مكبرات الصوت العرضية Transverse Amplifiers

دوائر التمهيد التماثلية هي تقليدياً تلك التي يتم فيها تغذية الناتج مرة أخرى إلى المدخلات وعادةً لزيادة مقاومة المدخلات، كما يمكن أن يكون هذا لتقليل المكونات المقاومة أو التفاعلية عادةً بالسعة لمقاومة الإدخال أو كليهما، ويستخدم المصطلح أيضاً مع محركات “MOSFET”، حيث يتم شحن المكثف واستخدامه لضخ جهد لمحرك البوابة.

ما هي مكبرات الصوت العرضية Transverse Amplifiers؟

مكبرات الصوت العرضية “Transverse Amplifiers”: هو مضخم جديد للاستخدام في تطبيقات مستقبل الألياف الضوئية أو التطبيقات الأخرى التي يتم فيها استخدام كاشف إشارة مثل الثنائي الضوئي الذي يعرض سعة إدخال كبيرة لدائرة المستقبل، كما يجمع المضخم الأولي بين ميزات “transimpedance” لتوليد ناتج جهد من الإشارة الداخلة الحالية الناتجة عن الثنائيات الضوئية المستخدمة في مثل هذه التطبيقات، وميزات التمهيد التي يتم فيها تمهيد سعة الثنائي الضوئي لتقليل تأثيرها على جهاز الاستقبال.

• “MOSFET” هي اختصار لـ “metal-oxide-semiconductor field-effect transistor”.

الهدف من مكبرات الصوت العرضية Transverse Amplifiers:

يتعلق الهدف بشكل أساسي بمجال المستقبلات، حيث يشكل مدخل الإشارة مصدر تيار سعوي، وعلى وجه الخصوص الثنائيات أو الترانزستورات المستخدمة؛ لاستشعار أو اكتشاف الأشكال الضوئية أو غيرها من الإشعاع، كما يرتبط الاختراع بشكل خاص بمجال الكاشفات والمضخمات الأولية المرتبطة بها للاستخدام في مستقبلات الألياف الضوئية، أو للاستخدام في المستقبلات لاكتشاف الإشارات الضوئية وتضخيمها.

أو لاكتشاف الأشكال الضوئية أو غيرها من الإشعاع، بما في ذلك بعض أشكال الإشعاع النووي التي يمكن اكتشافه باستخدام الثنائيات شبه الموصلة والترانزستورات، وفي السنوات الأخيرة تم إنفاق الكثير من جهود البحث والتطوير في تطوير أنظمة اتصالات الألياف الضوئية، والتي يتم فيها إرسال الإشارات الرقمية أو التماثلية عبر الألياف الضوئية من نقطة إلى أخرى، باستخدام الإشعاع على الترددات الضوئية، وتم استكشاف اعتماد أنظمة اتصالات الألياف الضوئية من قبل شركات الهاتف؛ لنقل المكالمات الهاتفية عبر مسافات طويلة.

ومن قبل الشركات الأخرى التي تشارك في اتصالات البيانات المحلية لنقل كميات كبيرة من البيانات بسرعة بين أجزاء من نظام معالجة البيانات، أو بين أنظمة معالجة البيانات المختلفة في مكان مشترك، كما تتمثل الفائدة الأساسية من استخدام الموجات الضوئية كوسيلة؛ لنقل المعلومات في حقيقة أنّ المزيد من المعلومات.

فعلى سبيل المثال أجزاء من البيانات أو الرسائل الهاتفية، يمكن حملها بواسطة الموجة الضوئية ذات التردد العالي في فترة زمنية أقصر، ممّا هو ممكن على أجزاء من الطيف الكهرومغناطيسي التي تم استخدامها حتى الآن لنقل المعلومات.

ومع ذلك فإنّ أنظمة الاتصالات الضوئية تنطوي على العديد من المشاكل التي لم يتم تقديمها من خلال ترتيبات نقل المعلومات السابقة، فعلى سبيل المثال لا يسمح استخدام الموجات الضوئية بتوصيل كهربائي مباشر بين المرسل والمستقبل كما هو الحال في الترتيبات السابقة، ممّا يستلزم أجهزة استقبال وكاشفات جديدة لتغيير الموجات الضوئية إلى إشارات كهربائية.

عناصر الدائرة الأكثر استخداماً لاستقبال الإشارات الضوئية هي الثنائيات الضوئية وأجهزة الترانزستورات الضوئية، والتي تعمل بطريقة تشبه إلى حد بعيد الثنائي الضوئي على الأقل فيما يتعلق بوصلة قاعدة الباعث، وفي تطبيق نموذجي يكون الثنائي الضوئي متحيزاً عكسياً بحيث لا يتم إجراءه بشكل طبيعي كما يتم توجيه الفوتونات التي تتألف منها الموجة الضوئية إلى تقاطع “p-n” في الثنائي الضوئي، ممّا يؤدي إلى تدفق تيار من خلال التقاطع.

في إرسال البيانات الرقمية يمكن أنّ يشير الاختلاف الزمني في عدد الفوتونات المستقبلة إلى استلام جزء من البيانات الرقمية، وفي الحالة التماثلية يمكن أن يختلف عدد الفوتونات المستلمة وفقاً لاتساع الإشارة التماثلية المعدلة بالسعة، والتي سيتم استقبالها بواسطة الثنائي الضوئي كمقادير متفاوتة من التيار عبرها.

فوائد مكبرات الصوت العرضية Transverse Amplifiers:

إنّ لنظام مكبرات الصوت العرضية تأثيرات مفيدة على الضوضاء، وضوضاء مضخم الثنائي الضوئي الذي يعمل كمضخم للمقاومة “TIA”، هو مزيج معقد من ضوضاء الصمام الثنائي وضوضاء التيار المضخم وضوضاء جهد المضخم وضوضاء جونسون الحرارية لمقاوم التغذية المرتدة، ويتم مضاعفة جهد إزاحة مكبر الصوت وضوضاء الجهد الداخل المكافئ عن طريق كسب ضوضاء الدائرة ويظهر عند الناتج.

كما أنّ كسب ضوضاء التيار المستمر هو “1 + RF / RIN”، وأنّ كسب ضوضاء التيار المتردد هو “1 + CIN / CF”، ونظراً لأنّ التمهيد يجعل مقاومة الصمام الثنائي تبدو غير محدودة فإنّ كسب ضوضاء التيار المستمر هو “1”، وهذا يعني أنّ جهد إزاحة مكبر الصوت لا يتضاعف عندما يظهر عند النواتج.

وبدون “JFET” تكون سعة الإدخال هي سعة الصمام الثنائي بالإضافة إلى سعة إدخال مكبر الصوت بالإضافة إلى أي سعة ضائعة على تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة “PCB”، وتهيمن سعة الصمام الثنائي “3000-pF” على هذا بحيث يكون كسب ضوضاء التيار المتردد “1 + 3015 / 0.25” أو “12061”، ومع “JFET” تنخفض سعة دخل الدائرة إلى مجموع سعة “JFET” وسعة إدخال مكبر الصوت والسعة الضائعة.

وبالتالي يكون كسب ضوضاء التيار المتردد هو “1 + 25 / 0.25” أو “101”، ويتم ضرب الضوضاء الداخلة المكافئة للمكبر في كسب ضوضاء التيار المتردد، وتظهر التحسينات في أداء ضوضاء الدائرة عندما ينتقل كسب ضوضاء التيار المتردد من “12061” إلى “101”، وتضيف مساهمة “1-nV / Hz لـ JFET RMS” إلى ضجيج مكبر الصوت البالغ “8 nV / Hz”، لإعطاء “8.2 nV / هرتز”، وتعني إضافة “RMS” أنّ الضوضاء المكافئة لمدخل مكبر الصوت الأكبر هي السائدة.

• “RMS” هي اختصار لـ “Root Mean Square”.

• “JFET” هي اختصار لـ “Junction Field Effect Transistor”.

• “PCB” هي اختصار لـ “Printed Circuit Board”.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio frequency”.

• “TIA” هي اختصار لـ “Telecommunications Industry Association”.

أساسيات مكبرات الصوت العرضية Transverse Amplifiers:

تستخدم مكبرات الصوت “Transverse Amplifiers” التي تستعمل مضخمات تشغيلية لردود الفعل على نطاق واسع؛ لتحويل التيار إلى الجهد في التطبيقات عندما تكون هناك حاجة إلى عرض نطاق متوسط ​​أو مرتفع وحساسية عالية، مثل الثنائيات الضوئية والمضاعفات الضوئية ومضاعفات الإلكترون وأجهزة الاستشعار السعوية، كما تقدم الدائرة التقليدية أرضاً افتراضية للمدخلات.

وعند الترددات المنخفضة لا تكون سعة الإدخال عادةً مصدر قلق كبير، ومع ذلك عند الترددات العالية وخاصة بالنسبة للدوائر عالية الحساسية، يمكن أن تحد سعة الإدخال الإجمالية بشدة من عرض النطاق الترددي المتاح من الدائرة، وتشكل سعة الإدخال المستخدمة جزءاً من شبكة التغذية المرتدة الخاصة بـ “op-amp” وبالتالي تقلل من كسب الحلقة المتاحة عند الترددات العالية.

في بعض الحالات يمكن أن تتسبب سعة الإدخال العالية في أن يكون للدائرة استجابة ديناميكية ضعيفة أو غير مستقرة، ويتم استخدام تعويض التأخير عن طريق إضافة سعة التغذية المرتدة بشكل عام لضمان الاستقرار، ولكنّ هذا النهج لا يسمح باستغلال خاصية عرض النطاق الترددي للكسب الكامل لجهاز “op-amp” بشكل كامل، ومبدأ التمهيد الأساسي هو استخدام مضخم عازلة إضافي لشحن وتفريغ السعة المدخلة على النحو المطلوب.

ومن خلال القيام بذلك يتم تقليل سعة المصدر الفعالة ممّا يتيح زيادة عرض النطاق الترددي الكلي للدائرة، والتكوينات التمهيدية الممكنة هي حلقات تمهيدية متسلسلة أو حلقات تحويلية، إمّا بمصادر عائمة أو مؤرضة (Ground) مطبقة على دائرة العبور الأساسية، واستخدمت التقنيات السابقة تقنية السلسلة على سبيل المثال في حالة تمهيد الثنائي الضوئي بواسطة مصدر إدخال “FET”.

• “FET” هي اختصار لـ “Field-effect transistor”.

• “op-amp” هي اختصار لـ “Operational amplifier”.