amplifier คือ อะไร

Amplifier หรือ แอมป์ คือ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถเพิ่มพลังของสัญญาณ (แรงดันหรือกระแสที่แปรผันตามเวลา) มันเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์สองพอร์ตที่ใช้พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟเพื่อเพิ่มความกว้างของสัญญาณที่ใช้กับขั้วอินพุตของมันทำให้เกิดสัญญาณแอมพลิจูดมากขึ้นตามสัดส่วนที่เอาต์พุต ปริมาณของแอมพลิฟายเออร์ที่ได้รับจากเครื่องขยายเสียงวัดจากอัตราขยายที่ได้รับ อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าออก, กระแสไฟหรือกำลังไฟฟ้าเข้า เครื่องขยายเสียงเป็นวงจรที่มีกำลังขยายมากกว่าหนึ่ง

แอมป์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มแรงดัน กระแสหรือกำลังของสัญญาณ เครื่องขยายเสียงที่ใช้ในการสื่อสารไร้สายและการออกอากาศและในอุปกรณ์เครื่องเสียงทุกชนิด สามารถแบ่งได้เป็นแอมพลิฟายเออร์สัญญาณอ่อนหรือเพาเวอร์แอมป์

แอมพลิฟายเออร์สัญญาณอ่อนจะใช้ในเครื่องรับสัญญาณไร้สายเป็นหลัก พวกมันยังใช้ในเครื่องเสียงรถยนต์ เครื่องเล่นเทปเสียงและเครื่องเล่นแผ่นดิสก์คอมแพค แอมพลิฟายเออร์สัญญาณอ่อนได้รับการออกแบบมาเพื่อจัดการกับสัญญาณอินพุตที่เล็กมากในบางกรณีวัดเพียงไม่กี่นาโนโวลต์ (หน่วยที่ 10-9 โวลต์) เครื่องขยายเสียงดังกล่าวจะต้องสร้างเสียงรบกวนภายในน้อยที่สุดในขณะที่เพิ่มแรงดันสัญญาณ อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับแอพพลิเคชั่นนี้ คือ ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า สเปคที่แสดงถึงประสิทธิภาพของเครื่องขยายสัญญาณอ่อนคือความไวซึ่งกำหนดเป็นจำนวน microvolts (หน่วย 10-6 โวลต์) ของสัญญาณอินพุตที่สร้างอัตราส่วนที่แน่นอนของสัญญาณเอาต์พุตต่อสัญญาณรบกวน (ปกติ 10 ต่อ 1)

เพาเวอร์แอมป์ใช้ในเครื่องส่งสัญญาณไร้สายเครื่องส่งสัญญาณออกอากาศและอุปกรณ์เครื่องเสียง hi-fi อุปกรณ์ที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับการขยายกำลังไฟฟ้าคือทรานซิสเตอร์สองขั้ว อย่างไรก็ตามหลอดสูญญากาศซึ่งครั้งหนึ่งเคยเป็นสิ่งล้าสมัยกำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อย ๆ โดยเฉพาะในหมู่นักดนตรี นักดนตรีมืออาชีพหลายคนเชื่อว่าหลอดสุญญากาศ (หรือที่เรียกว่า “วาล์ว” ในอังกฤษ) ให้ความเที่ยงตรงที่เหนือกว่า

ข้อควรพิจารณาที่สำคัญสองประการในการขยายกำลังไฟฟ้าคือกำลังขับและประสิทธิภาพ กำลังไฟฟ้าถูกวัดเป็นวัตต์หรือกิโลวัตต์ ประสิทธิภาพ คือ อัตราส่วนของกำลังส่งสัญญาณต่อกำลังไฟฟ้าทั้งหมด (กำลังไฟที่ต้องการของแหล่งจ่ายไฟหรือแบตเตอรี่) ค่านี้น้อยกว่า 1 โดยทั่วไปจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ ในแอปพลิเคชั่นด้านเสียงตัวขยายกำลังไฟฟ้ามีประสิทธิภาพ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ ในการสื่อสารไร้สายและเครื่องส่งสัญญาณกระจายเสียงประสิทธิภาพมีตั้งแต่ประมาณ 50 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์ ในแอมพลิฟายเออร์พลังเสียงไฮไฟการบิดเบือนก็เป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน นี่คือการวัดขอบเขตที่รูปคลื่นของสัญญาณออกเป็นการจำลองแบบที่ซื่อสัตย์ของรูปคลื่นของอินพุต ความผิดเพี้ยนที่ต่ำกว่าโดยทั่วไปยิ่งเสียงที่ส่งออกมีความเที่ยงตรงมากขึ้นเท่านั้น

แอมป์อาจเป็นอุปกรณ์แยกต่างหากหรือวงจรไฟฟ้าที่อยู่ภายในอุปกรณ์อื่น การขยายเป็นพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยและแอมพลิฟายเออร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมด แอมป์สามารถจัดประเภทได้หลายวิธี หนึ่งคือความถี่ของสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่ถูกขยาย ตัวอย่างเช่นเครื่องขยายเสียงขยายสัญญาณในช่วงเสียง (เสียง) น้อยกว่า 20 kHz, เครื่องขยายสัญญาณ RF ขยายความถี่ในช่วงความถี่วิทยุระหว่าง 20 kHz และ 300 GHz, และเครื่องขยายเสียงเซอร์โวและเครื่องมือขยายอาจทำงานด้วยความถี่ต่ำมากถึง กระแสตรง. แอมพลิฟายเออร์ยังสามารถแบ่งได้ตามตำแหน่งทางกายภาพของมันในห่วงโซ่สัญญาณ preamplifier อาจนำหน้าขั้นตอนการประมวลผลสัญญาณอื่น ๆ เช่น อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้งานได้เครื่องแรกที่สามารถขยายได้คือหลอดสูญญากาศ triode ที่คิดค้นในปี 1906 โดย Lee De Forest ซึ่งนำไปสู่เครื่องขยายเสียงเครื่องแรกในปี 1912 ปัจจุบันเครื่องขยายเสียงส่วนใหญ่ใช้ทรานซิสเตอร์

ความเป็นมา Amplifier

อุปกรณ์ภาคปฏิบัติแรกที่สามารถขยายได้คือหลอดสูญญากาศ triode ที่คิดค้นในปี 1906 โดย Lee De Forest ซึ่งนำไปสู่เครื่องขยายเสียงรอบแรกในปี 1912 หลอดสูญญากาศถูกนำมาใช้ในเครื่องขยายเสียงเกือบทั้งหมดจนถึงปี 1960-1970 เมื่อทรานซิสเตอร์เปลี่ยน ทุกวันนี้แอมพลิฟายเออร์ส่วนใหญ่ใช้ทรานซิสเตอร์ แต่หลอดสูญญากาศยังคงถูกนำมาใช้ในบางแอปพลิเคชัน

เครื่องขยายเสียงต้นแบบของ De Forest ในปี 1914 หลอดสูญญากาศ Audion (triode) มีแรงดันไฟฟ้าประมาณ 5 ทำให้ได้รับรวมประมาณ 125 สำหรับเครื่องขยายเสียงสามขั้นนี้
การพัฒนาเทคโนโลยีการสื่อสารด้วยเสียงในรูปแบบของโทรศัพท์สิทธิบัตรครั้งแรกในปี 1876 สร้างความต้องการที่จะเพิ่มความกว้างของสัญญาณไฟฟ้าเพื่อขยายการส่งสัญญาณในระยะทางไกลมากขึ้น ใน Telegraphy ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขด้วยอุปกรณ์ระดับกลางที่สถานีที่เติมพลังงานกระจายโดยการใช้งานเครื่องบันทึกสัญญาณและเครื่องส่งสัญญาณกลับไปกลับก่อตัวถ่ายทอดเพื่อให้แหล่งพลังงานในท้องถิ่นในแต่ละสถานีกลางขับเคลื่อนขาถัดไปของ การส่งผ่าน สำหรับการส่งข้อมูลสองทางคือการส่งและรับทั้งสองทิศทางตัวทำซ้ำรีเลย์สองทิศทางได้รับการพัฒนาเริ่มต้นด้วยการทำงานของ C. F. Varley สำหรับการส่งสัญญาณโทรเลข การส่งข้อมูลสองทางเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับโทรศัพท์และปัญหาไม่ได้รับการแก้ไขจนเป็นที่พอใจจนกระทั่งปี 1904 เมื่อ ฯพณฯ Shreeve แห่ง บริษัท โทรศัพท์และโทรเลขอเมริกันได้ปรับปรุงความพยายามที่มีอยู่เดิมในการสร้างเครื่องทวนสัญญาณโทรศัพท์ประกอบด้วยเครื่องส่งสัญญาณ Repeater ของ Shreeve ได้รับการทดสอบครั้งแรกในแนวเส้นแบ่งระหว่าง Boston และ Amesbury, MA และอุปกรณ์กลั่นอื่น ๆ ยังคงเปิดให้บริการอยู่ระยะหนึ่ง หลังจากช่วงเปลี่ยนศตวรรษพบว่าตะเกียงปรอทความต้านทานติดลบสามารถขยายได้และได้ลองทำซ้ำ ๆ ด้วยความสำเร็จเพียงเล็กน้อย

การพัฒนาของวาล์ว thermionic เริ่มต้นประมาณปี 1902 เป็นวิธีการขยายสัญญาณแบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด รุ่นแรกที่ใช้งานได้จริงของอุปกรณ์ดังกล่าวคือ Audion triode ซึ่งถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1906 โดย Lee De Forest ซึ่งนำไปสู่แอมพลิฟายเออร์ตัวแรกรอบปี 1912 เนื่องจากอุปกรณ์ก่อนหน้านี้เท่านั้นที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย หลอดสุญญากาศขยายสัญญาณแรกเรียกว่ารีเลย์อิเล็กตรอน คำว่าแอมป์และแอมพลิฟายเออร์มาจากละตินแอมพลิฟายเออร์ (เพื่อขยายหรือขยาย), ถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรกสำหรับความสามารถใหม่นี้ในรอบ 2458 เมื่อ triodes เริ่มแพร่หลาย

หลอดสูญญากาศขยายเสียงปฏิวัติเทคโนโลยีไฟฟ้าสร้างสนามใหม่ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เทคโนโลยีของอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้งานอยู่ มันทำให้สายโทรศัพท์ทางไกล, ระบบเสียงประกาศสาธารณะ, วิทยุกระจายเสียง, พูดคุยภาพเคลื่อนไหว, บันทึกเสียงจริง, เรดาร์, โทรทัศน์และคอมพิวเตอร์เครื่องแรก เป็นเวลา 50 ปีที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคทั้งหมดใช้หลอดสุญญากาศ แอมพลิฟายเออร์หลอดแรก ๆ มักมีผลตอบรับในเชิงบวก (การงอกใหม่) ซึ่งสามารถเพิ่มอัตราขยายได้ แต่ยังทำให้แอมพลิฟายเออร์ไม่เสถียร ทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของแอมพลิฟายเออร์ส่วนใหญ่ได้รับการพัฒนาที่ Bell Telephone Laboratories ในช่วงปี ค.ศ. 1920 ถึง 1940 ระดับความผิดเพี้ยนในแอมพลิฟายเออร์ยุคแรกสูงโดยปกติประมาณ 5% จนถึงปี 1934 เมื่อ Harold Black พัฒนาความคิดเห็นเชิงลบ สิ่งนี้ทำให้ระดับการบิดเบือนลดลงอย่างมากด้วยต้นทุนที่ลดลง ความก้าวหน้าอื่น ๆ ในทฤษฎีการขยายกำลังทำโดย Harry Nyquist และ Hendrik Wade Bode

หลอดสูญญากาศเป็นอุปกรณ์ขยายสัญญาณเดียวที่นอกเหนือจากอุปกรณ์เฉพาะด้านเช่นแอมพลิฟายเออร์แม่เหล็กและแอมพลิไดน์นาน 40 ปี วงจรควบคุมพลังงานใช้เครื่องขยายสัญญาณแม่เหล็กจนกระทั่งช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ยี่สิบเมื่ออุปกรณ์สารกึ่งตัวนำไฟฟ้าประหยัดมากขึ้นด้วยความเร็วในการทำงานที่สูงขึ้น อิเล็กโทรคอนแทร็กเตอร์คาร์บอนแบบเก่าของ Shreeve ถูกใช้ในแอมพลิฟายเออร์แบบปรับได้ในชุดสมาชิกโทรศัพท์สำหรับผู้บกพร่องทางการได้ยินจนกระทั่งทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลงและมีคุณภาพสูงขึ้นในปี 1950

ทรานซิสเตอร์

ข้อมูลเพิ่มเติม: ประวัติของทรานซิสเตอร์, MOSFET, เครื่องขยายเสียงพลังเสียงและเครื่องขยายเสียง RF
ทรานซิสเตอร์ทำงานแรกคือทรานซิสเตอร์แบบจุดสัมผัสโดย John Bardeen และ Walter Brattain ในปี 1947 ที่ Bell Labs ซึ่ง William Shockley ต่อมาคิดค้นทรานซิสเตอร์แบบสองขั้ว (BJT) ในปี 1948 พวกเขาถูกตามด้วยการประดิษฐ์โลหะออกไซด์ – เซมิคอนดักเตอร์สนามผลทรานซิสเตอร์ (MOSFET) โดย Mohamed M. Atalla และ Dawon Kahng ที่ Bell Labs ในปี 1959 เนื่องจากการปรับขนาดของ MOSFET ความสามารถในการลดขนาดให้เล็กลงเรื่อย ๆ MOSFET จึงกลายเป็นแอมป์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด

การเปลี่ยนหลอดอิเล็กตรอนขนาดใหญ่ที่มีทรานซิสเตอร์ในช่วงปี 1960 และ 1970 สร้างการปฏิวัติในด้านอิเล็กทรอนิกส์ทำให้เป็นไปได้ที่จะมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาขนาดใหญ่เช่นวิทยุทรานซิสเตอร์ที่พัฒนาขึ้นในปี 1954 ในปัจจุบันการใช้หลอดสุญญากาศนั้นถูก จำกัด แอปพลิเคชั่นเช่นเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ

จุดเริ่มต้นในปี 1970 มีการเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์มากขึ้นเรื่อย ๆ บนชิปตัวเดียวจึงสร้างการรวมตัวที่สูงขึ้น (เช่นการรวมขนาดเล็กขนาดกลางและขนาดใหญ่เข้าด้วยกัน) ในวงจรรวม แอมป์หลายตัวที่มีวางจำหน่ายทั่วไปในปัจจุบันมีพื้นฐานมาจากวงจรรวม

เพื่อวัตถุประสงค์พิเศษมีการใช้งานองค์ประกอบอื่น ๆ ตัวอย่างเช่นในยุคแรก ๆ ของการสื่อสารผ่านดาวเทียมจะใช้เครื่องขยายเสียงแบบพาราเมตริก วงจรหลักเป็นไดโอดที่มีการเปลี่ยนแปลงความจุโดยสัญญาณ RF ที่สร้างขึ้นในเครื่อง ภายใต้เงื่อนไขบางประการสัญญาณ RF นี้ให้พลังงานที่ถูกมอดูเลตโดยสัญญาณดาวเทียมที่อ่อนแออย่างยิ่งที่ได้รับที่สถานีภาคพื้นดิน

ความก้าวหน้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 20 เป็นทางเลือกใหม่ให้กับตัวขยายสัญญาณเชิงเส้นแบบเดิมโดยใช้การสลับแบบดิจิตอลเพื่อเปลี่ยนสัญญาณพัลส์แอมพลิจูดแบบแอมพลิจูดแบบพัลส์รูปแบบต่างๆ

คุณสมบัติ

คุณสมบัติตัวขยายสัญญาณถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ที่รวมถึง:

ได้รับอัตราส่วนระหว่างขนาดของสัญญาณออกและสัญญาณอินพุต
แบนด์วิดธ์ ความกว้างของช่วงความถี่ที่มีประโยชน์
ประสิทธิภาพอัตราส่วนระหว่างกำลังของเอาต์พุตและการใช้พลังงานทั้งหมด
ลิเนียริตี้ (Linearity) ขอบเขตที่สัดส่วนระหว่างแอมป์อินพุตและเอาท์พุตเท่ากันสำหรับแอมพลิจูดสูงและอินพุตแอมพลิจูดต่ำ
เสียงรบกวน, การวัดของเสียงที่ไม่พึงประสงค์ผสมเข้ากับเอาท์พุท
ช่วงไดนามิกเอาต์พุตอัตราส่วนของเอาต์พุตที่ใหญ่ที่สุดและเล็กที่สุดที่เป็นประโยชน์
อัตราสลูว์อัตราการเปลี่ยนแปลงสูงสุดของเอาต์พุต
เวลาที่เพิ่มขึ้นเวลาที่ตั้งไว้การส่งเสียงและการโอเวอร์โหลดที่เป็นลักษณะการตอบสนองขั้นตอน
ความมั่นคงความสามารถในการหลีกเลี่ยงการสั่นด้วยตนเอง
แอมพลิฟายเออร์อธิบายตามคุณสมบัติของอินพุตอินพุทและความสัมพันธ์ของมัน แอมพลิฟายเออร์ทุกตัวจะได้รับซึ่งเป็นปัจจัยการคูณที่เกี่ยวข้องกับขนาดของคุณสมบัติของสัญญาณเอาท์พุตไปยังคุณสมบัติของสัญญาณอินพุต อัตราขยายอาจถูกระบุเป็นอัตราส่วนของแรงดันเอาท์พุทต่อแรงดันไฟฟ้าเข้า (แรงดันไฟฟ้า), กำลังขับต่อกำลังไฟฟ้าเข้า (กำลังไฟ) หรือการรวมกันของกระแสไฟฟ้าแรงดันและพลังงาน ในหลายกรณีคุณสมบัติของผลลัพธ์ที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเดียวกันของอินพุตทำให้ได้รับ Unitless (แม้ว่ามักจะแสดงเป็นเดซิเบล (dB))

เครื่องขยายเสียงส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบให้เป็นแบบเชิงเส้น นั่นคือพวกเขาให้กำไรคงที่สำหรับระดับสัญญาณปกติและสัญญาณเอาท์พุท ถ้าอัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์ไม่เป็นเชิงเส้นสัญญาณเอาท์พุตอาจบิดเบี้ยว อย่างไรก็ตามมีกรณีที่การรับตัวแปรมีประโยชน์ แอปพลิเคชันการประมวลผลสัญญาณบางอย่างใช้แอมพลิฟายเออร์เกนแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล

แอมพลิฟายเออร์มักได้รับการออกแบบให้ทำงานได้ดีในแอปพลิเคชั่นที่เฉพาะเจาะจงเช่น: เครื่องส่งสัญญาณและตัวรับสัญญาณวิทยุและโทรทัศน์อุปกรณ์สเตอริโอคุณภาพสูง (“hi-fi”) ไมโครคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ดิจิตอลอื่น ๆ เครื่องขยายเสียงทุกเครื่องมีอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่อย่างน้อยหนึ่งตัวเช่นหลอดสุญญากาศหรือทรานซิสเตอร์