Penguat

Penguat () ialah mana-mana alat yang boleh mengubah, ataupun selalunya akan menaikkan amplitud sesuatu isyarat. Isyarat itu selalunya adalah voltan ataupun arus elektrik. Walau bagaimanapun, secara umumnya apabila disebut perkataan penguat, biasanya ia akan merujuk kepada penguat elektronik, selalunya dalam sistem audio. Hubungan antara input dan output penguat - biasanya dinyatakan sebagai fungsi frekuensi input - dipanggil fungsi pindah penguat, manakala magnitud fungsi pindah dipanggil gandaan.

Satu lagi alat yang menekankan penukaran kuasa dari satu jenis ke jenis yang lain (sebagai contoh, satu isyarat cahaya dalam foton ditukar kepada satu isyarat DC dalam ampere) dikenali sebagai pemindah, pengubah ataupun penderia. Walau bagaimanapun, tiada satupun dari alat ini yang menguatkan kuasa.
 Faktor penting 
Kualiti sesuatu penguat boleh dikategorikan daripada bilangan spesifikasi seperti di bawah.

Gandaan
Gandaan sesuatu penguat adalah nisbah output kepada kuasa input atau amplitud, dan diukur dalam desibel (dB) (Desibel adalah sebuah unit bersifat logaritma yang bolehdigunakan untuk mengukur kadaran dua magnitud berbeza bagi sesuatu kuantiti fizik). Bila diukur dalam desibel (dB), secara logaritmanya ia berkaitan dengan nisbah kuasa:
G(dB)=10 log(Pout /(Pin)).

Lebar jalur
Lebar jalur sesuatu penguat adalah julat frekuensi-frekuensi di mana sesuatu penguat itu memberi "prestasi memuaskan". "Prestasi memuaskan" itu mungkin berbeza bagi aplikasi yang berlainan. Bagaimanapun, satu metrik yang biasa dan diterima dengan baik adalah separuh titik kuasa (i.e. frekuensi di mana kuasa turun pada separuh nilai puncaknya) dalam kuasa vs. kekerapan lengkungan. Oleh itu lebar jalur dapat ditakrifkan sebagai perbezaan antara separuh titik kuasa yang lebih rendah dan tinggi. Ini juga dikenalisebagai -3 dB lebar jalur. Lebar jalur juga kadangkala ditakrifkan (-1 dB, -6 dB dsb.).

Satu penguat audio julat penuh akan menjadi pada asasnya rata antara 20 Hz untuk kira-kira 20 kHz (julat pendengaran manusia normal). Dalam rekabentuk penguat minimalis, sambutan frekuensi yang digunakan pada pembesar suara perlu diperbesarkan lebih daripada ini (satu atau lebih salah satu sisi oktaf) dan secara lazimnya satu penguat akan mempunyai -3 mata dB < 10 dan > 65 kHz. 

'Penguat lawatan profesional' selalunya mempunyai input dan/atau output yang ditapiskan untuk menghadkan sambutan frekuensi lebih daripada 20 Hz-20 kHz: potensi pengeluaran kuasa penguat yang terlalu banyak sebaliknya akan dibazirkan di atas infrasonik (had normal pendengaran manusia) dan frekuensi-frekuensi ultrasonik (bunyi yang lebih tinggi daripada had limit pendengaran manusia), dan bahaya bagi gangguan radio AM akan meningkat.

Penguat-penguat pensuisan moden memerlukan kelulusan penapisan curam yang rendah di output untuk mengelakkan frekuensi tinggi alihan bunyi bising dan harmonik.

Kecekapan
Kecekapan adalah ukuran untuk berapakah kuasa input yang digunakan ke atas output penguat. Penguat kelas A sangat tidak cekap, dalam lingkungan 10–20% dengan maksimum kecekapan 25%. Penguat kelas B mempunyai satu kecekapan yang tinggi tetapi tidak praktikal disebabkan oleh gangguan yang tinggi (rujuk: herotan lintas).

Dalam reka bentuk praktikal, hasil satu pertukaran adalah reka bentuk kelas AB. Penguat kelas AB moden biasanya di antara 35–55% cekap dengan satu maksimum teoretis 78.5%. Secara komersil, pensuisan penguat Kelas D telah melaporkan kecekapan setinggi sehingga 97%. Penguat kelas C-F pula merupakan penguat yang mempunyai kecekapan yang tinggi. Kecekapan sesuatu penguat biasanya melimitkan jumlah keseluruhan kuasa pengeluaran yang didapati.

Ingat bahawa penguat yang lebih cekap berfungsi lebih dingin, dan biasanya tidak memerlukan kipas pendingin walaupun dalam reka bentuk multi-kilowatt. Sebab untuk ini adalah adalah kerana kehilangan sesuatu kecekapan menghasilkan haba sebagai satu hasil sampingan bagi kehilangan tenaga semasa penukaran kuasa. Dalam penguat yang lebih cekap, kehilangan tenaga adalah lebih rendah begitu juga dengan haba.

Kelinearan
Sebuah penguat yang ideal akan menjadi satu peranti yang sangat linear, tetapi penguat sebenar hanya linear dalam beberapa had limit praktik. Apabila pacuan isyarat untuk penguat dinaikkan, output juga bertambah sehingga satu titik dicapai di mana sesetengah bahagian bagi penguat menjadi tepu dan tidak boleh menghasilkan lebih output; ini dipanggil keratan, dan menyebabkan gangguan.

Sesetengah penguat direka untuk mengendalikan ini dalam satu cara terkawal yang menyebabkan satu penurunan dalam gandaan untuk berlaku daripada gangguan berlebihan; hasilnya adalah satu kesan mampatan, di mana (jika penguat adalah satu penguat audio) akan berbunyi lebih kurang enak untuk pendengaran telinga. Untuk penguat jenis ini, mampatan 1 dB titik adalah ditakrifkan sebagai kuasa masukan (atau kuasa keluaran) di mana gandaan adalah 1 dB kurang daripada gandaan isyarat kecil.

Pelinearan adalah satu bidang baru muncul, dan terdapat banyak teknik, seperti maklum awal, praherotan, pascaherotan, EER, LINC, CALLUM, Cartes maklum balas, dan sebagainya, dengan tujuan mengelak kesan-kesan tidak linear yang tidak diingini.

Hingar
Ini merupakan ukuran kepada berapa banyak bunyi bising yang diperkenalkan dalam proses penguatan. Bunyi bising adalah satu produk yang tidak diingini tetapi tidak dapat dielakkan bagi peranti-peranti dan komponen-komponen elektronik. Metrik untuk prestasi bunyi bising sebuah litar adalah Faktor Bunyi Bising. Faktor Hingar adalah nisbah isyarat input kepada isyarat output.

Julat dinamik output
Julat dinamik output adalah julat, biasanya diberi dalam dB, di antara tahap output terkecil dan tahap output terbesar. Tahap berguna terendah adalah terhad oleh output bunyi bising, manakala terbesar adalah terhad tertutamanya bagi herotan. Nisbah kedua-dua ini ditakrifkan sebagai julat dinamik penguat. Lebih tepat lagi, jika S = isyarat kuasa maksima yang dibenarkan dan N = kuasa bunyi bising, julat dinamik DR adalah DR = (S N ) / N.[1]

Kadar slu
Kadar slu adalah kadar perubahan maksimum pembolehubah output, biasanya disebut dalam voltan sesaat (atau mikrosaat). Banyak penguat akhirnya terhad akibat kadar slu (lazimnya oleh galangan satu arus pacuan untuk mengatasi bermuatan kesan pada beberapa poin dalam litar itu), yang boleh mengehadkan kuasa mutlak lebar jalur kepada frekuensi yang jauh di bawah di bawah isyarat sambutan frekuensi kecil penguat.

Masa naik
Masa naik, tr, sebuah penguat adalah masa yang diambil untuk output berubah dari 10% hingga 90% bagi tahap terakhir apabila didorong satu langkah input. Untuk satu sistem respons Gauss (atau sederhana RC mengguling), kenaikan masa dianggarkan oleh:

tr * BW = 0.35, di mana tr adalah masa naik dalam saat dan BW adalah lebar jalur di Hz.

Masa enapan dan deringan
Masa yang diambil output bagi menyelesaikan dalam tempoh satu peratusan tertentu bagi nilai muktamad (iaitu 0.1%) dipanggil masa enapan, dan biasanya adalah untuk menetapkan penguat osiloskop tegak dan sistem-sistem ukuran ketepatan tinggi. Deringan merujuk pada pengeluaran pusingan di atas dan di bawah nilai muktamadnya, membawa kepada satu penangguhan untuk sampai ke nilai muktamad yang dinyatakan oleh masa enapan di atas.

Keterlajakan
Sebagai respons untuk satu langkah input, keterlajakan adalah jumlah output melebihi nilai hadnya.

Faktor kestabilan
Kestabilan adalah satu kebimbangan utama di penguat RF dan gelombang mikro. Darjah kestabilan penguat boleh diukur dalam suatu kuantiti oleh faktor kestabilan. Terdapat beberapa faktor kestabilan berbeza, seperti faktor kestabilan Stern dan faktor kestabilan Linvil, yang menetapkan suatu syarat yang ditetapkan bertujuan untuk kestabilan mutlak sebuah penguat.

 Penguat elektronik 

Terdapat banyak jenis penguat elektronik, biasanya digunakan dalam radio dan penghantar televisyen dan penerima-penerima, hi-fi ("hi-fi") peralatan stereo, mikrokomputer dan peralatan digital elektronik lain, dan gitar dan alat penguat lain. Komponen-komponen kritikal termasuk peranti-peranti aktif, seperti tiub vakum atau transistor. Satu pengenalan ringkas kepada  banyak jenis penguat elektronik berikut.

Penguat kuasa
Perkataan "penguat kuasa" adalah satu perkataan relatif dengan membawa kepada jumlah kuasa yang dihantar kepada beban dan / atau bersumber oleh litar bekalan. Secara umum satu penguat kuasa telah direka sebagai penguat yang terakhir dalam satu rantai penghantaran (peringkat pengeluaran) dan adalah peringkat penguat yang lazimnya memerlukan perhatian sepenuhnya untuk kecekapan kuasa. Pertimbangan kecekapan mendahului kepada kelas-kelas penguat yang pelbagai: rujuk kelas-kelas penguat.

Penguat tiub vakum (injap)

Menurut Symons, sementara penguat-penguat semikonduktor telah menggantikan sebahagian besar penguat-penguat injap untuk aplikasi-aplikasi tenaga rendah, penguat-penguat injap adalah lebih banyak berkesan dalam aplikasi-aplikasi tenaga tinggi seperti "radar, peralatan langkah-langkah balas, atau peralatan komunikasi" (p. 56). 
Banyak penguat-penguat gelombang mikro adalah direka khusus injap, seperti klistron, gyrotron, tiub gelombang bergerak, dan penguat berpalang bidang, dan injap gelombang mikro ini menyediakan lebih banyak peranti-tunggal output kuasa pada frekuensi-frekuensi gelombang mikro daripada alat-alat keadaan pepejal (p. 59).[2]

Penguat transistor
Artikel utama: transistor, transistor simpang dwikutub, penguat Audio, dan MOSFET

Peranan penting unsur aktif ini adalah untuk membesarkan satu isyarat input untuk menghasilkan satu isyarat output yang lebih besar. Jumlah pembesaran ("gandaan ke depan") sudah ditentukan oleh rekabentuk luar litar dan juga serta peranti aktif.

Banyak peranti-peranti aktif yang biasa dalam penguat transistor adalah transistor persimpangan dwikutub  (BJTs) dan semikonduktor oksida logam kesan medan transistor (MOSFETs).

Aplikasi adalah pelbagai,antara contoh-contoh yang biasa adalah penguat audio dalam stereo rumah atau sistem PA,  penjanaan kuasa tinggi RF untuk peranti-peranti semikonduktor, untuk RF dan aplikasi Microwave seperti radio penghantar.

Transistor pangkal penguat boleh dicapai menggunakan tatarajah yang pelbagai: sebagai contoh dengan satu transistor simpang dwikutub kita boleh melihat tapak sepunya, pengumpul sepunya atau penguat pemancar sepunya; menggunakan satu MOSFET kita boleh nelihat get yang biasa, punca biasa atau salur sepunya penguat. Setiap tatarajah mempunyai karakteristik berbeza (gandaan, galangan...).

Penguat kendalian

Satu penguat kendalian (op-amp) adalah satu litar penguat dengan gandaan gelung terbuka sangat tinggi dan input pembezaan yang menggaji maklum balas luaran untuk kawalan bagi fungsi perpindahannya atau gandaan. Walaupun tempoh ada sekarang biasanya digunakan ke atas litar-litar bersepadureka bentuk asal penguat beroperasi telah dilaksana dengan injap-injap.

Penguat pembezaan sepenuhnya

Satu penguat pembezaan sepenuhnya adalah satu keadaan litar pejal bersepadu  penguat yang menggaji maklum balas luaran untuk kawalan bagi fungsi perpindahannya atau gandaan. Ia menyerupai penguat operasi tetapi ia juga mempunyai pin out yang berbeza.

Penguat video
Ini berkaitan dengan isyarat-isyarat video dan mempunyai bandwidths yang berbeza bergantung pada sama ada isyarat video itu adalah untuk SDTV, EDTV, HDTV 720p atau 1080i / p etc.

Spesifikasi bandwith itu sendiri bergantung pada jenis apa turas yang digunakan dan titik yang mana (-1 dB atau -3 dB sebagai contoh) bandwith diukur. Keperluan-keperluan tertentu untuk sambutan langkah dan lanjakan adalah perlu untuk tujuan penerimaan imej-imej TV supaya boleh dipersembahkan.

Penguat osiloskop tegak
Ini digunakan untuk dikaitkan dengan isyarat-isyarat video untuk menjalankan satu paparan tiub Osiloskop dan boleh mencapai bandwith kira-kira 500 MHz. Spesifikasi pada sambutan langkah, kenaikan masa, kelanjakan dan penyimpangan boleh membuat reka bentuk penguat ini sangat sukar. Satu daripada perintis dalam bandwith tahap tinggi penguat tegak adalah syarikat Tektronix.

Penguat agihan

Ini menggunakan jalur penghantaran untuk dalam tempoh sementara memecahkan isyarat dan menguatkan setiap portion berasingan dengan tujuan untuk mencapai bandwith yang lebih tinggi daripada yang boleh diperolehi daripada satu peranti penguatan. Output bagi setiap satu tahap digabungkan dalam output jalur penghantaran. Jenis penguat ini adalah biasanya digunakan pada osiloskop sebagai penguat tegak yang akhir. Jalur penghantaran biasanya ditempatkan dalam tiub paparan sampul kaca.

Penguat gelombang mikro

Penguat tiub gelombang bergerak
Rencana utama: Menjelajah gelombang tiub

Digunakan untuk penguatan kuasa tinggi pada frekuensi-frekuensi gelombang mikro rendah. Penguat jenis ini lazimnya boleh menguatkan merentasi satu spektrum luas frekuensi-frekuensi; bagaimanapun, penguat jenis ini biasanya bukanlah boleh tala seperti klystrons.

Klistron

Sangat menyerupai penguat TWT, tetapi lebih berkuasa dan dengan satu frekuensi khusus "ruang manis". Mereka umumnya adalah juga lebih berat lagi daripada penguat TWT, dan adalah kerana itu ill-suited untuk aplikasi-aplikasi mobil ringan. Klystrons adalah boleh tala, menawarkan output yang terpilih dalam julat spesikisasi frekuensi mereka.

Penguat alat muzik (audio)

Satu penguat audio biasanya digunakan untuk menguatkan isyarat-isyarat seperti muzik atau ucapan.

 Jenis penguat lain 

Mikrofon karbon
Satu daripada alatan pertama yang sudah biasa menguatkan isyarat-isyarat adalah mikrofon karbon (dengan berkesan satu bunyi terkawal perintang boleh ubah). Dengan penyaluran satu arus elektrik besar melalui karbon yang mampat butiran dalam mikrofon, satu isyarat bunyi kecil boleh mengeluarkan satu isyarat elektrik yang lebih besar lagi. Mikrofon karbon adalah sangat penting dalam telekomunikasi awal; telefon analog sebenarnya berfungsi tanpa menggunakan mana-mana penguat lain. Sebelum penciptaan penguat-penguat elektronik, mekanik mikrofon karbon juga digunakan sebagai penguat dalam telefon pengulang untuk perkhidmatan jarak jauh.

Penguat bermagnet
Penguat bermagnet adalah satu transformer seperti peranti yang menggunakan penepuan bahan-bahan magnetik untuk menghasilkan penguatan. Ia adalah penguat elektrik bukan elektronik dengan tiada bahagian gerakan. Bandwith bagi penguat magnetik diperluaskan kepada ratusan kilohertz.

Penguat jentera elektrik berputar
Pengawal Ward Leonard adalah satu buah mesin berputar seperti sebuah penjana elektrik yang menyediakan penguatan bagi isyarat-isyarat elektrik daripada penukaran tenaga mekanik kepada tenaga elektrik. Perubahan dalam penjana arus medan mengakibatkan perubahan yang lebih besar dalam arus keluaran bagi penjana, menambah aliran. Peranti kelas ini digunakan untuk kawalan rata motor besar, terutamanya untuk lif-lif dan senapang-senapang tentera laut.

Penguat kesan Johnsen-Rahbek 
Bentuk terawal penguat kuasa audio adalah "electromotograph" “loud-speaking” telefon Edison, yang menggunakan silinder kapur berputar yang dibasahkan dengan mengenakannya pada satu hubungan pegun. Geseran antara silinder dan hubungan yang berbagai-bagai dengan arus, menghasilkan arus. Edison menemui kesan ini pada 1874, tetapi teori di sebalik kesan Johnsen Rahbek tidak difahami sehingga era semikonduktor.

Penguat mekanikal
Penguat mekanikal telah digunakan sebelum era elektronik dalam pra-elektronik khusus. Unit awal alat pandu-automatik direka oleh Elmer Ambrose Sperry menggabungkan sebuah penguat mekanikal menggunakan tali pinggang bersalut sekitar gendang-gendang berputar; sedikit peningkatan dalam ketegangan pada tali pinggang menyebabkan tong menggerakkan tali pinggang. Sepasang, penyanggahan set daripada gerakan itu menghasilkan sebuah penguat tunggal. Ini menguatkan kesilapan-kesilapan giro kepada isyarat yang cukup besar untuk menggerakkan permukaan pengawal pesawat. Satu mekanisme serupa telah digunakan dalam Vannevar Bush pembezaan penganalisis.

Penguat optik
Penguat optik menguatkan cahaya melalui proses pemancaran terangsang. Rujuk Laser dan Maser.

Jenis pelbagai
 Terdapat juga penguat mekanikal, seperti servo automotif digunakan dalam membrek.
 Geganti boleh dirangkumkan di bawah takrif di atas bagi penguat, walaupun fungsi perpindahan mereka bukan lurus (iaitu, mereka sama ada terbuka atau tertutup).
 Juga manifestasi sebenar mekanikal daripada penguat digital sebegitu boleh dibina (untuk teoretis, tujuan-tujuan didactical, atau untuk hiburan), rujuk e.g. komputer domino.
 Satu lagi jenis bagi penguat adalah penguat bendaliran, berdasarkan ‘fluidic triode’.

 Lihat juga 
 Pengecil (elektronik)
 Penguat elektronik
 Penguat maklumbalas negatif
 Penguat alatan 
 Penguat bisingan rendah
 Prapenguat
 Sambutan langkah
 Penguat rangkaian komputer

 Rujukan 
^ Verhoeven CJM, van Staveren A, Monna GLE, Kouwenhoven MHL and Yildiz E (2003). Structured electronic design: negative feedback penguats. Boston/Dordrecht: Kluwer Academic. pp. 10. ISBN 1-4020-7590-1. http://worldcat.org/isbn/1-4020-7590-1.
^ Robert S. Symons (1998). "Tubes: Still vital after all these years". IEEE Spectrum 35 (4): 52–63. doi:10.1109/6.666962.
^ OTB - Below 535, A Historical Review of Continuous Wave Radio Frequency Power Generators