પ્રવર્ધક પરિપથ (amplifying circuit)

પ્રવર્ધક પરિપથ (amplifying circuit) : નિવેશિત વિદ્યુતસંકેતની પ્રબળતા વધારીને બહાર પાડે તેવી પ્રયુક્તિ માટેનો પરિપથ. વ્યવહારમાં મળતા અલ્પ માત્રાના વિદ્યુતસંકેતને કોઈ સાધન (meter) વડે સીધેસીધો માપી શકાતો નથી. જો તેમ કરવું હોય તો તેની વૃદ્ધિ કરવી પડે છે અથવા તેના વડે કોઈ અર્થપૂર્ણ કામ લેવું હોય તો તેની માત્રામાં વૃદ્ધિ કરવી પડે છે, જેમ કે માઇક્રોફોનના વિદ્યુત-તરંગો જે વક્તાના અવાજના તરંગોમાંથી મળેલા હોય છે; ગ્રામોફોન કે ટેઇપમાંથી મળેલા વિદ્યુતસંકેતો. આવા સંકેતોની શક્તિમાત્રા ઘણી જ અલ્પ હોય છે. એટલે તેની માત્રા વધારવા માટે તેની ઉપર પ્રક્રિયા કરવી પડે છે. તે પ્રવર્ધન(amplification)ની પ્રક્રિયા છે. ઇલેક્ટ્રૉનિક્સ ટેક્નૉલોજીની આ મુખ્ય પ્રક્રિયા છે. ઇલેક્ટ્રૉનિક્સ પરિપથોમાં ભાગ્યે જ કોઈ એવો પરિપથ હશે કે જેમાં પ્રવર્ધક (amplifier) ન હોય !

પ્રવર્ધનની વિભાવનાનો જન્મ ઇલેક્ટ્રૉનિક્સની ટ્રાયોડ ટ્યૂબના જન્મ સાથે થયો. ઈ.સ. 1905માં ફ્રાન્સના ઇજનેર લી ડી. ફૉરેસ્ટે ડાયોડ ટ્યૂબમાં એક ત્રીજો વીજાગ્ર (electrode) દાખલ કરી ટ્રાયોડ બનાવ્યો અને તેને ગ્રિડ એવું નામ આપ્યું. આમ ડાયોડમાં ગ્રિડ ઉમેરતાં તે ટ્રાયોડ બન્યો અને પરિપથમાં તેના વપરાશમાં બે પેટાપરિપથો થયા. એક આદાન પરિપથ (input circuit) અને બીજો પ્રદાન પરિપથ (output circuit).

પ્રવર્ધક પરિપથ ઇલેક્ટ્રૉનિક્સના હાર્દ સમો છે, જેમાં ઇલેક્ટ્રૉન ટ્યૂબ કે ટ્રાન્ઝિસ્ટર મુખ્ય ઉપકરણ છે. તેના વડે પ્રવર્ધનની પ્રક્રિયા શક્ય બને છે. હાલના સમયમાં ઇલેક્ટ્રૉન ટ્યૂબનો વપરાશ નહિવત્ છે અને મોટા ભાગે અર્ધવાહક ઉપકરણ(semiconductor device)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટર વાપરીને બનાવેલા પ્રવર્ધક પરિપથોમાં પણ બે પેટા-પરિપથો આદાન (input) અને પ્રદાન (output) પરિપથો હોય છે.

ઇલેક્ટ્રૉનિક્સ સમગ્ર રીતે પ્રવર્ધકોથી ભરેલું છે. અનેક પ્રકારના ઇલેક્ટ્રૉનિક પ્રવર્ધકો અસ્તિત્વ ધરાવે છે અને જુદા-જુદા પ્રકારનાં કામ કરે છે. માણસો જરૂરિયાત પ્રમાણે જુદા-જુદા પ્રકારના પ્રવર્ધકો ઉપયોગમાં લે છે. આ પરિપથોનું અનેક રીતે વર્ગીકરણ કરવામાં આવે છે. જેમ કે તેની પાસેથી જે રીતે કામ લેવાનું હોય તે રીતે વોલ્ટેજનું, વીજપ્રવાહનું કે શક્તિનું પ્રવર્ધક બનાવી શકાય. વળી આદાન વીજસંકેત ખૂબ જ અલ્પ માત્રાનો હોય અને એક જ પ્રવર્ધક તેનું જરૂર પ્રમાણે પ્રવર્ધન ન કરી શકે તો બે પ્રવર્ધકો કે તેથી વધારે પ્રવર્ધકો શ્રેણીમાં મૂકી બે તબક્કાવાળા (two stage) કે બહુ તબક્કાવાળા (multistage) પ્રવર્ધકો બનાવી શકાય. આમ, અલ્પ માત્રાના વીજસંકેતનું હજારોગણું પ્રવર્ધન કરી શકાય. રેડિયો, ટી.વી. અને બીજાં ઘણાં ઇલેક્ટ્રૉનિક્સ સાધનોમાં આવા પ્રકારની પ્રવર્ધનની પ્રક્રિયા ચાલતી જ હોય છે. જેમ કે રેડિયો કે ટી.વી. ઍન્ટેના ઉપર રેડિયો તરંગ પસાર થતાં તેમાં અતિ અલ્પ માત્રાના વોલ્ટેજનું પ્રેરણ થાય છે. આ અતિ અલ્પ માત્રાના સંકેતોનું રેડિયો કે ટી.વી.માં રહેલા પ્રવર્ધકો પ્રવર્ધન કરે છે, જેથી રેડિયોમાં અવાજ સાંભળી શકાય છે તથા ટી.વી.માં ર્દશ્યો જોઈ શકાય છે.

આ અલ્પ માત્રાના વીજસંકેતો સમય સાથે ચલિત (time-varying) થતા હોય છે, જેથી તેમને આવૃત્તિ (frequency) નામનો ગુણધર્મ પ્રાપ્ત થાય છે. રેડિયોના ચંદા ઉપર લખેલ આંકડાઓમાં આ આવૃત્તિનો ઉલ્લેખ હોય છે, જે ટી.વી.માં ચૅનલ તરીકે ઓળખાય છે.

આવૃત્તિની માત્રા અલ્પ અથવા ખૂબ જ મોટી પણ હોય. અવાજના તરંગોની આવૃત્તિ 20,000 હર્ટ્ઝથી ઓછી હોય છે, જ્યારે રેડિયો-તરંગોની આવૃત્તિ મિલિયન (10 લાખ) કે તેથી વધુ હોય છે, જે મેગાહર્ટ્ઝની માત્રાથી જાણી શકાય છે. એક જ પ્રવર્ધક બધી જ આવૃત્તિઓને એકસરખી રીતે પ્રવર્ધિત કરી શકતો નથી; તેથી દરેક આવૃત્તિના પટા પ્રમાણે તેને માટેના પ્રવર્ધકો બનાવવા પડે છે. જેમ કે નિમ્ન આવૃત્તિ, ઉચ્ચ આવૃત્તિ, વધુ ઉચ્ચ આવૃત્તિ અને ઘણી વધારે ઉચ્ચ આવૃત્તિવાળા પ્રવર્ધકો.

સામાન્ય રીતે આદાન પરિપથમાં આપેલ સંકેત જેવું જ તેનું પ્રવર્ધન પામેલ પ્રદાન-સંકેત હોવો જોઈએ એવી અપેક્ષા રાખવામાં આવે છે. પણ વાસ્તવમાં આવું બનતું નથી. આદાન સંકેત જ્યારે પ્રવર્ધકમાંથી પસાર થાય ત્યારે તેમાં થોડા ફેરફારો થાય છે. સૌથી મોટો ઇચ્છનીય અને જરૂરી એવો ફેરફાર તે સંકેતનું પ્રવર્ધન એટલે કે તેની માત્રામાં થયેલી વૃદ્ધિ, જેને ઇલેક્ટ્રૉનિક્સમાં લબ્ધિ (gain) કહેવામાં આવે છે. આ સાથે તેના સ્વરૂપ–તરંગસ્વરૂપમાં ફેરફાર થાય છે, જેને વિકૃતિ (distortion) કહેવામાં આવે છે. આ વિકૃતિઓ ત્રણ પ્રકારની હોય છે : તરંગમાત્રા (amplitude) વિકૃતિ, આવૃત્તિ (frequency) વિકૃતિ અને કલા (phase) વિકૃતિ. આ દરેક વિકૃતિની માત્રા અલ્પ રાખવા માટે ખૂબ જ કાળજી લેવી પડે છે.

પ્રવર્ધક પરિપથમાં આ પ્રમાણે મુખ્ય ઘટકો હોય છે : એક તો પ્રવર્ધક પ્રયુક્તિ (amplifying device), તેના સંચાલન માટે જરૂરી ઘટકો, અવરોધ, કૅપેસિટર કે ઇન્ડક્ટર (R, C, L)–આ બધા ભેગા કરીને બનાવેલ પ્રવર્ધક પરિપથ, આદાન સંકેતનો સ્રોત (input signal source) અને ઉદભાર (load) જેના પર પ્રદાન-સંકેત ઉત્પન્ન થાય છે. સૌથી અગત્યનો ઘટક તે પ્રવર્ધક પરિપથ માટે શક્તિનો પુરવઠો. એટલે કે એક જ દિશામાં મળતો ઊર્જાનો પુરવઠો (D. C. power supply). આ ઘટક પરિપથના આદાન અને પ્રદાન બંને પરિપથને માટે જરૂરી એવી શક્તિ (power) પૂરી પાડે છે અને પ્રવર્ધક પ્રયુક્તિના છેડા ઉપર જોઈતો ધન કે ઋણ વોલ્ટેજ બનાવી આપે છે. ઇલૅક્ટ્રૉનિક પ્રયુક્તિઓની પાસેથી પ્રવર્ધનનું કામ લેવા માટે તેના છેડાઓ ઉપર ટ્રાન્ઝિસ્ટર હોય તો કલેક્ટર, એમિટરને અને બેઇઝ ઉપર ખાસ માત્રાનો વીજ-વોલ્ટેજ આપવો પડે છે. જો તેમ કરવામાં આવે તો જ ટ્રાન્ઝિસ્ટર પ્રવર્ધનનું કાર્ય કરવા માટે તૈયાર થાય છે. આમ, તેના પરિચાલન (operation) માટે દરેક છેડા ઉપર અમુક માત્રાનો, ધન કે ઋણ સંજ્ઞાવાળો વીજ-વોલ્ટેજ આપવામાં આવે છે. અને ત્યારે જ ટ્રાન્ઝિસ્ટર પ્રવર્ધનનું કાર્ય સંતોષકારક રીતે કરે છે. પ્રવર્ધનનું પ્રમાણ પરિપથની રચના ઉપર આધારિત છે : પ્રવર્ધક પ્રયુક્તિનાં સ્થિત (static) લક્ષણો, આદાન-પ્રદાન પરિપથમાં જોડેલા ઘટકો (ઉદભાર વગેરે) અને તેના ઉપર આપેલા વીજ-વોલ્ટેજ, આદાન-સંકેતની માત્રા વગેરે.

આ થઈ બધી પાયાની વિગત. જો એક પ્રવર્ધકથી જરૂરી લબ્ધિ ન મળે તો બે તબક્કાવાળો પ્રવર્ધક બનાવવો પડે અને પહેલા પ્રવર્ધકના પ્રદાન-સંકેતને બીજા પ્રવર્ધકના આદાન પરિપથમાં આપવામાં આવે છે. આમ, કરવા માટે બંને પ્રવર્ધકોને જોડવા પડે. પહેલાના પ્રદાન પરિપથને બીજાના આદાન પરિપથ સાથે જોડવામાં આવે તો જ કામ થાય. વળી આ જોડાણ એવી રીતે કરવું પડે કે માત્ર પહેલા પ્રવર્ધકનો પ્રદાન-સંકેત જ બીજાના આદાન પરિપથમાં જાય. તે સાથે પહેલાના પ્રદાન-પરિપથમાં રહેલો ડી.સી. વોલ્ટેજ બીજાના આદાન પરિપથમાં કોઈ ફેરફાર ન કરે તે ખાસ જોવાનું હોય છે. આવાં જોડાણો ઘણી જુદી જુદી રીતે કરવામાં આવે છે જેને ‘યુગ્મન’ (coupling) કહેવામાં આવે છે. ઘણી જુદી જુદી જાતના યુગ્મિત પરિપથો અસ્તિત્વ ધરાવે છે જેવા કે : (1) અવરોધ સંધારિત્ર (R – C) યુગ્મિત, (2) પ્રેરક-સંધારિત્ર (L – C) યુગ્મિત, (3) રૂપાંતરિત (transformer) યુગ્મિત. આ દરેક પરિપથને તેના ફાયદા અને ગેરફાયદાઓ છે. સૌથી પ્રચલિત અને મહત્તમ વપરાતો પરિપથ R–C (resistance-capaciter coupled circuit) છે.

પરિપથો મુખ્ય બે પ્રકારના વાપરવામાં આવે છે : એક વોલ્ટેજપ્રવર્ધક અને બીજો શક્તિપ્રવર્ધક (voltage amplifier અને power amplifier). બંનેનાં કાર્ય જુદાં જુદાં હોય છે. એક અતિ અલ્પ વોલ્ટેજ સંકેતનું પ્રવર્ધન કરે છે, જ્યારે બીજો અલ્પશક્તિનું પ્રવર્ધન કરે છે. શક્તિપ્રવર્ધકમાં વીજપ્રવાહનું મૂલ્ય મોટું હોવું જરૂરી છે (V × I = P Watts). આથી આવા પ્રવર્ધક માટે મોટી માત્રાના આદાન વોલ્ટેજ સંકેતની જરૂર પડે છે. આવા મોટા આદાન વોલ્ટેજ-સંકેત વડે પ્રદાન પરિપથમાં મોટો વીજ-પ્રવાહ સંકેત ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. આથી મોટે ભાગે શક્તિ પ્રવર્ધકમાં આગળના ભાગમાં વોલ્ટેજ પ્રવર્ધક લગાડવામાં આવે છે જેના આદાન પરિપથમાં અલ્પમાત્રાનો વોલ્ટેજ-સંકેત હોય છે. આમ વોલ્ટેજ પરિપથ અલ્પમાત્રાના સંકેતને મોટો કરે છે અને આ વૃદ્ધિ પામેલ સંકેત, શક્તિપ્રવર્ધકના આદાન પરિપથમાં જાય છે, જે તેના પ્રદાન પરિપથમાં મોટા વીજપ્રવાહનો સંકેત ઉત્પન્ન કરે છે. અને એ રીતે શક્તિપ્રવર્ધન પ્રાપ્ત થાય છે જેથી તેની પાસેથી બીજાં મોટાં કામ લઈ શકાય છે, જેમ કે વક્તાનો ધીમો અવાજ માઇક્રોફોનમાં ધ્વનિના તરંગો રૂપે પ્રવેશ પામી તેમાંથી વિદ્યુત-તરંગોમાં રૂપાંતર પામી વોલ્ટેજપ્રવર્ધકમાં જાય છે. કારણ કે તેની માત્રા ઘણી નાની હોય છે. વોલ્ટેજ-પરિપથમાં આ અલ્પસંકેતની વૃદ્ધિ થાય છે, અને તે વૃદ્ધિ પામેલ વોલ્ટેજ સંકેત શક્તિ-પ્રવર્ધકના આદાન પરિપથમાં પ્રવેશ પામી શક્તિમાં રૂપાંતર પામે છે, જેનાથી અનેક લાઉડ-સ્પીકરોમાં વક્તાનો અવાજ મોટો થઈને સંભળાય છે.

ઇલેક્ટ્રૉનિક પરિપથોને પોતાના પ્રાચલો (parameters) હોય છે, જેનાં મૂલ્યો ઉપરથી તેમના ઉપયોગ માટે માહિતી મેળવી શકાય છે. આ પ્રાચલો આ પ્રકારે હોય છે :

1. વીજદાબ-વોલ્ટેજ લબ્ધિ (voltage amplification gain).

2. વીજપ્રવાહ-લબ્ધિ (current amplification).

3. શક્તિ-લબ્ધિ (power amplification).

4. આદાન-અવબાધ (input impedance).

5. પ્રદાન-અવબાધ (output impedance).

6. આવૃત્તિ-પટ પહોળાઈ (band width).

7. કલા ફેરફાર (phase change).

આ પ્રાચલો જાણવા માટે પ્રવર્ધક પરિપથનું વિશ્લેષણ કરવું જરૂરી છે. આ માટેની બે રીતો છે : (1) આલેખોની રીત (graphical method). 2. સમતુલ્ય પરિપથની રીત (equivalent circuit method).

પહેલી રીતમાં પ્રયુક્તિ(એટલે કે ટ્રાન્ઝિસ્ટર)નાં સ્થિત લક્ષણોના આલેખો (static characteristic curves), ઉદભારરેખા (load line) અને ગતિક લક્ષણોના આલેખ(dynamic characteristic  curves)ની જરૂર પડે છે. તેમાં આલેખોના રેખીય ભાગને મહત્ત્વ આપવામાં આવે છે. આદાન-સંકેત જો આલેખના વક્ર ભાગમાં પ્રવેશ પામે તો વિકૃતિ (distortion) ઉત્પન્ન થાય છે. બીજી રીતમાં આલેખોના રેખીય ભાગમાં રહે તેવો આદાન-સંકેત વાપરવામાં આવે છે. એટલે આ સંકેતની માત્રા નાની હોય છે. આમ હોવાથી રેખીય ભાગ ઉપર બધું પરિચાલન (operation) થાય છે અને યુક્તિના પ્રાચલો અચળ રહે છે. આમ થવાથી પ્રયુક્તિના પ્રાચલોને અચળ ગણી પ્રવર્ધક પરિપથને સમતુલ્ય પરિપથ બનાવવામાં આવે છે. આમાં વોલ્ટેજ–જનિત્ર (voltage-generator) કે પ્રવાહ–જનિત્ર (current-generator) વાપરીને બે પ્રકારના સમતુલ્ય પરિપથો બનાવી શકાય છે અને આ સમતુલ્ય વિદ્યુત-પરિપથનો ઉપયોગ કરી બહુ જ સહેલાઈથી પ્રવર્ધકના પ્રાચલો માટે સૂત્રો મેળવી શકાય છે જેમાં પ્રવર્ધક યુક્તિના પ્રાચલો અને પરિપથના બીજા ઘટકો જેવા કે અવરોધ, સંધારિત્ર અથવા પ્રેરક (R, C અથવા L) સમાયેલા હોય છે. જો આ બધા ઘટકોનાં સંખ્યાકીય મૂલ્યો જાણવામાં આવે તો ઉપર જણાવેલ પ્રવર્ધકના પ્રાચલોનું સંખ્યાકીય મૂલ્ય (numerical values) મેળવી શકાય.

પ્રવર્ધકના આદાન પરિપથમાં આદાનસંકેત લગાડતાં તેના પ્રદાન-પરિપથ(collector circuit in transistor amplifier)માં વીજપ્રવાહના ફેરફાર થાય છે. આવા ફેરફારો આદાન-સંકેતના પૂર્ણ આવર્તક સમય કરતાં ઓછા સમય માટે બને તેવું શક્ય છે. આ કારણે પ્રવર્ધકનું ખાસ વર્ગીકરણ કરવામાં આવે છે, જેને class A, class AB, class B, class C – એ પ્રમાણે દર્શાવવામાં આવે છે. class Aમાં સંકેતના પૂર્ણ તરંગના સમય માટે વીજપ્રવાહ વહે છે. class ABમાં અડધા કરતાં વધારે અને આખા કરતાં ઓછા સમય માટે (તરંગના) વીજપ્રવાહનું વહન થાય છે. class Bમાં અડધા તરંગ માટે વીજપ્રવાહનું વહન થાય છે. બીજા અડધા તરંગ માટે વીજપ્રવાહ શૂન્ય થાય છે. class Cમાં અડધા કરતાં પણ ઓછા સમય (તરંગના) માટે વીજપ્રવાહનું વહન થાય છે. આ રીતે એક વધારાનું વર્ગીકરણ કરવામાં આવે છે, આમ, કોઈ પ્રવર્ધકની વાત કરતાં તેના શબ્દની આગળ ઘણાં વિશેષણો લગાડવાં જરૂરી થાય છે અને તો જ તેનું પૂર્ણ વર્ણન થઈ શકે છે.

પ્રવર્ધકનું ખંડ (બ્લૉક) રેખાચિત્ર આકૃતિ 1માં દર્શાવેલ છે, જેમાં ચાર પેટા વિભાગો છે :

1. ડી. સી. વીજપુરવઠો (D. C. power supply).

2. પ્રવર્ધક પરિપથ, જેમાં પ્રવર્ધક યુક્તિ અને બીજા વીજઘટકો

L. વગેરે સામેલ હોય છે.

3. આદાન-સંકેત સ્રોત.

4. પ્રદાન પરિપથમાં ઉદભાર (output-load).

આકૃતિ 1 કોઈ પણ પ્રવર્ધકના મુખ્ય ભાગો દર્શાવે છે. જાહેર સભા – સંબોધન માટેની વ્યવસ્થાની વાત કરીએ તો આદાન-સંકેત સ્રોત એટલે માઇક્રોફોન અને ઉદભાર એટલે ઘણાંબધાં લાઉડસ્પીકરો. આ સ્પીકરો પ્રવર્ધકના પ્રદાન પરિપથના એક ભાગ રૂપે હોય છે. ટેઇપ- રેકૉર્ડરમાં ટેઇપમાંથી ઉત્પન્ન થતો સંકેત એટલે આદાન-સંકેત.

અહીં પણ ઉદભાર તરીકે લાઉડસ્પીકર હોય છે. ઇલૅક્ટ્રૉનિક્સ પરિપથોમાં વપરાતું ટ્રાન્ઝિસ્ટર વાપરીને બનાવેલું, R. C. યુગ્મિત સામાન્ય એમિટર પ્રવર્ધકનો પૂર્ણ પરિપથ આકૃતિ 2માં દર્શાવેલો છે.

પ્રવર્ધકમાં આદાન સંકેત અને પ્રદાન સંકેતનાં કલાનાં મૂલ્યોમાં પણ ફેરફારો થાય છે. અમુક પ્રકારના પ્રવર્ધકો આદાન સંકેતના કલાના મૂલ્યમાં 180° અંશ જેટલો ફેરફાર કરે છે. એટલે કે બિલકુલ ઊંધું કરી નાંખે, જ્યારે અમુક પ્રવર્ધકોમાં કલાનો કોઈ ફેરફાર થતો નથી. કલાના તફાવતમાં પરિપથના પ્રતિક્રિયાશીલ ઘટકો (reactive components) ભાગ ભજવે છે, જેવા કે, C સંધારિત્ર, કે L પ્રેરક વગેરે.

સંકલિત પરિપથો(integrated-circuit – IC)ના સમયમાં આખો પ્રવર્ધક એક ચિપમાં બનાવવામાં આવે છે, જેનો ઉપયોગ કરવો બહુ સહેલો થઈ ગયો છે. આ ચિપ સાથે ફક્ત વીજ-પુરવઠો, આદાન-સંકેત સ્રોત અને ઉદભાર જ જોડવાના હોય છે.

IC સ્વરૂપમાં અનેક પ્રકારના પ્રવર્ધકો ઉપલબ્ધ છે, જેમાં નીચી આવૃત્તિથી શરૂઆત કરી, ઘણી ઉચ્ચ આવૃત્તિ માટેના પ્રવર્ધકો મળે છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટર અવરોધો તથા કેપૅસિટરો વગેરે આ ચિપમાં જ બનાવેલા અને જોડેલા હોય છે. ફક્ત તેમના અમુક છેડાઓ બહાર કાઢેલા હોય છે, જેમને પાવર સપ્લાય, આદાન-સંકેત વગેરે સાથે જોડવામાં આવે છે. આમ, પ્રવર્ધકોની વિશાળ શ્રેણીઓ હવે બહુ જ સરળતાથી ઉપલબ્ધ બની છે.

કાન્તિલાલ ગણપતરામ જાની