Auswahlkriterien für Verstärker für PCB-Designer

Jeder ist wahrscheinlich mit dem klassischen 741 Operationsverstärker vertraut, besonders wenn man sich an seine ersten Elektronikkurse erinnert. Wenn es jedoch um spezialisierte Anwendungen geht, ist die Bandbreite verfügbarer Verstärker genug, um jeden Designer schwindelig zu machen. Sobald man ein Verständnis dafür hat, wie verschiedene Verstärker unterschiedliche Spezifikationen angeben, wird es einfacher, den besten Verstärker für Ihre Anwendung zu bestimmen. Wir haben eine Liste wichtiger Auswahlkriterien für Verstärker für PCB-Designer zusammengestellt.

Verstärkerklassen

Alle Verstärker sind in verschiedene Klassen eingeteilt, die ihre Nützlichkeit in verschiedenen Anwendungen bestimmen. Hier sind 5 gängige Klassen von Verstärkern:

• Klasse A. Diese Verstärker sollen hochlinear sein und sind immer eingeschaltet. Daher sind sie nicht für Hochleistungsanwendungen geeignet, da sie mehr Strom verbrauchen als Verstärker in anderen Klassen.
• Klasse B. Diese Verstärker wurden als eine effizientere Alternative zu Klasse A Verstärkern entwickelt. Da sie jedoch FETs verwenden, die einen gewissen Mindesteingang benötigen, um die Transistoren einzuschalten, reproduzieren sie die Eingangswellenform nicht perfekt und erzeugen bei geringerer Eingangssignalstärke eine gewisse Verzerrung. Dies wird als Überkreuzungsverzerrung bezeichnet.
• Klasse AB. Diese Verstärker sind wohl die am häufigsten verwendeten Verstärker für eine breite Palette von Anwendungen. Sie bieten eine höhere Effizienz als ein Klasse A Verstärker ohne Überkreuzungsverzerrung. Sie haben auch einen vergleichbaren linearen Bereich.
• Klasse C. Diese Verstärker werden häufiger in RF-Anwendungen verwendet. Sie können mit einer breiten Bandbreite entworfen werden, dank der Verwendung eines internen LC-Tankkreises oder anderer Schaltungen, um eine starke Verstärkung bei hohen Frequenzen zu bieten. Sie haben jedoch eine geringere Linearität als die zuvor genannten Verstärkerklassen.
• Klasse D. Diese Verstärker verwenden eine Form von PWM, um den Ausgang zu steuern. Der Ausgang wird mit einem Tiefpassfilter am Ausgang zurück in ein analoges Signal umgewandelt. Diese werden oft in Motorsteuerungsanwendungen verwendet, indem der Ausgang in ein viel höheres Frequenz-PWM-Signal umgewandelt wird.

Beispiel Klasse D Audioverstärker

Beachten Sie, dass es viele andere Klassen von Verstärkern mit verschiedenen Spezialisierungsgraden gibt. Unabhängig davon, welche Verstärkerklasse Sie wählen, müssen Sie einige unterschiedliche Spezifikationen für verschiedene Verstärker abwägen.

Wichtige Spezifikationen für die Auswahlkriterien von Verstärkern

Bei der Auswahl eines Verstärkers für die Arbeit mit analogen Signalen achten Sie auf die folgenden Spezifikationen:

• Offener und geschlossener Schleifen-Spannungsgewinn. Der offene Schleifen-Gewinn gibt effektiv den maximalen Gewinn an, den Sie mit Ihrem Verstärker erzeugen können. In der Realität wird der geschlossene Schleifen-Gewinn gemessen, sobald Rückkopplung angewendet wird. Beachten Sie, dass dies eine Funktion der Frequenz ist; ein Bode-Diagramm des Gewinnspektrums wird dem eines Tiefpassfilters ähneln.
• Linearer Bereich. Es gibt mehrere Möglichkeiten, diesen Wert anzugeben. Die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal ist nie perfekt linear, aber sie kann in vielen Anwendungen nahe kommen. Dies kann als Bereich von Eingangssignalpegeln (üblicherweise in dBm) oder als maximaler Eingangswert mit einem bestimmten Verzerrungswert angegeben werden.
• Dynamikbereich. Dies ist einfach der Unterschied zwischen den kleinsten und größten möglichen Ausgangswerten. Der niedrigste Wert wird durch das Rauschen begrenzt, während der höchste durch den linearen Eingangsbereich begrenzt wird. Allgemein ist der Dynamikbereich DR = SNR + 1.
• Bandbreite. Bei generischen Verstärkern ist dies tatsächlich mit der Anstiegszeit verbunden, die die Zeit ist, die die Schaltung zum Umschalten benötigt (von 10% auf 90%). Dies wird den Bereich der nützlichen Frequenzen im Verstärker begrenzen (siehe die Anmerkung unter dieser Liste).
• Slew-Rate. Dies ist die Änderungsrate am Ausgang, üblicherweise in V/µs oder V/ns.
• Gemeinsame Modus-Unterdrückungsverhältnis. Dies ist die Fähigkeit des Verstärkers, gemeinsame Modus-Störungen, die an beiden Eingängen des Verstärkers vorhanden sind, zu unterdrücken.
• Effizienz. Diese Zahl ist wirklich eine Aussage über die Menge der als Wärme abgeführten Leistung. Ein effizienterer Verstärker führt einen geringeren Anteil der Leistung als Wärme ab.
• Eingang. Verstärker können vollständig einseitig oder vollständig differentiell sein (d.h. differentieller Eingang und differentieller Ausgang).

Alle oben genannten Parameter werden eine Funktion der Eingangsfrequenz sein. Spezialisierte Verstärker haben eine Bandbreite, die in bestimmten Frequenzbereichen angegeben ist. Stellen Sie sicher, dass die Bandbreite mit dem Frequenzbereich von Interesse überlappt. Es gibt andere wichtige Spezifikationen für Verstärker, die in spezifischen Anwendungen verwendet werden.

Leistungsverstärker

Alle Leistungsverstärker (normalerweise Klasse B, C oder AB) sind so konzipiert, dass sie nahe ihrem nichtlinearen Kompressionspunkt betrieben werden und während des Betriebs eine signifikante Menge an Leistung abführen. Im Allgemeinen wird die Leistungsabgabe eines Verstärkers mit steigender Temperatur abnehmen; hochwertige stabile Verstärker sollten weniger als 1 dB Abnahme der Leistungsabgabe über den gesamten Bereich der Betriebstemperaturen bieten. Andere Spezifikationen sollten eine ähnliche Stabilität aufweisen.

Bei der Auswahl eines Leistungsverstärkers, ob für spezifische Anwendungen oder allgemeine Anwendungen, sollten die zuvor aufgeführten Punkte dennoch berücksichtigt werden. Leistungsverstärker haben sich jedoch für verschiedene Anwendungen weiterentwickelt, und die aufgeführten Spezifikationen für verschiedene Verstärker sind an Designer angepasst, die mit diesen spezialisierten Anwendungen arbeiten. Ein ausgezeichnetes Beispiel sind RF-Leistungsverstärker, bei denen Verstärker für verschiedene Frequenzbänder auf unterschiedlichen Halbleiterprozessen basieren.

Die inhärente Nichtlinearität in diesen Verstärkern führt zu einigen unbeabsichtigten Effekten während des Betriebs. Designer aus der Audio-Community sind wahrscheinlich mit der totalen harmonischen Verzerrung (THD) oder der totalen harmonischen Verzerrung plus Rauschen (THD+N) vertraut. Harmonische Verzerrung ist ein nichtlinearer Effekt, bei dem höhere Harmonische des gewünschten Signals am Ausgang vorhanden sind. Ihr Leistungsverstärker sollte das niedrigstmögliche THD- oder THD+N-Niveau aufweisen (normalerweise als Prozentsatz ausgedrückt).

Leistungsverstärker für die Arbeit mit frequenzmodulierten Signalen geben Verzerrungen normalerweise in Bezug auf den dritten Ordnungs-Intercept-Punkt (3OIP) an. Die nichtlineare Natur von Leistungsverstärkern erzeugt höhere Harmonische und Intermodulationsprodukte, die aufgrund nichtlinearer Frequenzmischung zwischen verschiedenen Frequenzen in einem frequenzmodulierten Signal entstehen. Diese Intermodulationsprodukte erscheinen als Seitenbänder im Ausgangsspektrum des Verstärkers. Dieses Verzerrungsniveau aufgrund von Nichtlinearität wird auch außerhalb der RF-Community als Intermodulationsverzerrung (IMD) bezeichnet.

Beispiel OIP3 Extrapolation in einem Leistungsverstärker für frequenzmodulierte Signale.

Obwohl es viele mögliche Intermodulationsprodukte gibt, sind die Produkte ungerader Ordnung am wichtigsten, da sie am nächsten am Arbeitsfrequenzbereich liegen. Die Intermodulationsprodukte dritter Ordnung liegen am nächsten an den gewünschten Frequenzen, gefolgt von denen der fünften, siebten und so weiter. 3OIP wird normalerweise als Eingangsleistungswert angegeben, bei dem die Intensität der Intermodulationsprodukte dritter Ordnung die gleiche Ausgangsintensität wie das gewünschte Signal haben wird.

Octopart ist hier, um Ihnen Zugang zu einer riesigen Auswahl an allgemeinen und speziellen Verstärkerkomponenten für Ihr nächstes System zu geben. Wenn Sie unsicher sind, welchen Verstärker Sie benötigen, versuchen Sie unseren Part Selector Guide zu verwenden, um die beste Option für Ihr nächstes Produkt zu bestimmen.

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