logo

logo

logo

logo

logo

المضخم الإلكتروني

مضخم الكتروني

Electronic amplifier - Amplificateur électronique

المضخم الإلكتروني

 

المضخم أو المكبر الإلكتروني electronic amplifier هو التجهيزة الإلكترونية electronic device أو الدارة الإلكترونية التي تزيد شدة الإشارة signal (أي تزيد استطاعة الإشارة أو تزيد قيمة المطال amplitude لجهدها أو تيارها) مع الحفاظ على شكلها بدقة كافية. ولكي يحقق المضخم تلك الزيادة يستهلك استطاعة معينة من مصدر التغذية power supply. وتعد إشارة الخرج output signal الناتجة من التضخيم تقريباً نسخة مكبرة لإشارة الدخلinput signal. ويمكن أن تعاني إشارة الخرج تشويهاً distortion، كما يمكن أن تتضمن بعض الضجيج noise.

بنية المضخم وداراته

صُممت أول مضخمات إلكترونية باستخدام الصمام الثلاثي triode الذي ابتكره لي دي فوريست عام 1907. ومنذ اختراع الترانزستور[ر] في مخابر بل Bell الأمريكية عام 1947 بدأ استخدام الترانزستور في المضخمات بديلاً الصمامات. ثم حلت الترانزستورات تدريجياً محل الصمامات في معظم التطبيقات.

الشكل (1) تشكيلات التصخيم الأساسية بترانزستور n-p-n

يبين (الشكل 1) ثلاث تشكيلات للتضخيم باستخدام ترانستور من نوع n-p-n. ونرمز بـ (E,B,C)  للباعث emitter والقاعدة base والمجمع Collector على التوالي. وتسمى الدارة المبينة في (الشكل 1- أ) تشكيلة القاعدة المشتركة common base أو باختصار CB، لأن القاعدة هي الطرف المشترك common بين دارة الدخل ودارة الخرج (وتعد مؤرضة grounded). ويرمز VEE لجهد مصدر تغذية الباعث، كما يرمز VCC لجهد مصدر تغذية المجمع. وتسمى الدارة المبينة في الشكل (آ - ب) تشكيلة الباعث المشترك common emitter أو باختصار CE، كما تسمى الدارة المبينة في الشكل (1- ج) تشكيلة المجمع المشترك common collector أو باختصار CC (ويعدّ فيها المجمع مشتركاً أو «مؤرضاً»، لأن مصدر التغذية VCC يعد «مؤرضاً» بالنسبة للإشارة). وتتحدد خصائص كل من التشكيلات الثلاث في (الشكل 1) بخواص الترانزستور وقيمتي المقاومتين R1 وR2 وكذلك قيمة كل من جهود التغذية. ويستخدم المكثفان C1 وC2 في كل من التشكيلات الثلاث لتمرير إشارتي الدخل والخرج من دون تمرير التيارات المستمرة.                       

تختلف التشكيلات الثلاث بخصائص تضخيم جهد الإشارة وتيارها. وتقوم تشكيلة CB بتضخيم الجهد ولا تضخم التيار، وتضخم تشكيلة CC التيار ولا تضخم الجهد، في حين تضخم تشكيلة CE كلاً من الجهد والتيار. ومن ثم فإن تشكيلة CE تنتج أكبر تضخيم لاستطاعة الإشارة؛ ولذا فإنها الأكثر استخداماً.

الشكل (2) تغير جهدي القاعدة والمجمع في تشكيلة CE مع الزمن

يبين (الشكل 2) تغير جهد القاعدة VB وجهد المجمع VC مع الزمن t في تشكيلة CE المبينة في (الشكل 1- ب)، لحالة تضخم إشارة جيبية نرمز لدورها بـ T. ويُنظر إلى VB في (الشكل 2) كمجموع مركبة الجهد المستمر VB ومركبة الجهد المتناوب Vb التي هي نفسها إشارة الدخل. وبالمثل ينظر إلى VC كمجموع المركبة المستمرة VC والمركبة المتناوبة VC التي تؤخذ كإشارة خرج (عن طريق C2 في الشكل 1- ب). ونرمز في (الشكل 2) بـ Vb وVc لقيمتي كل من Vb وVc من القمة للقمة peak-to-peak. وتكون Vc=-AVb، حيث A نسبة التضخم amplification المسماة الربح أو الكسب gain. وتدل علامة (-) على أن تشكيلة CE تعكس القطبية أو الطور phase (بخلاف تشكيلتي CD وCC).

الشكل (3) أصناف تشغيل المضخم

يمكن تشغيل الترانزستور كمضخم وفق أحد أربعة أصناف classes وفق شكل إشارة تيار المجمع خلال فترة الدور T، كما موضح بالشكل (3). وفي حالة الصنف A يمر تيار المجمع خلال فترة الدور بكاملها، في حين يمر فقط خلال نصف فترة الدور في حالة الصنف B، وخلال أقل من نصف الدور في حالة الصنف C. وفي حالة الصنف AB ينقطع تيار المجمع خلال فترة تقل عن نصف الدور.

يبين الشكل (4) دارة مبسطة لمضخم دفع وجذب push-pull amplifier تضم ترانزيستورين، الترانزستور العلوي TR1 من نوع n-p-n والسفلي TR2 من نوع p-n-p. ويفترض أن الترانزستورين يعملان وفق الصنف B وموصلان وفق تشكيلة المجمع المشترك التي يكون مدخلها هو القاعدة ومخرجها هو الباعث، على غرار الدارة المبينة سابقاً في الشكل (1-ج). ويعطي TR1 في الشكل (4) النوبة الموجبة لإشارة الخرج، في حين يعطي TR2 النوبة السالبة. وينتج من «الالتحام» غير الجيد للنوبتين ـ كما هو مبين في الشكل (4) ـ تشويه خاص يسمى التشويه التقاطعي crossover distortion. ويمكن إنقاص هذا التشويه بتشغيل الترانزستورين وفق الصنف AB.

يستخدم الصنفان B وAB للحصول على مردود efficiency أعلى من مردود الصنف A. ويقصد بالمردود هنا نسبة استطاعة إشارة الخرج إلى الاستطاعة المستهلكة من مصدر التغذية. ويقارب أقصى مردود ممكن للصنف A نحو50%، في حين يقارب مردود الصنف B نحو 78%. ويستخدم الصنف C للحصول على مردود أعلى من80% في بعض المضخمات المولفة tuned amplifiers (أي المضخمات ذات دارات الرنين أو الدارات المولفة tuned circuits).

الشكل (4) ذارة مبسطة لمضخم دفع وجذب

يمكن تصميم المضخمات باستخدام ترانزستور تأثير الحقلtransistor  field-effect ، أو باختصار FET، بدلاً من الترانزستور العادي (ترانزستور الوصلة ثنائي القطبية Bipolar Junction Transistor أو باختصار BJT)، وذلك مع مراعاة خصوصيات FET.

يتم الحصول على الربح الذي نحتاج إليه في معظم التطبيقات لرفع مستوى إشارة معينة إلى المستوى المرغوب بوصل عدة مراحل تضخيم على التعاقب in cascade، بحيث يوصل مخرج كل مرحلة تضخيم amplification stage إلى مدخل المرحلة التالية. وتستخدم عدة طرق ربط بين مخرج كل مرحلة ومدخل المرحلة التالية في المضخمات متعددة المراحل، كالربط بمقاومات ومكثفات أو الربط بمحولات أو الربط المباشر.

تنتج كدارات متكاملة أنواع كثيرة من المضخمات، ومن أهمها مضخمات العمليات[ر] ويتألف كل مضخم عمليات من مراحل تضخيم متعاقبة ومترابطة، بحيث تمثل بكاملها مضخماً ذا قيمة عالية جداً لكسب الجهد (من مرتبة 10000) وقيمة عالية جداً لمقاومة الدخل وقيمة منخفضة جداً لمقاومة الخرج. ويبين (الشكل 5- أ) التمثيل الرمزي لمضخم العمليات. ويرمز V+n للدخل غير العاكس، أي الدخل الذي يتم تضخيمه من دون انعكاس بالقطبية. وبالمقابل، يرمز V-n للدخل العاكس. ويرمز  Vout لجهد الخرج. ويحتاج مضخم العمليات إلى جهد تغذية موجب (مثلاً n+10V) وجهد تغذية سالب (مثلاً n-10V). ويستخدم مضخم العمليات كمضخم غير عاكس بالدارة المبينة في (الشكل 5- ب)، كما يستخدم مضخماً عاكساً بالدارة المبينة في (الشكل 5- جـ). ونختار قيمتي المقاومتين R1 وR2 للحصول على القيمة التي نريدها للكسب، حيث يكون الكسب (أي نسبة الخرج Vout إلى الدخل Vin) في حالة المضخم غير العاكس A=1+(R2/ R1)n، ويكون في حالة المضخم العاكس (بالقيمة المطلقة): A= R2/ R1.

الشكل (5)

أ- التمثيل الرمزي لمضخم العمليات، ب- دارة مضخم غير عاكس، ج - دارة مضخم عاكس

تصنف المضخمات حسب مجالاتها الترددية إلى عدة أصناف:

ـ المضخمات السمعية audio amplifiers: وهي التي تضخم الترددات الصوتية ضمن المجال المسموع بين 20 هرتز و20 كيلوهرتز.

ـ المضخمات الفيديوية video amplifiers: وهي المستخدمة لتضخيم إشارات ذات مجال ترددي واسع بين n0Hz وعدة ميغاهرتز، كالإشارات الفيديوية أو «المرئية» في التلفاز[ر].

ـ مضخمات التردد الراديوي RF amplifiers: وهي التي تضخم الإشارات التي يمكن أن ترسل أو تستقبل لاسلكياً بين عشرات الكيلوهرتز وآلاف الميغاهرتز.

تطبيقات المضخمات

تستخدم المضخمات في تطبيقات كثيرة جداً تشمل التجهيزات الصوتية وتجهيزات الاتصالات الهاتفية البعيدة المدى، والتجهيزات الإذاعية والتلفزيونية، وأجهزة الرادار والتحكم الإلكتروني وتجهيزات أخرى لا حصر لها.

عصام عبود

 

 الموضوعات ذات الصلة:

 

الإلكترونيات ـ أنصاف النواقل ـ التلفزة والتلفاز ـ الصمام الإلكتروني ـ المذياع ـ مضخم الترددات الصوتية.

 

 مراجع للاستزادة:

 

ـ نديم شاهين، عبد الرزاق بدوية، أسس الهندسة الإلكترونية (جامعة دمشق، 2004).

- MILLMAN and A.GRABEL, Microelectronics, 2nd Ed., (McGraw- Hil 1987).


التصنيف : التقنيات (التكنولوجية)
النوع : تقانة
المجلد: المجلد الثامن عشر
رقم الصفحة ضمن المجلد : 835
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 31
الكل : 12037758
اليوم : 3946

الإشارة في القوات المسلحة

الإشارة في القوات المسلحة   قوات الإشارة signals صنف خاص أساسي من صنوف القوات المسلحة، يعنى بالاتصالات وتنظيمها لتبادل إرسال الأوامر والتعليمات والإيعازات والتقارير والإشارات، واستقبالها بمختلف السبل والوسائل من أجل قيادة القوات والسيطرة عليها في السلم والحرب. وللإشارة أو الاتصالات communication دور مهم في مختلف أنواع الأعمال القتالية والعمليات الحربية. وقد تطورت وسائلها وأساليبها مع مرور الزمن لتساير تطور نظام قيادة القوات وأعمال مختلف أنواع القوات المسلحة وصنوفها وأساليب الإعداد للحرب وخوضها.
المزيد »