دليل: ماذا تعني فئات مكبرات الصوت؟

نص: كاري نيفالاينن
نُشر في مجلة AVPlus العدد 2/2018.

مضخم الصوت عالي الدقة هو جهاز يحوّل إشارة ضعيفة (تذبذب كهربائي) من مصدر الصوت إلى إشارة قوية كافية لتشغيل مكبر الصوت. يتكون المضخم عادةً من وحدة تغذية طاقة، ومرحلة تمهيدية (لتقوية إشارة الدخل: الكسب، المعاوقة)، ومرحلة تشغيل (تشغل مرحلة الطاقة وتعمل كمحول طور عند الحاجة)، ومرحلة طاقة (تزود مكبرات الصوت بالطاقة). إذا كانت جميع هذه المكونات مجتمعة في مضخم واحد، يُطلق عليه اسم مضخم متكامل.
عند الحديث عن فئات المضخمات، فإننا نتحدث بشكل أساسي عن مبدأ عمل مرحلة الطاقة. إشارة الدخل التي تعالجها المضخمات الأولية (مضخمات سماعات الرأس وغيرها) والمرحلة الأمامية لمرحلة الطاقة تكون منخفضة للغاية، بحيث يكفي عمليًا استخدام فئة تشغيل واحدة (A) لتضخيمها. يختلف الوضع في مرحلة الطاقة للمضخمات المتكاملة أو في مضخمات الطاقة المنفصلة (أحادية/ستيريو).

الفئة أ

يمكن تصميم مرحلة القدرة في مضخم الطاقة للعمل ضمن الفئة A، ولا تزال العديد من تطبيقات الفئة A موجودة، خاصةً في مضخمات الصمامات الإلكترونية، كما هو الحال في جميع مضخمات الصمامات الإلكترونية القديمة. وتعني الفئة A تقنيًا أن الصمام أو الترانزستور في الدائرة يعمل بشكل أحادي الاتجاه خلال دورة الإشارة بأكملها (نصفي دورة الإشارة)، أي يتم تضخيم إشارة الدخل بالكامل.
بالمقارنة مع أنواع المضخمات الأخرى، تتميز مضخمات الفئة A بخطية أعلى وبساطة أكبر، وخاصةً في التطبيقات أحادية الطرف (حيث يمكن لمضخم إزاحة الطور العمل ضمن الفئة A)، كما أنها تستهلك طاقة أقل. من ناحية أخرى، غالبًا ما يوصف الصوت الذي تنتجه مع مكبرات الصوت الحساسة بأنه ذو جودة أعلى من أنواع المضخمات الأخرى. يوجد عدد قليل من مضخمات الفئة A أحادية الطرف التجارية التي تعمل بالترانزستور، بينما يوجد عدد أكبر منها في التطبيقات التي تعمل بالصمامات.    
من خصائص الفئة A، سواءً كانت مضخمات صمامية أو ترانزستورية، ارتفاع فقد الطاقة. في الهياكل أحادية الطرف، لا تتجاوز الكفاءة نظريًا 25% كحد أقصى. أما في الهياكل المقترنة بمحولات، فيمكن الوصول إلى كفاءة 50%، ولكن مع إشارة موسيقية، تبقى الكفاءة القصوى بعيدة المنال، وعادةً ما تكون بضعة بالمئة فقط. وقد كان تحسين الكفاءة وتقليل استهلاك الطاقة في وضع الخمول السبب الرئيسي لاستخدام هياكل مضخمات الفئة B.

الفئة ب

يمكن زيادة الكفاءة بشكل ملحوظ (إلى 78,5%) وتقليل فقد الطاقة في حالة عدم التحميل باستخدام هياكل الطور المتناوب. في هذا النوع من التبديل، تُقسّم أنصاف دورات الإشارة بين ترانزستورات مختلفة (زوج متكامل) أو صمامات إلكترونية. في مضخمات الطور المتناوب، تكون الترانزستورات/الصمامات الإلكترونية في حالة تشغيل نصف الوقت وفي حالة إيقاف النصف الآخر، وبالتالي لا تستهلك طاقة. يتطلب هذا النوع من المضخمات فصل أنصاف دورات الإشارة (الموجبة/السالبة) في مرحلة القيادة بإزاحة طورية.
تتسبب نقطة الانتقال من نصف دورة إلى النصف التالي (عند نقطة الصفر، لا يكون الترانزستور ولا الصمام قيد التشغيل) بالضرورة في حدوث تشوه عابر، يكون في أقصى حالاته عند مستويات الإشارة المنخفضة. ويمكن تقليل هذا التشوه بزيادة جهد الانحياز الساكن.
الانحياز هو تيار صغير (c) يتسبب في مرور تيار أكبر عبر ترانزستورات الخرج. كلما زاد الانحياز، زاد التيار المتدفق عبر ترانزستورات الخرج، حتى في حالة الخمول، عندما لا يقوم المضخم بتضخيم إشارة صوتية. ويمكن حساب نقطة التشغيل التي تحدد فئة تشغيل المضخم من مقدار الانحياز.   

الفئة AB

عندما يكون الانحياز المطبق صغيرًا جدًا، يكون التصميم من الفئة B. وعند زيادة مقدار الانحياز، يصبح التصميم من الفئة AB. وبزيادة الانحياز بشكل كافٍ، يمكن الوصول إلى الفئة A. في مضخم الفئة AB (مرحلة القدرة)، تعمل الترانزستورات أو الصمامات عند مستوى إشارة منخفض في الفئة A، وعندما يرتفع مستوى الإشارة فوق مستوى معين، تعمل كالمضخم من الفئة B. العديد من مضخمات إزاحة الطور من الفئة A - أو تلك التي يتم الإعلان عنها على هذا النحو - موصولة مثل أي مضخم من الفئة AB، مع اختلاف أن التبريد وأبعاد المكونات في مضخمات الفئة A مصممة لتحمل انحيازًا ساكنًا أعلى من المعتاد.
في المتوسط، يُنتج مُضخّم الصوت من الفئة AB بضعة واط في الفئة A ثم ينتقل إلى الفئة B. حتى في أفضل الحالات، لا تتجاوز نسبة الفئة A في مُضخّمات AB 15%، ولكنها عادةً ما تكون 5%. كلما زادت نسبة الفئة A، زاد حجم مصدر الطاقة وارتفعت درجة حرارة الجهاز، حتى في وضع الخمول.
تُقلل الفئة AB جزئيًا من اللاخطية الموجودة في الفئة B، ولكن بالمقارنة مع مضخمات إزاحة الطور من الفئة A (ذات الانحياز العالي)، لا تزال مضخمات الفئة AB تعاني من المشاكل التي تنشأ عند إعادة توصيل إشارة غير خطية مقسمة إلى نصفَي دورة، والتي قد تكون مشوهة للغاية، في مرحلة خرج المضخم. ومع ذلك، فقد تم تقليل هذه المشاكل المتعلقة بالتشوه العابر (التيارات الداخلية المشوهة، والتحميل النبضي لمصدر الطاقة، والحساسية لدرجة الحرارة، وما إلى ذلك) إلى حد كبير، بحيث تعمل جميع مضخمات الخرج التجارية تقريبًا في الفئة AB حتى السنوات الأخيرة.  

الفئة د

المنافس الجديد للفئة AB هو الفئة D، حيث تعمل ترانزستورات الخرج كمفاتيح (إما موصلة بالكامل أو غير موصلة على الإطلاق في جميع الأوقات) ويتم التحكم بها (في أغلب الأحيان) بواسطة إشارة تعديل عرض النبضة (PWM). يتم ترشيح تردد التعديل، وهو مضاعف لأعلى تردد صوتي يتم تضخيمه، بواسطة مرشح تمرير منخفض، مما يجعل الإشارة الناتجة عن مرحلة خرج المضخم تشبه الإشارة التناظرية المُغذّاة إليها.
تتمثل أهم مزايا مضخمات الصوت من الفئة D في كفاءتها الممتازة (تصل في أفضل الأحوال إلى 95%)، بالإضافة إلى خفة وزنها وانخفاض حرارتها المتولدة. ويعود السبب في هاتين الميزتين الأخيرتين إلى أن مضخمات الصوت من الفئة D لا تتطلب مصدر طاقة ضخم.
لطالما كانت مضخمات الصوت من الفئة D أقل خطية من مضخمات الفئة A أو AB، ولم تُعتبر جودة صوتها الأفضل. مع ذلك، شهدت تقنية الفئة D تطورًا ملحوظًا في السنوات الأخيرة، وأصبح من المسلّم به الآن وجود دوائر مضخمات من الفئة D تُنتج صوتًا جيدًا. ومن المتوقع أن تصبح الفئة D أكثر شيوعًا، لا سيما في التطبيقات التي تتطلب كفاءة عالية (مثل الأجهزة التي تعمل بالبطاريات) والتي لا تحتاج إلى إعادة إنتاج ترددات عالية جدًا.

الفئة جي

مضخم الصوت من الفئة G هو نسخة معدلة من مضخم الصوت من الفئة B/AB. يعتمد تصميمه على حقيقة أن إشارة الموسيقى غالبًا ما تكون ذات سعة منخفضة، ولكنها قد تحتوي أحيانًا على نبضات عابرة قوية. يستخدم مضخم الصوت من الفئة G عدة جهود تشغيل مختلفة (اثنان على الأقل). عندما يكون مستوى إشارة الخرج منخفضًا، يستخدم المضخم جهدًا أقل. وعندما يرتفع مستوى إشارة الخرج فوق مستوى معين، يتم تحويل مرحلة الخرج إلى جهد تشغيل أعلى، ثم يعود إلى جهد أقل عندما ينخفض ​​مستوى إشارة الخرج. يقلل تصميم الفئة G من فقد الطاقة، وبالتالي يحسن كفاءة المضخم. مضخمات الصوت التجارية من الفئة G نادرة نسبيًا (من بين الشركات المصنعة Arcam و TelluriumQ).