่ไม่พึงประสงค์จะถูกระงับ และสัญญาณเต็มรูปแบบที่ต้องการ (คลื่นซายน์) จะถูกแยกออกด้วยโหลดปรับ แบนด์วิดธ์ของแอมป์จะถูกจำกัดโดย Q -factor ของวงจรปรับแต่นี้ไม่ได้เป็นข้อจำกัดที่ร้ายแรง ฮาโมนิคส์ใดๆที่ค้างอยู่จะถูกลบออกโดยใช้ตัวกรองขั้นต่อไป

แอมป์คลาส C ในทางปฏิบัติ โหลดปรับจะถูกใช้อย่างสม่ำเสมอ ในการจัดการทั่วไป ตัวต้านทานที่แสดงในวงจรข้างต้นจะถูกแทนที่ด้วยวงจรปรับแบบขนาน ที่ประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ และ ตัวเก็บประจุต่อขนานกัน องค์ประกอบของชิ้นส่วนสองตัวนี้ถูกเลือกให้รีโซเนทที่ความถี่ของสัญญาณอินพุท พลังงานสามารถจ่ายให้กับโหลดโดยหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีขดลวดเหนี่ยวนำทุติยภูมิพันรอบตัวเหนี่ยวนำ แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยที่ขา drain จะเท่ากับแหล่งจ่ายไฟและ แรงดันไฟฟ้าของสัญญาณที่ปรากฏคร่อมวงจรปรับความถี่จะแปรจากใกล้ศูนย์ถึงใกล้สองเท่าของแหล่งจ่ายไฟระหว่างวงรอบของ RF วงจรอินพุตจะถูก bias เพื่อว่าองค์ประกอบที่แอคทีฟ (เช่น ทรานซิสเตอร์ ) จะนำกระแสเพียงเศษเสี้ยวของวงรอบ RF, มักจะเป็นหนึ่งในสาม (120 องศา) หรือน้อยกว่า

องค์ประกอบที่แอคทีฟจะนำกระแสในขณะที่แรงดันของ drain จะผ่านจุดต่ำสุดเท่านั้น โดยวิธีการนี้ พลังงานความร้อนในอุปกรณ์แอคทีฟจะถูกทำให้ต่ำสุด และมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น ในทางอุดมคติ ชิ้นส่วนแอคทีฟจะปล่อยผ่านกระแสที่เป็นพัลส์เพียงชั่วขณะเท่านั้น ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวมันเป็นศูนย์ : มันก็ไม่กระจายความร้อนและมีประสิทธิภาพ 100% อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ในทางปฏิบัติจะมีขีดจำกัดของกระแสสูงสุดที่มันสามารถปล่อยผ่านได้ เพราะฉะนั้น พัลส์จึงต้องถูกทำให้กว้างขึ้น ถึงประมาณ 120 องศา เพื่อให้ได้จำนวนพลังงานที่เหมาะสม และประสิทธิภาพที่ 60-70%

Class D

[แก้]

บทความหลัก: Class D amplifier

ไดอะแกรมของวงจรขยายสัญญาณแบบการสบล็อกลับขั้นพื้นฐานหรือ PWM (คลาส D)
เครื่องขยายเสียงออดิโอในรถยนต์แบบโมโนของบอสที่มีตัวกรอง low pass สำหรับจ่ายพลังให้กับซับวูฟเฟอร์

ในแอมป์คลาส D สัญญาณอินพุทจะถูกแปลงเป็นพัลส์เรียงลำดับที่มีแรงดันเอาต์พุตสูงกว่า ค่ากำลังงานโดยเฉลี่ยตามเวลาของพัลส์เหล่านี้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของสัญญาณอินพุท ความถี่ของพัลส์เอาต์พุตปกติจะเป็นสิบเท่าหรือมากกว่าความถี่ที่สูงที่สุดของสัญญาณอินพุท พัลส์ที่เอาต์พุตประกอบด้วยชิ้นส่วนทีมีสเปกตรัมไม่ถูกต้อง (นั่นคือ ความถี่พัลส์และ ฮาร์โมนิคส์ของมัน) ซึ่งจะต้องถูกถอดออกโดยตัวกรองพาสซีฟแบบ low-pass สัญญาณที่ถูกกรองแล้วนี้จะเป็นแบบจำลองของอินพุทที่ถูกขยาย

วงจรขยายสัญญาณเหล่านี้ใช้ pulse width modulation, pulse density modulation (บางครั้งเรียกว่า pulse frequency modulation) หรือรูปแบบที่ก้าวหน้ากว่าของการมอดูเลชัน เช่น Delta-sigma modulation (เช่น ใน Analog Devices AD1990 พาวเวอร์แอมป์ออดิโอคลาส D) ขั้นตอนเอาต์พุต เช่นที่ใช้ในเครื่องสร้างสัญญาณพัลส์ เป็นตัวอย่างของแอทป์คลาส D คำว่าคลาส D เป็นคำที่มักจะใช้กับอุปกรณ์ที่มีจุดมุ่งหมายในการสร้างสัญญาณขึ้นมาใหม่ ที่มี แบนด์วิดธ์ที่ต่ำกว่าความถึ่ในการสวิตช์

แอมป์ Class D สามารถควบคุมได้โดยวงจรแอนะล็อกหรือดิจิทัล การควบคุมแบบดิจิทัล จะสร้างการบิดเบือนเพิ่มเติมที่เรียกว่า quantization error ที่เกิดจากการแปลงสัญญาณอินพุตให้เป็นค่าดิจิทัล

ข้อได้เปรียบหลักของแอมป์คลาส D ก็คือประสิทธิภาพพลังงาน เพราะพัลส์เอาต์พุตมีแอมพลิจูดคงที่ อุปกรณ์ที่ใช้ในการสลีบ(ปกติคือ MOSFETs แต่วาล์ว(หลอดสุญญากาศ) และทรานซิสเตอร์สองขั้วก็เคยถูกนำมาใช้) จะถูกสลับให้ ON หรือ OFF อย่างสมบูรณ์ แทนที่จะทำงานอยู่ในโหมดเชิงเส้น MOSFET จะทำตัวเป็นตัวต้านทานที่มีต่าความต้านทานต่ำสุดในขระ ON อย่างสมบูรณ์ (และมีความต้านทานสูงสุดเมื่อ OFF อย่างสมบูรณ์) และทำให้มีการกระจายความร้อนน้อยที่สุด เมื่อเทียบกับแอมป์คลาส AB การสูญเสียที่ต่ำกว่าของแอมป์คลาส D จะใช้ heat sink ขนาดเล็กสำหรับ MOSFETs ในขณะที่ยังสามารถลดปริมาณของพลังงานที่ อินพุทที่จำเป็น แหล่งจ่ายไฟก็สามารถออกแบบให้ลดขนาดลงด้วย เพราะฉะนั้น, แอมป์ คลาส D โดยทั่วไปจะมีขนาดเล็กกว่าแอมป์คลาส AB

แอมป์ Class D มีการใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อควบคุมการทำงานของมอเตอร์ แต่ตอนนี้พวกมันยังถูกใช้เป็นพาวเวอร์แอมป์ออดิโอ ที่มีวงจรพิเศษบางอย่างเพื่อเปลี่ยนสัญญาณแอนะล็อก ให้เป็นสัญญาณที่ถูกมอดูเลทแบบความกว้างที่มีความถี่สูงมาก

พาวเวอร์แอมป์ออดิโอคลาส D ที่มีคุณภาพสูงหาซื้อได้ในตลาดปัจจุบัน การออกแบบได้รับ การกล่าวถึงว่าเป็นคู่แข่งของแอมป์ AB แบบดั้งเดิม ในแง่ของคุณภาพ การใช้งานในตอนเริ่มต้นของแอมป์คลาส D เป็นเครื่องขยายเสียงซับวูฟเฟอร์กำลังสูงในรถยนต์ เพราะว่าซับวูฟเฟอร์ทั่วไปอาจถูกจำกัดแบนด์วิดธ์ที่ไม่สูงกว่า 150 Hz ความเร็วในการสลับ สำหรับตัวขยายสัญญาณไม่จำเป็นต้องสูงที่สุดเท่ากำลังการขยายทั้งชุด ทำให้การออกแบบง่ายขึ้น แอมป์ คลาส D เพื่อขับซับวูฟเฟอร์มีราคาค่อนข้างไม่แพง เมื่อเทียบกับแอมป์คลาส AB

ตัวอักษร D ที่ใช้ในการกำหนดคลาสของแอมป์นี้ เป็นเพียงตัวอักษรตัวถัดไปอักษร C และไม่ เป็นตัวย่อของคำว่าดิจิทัล แอมป์ Class D และแอมป์ คลาส E บางครั้งก็ถูกอธิบายผิดเป็น " ดิจิทัล" เพราะสัญญาณ output ดุเผิน ๆ คล้ายกับขบวนของพัลส์ที่มีสัญลักษณ์ของดิจิทัล แต่แอมป์คลาส D เพียงแปลงสัญญาณอินพุตที่เข้ามาอย่างต่อเนื่องให้เป็น สัญญาณแอนะล็อกที่ถูกมอดูเลทแบบกว้าง (คลื่นรูปสี่เหลี่ยม) (รูปคลื่นดิจิทัลที่เป็นรหัสของพัลส์ที่ถูกมอดูเลท)

คลาสเพิ่มเติม

[แก้]

คลาส E

[แก้]

ตัวขยายคลาส E/F เป็นตัวขยายกำลังแบบสวิตชิ่งประสิทธิภาพสูง โดยทั่วไปถูกที่ความถี่สูงมากซะจนกระทั่งเวลาในการสวิตช์เทียบได้กับ เปรียบได้กับ duty time ตามที่กล่าวไว้ในตัวขยายคลาส D, ทรานซิสเตอร์ถูกเชื่อมต่อผ่านวงจร LC อนุกรมไปที่โหลดและถูกเชื่อมต่อผ่าน L (ตัวเหนี่ยวนำ)ขนาดใหญ่ไปยังแหล่งจ่ายไฟ แหล่งจ่ายไฟถูกเชื่อมต่อกับกราวด์ผ่านตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ตัวหนึ่งเพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณ RF ใดๆรั่วไหลลงไปยังแหล่งจ่ายไฟ ตัวขยายคลาส E จะเพิ่ม C (ตัวเก็บประจุ)อีกหนึ่งตัวระหว่างทรานซิสเตอร์กับกราวด์ และใช้ L1 ที่กำหนดให้เพื่อเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ

วงจรขยายคลาส E

คำอธิบายต่อไปนี้จะไม่สนใจ DC ซึ่งสามารถถูกเพิ่มได้ง่ายในภายหลัง C และ L ดังกล่าวข้างต้นจะเป็นวงจรขนาน LC กับกราวด์ เมื่อทรานซิสเตอร์นำกระแสหรืออยู่ในสถานะเปิด(ทำงาน) กระแสจะไหลผ่านวงจรอนุกรม LC ไปยังโหลดและบางส่วนเริ่มที่จะไหลไปยังวงจรขนาน LC ลงกราวด์ จากนั้น วงจรอนุกรม LC จะสวิงกลับและไปชดเชยกระแสลงในวงจรขนาน LC ณ จุดนี้ กระแสผ่านทรานซิสเตอร์เป็นศูนย์หรืออยู่ในสถานะปิด(ไม่ทำงาน) วงจร LC ทั้งสองวงจรตอนนี้ จะถูกเติมด้วยพลังงานใน C และ L0 ทั้งวงจรจะ oscillate ที่เปียกชื้น การทำให้หมาด ๆโดยโหลดได้รับการปรับเพื่อที่ว่าเวลาต่อมาพลังงานจาก L ทุกตัวจะถูกส่งไปที่โหลด แต่ พลังงานใน C0 จะขึ้นสูงสุดที่ค่าเดิมเพื่อมีผลในการเรียกคืนแรงดันไฟฟ้าดั้งเดิมเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าคร่อมทรานซิสเตอร์เป็นศูนย์และมันจะสามารถถูกทำให้อยู่ในสถานะเปิด(ทำงาน)ได้ใหม่อีกครั้ง

เมื่อมีโหลด ความถี่และ duty cycle (0.5) เป็นเหมือนกับพารามิเตอร์และข้อจำกัดที่กำหนดให้ว่าแรงดันไฟฟ้าจะไม่ถูกเรียกคืนเท่านั้น, แต่ขึ้นสู่จุดสูงสุดที่แรงดันเดิม, พารามิเตอร์ทั้งสี่ (L, L0, C และ C0) จะถูกกำหนด ตัวขยายคลาส E นำความต้านทานที่ชัดเจนมาพิจารณาและพยายามที่จะทำให้กระแสแตะจุดต่ำสุดที่ศูนย์ ซึ่งหมายความว่าแรงดันและกระแสที่ทรานซิสเตอร์จะมีความสมมาตรเมื่อเทียบกับเวลา การแปลงของฟูริเย(อังกฤษ: Fourier transform) ช่วยให้การกำหนดที่สง่างามในการสร้างเครือข่าย LC ที่ซับซ้อน และบอกว่าฮาร์โมนิคแรกถูกผ่านเข้าไปในโหลด, ฮาร์โมนิคเลขคู่ทั้งหมดจะถูก shorted และฮาร์โมนิคเลขคี่ที่สูงกว่าทั้งหมดจะ open

คลาส E ใช้แรงดันไฟฟ้าฮาร์โมนิคที่สองเป็นจำนวนมาก ฮาร์โมนิคที่สองสามารถนำมาใช้เพื่อลดความเหลื่อมล้ำที่ขอบด้วยความคมชัดที่แน่นอน เพื่อให้มันทำงาน พลังงานบนฮาร์โมนิคที่สองต้องไหลจากโหลดไปยังทรานซิสเตอร์, และแหล่งจ่ายไฟของเรื่องนี้จะไม่สามารถมองเห็นได้ในแผนภาพวงจร ในความเป็นจริง อิมพีแดนซ์เป็นปฏิกิริยาเสียส่วนใหญ่และเหตุผลเดียวที่มันเป็นเช่นนั้นก็คือคลาส E เป็นตัวขยายคลาส F (ดูด้านล่าง)ที่มีเครือข่ายโหลดอย่างง่ายมากๆ และนี่เองที่มันต้องทำธุรกิจกับความไม่สมบูรณ์

ในการจำลองแบบมือสมัครเล่นของแอมป์คลาส E หลายครั้ง, ขอบกระแสที่คมชัดจะถือว่าเป็นแรงจูงใจที่ไร้ผลสำหรับคลาส E และการวัดใกล้ความถี่ขนส่งของทรานซิสเตอร์จะแสดงเส้นโค้งที่สมมาตรมากซึ่งมีลักษณะคล้ายกับแบบจำลองของคลาส F

แอมป์คลาส E ถูกคิดค้นในปี 1972 โดย นาธาน โอ Sokal และอลัน D. Sokal และรายละเอียด ถูกตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 1975[13] บางรายงานก่อนหน้าในปฏิบัติการของคลาสนี้ได้รับการตีพิมพ์ในรัสเซีย

คลาส F

[แก้]

ในแอมป์แบบ push–pull และใน CMOS, ฮาร์โมนิคเลขคู่ของทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวเพียงแค่ หักล้างกัน การทดลองแสดงให้เห็นว่าคลื่นสี่เหลี่ยมสามารถถูกสร้างขึ้นโดยแอมป์เหล่านั้น คลื่น สี่เหลี่ยมตามทฤษฎีประกอบด้วยฮาร์โมนิคเลขคี่เท่านั้น ในแอมป์คลาส-D ตัวกรองเอาต์พุตจะบล็อกฮาร์โมนิคทั้งหมด นั่นคือ ฮาร์โมนิคจะเห็นโหลดเปิด ดังนั้นแม้กระแสเพียงเล็กน้อยในฮาร์โมนิคก็พอเพียงเพื่อสร้างแรงดันคลื่นสี่เหลี่ยม กระแสจะ in phase กับแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ตัวกรอง แต่แรงดันไฟฟ้าตกครอมทรานซิสเตอร์จะ out of phase ดังนั้นจึงมีการซ้อนทับกันน้อยที่สุดระหว่างกระแสที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์กับแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมทรานซิสเตอร์ ขอบยิ่งคมชัดเท่าไร การทับซ้อนยิ่งน้อยเท่านั้น

ขณะที่อยู่ในคลาส D ทรานซิสเตอร์และโหลดอยู่เป็นสองโมดูลแยก คลาส F ยอมรับความไม่สมบูรณ์ เช่นการเป็นกาฝากของทรานซิสเตอร์และคลาส F พยายามที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของระบบทั่วโลกที่จะมีอิมพีแดนซ์สูงสำหรับฮาร์โมนิค แน่นอนจะต้องมีแรงดันไฟฟ้าในทรานซิสเตอร์ ที่จะผลักดันกระแสข้ามสภาวะ ON เพราะกระแสที่ถูกนำมารวมกันผ่านทรานซิสเตอร์ทั้งสองส่วนใหญ่จะเป็นฮาร์มอนิคแรกที่ดูเหมือนรูปซายน์ นั่นหมายความว่า ในช่วงกลางของคลื่นสี่เหลี่ยม กระแสสูงสุดต้องไหล ดังนั้นมันอาจเข้าท่าที่จะมีรอยบุ๋มในคลื่นสี่เหลี่ยม หรือพูดอีกทีก็คือการยอมให้มีการแกว่งเกินของแรงดันไฟฟ้าคลื่นสี่เหลี่ยม เครือข่ายโหลดคลาส F โดยนิยามต้องส่งใต้ความถี่ cutoffและสะท้อนให้เห็นถึงเรื่องราวข้างต้น

ความถี่ใดๆที่อยู่ต่ำกว่าความถี่ cutoff และมีฮาโทนิคส์ที่สองสูงกว่าความถี่ cutoff จะสามารถที่จะถูกขยายได้ นั่นคือแบนด์วิดท์ที่แปดอันหนึ่ง ในทางตรงกันข้ามวงจรอนุกรม LC ที่มีค่าเหนี่ยวนำสูงหนึ่งตัวกับค่าความจุปรับได้หนึ่งตัวอาจเป็นวงจรง่ายๆในการนำมาใช้ โดยการลด duty cycle ให้ต่ำกว่า 0.5, ความสูงของเอาต์พุตสามารถถูกมอดูเลทได้ แรงดันรูปคลื่นสี่เหลี่ยมจะลดสถานะลง แต่ความร้อนที่มากเกินไปใดๆจะถูกชดเชยโดยการไหลของกำลังงานโดยรวมที่ต่ำกว่า การ mismatch ของโหลดใดๆที่อยู่หลังตัวกรองทำได้แต่เพียงดำเนินการกับรูปคลื่นกระแสฮาร์โมนิคแรกเท่านั้น เห็นได้ชัดเฉพาะโหลดความต้านทานที่แท้จริงเท่านั้น จากนั้น ความต้านทานยิ่งต่ำ กระแสยิ่งสูง

คลาส F สามารถขับเคลื่อนโดยคลื่นไซน์หรือคลื่นสี่เหลี่ยม, สำหรับคลื่นไซน์ อินพุทสามารถถูกจูนโดยตัวเหนี่ยวนำหนึ่งตัวเพื่อเพิ่มเกน ถ้าคลาส F จะถูกทำขึ้ด้วยทรานซิสเตอร์ตัวเดียว ตัวกรองจะมีความซับซ้อนในการช็อตฮาร์โมนิคส์เลขคู่ทั้งหลาย การออกแบบทั้งหมดก่อนหน้านี้ใช้ขอบของคลื่นที่คมเพื่อลดการทับซ้อน

คลาส G และ H

[แก้]
คลาส G
คลาส H
การมอดูเลทแรงดันไฟฟ้าราง


แผนผังพื้นฐานของ configuration คลาส H

แอมป์มีการออกแบบที่หลากหลายเพื่อช่วยเพิ่มขั้นตอนเอาต์พุตของคลาส AB ด้วยเทคนิคที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อบรรลุประสิทธิภาพให้มากขึ้นด้วยการบิดเบือนที่ต่ำ การออกแบบเหล่านี้ เป็นเรื่องธรรมดาในตัวขยายเสียงขนาดใหญ่ เนื่องจากฮีทซิงค์และหม้อแปลงไฟฟ้าเพาเวอร์ไม่สามารถทำให้มีขนาดใหญ่ได้ (และค่าใช้จ่ายสูง)โดยไม่เพิ่มประสิทธิภาพ คำว่า "คลาส G " และ "คลาส H"จะถูกใช้สลับกันเพื่ออ้างถึงการออกแบบที่แตกต่างกัน เปลี่ยนไปในการกำหนดจากผู้ผลิตหรือเอกสาร

แอมป์ลาส G (ซึ่งใช้"รางสวิตช์" เพื่อลดการใช้พลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพ) มีประสิทธิภาพมากกว่าแอมป์คลาส AB แอมป์เหล่านี้จ่ายรางไฟหลายรางที่แรงดันไฟฟ้าแตกต่างกันและสลับรางไปมาระหว่างรางพวกนี้เมื่อสัญญาณเอาต์พุตเข้าใกล้แต่ละระดับ ดังนั้น แอมป์จะเพิ่มประสิทธิภาพโดยการลดพลังงานที่สูญเปล่าที่ทรานซิสเตอร์เอาต์พุต แอมป์คลาส G มีประสิทธิภาพมากกว่าคลาส AB แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าเมื่อเทียบกับคลาส D โดยไม่มีผลกระทบ EMI เชิงลบของคลาส D แอมป์คลาส H ใช้ความคิดของคลาส G หนึ่งขั้นตอนในการสร้างรางที่จ่ายกำลังที่แปรได้ไม่จำกัดเพิ่มเข้าไป สิ่งนี้จะกระทำโดยการมอดูเลทรางจ่ายไฟเพื่อให้รางเหล่านั้นมีแรงดันมีขนาดไม่กี่โวลท์ใหญ่กว่าสัญญาณเอาต์พุต ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง ขั้นตอนของเอาต์พุตจะทำงานที่มีประสิทธิภาพสูงสุดตลอดเวลา แหล่งจ่ายไฟแบบสลับโหมดสามารถถูกใช้ในการสร้างรางต่างๆได้ เกนประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญสามารถทำสำเร็จได้ แต่มีข้อเสียเปรียบของการออกแบบ แหล่งจ่ายไฟที่ซับซ้อนมากขึ้นและลดประสิทธิภาพการทำงานของ THD ลง ในการออกแบบธรรมดา แรงดันตกลงประมาณ 10V จะถูกรักษาระดับนี้ไว้บนทรานซิสเตอร์เอาต์พุตในวงจรคลาส H ภาพข้างบนแสดงให้เห็นถึงแหล่งจ่ายไฟบวกของขั้นตอนเอาต์พุตและแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของลำโพง การเพิ่มแรงดันแหล่งจ่ายไฟถูกแสดงสำหรับสัญญาณเพลงจริง

สัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่แสดงจึงเป็นรุ่นที่ใหญ่กว่าของอินพุท แต่ถูกเปลี่ยนเครื่องหมาย (เป็นตรงข้าม)โดยการขยาย การเตรียมการอื่นๆของอุปกรณ์ขยายมีความเป็นไปได้ แต่ที่ให้มา (นั่นคือ อีมิตเตอร์ร่วม แหล่งที่มาร่วม หรือ แคโทดร่วม) เป็นสิ่งที่ง่ายที่สุดที่จะเข้าใจและใช้ได้ในทางปฏิบัติ ถ้าชิ้นส่วนขยายเป็นแบบเชิงเส้น เอาต์พุตก็จะเป็นเป็นสำเนาที่ซื่อสัตย์ของอินพุท เพียงแต่ใหญ่กว่าและกลับหัวเท่านั้น ในทางปฏิบัติ ทรานซิสเตอร์ไม่เป็นเชิงเส้นและเอาต์พุตจะใกล้เคียงกับอินพุทเท่านั้น การไม่เป็นเชิงเส้นจากหลายแหล่งที่มาจะเป็นที่มาของการบิดเบือนภายใน ตัวขยาย คลาสของตัวขยาย (A, B , AB หรือ C )ขึ้นอยู่กับว่าอุปกรณ์ขยายจะถูกไบอัสอย่างไร แผนภาพได้ละเว้นวงจรไบอัสเพื่อความชัดเจน

แอมป์แท้จริงใดๆคือการตระหนักถึงความไม่สมบูรณ์ของแอมป์ในอุดมคติ ข้อจำกัดที่สำคัญของแอมป์แท้จริงก็คือการที่เอาต์พุตที่มันสร้างจะถูกจำกัดในที่สุดโดยพลังที่มีอยู่จากแหล่งจ่ายไฟ แอมป์จะอิ่มตัวและตัดยอดคลื่นถ้าสัญญาณอินพุทมีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับตัวขยายในการสร้างซ้ำ หรือเกินขีดจำกัดการทำงานของอุปกรณ์

แอมป์โดเฮอร์ตี้

[แก้]

โดเฮอร์ตี้, คอนฟิกูเรชั่นไฮบริดแบบหนึ่ง, กำลังได้รับความสนใจใหม่ มันถูกคิดค้นในปี 1934 โดยวิลเลียม เอช โดเฮอร์ตี้ ที่ทำงานกับเบลล์แล็บที่มีบริษัทน้องสาวชื่อ เวสเทิร์นไฟฟ้า ที่ผลิตเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ แอมป์โดเฮอร์ตี้ประกอบด้วยคลาส B ขั้นตอนต้นหรือขั้นตอนตัวขนส่งหนึ่งตัวทำงานควบคู่ไปกับคลาส C หนึ่งตัวที่ทำงานอยู่ในขั้นตอนสนับสนุนหรือขั้นตอนสูงสุด สัญญาณอินพุทจะแยกไปขับตัวขยายสองตัว และเครือข่ายการรวมจะรวมสองสัญญาณเอาต์พุต เครือข่าย Phase shifting จะถูกใช้ในอินพุทและเอาต์พุต ในระหว่างช่วงเวลาที่ระดับสัญญาณต่ำ ตัวขยายคลาส B จะทำงานกับสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพ และตัวขยายคลาส C จะ cutoff และบริโภคพลังงานน้อย ในช่วงระยะเวลาที่ระดับสัญญาณสูง ตัวขยายคลาส B ส่งมอบกำลังสูงสุดของมันและตัวขยายคลาส C จะส่งมอบกำลังที่จุดสูงสุดของมัน ประสิทธิภาพของ การออกแบบเครื่องส่งสัญญาณ AM ก่อนหน้านี้เป็นสัดส่วนกับการมอดูเลท แต่ด้วยค่าเฉลี่ยการมอดูเลทโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 20% ตัวส่งสัญญาณถูกจำกัดให้มีประสิทธิภาพน้อยกว่า 50% ในการออกแบบของโดเฮอร์ตี้ แม้จะมีการมอดูเลทเป็นศูนย์ ตัวส่งส่งสามารถบรรลุประสิทธิภาพ อย่างน้อย 60%[14]

ในฐานะที่เป็นผู้สืบทอดของไฟฟ้าฝั่งตะวันตกสำหรับตัวส่งสัญญาณออกอากาศ แนวคิดโดเฮอร์ตี้ ได้รับการกลั่นอย่างมากโดยบริษัทผลิตคอนติเนนตัลอิเล็กทรอนิคส์ของเมืองดัลลัสรัฐเท็กซัส บางทีการปรับแต่งอย่างสุดขั้วเป็นการปรับรูปแบบการมอดูเลทแบบหน้าจอ-กริดที่ถูกประดิษฐ์คิดค้นโดย โจเซฟ บี Sainton ตัวขยาย Sainton ประกอบด้วยแอมป์คลาส C ขั้นตอนเริ่มต้นหรือขั้นตอนขนส่งหนึ่งตัวทำงานควบคู่ไปกับแอมป์คลาส C ขั้นตอนเสริมหรือขั้นสูงสุด ขั้นตอนจะถูกแยกและรวมผ่านเครือข่าย phase shift 90 องศา เหมือนในแอมป์โดเฮอร์ตี้ ตัวขนส่งคลื่นความถี่วิทยุที่ไม่ถูกมอดูเลทถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมกริดของทั้งสองหลอด จุดไบอัสของหลอดตัวขนส่งกับหลอดพีคจะต่างกันและถูกสร้างเพื่อที่ว่าหลอดพีคจะ cutoffเมื่อไม่มีการมอดูเลท(และตัวขยายกำลังผลิตกำลังตัวขนส่งที่มีอัตราไม่ถูกมอดูเลท) ในขณะที่หลอดทั้งสองมีส่วนช่วยจ่าย กำลังตัวขนส่งที่มีอัตราถึงสองเท่าในระหว่างการมอดูเลท 100% (เมื่อกำลังของตัวขนส่งต้องการถึงสี่เท่าเพื่อบรรลุการมอดูเลท 100 %) เมื่อทั้งสองหลอดทำงานในคลาส C การปรับปรุงที่สำคัญในประสิทธิภาพจึงประสบความสำเร็จในขั้นตอนสุดท้าย นอกจากนี้ เมื่อหลอดตัวขนส่งและหลอดพีค Tetrode ต้องใช้กำลังขับน้อยมาก การปรับปรุงที่สำคัญในประสิทธิภาพภายในขั้นตอนตัวขับจะประสบความสำเร็จเช่นกัน ( 317C, อื่นๆ)[15] รุ่นที่วางจำหน่าย ของตัวขยาย Sainton ใช้ตัวมอดูเลทแบบแคโทด-สาวก, ไม่ใช่ตัวมอดูเลทแบบ push–pull การออกแบบของคอนติเนนตัลอิเล็กทรอนิคส์ก่อนหน้านี้, เจมส์ โอ เวลดอนและอื่นๆยังรักษา ส่วนใหญ่ของคุณลักษณะของตัวขยายโดเฮอร์ตี้แต่เพิ่มการมอดูเลทหน้าจอ-กริดของตัวไดรเวอร์ (317B, อื่นๆ)

แอมป์โดเฮอร์ตี้ยังคงอยู่ในการใช้งานในเครื่องส่งสัญญาณ AM กำลังสูงมาก แต่สำหรับเครื่องส่งสัญญาณ AM กำลังต่ำกว่า, แอมป์หลอดสูญญากาศโดยทั่วไปถูกบดบังในช่วงปี 1980s โดยอาร์เรย์ของแอมป์แบบโซลิตสเตท ซึ่งสามารถเปิดและปิดด้วยเมล็ดที่ละเอียดกว่ามาก ในการตอบสนองความต้องการของเสียงที่อินพุท อย่างไรก็ตามความน่าสนใจในคอนฟิกูเรชั่นของโดเฮอร์ตี้ได้รับการฟื้นฟูโดยโทรศัพท์มือถือและการใช้งานอินเทอร์เน็ตไร้สาย ที่ซึ่งผลรวมของหลาย ผู้ใช้จะสร้างผลลัพธ์รวมของ AM ความท้าทายหลักแอมป์โดเฮอร์ตี้สำหรับโหมดที่ส่งผ่านแบบดิจิทัลอยู่ในการจัดตำแหน่งสองขั้นตอน และการสั่งให้แอมป์คลาส C สามารถเปิดและปิดอย่างรวดเร็ว

เมื่อเร็วๆนี้ แอมป์โดเฮอร์ตี้ได้ถูกพบการใช้งานอย่างแพร่หลายในเครื่องส่งสัญญาณที่สถานีฐาน โทรศัพท์มือถือสำหรับความถี่ย่าน GHz การใช้งานสำหรับเครื่องส่งสัญญาณในอุปกรณ์เคลื่อนที่ยังได้รับการสาธิตให้เห็นอีกด้วย


การนำไปปฏิบัติ

[แก้]

แอมป์ถูกนำไปปฏิบัติโดยใช้องค์ประกอบที่แอคทีฟต่างชนิดกันดังนี้

  • องค์ประกอบที่แอคทีฟตัวแรกคือรีเลย์ ยกตัวอย่างเช่นใช้ในสายโทรเลขข้ามทวีป :กระแสอ่อนๆ ถูกใช้ในการสวิตช์แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ไปยังสายที่ออกไปด้านนอก
  • สำหรับการส่งสัญญาณเสียง ไมโครโฟนคาร์บอนถูกนำมาใช้เป็นองค์ประกอบที่แอคทีฟ มันถูกใช้เพื่อมอดูเลทแหล่งที่มาของในคลื่นความถี่วิทยุ ในหนึ่งของการส่งสัญญาณเสียง AM ครั้งแรก โดย เรจินัลด์ เฟสเซนเดน เมื่อ 24 ธันวาคม 1906[16]
  • แอมป์ที่ใช้หลอดสูญญากาศอย่างเดียวจนกระทั่ง 1960s วันนี้ หลอดถูกใช้สำหรับการใช้งานเสียงโดยผู้เชี่ยวชาญ เช่นแอมป์กีต้าร์และเครื่องขยายเสียง เครื่องส่งสัญญาณออกอากาศจำนวนมากยังคงใช้หลอดสูญญากาศ
  • ในปี 1960s, ทรานซิสเตอร์เริ่มเข้ามาแทนที่ วันนี้, ทรานซิสเตอร์เดี่ยวๆยังคงถูกใช้ในแอมป์กำลังสูงและในอุปกรณ์เสียงของผู้เชี่ยวชาญ
  • เริ่มต้นในปี 1970s ทรานซิสเตอร์มากขึ้นเรื่อยๆถูกเชื่อมต่อบนชิปชิ้นเดียวเพื่อสร้างวงจรรวม แอมป์จำนวนมากที่ใช้ในเชิงพาณิชย์วันนี้จะมีพื้นฐานมาจากวงจรรวม

สำหรับวัตถุประสงค์พิเศษ องค์ประกอบที่แอคทีฟอื่นๆได้ถูกนำมาใช้ ตัวอย่างเช่นในตอนต้นของการสื่อสารผ่านดาวเทียมแอมป์ตัวแปรถูกนำมาใช้ วงจรหลักเป็นไดโอดหนึ่งตัวที่ความสามารถของมันจะถูกเปลี่ยนแปลงโดยสัญญาณ RF ที่สร้างขึ้นในท้องถิ่น ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง สัญญาณ RF นี้ได้ให้พลังงานที่ถูกมอดูเลทโดยสัญญาณดาวเทียมที่อ่อนแออย่างมากที่รับได้ที่สถานีแผ่นดิน

วงจรแอมป์

[แก้]
วงจรแอมป์ในทางปฏิบัติ

วงจรแอมป์ในทางปฏิบัติที่แสดงทางขวาจะเป็นพื้นฐานสำหรับการขยายเสียงกำลังปานกลาง มันแสดงให้เห็นการออกแบบทั่วไป(ที่ง่ายมาก)ตามที่พบในเครื่องขยายเสียงที่ทันสมัย, ​​ที่มีแอมป์คลาส AB ขั้นตอนเอาต์พุตแบบ push–pull และใช้ negative feedback โดยรวมบางอย่าง ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ถูกแสดงในภาพ แต่การออกแบบนี้จะสามารถใช้ FETs หรือ วาล์วก็ได้

สัญญาณอินพุทถูกเชื่อมต่อผ่านตัวเก็บประจุ C1 เข้าที่เบสของทรานซิสเตอร์ Q1 ตัวเก็บประจุจะยอมให้สัญญาณ AC ผ่านได้ แต่บล็อกแรงดันไฟฟ้าไบอัส DC ที่ถูกสร้างขึ้นโดยตัวต้านทาน R1 และ R2 เพื่อที่วงจรใดๆก่อนหน้านี้จะไม่ได้รับผลกระทบจากมัน Q1 และ Q2 เป็นแอมป์แบบ differential (แอมป์ที่จะคูณส่วนต่างระหว่างสองอินพุทด้วยค่าคงที่บางอย่าง) ในการจัดเตรียมที่เรียกว่าเป็น คู่หางยาว(อังกฤษ: long-tailed pair) การจัดเตรียมแบบนี้ถูกใช้ในการอำนวยความสะดวกในการใช้ negative feedback ซึ่งถูกป้อนจากเอาต์พุต Q2 ผ่าน R7 และ R8

negative feedback ในแอมป์แบบ differential จะช่วยให้แอมป์เปรียบเทียบอินพุทกับเอาต์พุต ที่เกิดขึ้นจริง สัญญาณที่ถูกขยายจาก Q1 ถูกป้อนโดยตรงไปยังขั้นตอนที่สอง, Q3 ซึ่งเป็นขั้นตอนอีมิตเตอร์ร่วมที่มีการขยายสัญญาณและไบอัส DC ต่อไปเพื่อส่งให้ขั้นตอนเอาต์พุต Q4 และ Q5. R6 เป็นโหลดสำหรับ Q3(การออกแบบที่ดีกว่าอาจจะใช้บางรูปแบบของโหลดที่แอคทีฟที่นี่ เช่น constant-current sink) เมื่อมาถึงเวลานี่ แอมป์ทั้งหมดกำลังทำงานในคลาส A. คู่เอาต์พุตจะถูกจัดเตรียมในคลาส AB push–pull หรือที่เรียกว่าคู่แถม ทีทำงานส่วนใหญ่เป็นการขยายกระแส(ขณะที่บริโภคกระแสนิ่งต่ำ) และขับโหลดโดยตรงและเชื่อมต่อผ่านทาง C2 ที่ปิดกั้นไฟ DC ไดโอด D1 และ D2 จ่ายแรงดันไบอัสคงที่จำนวนเล็กน้อยให้กับคู่เอาต์พุต เพียงเพื่อไบอัสวงจรให้เข้าที่สถาวะนำกระแส เพื่อที่ว่า การบิดเบือนครอสโอเวอร์จะถูกทำให้น้อยที่สุด นั่นคือ ไดโอดผลักดันขั้นตอนเอาต์พุตอย่างมั่นคงให้เข้าสู่โหมดคลาส AB (สมมติว่าแรงดันคร่อมเบส-อีมิตเตอร์ของตัวทรานซิสเตอร์เอาต์พุตจะถูกลดลงโดยการกระจายความร้อน)

การออกแบบนี้จะง่าย แต่เป็นพื้นฐานที่ดีสำหรับการออกแบบในทางปฏิบัติ เพราะว่ามันจะรักษา จุดปฏิบัติการให้แน่นอน เนื่องจากฟีดแบคดำเนินการภายในจาก DC ขึ้นผ่านช่วงเสียงและไกลออกไป องค์ประกอบวงจรนอกจากนี้อาจจะพบได้ในการออกแบบที่แท้จริงที่จะตัดการตอบสนองความถี่ที่สูงกว่าช่วงที่จำเป็นเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเป็นไปได้ของการ oscillate ที่ไม่พึงประสงค์ นอกจากนี้ การใช้งานของไดโอดไบอัสคงที่แสดงไว้อาจทำให้เกิดปัญหาถ้าไดโอดไม่ match ทั้งทางไฟฟ้าและทางความร้อนกับทรานซิสเตอร์เอาต์พุต- ถ้าทรานซิสเตอร์เอาต์พุต นำกระแสมากเกินไป พวกเขาอาจร้อนเกินไปและทำลายตัวเองได้ง่ายมาก เพราะกระแสจากแหล่งจ่ายไฟจะไหลเต็มที่ ไม่ได้ถูกจำกัดในขั้นตอนนี้

การแก้ปัญหาง่ายๆเพื่อช่วยสร้างความมั่นคงของอุปกรณ์เอาต์พุตก็คือ การเพิ่มตัวต้านทานที่อีมิตเตอร์สักหนึ่งโอห์มหรือมากว่า ในการคำนวณค่าของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุของวงจรจะสามารถทำได้ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบใช้งานและการตั้งใจใช้งานของแอมป์

สำหรับพื้นฐานของตัวขยายความถี่วิทยุโดยการใช้วาล์ว, ดู Valved RF amplifiers.

หมายเหตุเกี่ยวกับการนำไปใช้งาน

[แก้]

แอมป์ในโลกแห่งความจริงไม่สมบูรณ์แบบ ดังนี้

  • ผลที่ตามมาอย่างหนึ่งก็คือการที่แหล่งจ่ายไฟของมันเองอาจมีอิทธิพลต่อเอาต์พุตและจะต้องนำมาพิจารณาเมื่อมีการออกแบบตัวขยาย
  • เพาเวอร์แอมป์เป็นสัญญาณอินพุทที่มีประสิทธิภาพที่ใช้ควบคุมตัวเรกูเลเตอร์ของแหล่งจ่ายไฟ - ทำการควบคุมกำลังที่มาจากแหล่งจ่ายไฟหรือไฟเมนส์ไปที่โหลดของแอมป์ กำลังที่ออกจากเพาเวอร์แอมป์ไม่ควรเกินกำลังที่ใส่เข้าไปให้กับมัน
  • วงจรแอมป์มีผลการดำเนินงานแบบ"open loop" สามารถอธิบายได้ด้วยพารามิเตอร์ต่างๆ (กำไร, slew rate, เอาต์พุตอิมพีแดนซ์, การบิดเบือน, แบนด์วิดธ์, อัตราส่วนของสัญญาณกับเสียงรบกวน ฯลฯ)
  • แอมป์ที่ทันสมัย​​จำนวนมากใช้เทคนิค negative feedback เพื่อรักษาค่าเกนไว้ที่ค่าที่ต้องการและเพื่อลดการบิดเบือน การฟีดแบคในลูปเชิงลบจะมีผลตามวัตถุประสงค์ในการบรรเทาทางไฟฟ้าของการเคลื่อนไหวของลำโพง ซึ่งในทางกลับกัน มันเป็นการบรรเทาประสิทธิภาพการทำงานแบบกลไกไดนามิกของลำโพง
  • เมื่อประเมินความจุของกำลังเอาต์พุตของแอมป์ มันจะเป็นประโยชน์ที่จะพิจารณา 1. โหลดที่จะใช้ 2. รูปแบบของสัญญาณเช่น เสียงพูดหรือเพลง 3. ระยะเวลาของกำลังเอาต์พุตที่ต้องการ เช่น เวลาสั้นหรือต่อเนื่อง และ 4. ช่วงไดนามิกที่ต้องการ เช่น โปรแกรมที่บันทึกไว้หรือถ่ายทอดสด
  • ในกรณีที่มีการใช้งานเสียงกำลังขับเคลื่อนสูงที่ต้องมีสายยาวต่อไปยังโหลด- เช่น โรงภาพยนตร์และศูนย์การขนส่ง - แทนที่จะใช้สายขนาดใหญ่ มันอาจจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นถ้าเชื่อมต่อกับโหลดที่แรงดันเอาต์พุตของ line ด้วยหม้อแปลง matching ที่แหล่งจ่ายกับโหลด
  • เพื่อป้องกันความไม่แน่นอน และ/หรือความร้อนสูงเกินไป การดูแลมีความจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าแอมป์แบบโซลิทสเตทมีโหลดที่เหมาะสม ส่วนใหญ่มีความจุของโหลดอิมพีแดนว์ต่ำมาก
  • แอมป์ทุกตัวผลิตความร้อนอันเนื่องมาจากการสูญเสียทางไฟฟ้า ความร้อนนี้จะต้องถูกระบายผ่านการให้ความเย็นด้วยลมตามธรรมชาติหรือลมที่ถูกบังคับ ความร้อนสามารถสร้างความเสียหายหรือลดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ควรพิจารณาผลกระทบของความร้อนที่มีต่อแอมป์หรืออุปกรณ์ที่อยู่ใกล้เคียง

วิธีการที่แตกต่างกันในการจ่ายกำลังมีผลมาจากวิธีการให้ไบอัสที่แตกต่างกัน ไบอัสเป็นเทคนิคอย่างหนึ่งที่อุปกรณ์แอคทีฟจะถูกตั้งค่าให้ทำงานในพื้นที่เฉพาะ หรือเป็นเทคนิคที่ชิ้นส่วน DC ของสัญญาณเอาต์พุตจะถูกกำหนดเป็นจุดกึ่งกลางระหว่างแรงดันไฟฟ้าสูงสุดจากแหล่งจ่ายไฟ ทั้งหลายของแอมป์ ส่วนใหญ่จะใช้อุปกรณ์หลายชิ้นในแต่ละขั้นตอน ทั่วไปพวกมันจะถูกจับคู่ในสเปคที่เท่ากัน ยกเว้นขั้ว อุปกรณ์ขั้วตรงข้ามที่ match กันจะเรียกว่าเป็นคู่สมบูรณ์ แอมป์คลาส A ทั่วไปใช้เพียงอุปกรณ์เดียว เว้นแต่แหล่งจ่ายไฟจะถูกตั้งไว้ให้จ่ายทั้งแรงดันบวกและลบ ซึ่งในกรณีดังกล่าว อาจต้องใช้อุปกรณ์คู่ที่ออกแบบให้สมมาตร แอมป์คลาส C โดยนิยามใช้แหล่งจ่าย กระแสไฟฟ้าขั้วเดียว

แอมป์มักจะมีหลายขั้นตอนต่อเนื่องเพื่อเพิ่มเกน แต่ละขั้นตอนของการออกแบบเหล่านี้อาจเป็นแอมป์ประเภทที่แตกต่างกัน เพื่อให้เหมาะกับความต้องการของขั้นตอนนั้น ตัวอย่างเช่น ในขั้นตอนแรกอาจจะเป็นคลาส A จ่ายให้คลาส AB push pull ในขั้นตอนที่สอง จากนั้นก็ไดรฟ์คลาส G ที่เป็นขั้นตอนสุดท้าย เป็นการใช้ประโยชน์จากจุดแข็งของแต่ละประเภทในขณะที่ลดจุดอ่อนลงให้น้อยที่สุด

ดูเพิ่ม

[แก้]
  • Charge transfer amplifier
  • Distributed amplifier
  • Faithful amplification
  • Guitar amplifier
  • Instrument amplifier
  • Instrumentation amplifier
  • Low noise amplifier
  • Negative feedback amplifier
  • Operational amplifier
  • Optical amplifier
  • Power added efficiency
  • Programmable gain amplifier
  • RF power amplifier
  • Valve audio amplifier

อ้างอิง

[แก้]
  1. ↑ Patronis, Gene (1987). "Amplifiers". In Glen Ballou. Handbook for Sound Engineers: The New Audio Cyclopedia. Howard W. Sams & Co. p. 493. ISBN 0-672-21983-2.
  2. ↑ Robert Boylestad and Louis Nashelsky (1996). Electronic Devices and Circuit Theory, 7th Edition. Prentice Hall College Division. ISBN 978-0-13-375734-7.
  3. ↑ Patronis, Gene (1987). "Amplifiers". In Glen Ballou. Handbook for Sound Engineers: The New Audio Cyclopedia. Howard W. Sams & Co. p. 493. ISBN 0-672-21983-2.
  4. ↑ *Mark Cherry, Maxim Engineering journal, volume 62, Amplifier Considerations in Ceramic Speaker Applications, p.3, accessed 2012-10-01
  5. ↑ Robert S. Symons (1998). "Tubes: Still vital after all these years". IEEE Spectrum 35 (4): 52–63. doi:10.1109/6.666962.
  6. ↑ It is a curiosity to note that this table is a "Zwicky box"; in particular, it encompasses all possibilities. See Fritz Zwicky.
  7. ↑ John Everett (1992). Vsats: Very Small Aperture Terminals. IET. ISBN 0-86341-200-9.
  8. ↑ RCA Receiving Tube Manual, RC-14 (1940) p 12
  9. ↑ ARRL Handbook, 1968; page 65
  10. ↑ Jerry Del Colliano (20 February 2012), Pass Labs XA30.5 Class-A Stereo Amp Reviewed, Home Theater Review, Luxury Publishing Group Inc.
  11. ↑ Ask the Doctors: Tube vs. Solid-State Harmonics
  12. ↑ Volume cranked up in amp debate
  13. ↑ N. O. Sokal and A. D. Sokal, "Class E – A New Class of High-Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Amplifiers", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. SC-10, pp. 168–176, June 1975. HVK
  14. ↑ US patent 2210028, William H. Doherty, "Amplifier", issued 1940-08-06, assigned to Bell Telephone Laboratories
  15. ↑ US patent 3314034, Joseph B. Sainton, "High Efficiency Amplifier and Push–Pull Modulator", issued 1967-04-11, assigned to Continental Electronics Manufacturing Company
  16. ↑ Lee, Thomas (2004). The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits. New York, NY: Cambridge University Press. p. 8. ISBN 978-0-521-83539-8.
วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับ ตัวขยายสัญญาณ
เข้าถึงจาก "https://th.wikipedia.org/w/index.php?title=ตัวขยายสัญญาณ&oldid=11942043"