Amplifikatörler Yükselteç Devreleri

 Amplifikatör, girişine uygulanan sinyalin büyüklüğünü artırmak için kullanılan elektronik bir cihaz veya devredir.

Amplifikatör, giriş sinyalinin sürümünü üreten ve artıran bir devreyi tanımlamak için kullanılan genel terimdir. Ancak, tüm amplifikatör devreleri, devre konfigürasyonlarına ve çalışma modlarına göre sınıflandırıldıklarıyla aynı değildir.

“Elektronik” de, küçük sinyal kuvvetlendiricileri yaygın olarak kullanılan cihazlardır. Örneğin bir foto-cihaz gibi bir sensörden nispeten küçük bir giriş sinyalini, örneğin bir röle, lamba veya hoparlörü çalıştırmak için çok daha büyük bir çıkış sinyaline yükseltme kabiliyetine sahiptirler.

İşlemsel Yükselteçler ve Küçük Sinyal Kuvvetlendiricilerinden Büyük Sinyal ve Güç Yükselteçlerine kadar, amplifikatör olarak sınıflandırılan birçok elektronik devre biçimi vardır. Bir amplifikatörün sınıflandırılması, sinyalin büyük veya küçük boyutuna, fiziksel konfigürasyonuna ve giriş sinyalini nasıl işlediğine, yani giriş sinyali ile yükte akan akım arasındaki ilişkiye bağlıdır.

Bir Amplifikatörün tipi veya sınıflandırması aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Sinyal Yükseltici Sınıflandırması

Sinyal Türü	Konfigürasyon Türü	Sınıflandırma	Çalışma Sıklığı
Küçük Sinyal	Ortak Emiter	A Sınıfı Amplifikatör	Doğru Akım (DC)
Büyük Sinyal	Ortak Beyz	B Sınıfı Amplifikatör	Ses Frekansları (AF)
	Ortak Kollektör	AB Sınıfı Amplifikatör	Radyo Frekansları (RF)
		C Sınıfı Amplifikatör	VHF, UHF ve SHF Frekansları

Amplifikatörler, iki giriş terminaline ve iki çıkış terminaline (toprak ortaktır) sahip olan Bipolar Transistör, Alan Etkili Transistör veya İşlemsel Amplifikatör gibi amplifikatör cihazını içeren basit bir kutu veya blok olarak düşünülebilir ve çıkış sinyali çok daha büyüktür. "Yükseltilmiş" olduğu için giriş sinyalininkinden daha fazladır.

İdeal bir sinyal amplifikatörünün üç ana özelliği olacaktır:  

1- Giriş Direnci veya (RGİRİŞ)

2- Çıkış Direnci veya (RÇIKIŞ) 

3- Kazanç veya ( K ) olarak bilinen yükseltme. 

Bir amplifikatör devresi ne kadar karmaşık olursa olsun, bu üç özelliğin ilişkisini göstermek için genel bir amplifikatör modeli hala kullanılabilir.

Giriş ve çıkış sinyalleri arasındaki güçlendirilmiş fark, amplifikatörün kazancı olarak bilinir. Kazanç, temelde, bir amplifikatörün giriş sinyalini ne kadar “güçlendirdiğinin” bir ölçüsüdür. Örneğin, 1 voltluk bir giriş sinyalimiz ve 50 voltluk bir çıkışımız varsa, amplifikatörün kazancı "50" olacaktır. Diğer bir deyişle, giriş sinyali 50 kat artırılmıştır. Bu artışa Kazanç denir .

Amplifikatör kazancı, basitçe çıkışın girişe bölünmesiyle elde edilen orandır. Kazanç, oran olarak birim içermez, ancak Elektronikte, Amplifikasyon için genellikle "A" (biz K diyoruz) sembolü verilir. Daha sonra bir amplifikatörün kazancı, basitçe "çıkış sinyalinin giriş sinyaline bölünmesi" olarak hesaplanır.

Amplifikatörün Kazancı

Amplifikatör kazancına girişin, çıkışta ölçülen sinyal ile girişte ölçülen sinyal arasında var olan ilişki olduğu söylenebilir. Ölçülebilen üç farklı amplifikatör kazancı vardır ve bunlar: Ölçülen miktara bağlı olarak Gerilim Kazancı (Kv), Akım Kazancı (Ki) ve Güç Kazanımı (Kp) bu farklı kazanç türlerinin örnekleri aşağıda verilmiştir.

Giriş Sinyalinin Amplifikatör Kazancı

Amplifikatörün Gerilim Kazancı

Gerilim Kazancı (Kv) = Çıkış Gerilimi / Giriş Gerilimi = Vçışık / Vgiriş 

Amplifikatörün Akım Kazancı

Akım Kazancı (Ki) = Çıkış Akımı / Giriş Akımı = Içışık / Igiriş 

Amplifikatörün Güç Kazancı

Güç Kazancı (Kp) = Kv x Ki

Güç Kazanımı için, çıkışta elde edilen gücü girişte elde edilen güçle de bölebileceğinizi unutmayın. Ayrıca bir amplifikatörün kazancı hesaplanırken, kullanılan sinyal kazancı tipini belirtmek için v, i ve p alt simgeleri kullanılır.

Amplifikatörün güç kazancı (Ap) veya güç seviyesi, Desibel (dB) cinsinden de ifade edilebilir. Bel (B), birimi olmayan bir logaritmik ölçü birimidir (10 tabanı). Bel çok büyük bir ölçü birimi olduğundan, bir desibel bir Bel'in onda biri (1/10) olmak üzere desi bel'in önüne eklenmiştir. Amplifikatörün kazancını Desibel veya dB cinsinden hesaplamak için aşağıdaki ifadeleri kullanabiliriz.

DB cinsinden Gerilim Kazancı: av = 20 * log (Av)

DB cinsinden Akım Kazancı: ai = 20 * log (Ai)

DB cinsinden Güç Kazanımı: ap = 10 * log (Ap)

Bir amplifikatörün DC güç kazancının, çıkış / giriş ortak çıktısının oranının on katına eşit olduğuna dikkat edin; burada voltaj ve akım kazançları, ortak çıktısının oranın 20 katıdır. Bununla birlikte, 20dB'nin, çıktı ölçeği nedeniyle 10dB'nin iki katı güç olmadığını unutmayın.

Amplifikatör Örnek No1:

10mV'de 1mA giriş sinyaline ve 1V'de 10mA'lık karşılık gelen çıkış sinyaline sahip bir amplifikatörün Gerilim, Akım ve Güç Kazancını belirleyin. Ayrıca, üç kazancı da desibel (dB) cinsinden ifade edin.

Çeşitli Amplifikatör Kazançları:

       K_p = K_V x K_İ = 100 X 10 = 1.000

Desibel cinsinden verilen Amplifikatör Kazançları (dB):

      k_v = 20 logK_v = 20 x log100 = 40 dB

      k_i = 20 logK_i = 20 x log10 = 20 dB

      k_p = 10 logK_p = 20 x log1000 = 30 dB

Daha sonra amplifikatörün Voltaj Kazancı, (Av) 100, Akım Kazancı (Ai) 10 ve Güç Kazanımı (Ap) 1000'dir.

Genel olarak, amplifikatörler güç veya voltaj kazançlarına bağlı olarak iki farklı türe ayrılabilir. Ön amplifikatörleri, enstrümantasyon amplifikatörlerini vb. içeren Küçük Sinyal Amplifikatörü türlerinden biri, sensörlerden veya ses sinyallerinden yalnızca birkaç mikro voltluk (μV) çok küçük sinyal voltaj seviyelerini yükseltmek için tasarlanmıştır.

Diğer tip, ses güç amplifikatörleri veya güç anahtarlama amplifikatörleri gibi Büyük Sinyal Yükselteçleri olarak adlandırılır. Büyük sinyal amplifikatörleri, büyük giriş voltaj sinyallerini yükseltmek veya yüksek yük akımlarını, sürüş hoparlörlerinde olduğu gibi değiştirmek için tasarlanmıştır.

Güç Amplifikatörleri

Küçük Sinyal Amplifikatörü, genellikle küçük bir giriş voltajını çok daha büyük bir çıkış voltajına dönüştürdüğü için genellikle "Voltaj" amplifikatörü olarak adlandırılır. Bazen bir motoru sürmek veya bir hoparlörü beslemek için bir amplifikatör devresi gerekir ve yüksek anahtarlama akımlarının gerekli olduğu bu tür uygulamalar için Güç Amplifikatörleri gereklidir.

Adından da anlaşılacağı gibi, bir "Güç Amplifikatörünün" (aynı zamanda büyük bir sinyal amplifikatörü olarak da bilinir) ana görevi, yüke güç sağlamaktır ve yukarıdan bildiğimiz gibi, yüke uygulanan gerilim ve akımın ürünüdür. Çıkış sinyal gücünün giriş sinyal gücünden daha büyük olduğu yük. Başka bir deyişle, bir güç amplifikatörü, giriş sinyalinin gücünü yükseltir, bu nedenle bu tür amplifikatör devreleri, hoparlörleri çalıştırmak için ses amplifikatörü çıkış aşamalarında kullanılır.

Güç amplifikatörü, güç kaynağından çekilen DC gücünü yüke iletilen bir AC voltaj sinyaline dönüştürmenin temel prensibi üzerinde çalışır. Amplifikasyon yüksek olmasına rağmen, DC güç kaynağı girişinden AC voltaj sinyal çıkışına dönüşümün verimliliği genellikle zayıftır.

Mükemmel veya ideal amplifikatör bize %100'lük bir verimlilik derecesi verir veya en azından "GİRİŞ" gücü "ÇIKIŞ" gücüne eşit olur. Bununla birlikte, gerçekte, gücün bir kısmı ısı biçiminde kaybedildiğinden ve ayrıca amplifikatörün kendisi amplifikasyon işlemi sırasında güç tükettiğinden bu asla gerçekleşemez. Daha sonra bir amplifikatörün verimliliği şu şekilde verilir:

Amplifikatör Verimliliği

İdeal Amplifikatör

Yukarıdaki tartışmamızdan ideal bir amplifikatörün özelliklerini, bunun Kazancı ile ilgili olarak belirlediğimizi, yani voltaj kazancını belirleyebiliriz:

• Amplifikatörlerin kazancı, (K) giriş sinyalinin değişen değerleri için sabit kalmalıdır.
• Kazanç, frekanstan etkilenmez. Tüm frekansların sinyalleri tam olarak aynı miktarda güçlendirilmelidir.
• Amplifikatör kazancı, çıkış sinyaline gürültü eklememelidir. Giriş sinyalinde zaten var olan her türlü gürültüyü gidermelidir.
• Amplifikatörlerin kazancı, iyi bir sıcaklık kararlılığı sağlayan sıcaklıktaki değişikliklerden etkilenmemelidir.
• Amplifikatörün kazancı uzun süreler boyunca sabit kalmalıdır.

Elektronik Amplifikatör Sınıfları

Bir amplifikatörün voltaj veya güç amplifikatörü olarak sınıflandırılması, akımın çıkış devresinde aktığı giriş sinyaline göre zaman miktarı ölçülerek giriş ve çıkış sinyallerinin özelliklerinin karşılaştırılmasıyla yapılır.

Ortak emiterli devrelerde, transistörün kendi "Aktif Bölgesi" içinde çalışması için bir tür "Beyz (Bias) Öngerilim" gerektiğini gördük. Giriş sinyaline eklenen bu küçük Beyz Bias voltajı, transistörün çıkışında sinyal kaybı olmadan tam giriş dalga formunu yeniden üretmesine izin verir.

Bununla birlikte, bu Beyz öngerilim voltajının konumunu değiştirerek, bir amplifikatörü tam dalga formu çoğaltması için olandan farklı bir amplifikasyon modunda çalıştırmak mümkündür. Bir Baz öngerilim voltajının yükselticisine giriş ile, sınıflandırmalarına göre kategorize edilen farklı çalışma aralıkları ve çalışma modları elde edilebilir. Bu çeşitli çalışma modları daha çok Amplifikatör Sınıfı olarak bilinir.

Ses güç amplifikatörleri, devre konfigürasyonlarına ve çalışma şekline göre alfabetik olarak sınıflandırılır. Amplifikatörler, "A" sınıfı, "B" sınıfı, "C" sınıfı, "AB" sınıfı vb. gibi farklı çalışma sınıfları tarafından belirlenir. Bu farklı amplifikatör sınıfları, neredeyse doğrusal bir çıkıştan, ancak düşük verimliliğe sahip, doğrusal olmayan ancak yüksek verimli bir çıkışa kadar değişir.

Yükseltme devresinin kullanılmasıyla belirlenen işlem türü ile hiçbir çalışma sınıfı diğer sınıflardan "daha iyi" veya "daha kötü" değildir. Çeşitli amplifikatör türleri veya sınıfları için tipik maksimum dönüşüm verimliliği vardır ve en yaygın kullanılanlar şunlardır:

• A Sınıfı Amplifikatör - %40'ın altında düşük verimliliğe sahiptir, ancak iyi sinyal üretimi ve doğrusallığı vardır.
• B Sınıfı Amplifikatör - yaklaşık %70'lik maksimum teorik verime sahip A sınıfı amplifikatörlerden iki kat daha verimlidir, çünkü amplifikatör cihazı giriş sinyalinin yalnızca yarısı kadarını iletir (ve gücü kullanır).
• AB Sınıfı Amplifikatör - Sınıf A ve Sınıf B arasında bir verimlilik derecesine sahiptir, ancak Sınıf A amplifikatörlerden daha zayıf sinyal üretimine sahiptir.
• C Sınıfı Amplifikatör - en verimli amplifikatör sınıfıdır, ancak giriş sinyalinin yalnızca küçük bir kısmı güçlendirildiği için bozulma çok yüksektir, bu nedenle çıkış sinyali giriş sinyaline çok az benzerlik gösterir. Sınıf C amplifikatörleri en kötü sinyal üretimine sahiptir.

A Sınıfı Amplifikatör Çalışması

A Sınıfı Amplifikatör çalışması, transistörün aktif bölgesi içinde mükemmel bir şekilde önyargılı olduğu için tüm giriş sinyali dalga formunun amplifikatör çıkış terminalinde aslına sadık bir şekilde yeniden üretildiği yerdir. Bu, anahtarlama transistörünün asla kesme veya doygunluk bölgelerine sürülmediği anlamına gelir. Sonuç, AC giriş sinyalinin aşağıda gösterildiği gibi amplifikatörlerin üst ve alt sinyal limitleri arasında mükemmel bir şekilde "ortalanmasıdır".

A Sınıfı Amplifikatör Çıkış Dalga Formu

Bir Sınıf-A amplifikatör konfigürasyonu, çıkış dalga formunun her iki yarısı için aynı anahtarlama transistörünü kullanır ve merkezi öngerilim düzenlemesi nedeniyle, çıkış transistörü her zaman, içinden geçen sabit bir DC polarlama akımına (ICQ) sahiptir, giriş olmasa bile sinyal mevcuttur. Başka bir deyişle, çıkış transistörleri asla "KAPALI" olmaz ve kalıcı bir boşta durumundadır.

Bu, DC besleme gücünün yüke iletilen AC sinyal gücüne dönüşümü genellikle çok düşük olduğundan Sınıf-A tipi işlemin bir şekilde verimsiz olmasına neden olur.

Bu merkezlenmiş önyargı noktası nedeniyle, bir Sınıf-A amplifikatörün çıkış transistörü, herhangi bir giriş sinyali olmadığında bile çok ısınabilir, bu nedenle bir tür ısı düşürme gereklidir. Transistörün (ICQ) kollektöründen akan DC polarlama akımı, kolektör yükünden geçen akıma eşittir. Bu nedenle, bu DC gücünün çoğu ısıya dönüştürüldüğü için A Sınıfı bir amplifikatör çok verimsizdir.

B Sınıfı Amplifikatör Çalışması

Çıkış güç kademesi için tek bir transistör kullanan yukarıdaki A Sınıfı amplifikatör çalışma modunun aksine, B Sınıfı Amplifikatör, çıkış dalga biçiminin her bir yarısını güçlendirmek için iki tamamlayıcı transistör kullanır. (bir NPN ve bir PNP veya bir NMOS ve bir PMOS)

Bir transistör, sinyal dalga formunun yalnızca yarısı için iletken olurken, diğeri sinyal dalga formunun diğer kısmı veya zıt yarısını iletir. Bu, her bir transistörün zamanının yarısını aktif bölgede ve zamanının yarısını kesme bölgesinde geçirdiği ve böylece giriş sinyalinin yalnızca %50'sini yükselttiği anlamına gelir.

B Sınıfı işlem, A sınıfı amplifikatörden farklı olarak doğrudan DC ön gerilimine sahip değildir, ancak bunun yerine, transistör yalnızca giriş sinyali beyz emiter voltajından (VBE) daha büyük olduğunda ve silikon transistörler için bu yaklaşık 0,7v'dir. Bu nedenle sıfır giriş sinyali için sıfır çıkış vardır. Amplifikatör çıkışında giriş sinyalinin yalnızca yarısı sunulduğundan, bu, aşağıda gösterildiği gibi önceki A Sınıfı konfigürasyona göre amplifikatör verimliliğini artırır.

B Sınıfı Amplifikatör Çıkış Dalga Biçimi

B Sınıfı bir amplifikatörde, transistörleri önyargılı yapmak için DC voltajı kullanılmaz, bu nedenle çıkış transistörlerinin, hem pozitif hem de negatif dalga formunun her bir yarısını gerçekleştirmeye başlaması için, temel yayıcı voltajı VBE'nin daha büyük olması gerekir. Standart bir bipolar transistörün iletkenliğe başlaması için 0.7v ileri voltaj düşüşü gereklidir.

Bu nedenle, bu 0.7v pencerenin altındaki çıkış dalga biçiminin alt kısmı doğru bir şekilde yeniden üretilmeyecektir. Bu, bir transistör "KAPALI" olduğunda, VBE > 0,7V olduğunda diğerinin "AÇIK" duruma dönmesini beklerken, çıkış dalga formunun bozuk bir alanına neden olur. Sonuç, sıfır voltaj geçiş noktasında bozulacak olan çıkış dalga formunun küçük bir kısmının olmasıdır. Bu tür distorsiyona Geçiş Bozulması adı verilir.

AB Sınıfı Amplifikatör Çalışması

AB Sınıfı Amplifikatör, yukarıdaki Sınıf-A ve Sınıf-B konfigürasyonları arasında bir uzlaşmadır. Sınıf-AB işlemi, çıkış aşamasında hala iki tamamlayıcı transistör kullanırken, hiçbir giriş sinyali olmadığında, onları kesme bölgelerine yakın bir şekilde yanlamak için her bir transistörün Beyzine çok küçük bir ön gerilim uygulanır.

Bir giriş sinyali, transistörün aktif bölgesinde normal şekilde çalışmasına neden olarak, B sınıfı konfigürasyonda her zaman mevcut olan herhangi bir geçiş bozulmasını ortadan kaldıracaktır. Küçük bir öngerilim Kollektör akımı (ICQ), herhangi bir giriş sinyali olmadığında transistörden akacaktır, ancak genellikle Sınıf-A amplifikatör konfigürasyonundan çok daha azdır.

Bu nedenle, her bir transistör, giriş dalga biçiminin yarısından biraz daha fazlası için "AÇIK" iletmektedir. Sınıf-AB amplifikatör konfigürasyonunun küçük önyargısı, yukarıdaki saf A Sınıfı konfigürasyonuna kıyasla amplifikatör devresinin hem verimliliğini hem de doğrusallığını artırır.

Sınıf AB Amplifikatör Çıkış Dalga Biçimi

Amplifikatör devrelerini tasarlarken, bir amplifikatörün çalışma sınıfı, çalışması için gereken transistör önyargı miktarını ve ayrıca giriş sinyalinin maksimum genliğini belirlediği için çok önemlidir.

Amplifikatör sınıflandırması, giriş sinyalinin çıkış transistörünün ilettiği kısmını hesaba katmanın yanı sıra, anahtarlama transistörünün hem tükettiği hem de boşa harcanan ısı şeklinde harcadığı güç miktarını ve verimliliğini belirler. Burada, aşağıdaki tablodaki en yaygın amplifikatör sınıflandırma türleri arasında bir karşılaştırma yapabiliriz.

Güç Amplifikatörü Sınıfları

Sınıf	A	B	C	AB
İletim Açısı	360o	180o	90o Az	180 ile 360o
Q- Noktası  Pozisyonu	Yük Çizgisinin Merkez Noktası	Tam olarak X ekseninde	X eksenin Altında	X ekseni ve Merkezi Yük Hattının Arasında
Genel Verimlilik	% 25 ila 30 Kötü	% 70 ila 80 daha iyi	% 80 Daha yüksek	A'dan daha iyi ancak B'den  % 50 ila 70 daha az
Sinyal Bozulması	Doğru Taraflıysa Yok	X ekseni Geçiş Noktasında	Büyük miktarlarda	Küçük miktarlarda

Kötü tasarlanmış amplifikatörler, özellikle "A" Sınıfı türleri daha büyük güç transistörleri, daha pahalı ısı alıcıları, soğutma fanları ve hatta amplifikatörün ihtiyaç duyduğu fazladan boşa harcanan gücü sağlamak için gereken güç kaynağı boyutunda bir artış gerektirebilir. Transistörlerden, dirençlerden veya diğer herhangi bir bileşenden ısıya dönüştürülen güç, herhangi bir elektronik devreyi verimsiz hale getirir ve cihazın erken arızalanmasına neden olur.

Öyleyse, verimliliği %70'in üzerinde daha yüksek bir verimlilik oranına sahip bir Sınıf B amplifikatöre kıyasla %40'tan azsa neden bir Sınıf A amplifikatör kullanılsın? Temel olarak, bir Sınıf A amplifikatör çok daha doğrusal bir çıktı verir, yani büyük miktarda DC gücü tüketse bile, daha büyük bir frekans yanıtı üzerinden Doğrusallığa sahiptir.

Bu yazımızda, her birinin kendine özgü avantajları ve dezavantajları olan farklı tipte amplifikatör devresi olduğunu gördük. Amplifikatörlerle ilgili bir sonraki eğitimde, en yaygın bağlanan transistör amplifikatör devresi türüne, ortak emiter amplifikatörüne bakacağız. Çoğu transistör amplifikatörü, voltaj, akım ve güçteki büyük kazançlarının yanı sıra mükemmel giriş/çıkış özelliklerinden dolayı Ortak Emiter veya CE tipi devredir.