کاربرد تقویت کننده توان در مدلسازی
مدلسازي جامع روش نويني است كه انتشار و ترويج امواج و ميدانهاي الكترومغناطيسي را در سراسر مدار حتي در ساختار قطعه نيمه هادي هم در نظر مي گيرد. اما ما اين تحليل را محدود به قسمتهاي پسيو مدار مي كنيم. در واقع قسمتهاي پسيو مدار را با روش موج كامل حل مي كنيم و نتايج حاصل از اين تحليل را به كميتهاي مداري تبديل مي كنيم تا كل مدار به روش مداري حل شود. با اين تكنيك علاوه بر اينكه به اندازه كافي مناسبي اثرات فركانس بالاي مدار در نظر گرفته مي شود اجراي تحليل ساده تر و سريعتر خواهد شد. مداري كه ما براي اين كار انتخاب كرده ايم. يك تقويت كننده توان است كه جزء اصلي هر فرستنده مايكروويوي است. چون تقويت كننده هاي توان داراي اثرات غيرخطي هستند لذا روش مداري كه

براي تحليل آن بايد به كار برده شود. بايد غيرخطي باشد با توجه به روشهاي موجود بهترين روش براي تحليل مدارهاي فركانس بالا روش توازن هارمونيكي است كه ما هم از اين روش استفاده كرده ايم. ابتدا يك تقويت كننده توان طراحي شد. به منظور داشتن حداكثر توان در خروجي و حداكثر خطي بودن اين تقويت كننده در كلاس A باياس شد. براي مدل كردن ترانزيستور مورد استفاده از مدل تجربي Curtice 3 استفاده شده است. تقويت كننده طراحي شده با دو نرم افزار ADS2002 و Microwave Office2002 شبيه سازي شد تا صحت

عملكرد آن ثابت شود. چون در ادامه پروژه لازم خواهد شد نتايج حاصل از تحليل ميداني و مدلسازي عصبي را در برنامه توازن هارمونيكي قرار دهيم لذا داشتن اين برنامه ضروري است. بدين خاطر با نرم افزار متلب برنامه اي بر مبناي الگوريتم توازن هارمونيكي نوشته شد همچنين برنامه ديگري هم براساس الگوريتم FDTD نوشته شد تا شبكه هاي تطبيق تقويت كننده به صورت ميداني حل شوند و پارامترهاي پراكندگي آن به دست آيند. اين اطلاعات در كد توازن هارمونيكي نوشته شده براي تهيه ماتريس ادميتانس بخش خطي مدار استفاده مي شود تا بدين ترتيب كل مدار تحليل گردد. از كارهاي ديگر انجام شده در اين پروژه نشان داد قابليت شبكه هاي عصبي در مدل كردن قطعات فعال مايكروويو است. بدين منظور براي ترانزيستور

مورد استفاده يك مدل عصبي ايجاد شد كه از اطلاعات مدل Curtice3 آموزش يافته است. توانايي اين مدل عصبي با به كارگيري آن در برنامه توازن هارمونيكي نوشته شده نشان داده شده است.
دید کلی
عمل تقویت کنندگی سیگنال ساده‌ترین کار در پردازش سیگنال است. چون مبدلها سیگنالهای ضیعفی بدست می‌دهند که ‌انرژی کمی‌ دارند و دامنه آنها حدود میکروولت یا میلی‌ولت است، بنابراین به تقویت نیاز دارند. چنین سیگنالهای کوچکی برای پردازش مناسب نیستند، چنانچه دامنه آنها بزرگتر شود، عمل پردازش آنها بسیار آسانتر صورت می‌گیرد. قسمتی که چنین کاری را انجام می‌دهد، تقویت کننده سیگنال نامیده می‌شود.

استفاده ‌از تقویت کننده به مثابه تقویت کننده ولتاژ است. تقویت کننده مقدماتی در دستگاه ‌استریوی خانگی نمونه‌ای از تقویت کننده ولتاژ است. نوع دیگری از تقویت کننده موسوم به تقویت توان است. تقویت کننده توان در دستگاههای استریوی خانگی یک نمونه‌ از این تقویت کننده‌ها ‌است و توان لازم برای راه‌اندازی بلندگو را تهیه می‌کند.
مدلهای مداری تقویت کننده
تقویت کننده‌های ولتاژ
این مدل که شامل منبع ولتاژ (دارای کنترل) با ضریب بهره Avo است، یک مقاومت ورودی Ri دارد، با توجه به ‌اینکه تقویت کننده یک جریان ورودی از منبع سیگنال دریافت می‌کند و نیز دارای یک مقاومت خروجی Ro با توجه به تغییر در ولتاژ خروجی است. تقویت کننده جریان خروجی را برای بار تهیه می‌کند. در مدل تقویت کننده بوسیله منبع ولتاژ سیگنال vs با مقاومت Rs تغذیه شده ‌است و به خروجی با مقاومت بار RL اتصال دارد.
تقویت کننده‌های جریان
این مبدل یک منبع جریان دارای کنترل جریان با ضریب بهره جریان Ais ، یک مقاومت ورودی Ri و یک مقاومت خروجی Ro را شامل می‌شود. تقویت کننده جریان توسط یک منبع جریان is با مقاومت Rs تغذیه می‌شود و یک مقاومت بار RL به خروجی آن متصل شده ‌است. برای جلوگیری از اتلاف بهره در جفت شدن تقویت کننده جریان با مقاومت بار ، تقویت کننده بایستی طوری طراحی شود که مقاومت خروجی‌اش Ro خیلی بزرگتر از مقاومت بار RL باشد. یک تقویت کننده جریان آرمانی دارای یک مقاومت خروجی نامحدود است.
تقویت کننده ترارسانایی
این نوع تقویت کننده با ولتاژ ورودی یک سیگنال راه‌اندازی می‌شود و یک جریان خروجی بدست می‌دهد. شاخصه بهره ، Gm ، نسبت جریان خروجی در اتصال کوتاه مدار به ولتاژ ورودی است. این شاخصه ترارسانایی ، اتصال کوتاه مدار نامیده می‌شود و واحد آن مهو (mho) با A/V است. یک تقویت کننده ترارسانا دارای مقاومت ورودی بینهایت و مقاومت خروجی بینهایت می‌باشد.
تقویت کننده ترامقاومتی
این نوع تقویت کننده با جریان ورودی سیگنال بکار می‌افتد و یک ولتاژ خروجی بدست می‌دهد. شاخصه ، Rm ، نسبت ولتاژ خروجی مدار باز به جریان ورودی است و ترا مقاومت مدار باز نامیده می‌شود و واحد آن اهم یا V/A است. یک تقویت کننده ترامقاومت دارای مقاومت ورودی صفر و مقاومت خروجی صفر می‌باشد.
منابع تغذیه تقویت کننده
چون توانی که تقویت کننده به بار می‌دهد، بیشتر از توانی است که ‌از منبع سیگنال دریافت داشته ‌است، از اینرو ، این پرسش مطرح می‌شود که سرچشمه توان اضافی کجاست؟ پاسخ آن زمانی دریافت می‌شود که در نظر بیاوریم که تقویت کننده‌ها برای کار خود به منابع ولتاژ dc نیاز دارند. منابع ولتاژ dc ، توان اضافی تحویل شده به بار را تامین می‌کنند. علاوه بر این ، هر توانی که در مدار داخلی تقویت کننده تلف می‌شود (نظیر توان تبدیل شده به گرما) بوسیله همین منبع ولتاژ dc تامین می‌شود. بازدهی توان یکی از مهمترین شاخصه‌های تقویت کننده‌هایی که توان زیادی بدست می‌دهند، چنین تقویت کننده‌هایی ، تقویت کننده‌های توان نامیده می‌شوند.

اشباع تقویت کننده
مشخه ‌انتقال تقویت کننده تنها در محدوده مشخصی از ولتاژهای ورودی و خروجی خطی می‌ماند. در تقویت کننده‌ای که با دو منبع تغذیه کار می‌کند، ولتاژ خروجی نمی‌تواند از مقدار مثبت معینی بیشتر و از مقدار منفی معینی کمتر شود. بطور مسلم برای پیشگیری از بروز اعوجاج در شکل موج سیگنال خروجی ، نوسان سیگنال ورودی بایستی در محدوده خطی کار تقویت کننده قرار داشته باشد.
پاسخ فرکانسی تقویت کننده‌ها

اگر موج سینوسی (Va(ω به ورودی یک تقویت کننده‌ اعمال گردد، خروجی شکل ، موجی سینوسی با همان فرکانس خواهد بود. البته خروجی سینوسی (Vb(ω دارای دامنه و فازی متفاوت با ورودی (Va(ω است. یک موج سینوسی با فرکانس و دامنه معین به ورودی تقویت کننده‌ اعمال می‌گردد و دامنه و فازی مرتبط با موج سینوسی ورودی اندازه گیری می‌شود.
از اینرو ، در این فرکانس مشخص ، بزرگی انتقال یا بهره تقویت کننده ، همچنین زاویه فاز بهره تقویت کننده را پیدا می‌کنیم. در اینصورت فرکانس موج سینوسی ورودی تغییر داده می‌شود و آزمون تکرار می‌گردد. نخست به مورد اول یعنی نمودار بزرگی بهره در برابر فرکانس توجه می‌کنیم. این مورد را پاسخ دامنه یا پاسخ فرکانسی تقویت کننده می‌نامیم.
دسته‌بندی تقویت کننده‌ها بر اساس پاسخ فرکانس

ظرفیت خازنی داخلی در قطعاتی مثل ترانزیستور سبب افت بهره در فرکانس‌های بالا می‌شود. از سوی دیگر ، افت بهره در فرکانس‌های پائین معمولا توسط خازن‌های انتقال صورت می‌گیرد که برای متصل کردن یک طبقه تقویت کننده به طبقه تقویت کننده دیگر از آن استفاده می‌شود. از این روش برای ساده کردن فرآیند طراحی طبقات مختلف استفاده می‌شود. خازن‌های انتقال را با ظرفیت کاملا بزرگ انتخاب می‌کنند تا امپدانس آنها در فرکانس مورد نظر کوچک باشد.

کاربردهای زیادی وجود دارد که در آنها مهم است که بهره تقویت کننده در فرکانس‌های پائین کم باشد. علاوه بر این ، تکنولوژی ساخت مدارهای مجتمع (IC) ، ساختن خازن‌های انتقال بزرگ مجاز نیست. از اینرو ، تقویت کننده‌های IC معمولا به عنوان تقویت کننده‌های dc یا تقویت کننده‌های با اتصال مستقیم طراحی می‌شوند.
آشنايي با تقويت كننده هاي عملياتي (Opamp)

نمونه ای از تقویت کننده های عملیاتی
تقويت كننده هاي عملياتي، تقويت كننده هاي كوپل مستقيم بوده، كه داراي گين
(Gian)خيلي زيادي مي باشند. كه مقدار اين گين را با كمك
مقاومت فيدبك مي توان كنترل نمود. اين تقويت كننده ها اكثراً در مدارات خطي بكار مي روند و اغلب در مدارات غيرخطي نيز از آنها استفاده مي شود. يك تقويت كننده عملياتي ايده آل بايستي شرايط زير را دارا باشد.
۱) مقاومت ورودي آن بي نهايت باشد (Ri= ∞).

۲) مقاومت خروجي آن صفر باشد (Ro= O).
3) گين ولتاژ حلقه باز آن بي نهايت باشد (Av= -∞).
۴) عرض باند آن بي نهايت باشد (BW= ∞).

۵) هنگامي كه اختلاف ولتاژ در ورودي صفر است، ولتاژ خروجي نيز صفر باشد.
۶) منحني مشخصه آن با درجه حرارت تغيير نكند.
تقويت كننده هاي عملياتي اكثراً بصورت مدار مجتمع ساخته مي شوند.

اتصالات تغذيه تقويت كننده هاي عملياتي

تغذیه دوبل
براي استفاده از رنج كامل تقويت كننده هاي عملياتي، بايستي اين تقويت كننده ها با دو منبع تغذيه با ياس شوند، كه اين عمل معمولاً با استفاده از دو منبع تغذيه مجزا صورت مي گيرد. ولتاژ منبع اول نسبت به زمين (GND) برابر +VBB بوده در حاليكه ولتاژ منبع دوم نسبت به زمين برابر –VBB مي باشد كه غالباً مقدار اين ولتاژها +۱۵ ولت و -۱۵ ولت انتخاب مي شود.
معمولاً تقويت كننده هاي عملياتي جهت تغذيه دو پايه دارند، چون زمين به تقويت كننده عملياتي وصل نمي شود و فقط ولتاژهاي +VBB و –VBB به تقويت كننده عملياتي متصل مي شود. ولي با وجود اين تمام اتصالاتي كه بايستي زمين (GND) شوند، به نقطه بين دو منبع تغذيه زمين وصل مي گردند.
همچنين هر تقويت كننده عملياتي دو ورودي دارد؛ يكي ورودي مثبت كه با V+ و ديگري ورودي منفي كه با V- نشان داده مي شود.
تقويت کننده توان براي کاربرد هاي UWB

طراحي تقويت کننده توان براي کاربرد هاي UWB در تکنولوژي CMOS 0.18 ميکرون وتقويت کننده توان براساس پارامترهاي مشخص شده در استاندارد a3.15.802 با استفاده از تکنولوژي ۰٫۱۸ ميکرون طراحي شده است. با توجه به پهناي باند زياد مورد نياز، از ساختار تقويت کننده گسترده براي طراحي تقويت کننده توان استفاده شده است. براي طراحي تقويت کننده گسترده از ساختار سلف و خازن به جاي Microstrip استفاده شده ،زيرا طول خط انتقال Microstrip مورد نياز در مدار مجتمع براي بدست آوردن مقدار سلف لازم براي جدا سازي طبقات خيلي بزرگ مي گردد.

با توجه به اينکه در طراحي خطوط انتقال مورد نياز از خازن هاي پارازيت ترانزيستورها استفاده شده است و مقادير اين خازن ها از روابط تقريبي بدست آمده اند بنابراين طراحي انجام شده توسط نرم افزار شبيه سازي مدار براي عملکرد مناسب بهينه سازي شده است. تقويت کننده توان طراحي شده داراي ضريب تقويت توان dB 19+ با ريپلdB در باند فرکانسي GHz 10.6-3.1 مي باشد.امپدانس ورودي و خروجي تقويت کننده ۵۰ اهم مي باشد و ضريب انعکاس در ورودي و خروجي کمتر از dB10- ميباشد. توان مصرفي اين تقويت کننده توان حدود mW 35 مي باشد

جامع و موج كامل تقويت كننده توان موج ميلي متري با استفاده از شبكه¬هاي عصبي
هدف اصلي از انجام اين متن تحليل مدارهاي فعال موج ميلي¬متري با روشهاي نوين است، به گونه¬اي كه اثرات فركانس بالاي مدار به مقدار كافي در نظر گرفته شود. مدلسازي جامع روش نويني است كه انتشار و تزويج امواج و ميدانهاي الكترومغناطيسي را در سراسر مدار حتي در ساختار قطعه نيمه هادي هم، در نظر مي¬گيرد. اما ما اين تحليل را محدود به

قسمتهاي پسيو مدار (كه خصلت پراكنده¬كنندگي و تشعشعي بيشتري دارند) مي¬كنيم. در واقع قسمتهاي پسيو (شبكه¬هاي تطبيق) مدار را با روش موج كامل (FDTD) حل مي¬كنيم و نتايج حاصل از اين تحليل را به كميتهاي مداري تبديل مي¬كنيم تا كل مدار به روش مداري حل شود. با اين تكنيك علاوه بر اينكه به اندازه كافي و مناسبي اثرات فركانس بالاي مدار در نظر گرفته مي¬شود، اجراي تحليل ساده¬تر و سريعتر خواهد شد. مداري كه ما براي اين كار انتخاب كرده¬ايم، يك تقويت كننده توان است كه جزء اصلي هر فرستنده مايكروويوي است. چون تقويت كننده¬هاي توان داراي اثرات غيرخطي هستند لذا روش مداري كه براي تحليل آن بايد به كار برده شود، بايد غير خطي باشد. با توجه به روشهاي موجود

بهترين روش براي تحليل مدارهاي فركانس بالا روش توازن هارمونيكي است كه ما هم از اين روش استفاده كرده¬ايم. ابتدا يك تقويت كننده توان طراحي شد، به منظور داشتن حداكثر توان در خروجي و حداكثر خطي بودن اين تقويت كننده در كلاس A باياس شد. براي مدل كردن ترانزيستور مورد استفاده از مدل تجربيCurtice3 استفاده شده است. تقويت كننده

طراحي شده با دو نرم افزار ADS2002 و Microwave Office2002 شبيه سازي شد تا صحت عملكرد آن ثابت شود. چون در ادامه پروژه لازم خواهد شد، نتايج حاصل از تحليل ميداني (FDTD) و مدلسازي عصبي را در برنامه توازن هارمونيكي قرار دهيم لذا داشتن اين برنامه ضروري است. بدين خاطر با نرم افزار متلب برنامه¬اي بر مبناي الگوريتم توازن هارمونيكي نوشته شد همچنين برنامه ديگري هم بر اساس الگوريتم FDTD نوشته شد تا شبكه¬هاي تطبيق تقويت كننده (قسمتهاي پسيو مدار) به صورت ميداني حل شوند و پارامترهاي پراكندگي آن

به دست آيند. اين اطلاعات در كد توازن هارمونيكي نوشته شده براي تهيه ماتريس ادميتانس بخش خطي مدار استفاده مي¬شود، تا بدين ترتيب كل مدار تحليل گردد. از كارهاي ديگر انجام شده در اين پروژه، نشان دادن قابليت شبكه¬هاي عصبي در مدل كردن قطعات فعال مايكروويو است. بدين منظور براي ترانزيستور مورد استفاده يك مدل عصبي ايجاد شد كه از اطلاعات مدل Curtice3 آموزش يافته است. توانايي اين مدل عصبي، با به كارگيري آن در برنامه توازن هارمونيكي نوشته شده، نشان داده شده است

تقویت‌کننده‌ی قدرت کلاس c
تقویت کننده های قدرت کلاس A، B وAB که قبلاً با آنها آشنا شده ایم را به عنوان تقویت کننده های خطی در نظر می گرفتیم به طوری که دامنه و فاز سیگنال خروجی به طور خطی وابسته به سیگنال ورودی بود. در کاربردهایی که خطی بودن ضرورتی ندارد و راندمان حیاتی تر است ، تقویت کننده های کلاس C،D ،E و F بکار می روند. آمپلی فایرهایی که برای عمل در کلاس AB طراحی می شوند به گونه ای بایاس می شدند که جریان کالکتور در بخشی از یک دوره تناوب سیگنال ورودی صفر است(در حالت Single End). برای انجام این کار ولتاژ بایاس مستقیم را کمتر از ولتاژ نقطه پیک سیگنال ورودی در نظر می گیرند.با انجام این کار بایاس اتصال بیس- امیتر در مدت زمانی از یک دوره تناوب که ولتاژ سیگنال ورودی از ولتاژ

بایاس مستقیم بیشتر می شود معکوس می گردد. بنابراین جریان کالکتور در بیشتر از ۱۸۰ درجه و کمتر از ۳۶۰ درجه از سیگنال ورودی جاری می شود. در تقویت کننده کلاس C جریان کالکتور در کمتر از نصف یک دوره تناوب جاری می شود. شکل زیر عملکرد این تقویت کننده را نشان می دهد این نوع کلاس با معکوس کردن بایاس اتصال امیتر- بیس بدست می آید.که این کار باعث می شود نقطه کار dc در زیر ناحیه قطع قرار گیرد و تنها به قسمتی از سیگنال ورودی که بر بایاس معکوس غلبه می کند اجازه جاری کردن جریان در کالکتور را می دهد. کلاس A، B ، AB و C می توانند با یک زاویه هدایت Y معین شوند.

عملکرد تقویت کننده های قدرت معمولا با دو پارامتر مهم مورد ارزیابی قرار میگیرد. ۱) راندمان efficiency 2) بازدهش fidelity
Fidelity در لغت به معنی “وفاداری” است و در این جا به میزان وفاداری یا بازدهش تقویت کننده به سیگنال ورودی اشاره دارد. هر چه شکل موج خروجی از نظر ظاهری به ورودی نزدیک تر باشد fidelity بالا تری دارد( می توان آن را عبارت مقابل اعوجاج دانست). کلاس A دارای بازدهش بسیار بالایی می باشد.کلاس AB نسبت به A بازدهش کمتر و کلاس C وB بازدهش نسبتا ضعیفی دارند.

راندمان یک تقویت کننده نسبت توان سیگنال خروجی به کل توان سیگنال ورودی است. تقویت کننده دارای دو منبع توان ورودی است یکی از سیگنال ورودی ودیگری از منبع تغذیه. یک تقویت کننده که در ۳۶۰ درجه از سیگنال ورودی عمل می کند توان مصرفی بیشتری نسبت به نوع دیگری دارد دارد که در ۱۸۰ درجه ااز سیگنال ورودی عمل می کند . با مصرف توان بیشتر از ورودی تقویت کننده توان در دسترس کمتری را برای سیگنال خروجی در اختیار قرار میدهد و در نتیجه آن راندمان تقویت کننده پایین می آید. در کلاسA تقویت کننده در ۳۶۰

درجه سیگنال ورودی عمل می کند و در نتیجه نیاز به توان ورودی بسیار بالایی از منبع تغذیه است.در نتیجه توان خروجی کلاس A در مقایسه با توان ورودی بسیار پایین است. پس خودتان باید به این نتیجه رسیده باشید که کلاس C بیشترین راندمان را در بین /۲ درجه از سیگنال عمل هدایت را انجامتقویت کننده های قدرت دارد چون در کمتر از می دهد. البته تمام بحث های بالا با فرض single-end بودن مدار انجام شد و در صورتی که بصورت push-pull بسته شود راندمان وبازدهش دو برابر می شود.