مضخم متعدد المراحل

المضخم متعدد المراحل هو مضخم إلكتروني يتكون من مضخمين أو أكثر أحاديي المرحلة موصولين معًا. في هذا السياق، المرحلة الواحدة هي مضخم يحتوي على ترانزستور واحد فقط (أو زوج من الترانزستورات أحيانًا) أو أي جهاز فعال آخر. السبب الأكثر شيوعًا لاستخدام مراحل متعددة هو زيادة كسب المضخم في التطبيقات التي تكون فيها إشارة الدخل ضعيفة جدًا، كما هو الحال في أجهزة استقبال الراديو . في هذه التطبيقات، لا توفر المرحلة الواحدة كسبًا كافيًا بمفردها. في بعض التصاميم، من الممكن الحصول على قيم أفضل لمعلمات أخرى مثل مقاومة الدخل ومقاومة الخرج .

أبسط مخططات التوصيل وأكثرها شيوعًا هو التوصيل المتتالي لمراحل متطابقة أو متشابهة، لتشكيل مضخم متتالي . ^{[ 1 ]} في التوصيل المتتالي، يتم توصيل منفذ الإخراج لمرحلة ما بمنفذ الإدخال للمرحلة التالية. عادةً، تكون المراحل الفردية عبارة عن ترانزستورات ثنائية القطب (BJTs) في تكوين باعث مشترك ، أو ترانزستورات تأثير المجال (FETs) في تكوين مصدر مشترك . هناك بعض التطبيقات التي يُفضل فيها تكوين القاعدة المشتركة . تتميز القاعدة المشتركة بكسب جهد عالٍ ولكن بدون كسب تيار. تُستخدم في أجهزة استقبال التلفزيون والراديو UHF لأن مقاومة الإدخال المنخفضة فيها أسهل في التوافق مع الهوائيات من الباعث المشترك. في المضخمات التي تحتوي على مدخل تفاضلي ، والتي يُطلب منها إخراج إشارة تفاضلية، يجب أن تكون المراحل مضخمات تفاضلية، مثل أزواج الترانزستورات طويلة الذيل . تحتوي هذه المراحل على ترانزستورين للتعامل مع الإشارة التفاضلية .

يمكن استخدام مخططات أكثر تعقيدًا بمراحل مختلفة ذات تكوينات متنوعة لإنشاء مضخم تتجاوز خصائصه خصائص المضخم أحادي المرحلة في عدة معايير، مثل الكسب ومقاومة الدخل ومقاومة الخرج . ^{[ 2 ]} يمكن أن تكون المرحلة النهائية بتكوين جامع مشترك لتعمل كمضخم عازل . لا تتميز مراحل الجامع المشترك بكسب جهد، ولكنها تتميز بكسب تيار عالٍ ومقاومة خرج منخفضة. وبالتالي، يمكن للحمل سحب تيار عالٍ دون التأثير على أداء المضخم. يُستخدم أحيانًا توصيل كاسكود (مرحلة باعث مشترك متبوعة بمرحلة قاعدة مشتركة). عادةً ما تحتوي مضخمات الطاقة الصوتية على خرج دفع-سحب كمرحلة نهائية.

يُعد زوج دارلينجتون من الترانزستورات طريقة أخرى للحصول على كسب تيار عالٍ. في هذه الحالة، يُغذي باعث الترانزستور الأول قاعدة الترانزستور الثاني، مع توصيل جامعَي الترانزستورين معًا. على عكس مرحلة الجامع المشترك، يمكن لزوج دارلينجتون أن يحقق كسبًا في الجهد بالإضافة إلى كسب التيار. عادةً ما يُعامل زوج دارلينجتون كمرحلة واحدة بدلًا من مرحلتين منفصلتين. يتم توصيله بنفس طريقة توصيل الترانزستور الواحد، وغالبًا ما يُغلّف كجهاز واحد.

يمكن تطبيق تغذية راجعة سلبية شاملة على المضخم. هذا يقلل من كسب الجهد ولكنه يحقق عدة فوائد مرغوبة؛ حيث تزداد مقاومة الدخل، وتقل مقاومة الخرج، ويزداد عرض النطاق الترددي .

تكمن صعوبة حساب كسب المراحل المتتالية في عدم مثالية الاقتران بين المراحل نتيجةً للحمل. يوضح الشكل مرحلتين متتاليتين من نوع الباعث المشترك. ولأن مقاومة دخل المرحلة الثانية تُشكل مُقسِّم جهد مع مقاومة خرج المرحلة الأولى، فإن الكسب الكلي لا يساوي حاصل ضرب كسب كل مرحلة على حدة (منفصلة).

إن الكسب الإجمالي لمضخم متعدد المراحل هو حاصل ضرب مكاسب المراحل الفردية (مع تجاهل تأثيرات التحميل المحتملة ):

الربح (أ) = أ ₁ * أ ₂ * أ ₃ * أ ₄ *... * أ _ن .

بدلاً من ذلك، إذا تم التعبير عن كسب كل مرحلة من مراحل التضخيم بالديسيبل (dB)، فإن الكسب الكلي هو مجموع مكاسب المراحل الفردية:

الكسب بالديسيبل (A) = A1 ₊ A2 ₊ A3 ₊ A4 + _... + ... + _n

تتعدد خيارات طريقة ربط مراحل التضخيم. في المضخم ذي الربط المباشر ، كما يوحي الاسم، تُربط المراحل بموصلات بسيطة بين مخرج كل مرحلة ومدخل المرحلة التالية. يُعد هذا ضروريًا عندما يُطلب من المضخم العمل بتيار مستمر، كما هو الحال في مضخمات القياس ، ولكنه ينطوي على عدة عيوب. يتسبب الربط المباشر في تفاعل دوائر الانحياز للمراحل المتجاورة، مما يُعقّد التصميم ويؤدي إلى تنازلات في معايير المضخم الأخرى. كما أن مضخمات التيار المستمر عُرضة للانحراف ، مما يتطلب ضبطًا دقيقًا ومكونات عالية الاستقرار.

عندما لا يكون تضخيم التيار المستمر مطلوبًا، يُعد اقتران RC خيارًا شائعًا . في هذه الطريقة، يتم توصيل مكثف على التوالي بين مخارج ومداخل المراحل. ولأن المكثف لا يمرر التيار المستمر، لا يمكن أن تتداخل انحيازات المراحل. وبالتالي، لن ينحرف خرج المضخم عن الصفر عند عدم وجود إشارة دخل. تشكل سعة المكثف (C) ومقاومات الدخل والخرج للمراحل دائرة RC . تعمل هذه الدائرة كمرشح تمرير عالي بسيط . يجب أن تكون قيمة المكثف كبيرة بما يكفي لتمرير أدنى تردد مطلوب. بالنسبة لمضخمات الصوت، يمكن أن تكون هذه القيمة كبيرة نسبيًا، ولكن عند ترددات الراديو، تُعتبر مكونًا صغيرًا بتكلفة ضئيلة مقارنةً بتكلفة المضخم الكلية.

يُعدّ اقتران المحوّل بديلاً لاقتران التيار المتردد. ومثل اقتران RC، يعزل التيار المستمر بين المراحل. إلا أن المحوّلات أكبر حجماً وأغلى ثمناً بكثير من المكثفات، لذا فهي أقل استخداماً. يبرز اقتران المحوّل في المضخّمات المُضَبَّطة . يعمل حثّ ملفات المحوّل كمحثّ لدائرة رنين LC . إذا تم ضبط كلا جانبي المحوّل، يُطلق عليه اسم مضخّم مزدوج الرنين . أما الرنين المتدرّج، فيتم فيه ضبط كل مرحلة على تردد مختلف لتحسين عرض النطاق الترددي على حساب الكسب .

يتم تحقيق الاقتران البصري باستخدام عوازل ضوئية بين المراحل. تتميز هذه العوازل بتوفير عزل كهربائي كامل بين المراحل، مما يوفر عزلاً للتيار المستمر ويمنع التداخل بينها. يُستخدم العزل البصري أحيانًا لأسباب تتعلق بالسلامة الكهربائية، كما يمكن استخدامه لتوفير انتقال من حالة التوازن إلى حالة عدم التوازن .