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एम्पलीफायर IC चिप्स मूल रूप से उन छोटे ऑडियो सिग्नल को लेते हैं और ध्वनि गुणवत्ता को बरकरार रखते हुए उन्हें प्रयोग योग्य बनाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली बना देते हैं। आज के ऑडियो उपकरणों में ये लगभग हर जगह मौजूद हैं, जो माइक्रोफोन या DAC (उन डिजिटल टू एनालॉग कनवर्टर्स जिन्हें हम सभी जानते और पसंद करते हैं) जैसी चीजों से आने वाले बेहद कमजोर सिग्नल को स्पीकर्स को चलाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली बना देते हैं। इस तरह सोचिए: इन छोटे मेहनती चिप्स के बिना हमारे फोन और स्ट्रीमिंग बॉक्स कोई ऐसी ध्वनि उत्पन्न नहीं कर पाते जिसे सुनने लायक माना जा सके। आजकल बाजार में मौजूद लगभग 93 प्रतिशत उपभोक्ता ऑडियो उपकरण इसी तरह की चिप तकनीक पर निर्भर हैं। लेकिन रुकिए, अभी और भी कुछ है! ये चिप्स केवल ध्वनि को प्रवर्धित ही नहीं करते हैं। वे पृष्ठभूमि के शोर को भी साफ करते हैं, वोल्टेज को स्थिर रखते हैं, और जब चीजें बहुत तीव्र हो जाती हैं तो प्रणाली के अन्य भागों को क्षति से बचाते भी हैं।
आजकल अधिक लोग चाहते हैं कि उनकी दैनिक ऑडियो ध्वनि सीधे रिकॉर्डिंग स्टूडियो से आई हो, इसलिए एम्पलीफायर आईसी को पूरी 20Hz से 20kHz आवृत्ति सीमा में कुल तनाव विकृति (THD) को 0.01% से कम बनाए रखने की आवश्यकता होती है। वायरलेस इयरबड्स, घरेलू साउंडबार और कार ऑडियो सिस्टम के बाजार ने निर्माताओं के लिए वास्तविक समस्या पैदा कर दी है, जिन्हें 2 माइक्रोवोल्ट से कम के शोर के स्तर और 85 प्रतिशत से अधिक की ऊर्जा दक्षता दर के साथ आईसी बनाने होते हैं। इन आवश्यकताओं को पूरा करने का अर्थ है अनुकूली लाभ नियंत्रण और तापीय सुरक्षा जैसी सुविधाओं को छोटे से छोटे पैकेज आकार के भीतर शामिल करना। और यह केवल एक समय के लिए का रुझान नहीं है। छोटे आकार वाले ऑडियो उपकरणों में उद्योग में प्रति वर्ष लगभग 18% की वृद्धि देखी जा रही है, जो आज के बाजार में प्रतिस्पर्धी बने रहने के लिए इन संक्षिप्त समाधानों को पूरी तरह से आवश्यक बनाता है।
सिग्नल रैखिकता को बनाए रखते हुए ऊष्मा को कम से कम करने के लिए इष्टतम एम्पलीफायर आईसी डिज़ाइन। कुंजी प्रदर्शन लक्ष्य अनुप्रयोगों के बीच काफी भिन्न होते हैं:
| पैरामीटर | गृह ऑडियो लक्ष्य | पोर्टेबल उपकरण लक्ष्य |
|---|---|---|
| आउटपुट पावर | 50–100W | 1–5W |
| पूर्ण भार पर THD | <0.005% | <0.03% |
| संचालन वोल्टेज | ±15V–35V | 3.3V–5V |
क्लास AB एम्पलीफायर आईसी कम विकृति और मध्यम दक्षता का संतुलन बनाते हैं, जिससे उन्हें घरेलू ऑडियो के लिए आदर्श बनाता है। इसके विपरीत, पल्स-चौड़ाई मॉड्यूलेशन (PWM) के माध्यम से क्लास D चिप्स पारंपरिक एनालॉग टोपोलॉजी की तुलना में 40–60% तक शक्ति हानि को कम करके पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स में प्रभुत्व स्थापित करते हैं।
एम्पलीफायर सिस्टम सेट करते समय, सबसे पहले यह तय करें कि इसे किस तरह के सिग्नल्स को संभालने की आवश्यकता है और दूसरे छोर से कितनी शक्ति निकलनी चाहिए। अधिकांश घरेलू थिएटर सेटअप प्रति स्पीकर चैनल कम से कम 50 वाट चाहते हैं, लेकिन वे छोटे ब्लूटूथ स्पीकर आमतौर पर 10 वाट से कम पर भी ठीक काम करते हैं। पर्यावरणीय स्थितियों का भी महत्व होता है। बाहर रखे गए स्पीकर्स को ओवरहीट हुए बिना तापमान में बदलाव सहने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए, जबकि शरीर पर पहने जाने वाले उपकरण अत्यंत कम शक्ति पर चलने लायक होने चाहिए, अक्सर 100 मिलीवाट से भी कम। विद्युत आवश्यकताओं और उपलब्ध शक्ति स्रोतों के बीच सही मिलान करने से निर्माताओं को बाद के चरणों में होने वाली परेशानियों से बचाया जा सकता है, जब अन्यथा कुछ ठीक से मिल न पाने के कारण पूरे सर्किट को फिर से डिज़ाइन करना पड़ सकता है।
घर पर उच्च विश्वसनीयता की बात आने पर, ये सिस्टम केवल 0.5 डीबी के थोड़े से भिन्नता के साथ 20 हर्ट्ज़ से लेकर 20 किलोहर्ट्ज़ तक की पूर्ण रेंज प्राप्त करने पर वास्तव में ध्यान केंद्रित करते हैं। इनका उद्देश्य 0.01% से कम कुल आवृत्ति विकृति प्राप्त करना भी होता है, जिसी कारण अधिकांश लोग अभी भी Class AB एम्पलीफायर चिप्स का उपयोग करते हैं, भले ही वे इतनी कुशलता से काम न करते हों। दूसरी ओर, छोटे वायरलेस इयरबड्स जैसे पोर्टेबल उपकरण आमतौर पर Class D तकनीक पर निर्भर करते हैं क्योंकि यह बैटरी से चलने वाले उपकरणों के लिए बहुत बेहतर काम करती है। ये डिज़ाइन लगभग कोई जगह न घेरते हुए 85% से अधिक दक्षता प्राप्त कर सकते हैं। बैटरी चलित अधिकांश उत्पाद बैटरी जीवन को बढ़ाने का प्रयास करते समय घरेलू सिस्टम में पाए जाने वाले 110 डीबी मानक के बजाय लगभग 90 डीबी के आसपास के थोड़े कम सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात पर सहमति दे देते हैं। आजकल लोगों की इच्छाओं को देखते हुए, बाजार अनुसंधान से पता चलता है कि लगभग सात में से दस उपभोक्ता अपने ऑडियो उपकरणों को ले जाने की क्षमता के बारे में अधिक चिंतित हैं, जब वे गति में उपकरणों का उपयोग कर रहे होते हैं, तो संभवतः सबसे ऊंची ध्वनि आउटपुट की तुलना में।
नवीनतम एम्पलीफायर एकीकृत सर्किट अब चिप में ही बिल्ट-इन डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर और I2C संचार इंटरफ़ेस के साथ आते हैं। इस उन्नयन से 2018 में उपलब्ध चिप्स की तुलना में प्रिंटेड सर्किट बोर्ड के लिए आवश्यक जगह लगभग 40% तक कम हो गई है। व्यावहारिक रूप से इसका क्या अर्थ है? निर्माता केवल एक चिप पैकेज का उपयोग करके पूर्ण स्मार्ट स्पीकर सिस्टम बना सकते हैं जो ध्वनि प्रसंस्करण से लेकर शक्ति प्रवर्धन और वायरलेस कनेक्शन तक सभी कार्य संभालता है। लेकिन एक बात का ध्यान रखना महत्वपूर्ण है। जैसे-जैसे इन घटकों को एक-दूसरे के निकट पैक किया जाता है, वैद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप एक बड़ी समस्या बन जाता है। इसे ऑटोमोटिव उद्योग ने भी ध्यान में रखा है, जहाँ लगभग दो-तिहाई कार ऑडियो निर्माता वाहनों के अंदर इलेक्ट्रॉनिक शोर के बावजूद अपने उत्पादों के विश्वसनीय कार्य को सुनिश्चित करने के लिए विशेष रूप से शील्ड किए गए एम्पलीफायर मॉड्यूल का चयन कर रहे हैं।
इनपुट सिग्नल स्तरों और आवृत्ति सीमाओं के साथ एम्पलीफायर आईसी का मिलान करने से क्लिपिंग और गिरावट रोकी जाती है। हाल के अध्ययनों के अनुसार, ऑडियो सर्किट में 63% समस्याएं गलत मिलान वाली इनपुट सीमाओं से उत्पन्न होती हैं। वॉइस-केंद्रित उपकरणों को केवल 300हर्ट्ज़–3.5किलोहर्ट्ज़ बैंडविड्थ की आवश्यकता होती है, जबकि प्रीमियम सिस्टम को उच्च-रिज़ॉल्यूशन सामग्री को सटीक ढंग से पुन: प्रस्तुत करने के लिए पूर्ण 20हर्ट्ज़–20किलोहर्ट्ज़ कवरेज की आवश्यकता होती है।
वोल्टेज लाभ (डीबी में मापा जाता है) यह निर्धारित करता है कि सिग्नल को कितना प्रवर्धित किया जाता है, जबकि पावर लाभ स्पीकर-ड्राइविंग क्षमता को प्रभावित करता है। 40–60डीबी लाभ वाले एम्पलीफायर 89% उपभोक्ता ऑडियो अनुप्रयोगों की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं। क्लास डी आईसी पोर्टेबल उपकरणों में अनुकूलित लाभ स्टेजिंग और पीडब्ल्यूएम तकनीक के माध्यम से 90% से अधिक दक्षता प्राप्त करते हैं।
| बैंडविड्थ स्तर | उपयोग मामला | 1किलोहर्ट्ज़ पर थडी |
|---|---|---|
| 50हर्ट्ज़–15किलोहर्ट्ज़ | बेसिक पीए सिस्टम | <0.5% |
| 10हर्ट्ज़–25किलोहर्ट्ज़ | उच्च-विशिद्धता ऑडियो | <0.01% |
एम्प्लीफायर आईसी की एक बढ़ती संख्या अब 25kHz बैंडविड्थ से अधिक प्राप्त कर रही है, जो उच्च-रिज़ॉल्यूशन ऑडियो प्रारूपों के लिए समर्थन सुनिश्चित करता है। यह प्रवृत्ति उपभोक्ता की बदलती अपेक्षाओं और एनालॉग आईसी डिज़ाइन में प्रगति को दर्शाती है।
आज के 2mm² से छोटे एम्प्लीफायर आईसी नेस्टेड फीडबैक लूप और चिप पर कंपनसेशन नेटवर्क का उपयोग करके 100dB तक के लाभ प्राप्त करते हैं। एडाप्टिव बायस नियंत्रण में आई प्रगति ने 2024 के डिज़ाइन में थर्मल शटडाउन विश्वसनीयता में 40% का सुधार किया है, जो दोलन के जोखिम के बिना स्थिर उच्च-आउटपुट संचालन की अनुमति देता है।
THD एम्प्लीफिकेशन के दौरान पेश की गई अवांछित हार्मोनिक्स को मापता है। उच्च-विशिद्धता पुन:उत्पादन के लिए, एम्प्लीफायर आईसी को THD को 0.01% से कम बनाए रखना चाहिए। ऑडियो प्रिसिजन द्वारा 2023 में किए गए एक मानकीकरण में पाया गया कि <0.005% THD प्राप्त करने वाले डिज़ाइन ने 0.03% पर डिज़ाइन की तुलना में अंधे श्रवण परीक्षणों में अनुभूत विकृति में 42% की कमी की।
SNR यह दर्शाता है कि एक एम्पलीफायर पृष्ठभूमि के शोर को कितनी अच्छी तरह दबाता है। उच्च-स्तरीय उपकरणों की मांग SNR 110dB की होती है जो उच्च-रिज़ॉल्यूशन ट्रैक्स में सूक्ष्म विवरणों को उजागर करता है। शोध में दिखाया गया है कि जब SNR 105dB से बढ़कर 112dB होता है, तो श्रोताओं की पसंद 27% तक बढ़ जाती है, जो ध्वनि गुणवत्ता की धारणा पर इसके प्रभाव को उजागर करता है।
एम्पलीफायर की आउटपुट प्रतिबाधा (आमतौर पर 2–8Ω) को स्पीकर लोड के साथ मिलाना आवृत्ति प्रतिक्रिया को समतल रखता है। मिलान न होने से मध्य आवृत्ति में 3dB तक की हानि हो सकती है, जिससे स्पष्टता और संतुलन खराब हो जाता है—2024 में 120 उपभोक्ता सिस्टम के विश्लेषण में इसकी पुष्टि हुई है।
शीर्ष-स्तरीय एम्पलीफायर IC अब THD को 0.00008% तक कम कर देते हैं, जो डिस्क्रीट घटक डिज़ाइन के बराबर है। ये मॉडल 130dB SNR भी प्रदान करते हैं और पिछली पीढ़ियों की तुलना में एक तिहाई ऊर्जा का उपभोग करते हैं—जो कॉम्पैक्ट, बैटरी से चलने वाले उपकरणों में वास्तविक उच्च-रिज़ॉल्यूशन ऑडियो को सक्षम करता है।
तालिका: प्रमुख ऑडियो विश्वसनीयता सीमाएँ
| मीट्रिक | एंट्री-लेवल | उच्च-स्तरीय | संदर्भ मानक |
|---|---|---|---|
| टीएचडी | <0.1% | <0.005% | <0.001% |
| एसएनआर | 90dB | 110 डीबी | 120DB |
| पावर आउटपुट | 10W@10% THD | [email protected]% THD | [email protected]% THD |
(आंकड़े: IEC 60268-3 2023 ऑडियो प्रदर्शन मानक)
इष्टतम एम्पलीफायर IC का चयन करने के लिए तकनीकी क्षमताओं को अनुप्रयोग प्राथमिकताओं के साथ संरेखित करना आवश्यक है। इंजीनियरों के लिए नीचे तीन प्रमुख विचार दिए गए हैं।
एम्पलीफायर वर्गों में चयन दक्षता, ऊष्मा और विश्वसनीयता के बीच संतुलन शामिल है:
| वर्ग | दक्षता | THD प्रदर्शन | ऊष्मा उत्पादन | आम उपयोग का मामला |
|---|---|---|---|---|
| ए | <40% | अति-निम्न (0.01%) | उच्च | उच्च-स्तरीय ऑडिओफाइल |
| AB | 50–70% | निम्न (0.03%) | मध्यम | होम थियेटर सिस्टम |
| डी | 90% | मध्यम (0.1%) | न्यूनतम | पोर्टेबल ब्लूटूथ |
क्लास A शुद्ध ध्वनि प्रदान करता है लेकिन उल्लेखनीय ऊष्मा और अक्षमता उत्पन्न करता है, जिससे बैटरी से चलने वाली उपकरणों में इसके उपयोग सीमित हो जाते हैं। क्लास AB संतुलित समझौता प्रदान करता है, जो अधिकांश घरेलू ऑडियो के लिए उपयुक्त है। जैसा कि एम्पलीफायर क्लास तुलना दिखाती है, आधुनिक पोर्टेबल और ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में क्लास D अपनी उत्कृष्ट ऊर्जा दक्षता के कारण प्रभुत्व रखता है।
क्लास D एकीकृत सर्किट 90% से अधिक दक्षता दर के लिए प्रसिद्ध हैं, जिसका अर्थ है वायरलेस स्पीकर और हियरिंग एड्स जैसी चीजों के लिए बैटरी जीवन में काफी सुधार। ये चिप्स पल्स चौड़ाई मॉड्यूलेशन के माध्यम से अपना जादू काम करते हैं, तेजी से स्विच करके ट्रांजिस्टर अद्भुत गति से चालू और बंद होना। इस तेज़ स्विचिंग से पुरानी कक्षा AB तकनीक की तुलना में शक्ति के अपव्यय में भारी कमी आती है, जिससे ऊष्मा उत्पादन में लगभग 70% की गिरावट आती है। इसके परिणामस्वरूप, निर्माता आधुनिक उत्पादों को आकार में पतला और हल्का डिज़ाइन कर सकते हैं, बिना यह बलिदान दिए कि चार्ज के बीच उनका जीवनकाल कितना है। एक समय था जब कक्षा D के साथ ऑडियो विकृति की समस्या के कारण एक लेबल लगा था, लेकिन हाल की उन्नति ने कुल आवृत्ति विकृति को 0.1% से नीचे धकेल दिया है। बाजार में उच्च गुणवत्ता वाले उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स की सभी आवश्यक आवश्यकताओं को अब इस तरह का प्रदर्शन पूरा करता है।
एनालॉग एम्पलीफायर आईसी जिन्हें हम क्लास A और AB के रूप में जानते हैं, संकेतों को बिना किसी रुकावट के प्रवाहित रखते हैं, जिसीलिए वे स्टूडियो मॉनिटरिंग सेटअप और प्रीमियम ऑडियो उपकरणों में इतने लोकप्रिय हैं। ध्वनि छवियों के गठन और ध्वनि के स्थानिक स्रोतों को समझने में यहां तक कि विकृति के सबसे छोटे हिस्से भी बहुत अधिक बाधा डाल सकते हैं। फिर पीडब्ल्यूएम तकनीक पर आधारित डिजिटल प्रवर्धन है। ये डिज़ाइन रैखिकता में थोड़ी सी कमी करते हैं लेकिन शक्ति दक्षता में भारी सुधार प्राप्त करते हैं। इसीलिए कई कार ऑडियो सिस्टम वास्तव में दोनों दृष्टिकोणों को एक साथ मिलाते हैं। आमतौर पर, क्लास AB उन फ्रंट स्पीकरों को संभालता है जहां स्पष्ट विस्तार महत्वपूर्ण होता है, जबकि क्लास D उन बड़े सबवूफर ड्राइवरों को संभालता है जिन्हें कम आवृत्ति की हवा को चलाने के लिए गंभीर शक्ति की आवश्यकता होती है। बैटरी को बहुत तेजी से खाली किए बिना संभव के रूप में सर्वोत्तम ध्वनि गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए यह संकर सेटअप काफी अच्छी तरह से काम करता है।