EN
روابط سريعة
تُعتبر رقائق الدوائر المتكاملة للمضخّم أساسًا جهازًا يأخذ إشارات الصوت الصغيرة جدًا ويعززها بما يكفي لجعلها قابلة للعمل مع الحفاظ على جودة الصوت. وهي موجودة تقريبًا في كل مكان في معدات الصوت الحديثة، حيث تحوّل الإشارات الضعيفة جدًا الناتجة عن أجهزة مثل الميكروفونات أو المحولات التناظرية (DACs) - تلك المحولات الرقمية إلى تناظرية التي نعرفها ونحبها - إلى إشارات قوية بدرجة كافية لتشغيل مكبرات الصوت. فكّر في الأمر بهذه الطريقة: لن تتمكن هواتفنا وأجهزة البث من إنتاج أي صوت ذي قيمة بدون هذه الرقائق الصغيرة العاملة داخلها. حاليًا، يعتمد حوالي 93 بالمئة من أجهزة الصوت الاستهلاكية الموجودة على هذا النوع من التكنولوجيا القائمة على الرقائق. ولكن انتظر، فهناك المزيد! لا تقوم هذه الرقائق فقط بتعزيز الأصوات، بل تقوم أيضًا بإزالة الضوضاء الخلفية، والحفاظ على استقرار الجهد الكهربائي، وتحمي في الواقع الأجزاء الأخرى من النظام من التلف عندما تصبح الأمور شديدة التوتر.
يُبدي المزيد من الناس رغبتهم في أن يبدو الصوت اليومي الذي يستمعون إليه كما لو أنه صادر مباشرة من استوديو تسجيل، وبالتالي يجب أن تُبقي دوائر التضخيم المتكاملة التشويه التوافقي الكلي (THD) أقل من 0.01% عبر كامل النطاق الترددي من 20 هرتز إلى 20 كيلوهرتز. وقد أوجد سوق سماعات الأذن اللاسلكية، وأجهزة الصوت المنزلية (Soundbars)، وأنظمة الصوت في السيارات مشكلة حقيقية للمصنّعين الذين يتعين عليهم إنتاج دوائر متكاملة بمعدّلات ضوضاء تقل عن 2 ميكروفولت وكفاءة في استهلاك الطاقة تزيد عن 85 بالمئة. ولتلبية هذه المتطلبات، لا بد من دمج خصائص مثل التحكم التكيّفي في الكسب والحماية الحرارية، وكل ذلك ضمن أحجام حِزم صغيرة جدًا. وليس هذا اتجاهًا مؤقتًا فحسب، بل إن القطاع يشهد نموًا سنويًا بنسبة 18% تقريبًا في معدات الصوت ذات الحجم الصغير، مما يجعل هذه الحلول المدمجة ضرورية تمامًا للحفاظ على القدرة التنافسية في السوق الحالي.
يُحافظ التصميم الأمثل لدارة المضخم على خطية الإشارة مع تقليل الحرارة إلى الحد الأدنى. وتتفاوت أهداف الأداء الرئيسية بشكل كبير بين التطبيقات:
| المعلمات | هدف نظام الصوت المنزلي | هدف الجهاز المحمول |
|---|---|---|
| قدرة الإخراج | 50–100 واط | 1–5 واط |
| التشويه الكلي عند التحميل الكامل | <0.005% | <0.03% |
| الجهد العامل | ±15 فولت – 35 فولت | 3.3 فولت – 5 فولت |
توفر دارات المضخمات من الفئة AB توازنًا بين التشويه المنخفض والكفاءة المعتدلة، مما يجعلها مثالية للصوت المنزلي. بالمقابل، تهيمن رقائق الفئة D على الإلكترونيات المحمولة من خلال تعديل عرض النبضة (PWM)، حيث تقلل الفقد في الطاقة بنسبة 40–60% مقارنة بالتقنيات التناظرية التقليدية.
عند إعداد نظام مكبر الصوت، ابدأ بتحديد نوع الإشارات التي يحتاج إلى التعامل معها ومقدار الطاقة التي يجب أن تخرج من الطرف الآخر. تتطلب معظم إعدادات المسارح المنزلية ما لا يقل عن 50 واط لكل قناة مكبر صوت، لكن مكبرات الصوت الصغيرة التي تعمل بالبلوتوث عادةً ما تعمل بشكل جيد بأقل من 10 واط. كما أن الظروف البيئية مهمة أيضًا. يجب أن تكون المكبرات الموضوعة في الخارج قادرة على تحمل التغيرات في درجة الحرارة دون أن تسخن بشكل مفرط، في حين يجب أن تعمل الأجهزة التي تُلبس على الجسم بطاقة منخفضة جدًا، غالبًا أقل من 100 ملي واط. إن تحقيق التوافق الصحيح بين المتطلبات الكهربائية ومصادر الطاقة المتاحة منذ البداية يمكن أن يوفر على الشركات المصنعة مشكلات لاحقًا عندما قد تضطر إلى إعادة تصميم دوائر كاملة لأن شيئًا ما لم يكن مناسبًا بشكل صحيح.
عندما يتعلق الأمر بالدقة الصوتية العالية في المنزل، فإن هذه الأنظمة تركز فعليًا على تحقيق نطاق ترددي كامل من 20 هرتز حتى 20 كيلوهرتز مع تباين ضئيل جدًا لا يتجاوز ±0.5 ديسيبل. كما تبحث هذه الأنظمة عن تشويه توافقي كلي أقل من 0.01%، ولهذا السبب ما زال الكثيرون يعتمدون على رقائق مكبرات الصوت من الفئة AB، على الرغم من أنها ليست فعّالة بقدر غيرها. من ناحية أخرى، تعتمد الأجهزة المحمولة مثل سماعات الأذن اللاسلكية الصغيرة عادةً على تقنية الفئة D لأنها تعمل بشكل أفضل بكثير مع الأجهزة التي تعمل بالبطارية. يمكن لهذه التصاميم أن تصل بكفاءة تزيد عن 85% مع استهلاك مساحة ضئيلة جدًا. في الواقع، تستقر معظم المنتجات العاملة بالبطارية على نسبة إشارة إلى ضجيج أقل نسبيًا تبلغ حوالي 90 ديسيبل بدلًا من المعيار البالغ 110 ديسيبل الموجود في أنظمة المنازل، وذلك عند محاولة تمديد عمر البطارية. ومن خلال النظر إلى ما يريده الناس حاليًا، تشير أبحاث السوق إلى أن نحو سبعة من كل عشرة مستهلكين يولون اهتمامًا أكبر بإمكانية حمل معدات الصوت الخاصة بهم مقارنةً بالحصول على أقصى صوت ممكن عند استخدام الأجهزة أثناء التنقّل.
أحدث مضخمات الصوت الدوائر المتكاملة تأتي الآن مع معالجات إشارات رقمية مدمجة وواجهات اتصال I2C مباشرة على الرقاقة نفسها. يقلل هذا التقدم من احتياجات لوحة الدوائر المطبوعة بنسبة تقارب 40٪ مقارنة بما كان متاحًا في عام 2018. ما المغزى العملي من ذلك؟ يمكن للمصنعين إنشاء أنظمة مكبرات صوت ذكية كاملة باستخدام حزمة رقاقة واحدة فقط تقوم بكل شيء بدءًا من معالجة الصوت وصولاً إلى تضخيم الطاقة والاتصالات اللاسلكية. ولكن هناك عقبة جديرة بالذكر. مع اقتراب هذه المكونات أكثر من بعضها البعض، تصبح مشكلة التداخل الكهرومغناطيسي أكبر. لاحظت صناعة السيارات ذلك أيضًا، حيث يختار حوالي ثلثي مصنعي أنظمة الصوت للسيارات وحدات مضخمات مصفّاة خصيصًا لضمان عمل منتجاتهم بشكل موثوق على الرغم من الضوضاء الإلكترونية داخل المركبات.
يمنع مطابقة دوائر التضخيم الخاصة بالإشارات مع مستويات الإشارة الداخلة ونطاقات التردد حدوث التشويه والانحطاط. وفقًا لدراسات حديثة، فإن 63% من مشكلات الدوائر الصوتية ناتجة عن اختلاف نطاقات الإدخال. تحتاج الأجهزة المركّزة على الصوت إلى نطاق ترددي يتراوح بين 300 هرتز و3.5 كيلوهرتز فقط، في حين تتطلب الأنظمة الممتازة تغطية كاملة تتراوح بين 20 هرتز و20 كيلوهرتز لإعادة إنتاج المحتوى عالي الدقة بدقة.
يحدد كسب الجهد (المقاس بوحدة ديسيبل) مدى تضخيم الإشارة، في حين يؤثر كسب القدرة على قدرة تشغيل السماعات. تلبي دوائر التضخيم ذات الكسب ما بين 40 و60 ديسيبل احتياجات 89% من التطبيقات الصوتية الاستهلاكية. وتصل كفاءة دوائر الفئة D إلى أكثر من 90% في الأجهزة المحمولة من خلال تنظيم الكسب الأمثل وتقنيات التعديل بعرض النبض (PWM).
| طبقة النطاق الترددي | حالة الاستخدام | التشويه التوافقي الكلي عند 1 كيلوهرتز |
|---|---|---|
| 50 هرتز – 15 كيلوهرتز | أنظمة مكبرات الصوت الأساسية | <0.5% |
| 10 هرتز – 25 كيلوهرتز | الصوت عالي الوضوح (Hi-Fi) | <0.01% |
يُعدّ عدد متزايد من دوائر التكبير الصوتية المتكاملة (ICs) يتجاوز الآن نطاق ترددها 25 كيلوهرتز، مما يضمن دعم تنسيقات الصوت عالية الدقة. ويعكس هذا الاتجاه توقعات المستهلكين المتغيرة والتقدم الحاصل في تصميم الدوائر التكاملية التناظرية.
تُحقق مضخمات اليوم التي تقل مساحتها عن 2 مم² كسبًا يصل إلى 100 ديسيبل باستخدام حلقات تغذية راجعة متداخلة وشبكات تعويض داخل الرقاقة. وقد ساهمت التطورات في التحكم التكيفي بالانحياز في تحسين موثوقية إيقاف الحرارة بنسبة 40٪ في تصاميم عام 2024، مما يتيح تشغيلًا مستقرًا بقدرة خرج عالية دون مخاطر التذبذب.
يقيس إجمالي التشوه التوافقي (THD) التوافقيات غير المرغوب فيها التي تُدخل أثناء عملية التكبير. ولإعادة الإنتاج بدقة عالية، ينبغي أن تحافظ الدوائر التكاملية للمضخمات على قيمة THD أقل من 0.01%. ووجد معيار أُصدر عام 2023 من شركة Audio Precision أن التصاميم التي حققت أقل من 0.005% في قيمة THD قللت التشوه المدرك بنسبة 42% في اختبارات الاستماع العمياء مقارنة بتلك التي كانت قيمتها 0.03%.
تشير نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) إلى مدى قدرة المضخم على كتم الضوضاء الخلفية. تتطلب المعدات عالية الجودة نسبة SNR تبلغ 110 ديسيبل للكشف عن التفاصيل الدقيقة في المسارات عالية الدقة. تُظهر الأبحاث أن تفضيل المستمعين يزداد بنسبة 27٪ عندما تتحسن نسبة SNR من 105 ديسيبل إلى 112 ديسيبل، مما يبرز تأثيرها على جودة الصوت المدركة.
تؤدي مطابقة ممانعة خرج المضخم (عادةً ما تكون بين 2–8 أوم) مع حمل السماعات إلى استجابة ترددية مسطحة. ويمكن أن تؤدي سوء المطابقة إلى فقدان يصل إلى 3 ديسيبل في الترددات المتوسطة، مما يقلل من الوضوح والتوازن – وهو ما تم تأكيده في تحليل عام 2024 لنظم استهلاكية عددها 120 نظامًا.
حققت الدوائر المتكاملة للمضخمات المتطورة الآن تشويهًا كليًا متناسقًا (THD) منخفضًا جدًا يصل إلى 0.00008%، ما ينافس تصاميم المكونات المنفصلة. كما توفر هذه النماذج نسبة SNR تصل إلى 130 ديسيبل مع استهلاك ثلث الطاقة مقارنة بالأجيال السابقة – مما يمكن الأجهزة الصغيرة التي تعمل بالبطارية من تقديم صوت عالي الدقة حقًا.
الجدول: حدود وفاء الصوت الرئيسية
| المتر | نهاية الدخول | راقية | معيار مرجعي |
|---|---|---|---|
| THD | <0.1% | <0.005% | <0.001% |
| SNR | 90dB | 110dB | 120DB |
| ناتج الطاقة | 10 واط @ 10% تشويه تلدين كلي (THD) | 50 واط @ 0.1% تشويه تلدين كلي (THD) | 100 واط @ 0.01% تشويه تلدين كلي (THD) |
(البيانات: معايير أداء الصوت IEC 60268-3 2023)
يتطلب اختيار دائرة التضخيم المتكاملة المثالية توافق القدرات التقنية مع أولويات التطبيق. فيما يلي ثلاث اعتبارات رئيسية للمهندسين.
يتمثل الاختيار بين فئات الدوائر المضخمة في تحقيق توازن بين الكفاءة والحرارة والدقة.
| فصل | الكفاءة | أداء التشويه التلدين الكلي (THD) | توليد الحرارة | الاستخدام النموذجي |
|---|---|---|---|---|
| أ | <40% | منخفض جدًا (0.01%) | مرتفع | هواة الصوت عالي الجودة |
| AB | 50–70% | منخفض (0.03%) | معتدلة | أنظمة صوتيّة للسينما المنزلية |
| D | 90% | متوسط (0.1%) | الحد الأدنى | بلوتوث محمول |
توفر الفئة A صوتًا نقيًا تمامًا ولكنها تولد حرارة كبيرة وعدم كفاءة، مما يحد من استخدامها في الأجهزة التي تعمل بالبطارية. وتوفر الفئة AB توازنًا مناسبًا، وهي مناسبة لمعظم أنظمة الصوت المنزلية. وكما تُظهر المقارنات بين فئات المكبرات، فإن الفئة D تهيمن على التطبيقات الحديثة المحمولة والسيارات بفضل كفاءتها العالية في استهلاك الطاقة.
تتميز الدوائر المتكاملة من الفئة D بنسبة كفاءة تزيد عن 90%، ما يعني عمرًا أطول بكثير للبطارية في أشياء مثل السماعات اللاسلكية وأجهزة السمع. وتعمل هذه الشرائح سحرها من خلال تعديل عرض النبضة، حيث تقوم بالتبديل ترانزستورات تشغيل وإيقاف بسرعات مذهلة. يؤدي هذا التبديل السريع إلى تقليل هدر الطاقة بشكل كبير، مع انخفاض إنتاج الحرارة بنسبة تصل إلى 70٪ مقارنةً بتقنية الفئة AB القديمة. ونتيجة لذلك، يمكن للمصنّعين تصميم منتجات أنيقة وأخف وزنًا دون المساس بمدة الصلاحية الفعلية بين الشحنات. كانت هناك وصمة سابقة مرتبطة بالفئة D بسبب مشكلات تشويه الصوت، لكن التطورات الحديثة جعلت التشويش التوافقي الكلي أقل من 0.1٪. وقد أصبح هذا الأداء الآن يستوفي جميع المتطلبات الضرورية للإلكترونيات الاستهلاكية عالية الجودة في جميع أنحاء السوق.
تُبقي مكبرات الصوت التناظرية المصنوعة من الدوائر المتكاملة التي نعرفها بفئتي A وAB الإشارات مستمرة دون انقطاع، ولهذا السبب فهي شائعة جدًا في أنظمة المراقبة الاحترافية ومعدات الصوت الفاخرة. فحتى أصغر قدر من التشويه يمكن أن يؤثر بشكل كبير على تشكّل الصورة الصوتية وعلى الانطباع المكاني لمصدر الصوت. أما التضخيم الرقمي المستند إلى تقنية التعديل عرض النبض (PWM)، فهو يضحّي بقدر ضئيل من الخطية مقابل تحسينات هائلة في كفاءة استهلاك الطاقة. ولهذا السبب تدمج العديد من أنظمة الصوت في السيارات كلا النهجين معًا. وعادةً ما تتولى الفئة AB مهام مكبرات الصوت الأمامية حيث تكون وضوح التفاصيل هو الأهم، بينما تتولى الفئة D تشغيل وحدات السماعات المنخفضة (الساب ووفر) الكبيرة التي تحتاج إلى طاقة كبيرة جدًا لتحريك كميات الهواء الضخمة المرتبطة بالترددات المنخفضة. ويُعد هذا التكوين المختلط حلًا فعّالاً لتحقيق أفضل جودة صوت ممكنة دون استنزاف سريع لطاقة البطارية.