مضخم خطي

المضخم الخطي هو دائرة إلكترونية يكون خرجها متناسبًا مع دخلها، ولكنه قادر على توصيل طاقة أكبر إلى الحمل . يشير المصطلح عادةً إلى نوع من مضخمات طاقة الترددات الراديوية ، والتي تُقاس قدرة خرج بعضها بالكيلوواط ، وتُستخدم في أجهزة الراديو للهواة . تُستخدم أنواع أخرى من المضخمات الخطية في أجهزة الصوت والمعدات المختبرية . تشير الخطية إلى قدرة المضخم على إنتاج إشارات مطابقة تمامًا للإشارات المدخلة. يستجيب المضخم الخطي لمكونات التردد المختلفة بشكل مستقل، ولا يميل إلى توليد تشويه توافقي أو تشويه بيني . مع ذلك، لا يمكن لأي مضخم أن يوفر خطية مثالية، لأن أجهزة التضخيم - الترانزستورات أو الصمامات المفرغة - تتبع دالة نقل غير خطية وتعتمد على تقنيات الدوائر لتقليل هذه التأثيرات. هناك العديد من فئات المضخمات التي توفر خيارات متنوعة بين تكلفة التنفيذ والكفاءة ودقة الإشارة.

تشير الخطية إلى قدرة المضخم على إنتاج إشارات مطابقة تمامًا للإشارات المدخلة، وعادةً ما يكون ذلك عند مستويات طاقة أعلى. ويمكن أن تؤثر مقاومة الحمل، وجهد التغذية، وتيار قاعدة الإدخال، وقدرات خرج الطاقة على كفاءة المضخم. ^{[ 1 ]}

يمكن تصميم مضخمات الفئة A لتتمتع بخطية جيدة في كلٍ من تصميمات أحادية الطرف وتصميمات الدفع والسحب . أما مضخمات الفئات AB1 وAB2 وB، فتكون خطية فقط عند استخدام دائرة رنانة، أو في تصميم الدفع والسحب ، حيث يُستخدم عنصران فعالان (صمامات، ترانزستورات) لتضخيم الأجزاء الموجبة والسالبة من دورة التردد اللاسلكي على التوالي. بينما لا تتمتع مضخمات الفئة C بخطية في أي تصميم.

توجد عدة فئات من المضخمات توفر خيارات متنوعة بين تكلفة التنفيذ والكفاءة ودقة الإشارة. وفيما يلي ملخص لاستخداماتها في تطبيقات الترددات الراديوية:

• تتميز مضخمات الفئة أ بكفاءة منخفضة للغاية، إذ لا تتجاوز كفاءتها 50%. ويعمل أشباه الموصلات أو الصمامات المفرغة على توصيل التيار طوال دورة الترددات الراديوية. ويجب ضبط متوسط ​​تيار المصعد للصمام المفرغ عند منتصف الجزء الخطي من منحنى العلاقة بين تيار المصعد وجهد انحياز الشبكة.
• يمكن أن تصل كفاءة مضخمات الفئة B إلى 60-65%. يعمل أشباه الموصلات أو الصمامات المفرغة خلال نصف الدورة، لكنها تتطلب طاقة تشغيل كبيرة.
• الفئة AB1 هي حيث تكون الشبكة أكثر تحيزًا سلبيًا مما هي عليه في الفئة A.
• في الفئة AB2 ، يكون انحياز الشبكة سالباً في الغالب أكثر منه في الفئة AB1، كما يكون حجم إشارة الدخل أكبر في الغالب. وعندما يتمكن المحرك من جعل الشبكة موجبة، سيزداد تيار الشبكة.
• تتميز مضخمات الفئة C بكفاءة تصل إلى 75% ونطاق توصيل يبلغ حوالي 120 درجة، إلا أنها غير خطية للغاية . ولا يمكن استخدامها إلا مع أنماط غير AM، مثل FM وCW وRTTY. يمر التيار الكهربائي في أشباه الموصلات أو الصمامات المفرغة خلال أقل من نصف دورة التردد اللاسلكي. تتيح زيادة الكفاءة للصمام المفرغ توليد طاقة تردد لاسلكي أكبر مما يمكن توليده في الفئتين A أو AB. على سبيل المثال، يمكن لصمامين رباعيي الأقطاب 4CX250B يعملان بتردد 144ميجاهرتز توليد 400 واط في الفئة A، ولكن عند تحيزهما في الفئة C، يمكنهما توليد 1000 واط دون الخوف من ارتفاع درجة الحرارة. وسيتطلب ذلك تيارًا شبكيًا أكبر. 
• تستخدم مضخمات الصوت من الفئة D تقنية التبديل لتحقيق كفاءة عالية، تتجاوز في كثير من الأحيان 90%، مما يقلل من استهلاك الطاقة اللازمة للتشغيل مقارنةً بأنواع المضخمات الأخرى. ونظرًا لاستخدامها نظامًا رقميًا لتشغيل المضخم، لا يعتبر الكثيرون مضخمات الفئة D مضخمات خطية، مع ذلك، فقد دمج العديد من مصنعي أجهزة الصوت والراديو تصميمها في تطبيقات خطية.

على الرغم من أن مضخمات الطاقة من الفئة A تتميز بأفضل خطية، إلا أن كفاءتها منخفضة نسبيًا مقارنةً بفئات التضخيم الأخرى مثل مضخمات AB وC ومضخمات دوهرتي . مع ذلك، تؤدي الكفاءة العالية إلى زيادة اللاخطية، مما يتسبب في تشوه خرج مضخم الطاقة، غالبًا إلى درجة لا تفي بمتطلبات أداء النظام. لذلك، تُستخدم مضخمات الطاقة من الفئة AB أو أنواع أخرى مع بعض أشكال التخطيط الخطي المناسبة، مثل التغذية الراجعة أو التغذية الأمامية أو التشوه المسبق التناظري أو الرقمي (DPD). في أنظمة مضخمات الطاقة بتقنية DPD، تُنمذج خصائص نقل المضخم عن طريق أخذ عينات من خرج مضخم الطاقة، وتُحسب الخصائص العكسية في معالج الإشارات الرقمية (DSP). تُضرب إشارة النطاق الأساسي الرقمية في معكوس خصائص النقل اللاخطية لمضخم الطاقة، ثم تُحوّل إلى ترددات الراديو وتُطبق على مدخل مضخم الطاقة. من خلال تصميم دقيق لاستجابة مضخم الطاقة، تستطيع محركات DPD تصحيح تشوه خرج مضخم الطاقة وتحقيق كفاءات أعلى.

مع التقدم في تقنيات معالجة الإشارات الرقمية، أصبح التشوه المسبق الرقمي (DPD) شائع الاستخدام في الأنظمة الفرعية لمضخمات طاقة الترددات الراديوية . ولضمان عمل تقنية DPD بكفاءة، يجب أن تكون خصائص مضخم الطاقة مثالية، وتتوفر تقنيات الدوائر لتحسين أداء مضخم الطاقة. ^{[ 2 ]}

لا تزال بعض مضخمات الطاقة الخطية التجارية التي تتراوح قدرتها بين كيلوواط واحد واثنين كيلوواط، والمستخدمة في هواية الراديو، تعتمد على الصمامات المفرغة ، ويمكنها توفير تضخيم طاقة الترددات اللاسلكية بمقدار 10 إلى 20 ضعفًا (10 إلى 13  ديسيبل). على سبيل المثال، سيتم تضخيم إشارة جهاز إرسال يعمل بقدرة 100 واط إلى 2000 واط (2  كيلوواط) عند إخراجها إلى الهوائي. أما مضخمات الطاقة الخطية ذات الحالة الصلبة فهي أكثر شيوعًا في نطاق 1000 واط، ويمكن تشغيلها بقدرة 5 واط فقط. ^{[ 3 ]} وتتيح أجهزة الطاقة الحديثة التي تستخدم تقنية LDMOS مضخمات طاقة خطية للترددات اللاسلكية أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة لهواة الراديو. ^{[ 4 ]}

تعتمد مضخمات الإشارة الخطية الكبيرة ذات الصمامات المفرغة عمومًا على صمام مفرغ واحد أو أكثر، يتم تزويدها بمصدر طاقة عالي الجهد، لتحويل كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية إلى طاقة ترددات راديوية. وتحتاج هذه المضخمات إلى العمل بنظام تحيز من الفئة A أو AB ، مما يجعلها منخفضة الكفاءة نسبيًا. في حين أن الفئة C تتمتع بكفاءة أعلى بكثير، إلا أن مضخمات الفئة C غير خطية، وهي مناسبة فقط لتضخيم الإشارات ذات الغلاف الثابت . وتشمل هذه الإشارات FM و FSK و MFSK وCW ( شفرة مورس ). ^{[ 5 ] [ 6 ]}

تتطلب مراحل الإخراج في أجهزة إرسال البث الإذاعي الاحترافية بتقنية AM، والتي تصل قدرتها إلى 50  كيلوواط، أن تكون خطية، ويتم تصنيعها عادةً باستخدام تقنيات الحالة الصلبة. ولا تزال الصمامات المفرغة الكبيرة تُستخدم في أجهزة إرسال البث الإذاعي الدولية ذات الموجات الطويلة والمتوسطة والقصيرة، والتي تتراوح قدرتها من 500  كيلوواط إلى 2  ميغاواط.

• مكبرات الصوت
• مضخم إلكتروني