Welche Leistungsverstärkerklasse sollten Sie verwenden?

Leistungsverstärker sind konzeptionell einfach, aber nicht alle Leistungsverstärker sind gleich geschaffen. Sie haben sicherlich konkurrierende Spezifikationen und Fähigkeiten, aber wichtiger ist die Topologie und Funktionalität dieser Schaltungen, wenn sie in einem realen System platziert werden. Die Funktionalität von Leistungsverstärkern wird in Klassen unterteilt, und es gibt viele Leistungsverstärkerklassen, die jeweils etwas unterschiedlich funktionieren. Es gibt genügend Leistungsverstärkerklassen, dass es schwierig sein kann, sich zu merken, wie jeder Verstärker funktioniert, sowie welche Verstärkerklassen in verschiedenen Systemen bevorzugt werden.

In diesem Artikel werde ich einen Überblick über die Hauptklassen von Leistungsverstärkern geben und wie sie in verschiedenen Systemen verwendet werden können. Wie wir sehen werden, sind verschiedene Arten von Leistungsverstärkern als integrierte Schaltungen verfügbar, und sie arbeiten mit verschiedenen Antriebsmethoden, um Leistung zu liefern. Betriebsmerkmale wie Verpackung, korrekte Signalreproduktion und harmonische Verzerrung sind einige der wichtigen Metriken, die bei der Auswahl von Leistungsverstärkern zu berücksichtigen sind.

Ein anderer wichtiger Punkt, der zu berücksichtigen ist, ist die Möglichkeit von Ersatz für Leistungsverstärker, insbesondere im modernen Umfeld von Engpässen und langen Lieferzeiten. Einige Leistungsverstärker sind miteinander kompatibel und können direkt ersetzt werden, solange Verpackung und Pinbelegungen ähnlich sind. Wir werden uns die Ersatzmöglichkeiten für die verschiedenen Arten von Leistungsverstärkern in diesem Artikel ansehen, wenn wir die Leistungsverstärkerklassen behandeln.

Wie Leistungsverstärker funktionieren

Konzeptionell sind Leistungsverstärker nicht anders als jeder andere Verstärker; man gibt ein bestimmtes Signal ein, und das Ausgangssignal ist im Allgemeinen intensiver als das Eingangssignal. Das Eingangssignal wird bis zu einem maximalen Wert verstärkt, der mit einer I/O-Bank oder durch die Stärke des eingehenden modulierenden Signals einstellbar sein kann. Ein Beispiel für eine typische Topologie eines Leistungsverstärkers ist unten gezeigt.

Allgemein gesprochen werden Leistungsverstärkerklassen durch ihren Antriebsmechanismus abgegrenzt, und sie werden weiter durch die Schaltungstopologie abgegrenzt. Leistungsverstärker können mit einem modulierten Rechteckwellensignal oder direkt mit einem Eingangs-Wechselstromsignal, wie im obigen Bild gezeigt, angetrieben werden. Über den Antriebsmechanismus hinaus gibt es mehrere Faktoren, die Leistungsverstärkerklassen unterscheiden:

• Modulationsmethode (PWM, PFM, Sigma-Delta usw.)

• Leistungslieferungstopologie (einzeln versorgt, kaskadierte Versorgungen)

• Push-Pull-Topologien

• Absichtliche vs. unbeabsichtigte Harmonieerzeugung

Merkmale von Leistungsverstärkern

Über diese Punkte hinaus können Leistungsverstärker eine Vielzahl von Strukturen und Merkmalen in das Produkt integriert haben. Zum Beispiel haben bestimmte Leistungsverstärker einzigartige Push-Pull-Konfigurationen auf der Ausgangsstufe, während andere einfache Transistorverstärker sind (insbesondere bei niedrigen Frequenzen). Verstärker können auch eine kaskadierte Topologie verwenden, um zusätzliche Verstärkung zu bieten, oder sie können einen Vorverstärker verwenden. Über die grundlegenden Betriebsanforderungen, die in Leistungsverstärkerklassen gefunden werden, ist wirklich alles möglich, um Merkmale hinzuzufügen, die Signalverarbeitung zu gewährleisten oder eine Schnittstelle für die Steuerung der Verstärkung bereitzustellen.

Module oder Chips?

Leistungsverstärkerprodukte sind als Chips für den Einsatz in kleineren Geräten oder als Module verfügbar, die in viel größere Geräte integriert werden können. Viele Leistungsverstärker-ICs gehören zu verschiedenen Klassen und können in vielen Anwendungen verwendet werden, obwohl viele der klassifizierten Leistungsverstärkerprodukte für Audio gebaut sind. Die meisten anderen Leistungsverstärker, die nicht speziell für Audio vermarktet werden und die nur einen einzelnen Transistor als aktives Element verwenden, sind Klasse-A-Verstärker, auch wenn das Datenblatt oder Marketingmaterialien keine spezifische Verstärkerklasse auflisten.

Ein Beispielkomponente ist der LM4991 von Texas Instruments. Dieser Klasse-AB-Audioverstärker bietet bis zu 3 W Leistung bei Betrieb auf Logikpegeln (bis zu 5,5 V). Die Komponente kann parallel verdoppelt werden, um Stereoausgabe an zwei Lautsprecher mit sehr niedrigen THD + N Verzerrungsleveln über den gesamten Audiobereich zu liefern. Einige Betriebsdaten und eine Anwendungsschaltung sind unten dargestellt.

Leistungsverstärker sind auch als vorgefertigte Module erhältlich, die viele Funktionen umfassen. Einige Leistungsverstärkerkomponenten oder -module sind dafür ausgelegt, innerhalb einer spezifischen Bandbreite zu arbeiten, daher gibt es zusätzliche Schaltungen im Ausgangsstadium, die Filterung und Impedanzanpassung bieten, insbesondere in Hochfrequenzsystemen, in denen HF-Signale erzeugt werden. Dennoch werden Sie Leistungsverstärkermodule sehen, die über einen riesigen Bereich möglicher Frequenzen arbeiten, sogar bis in den GHz-Bereich. Diese Module sind in der Regel für Hochleistungsanwendungen gedacht.

Der PE15A5068 von Pasternack ist ein Klasse-AB-Verstärker mit 5 W Sättigungseingangsleistung, der von 2 bis 18 GHz arbeitet. Dieses Modul arbeitet bei 22 bis 24 V DC mit einem typischen Gewinn von 37 dB. Diese Module können ziemlich teuer sein und sind nur für spezielle HF-Anwendungen in der Kommunikation (z.B. Militärradios) oder Instrumentierung gedacht. Dieses spezielle Bauteil ist mit einem GaN FET gebaut, obwohl andere Komponenten aus III-V-Verbindungshalbleitern gebaut sein könnten.

AC-betriebene Leistungsverstärker

Diese Leistungsverstärker nutzen das Eingangs-AC-Signal und möglicherweise eine angelegte DC-Offset-Bias, um einen oder mehrere Transistoren zu modulieren. Es kann einen Vorverstärker in diesen Verstärkern geben, um die Eingangsempfindlichkeit zu erhöhen und die Transistoren vollständig zu modulieren.

Klasse A

Klasse-A-Leistungsverstärker werden mit einem einzigen Schalttransistor gebaut, unabhängig vom Typ des Leistungstransistors. Die Absicht dieser Verstärker ist es, den linearen Bereich des Geräts um den Q-Punkt des Transistors zu maximieren, um Signalverzerrungen und Harmonische Erzeugung zu verhindern. Diese Verstärker können einen hohen linearen Bereich haben, wenn sie richtig konstruiert sind, und sie sind leicht aus diskreten Komponenten zu bauen. Der Nachteil eines Klasse-A-Verstärkers ist die Wärmeerzeugung, da der Transistor immer in den leitenden Zustand DC-vorgespannt ist, sodass immer einige geringfügige Leitungsverluste auftreten werden.

Klasse B

Diese Verstärker ähneln der Klasse A, bieten jedoch durch die Verwendung von zwei Transistoren, die in einer Gegentakt-Konfiguration bei inversen Polaritäten arbeiten, eine geringere Wärmeverschwendung, d.h., jeder Transistor steuert nur die Hälfte des Eingangssignals. Jeder Transistor wird abgeschaltet, wenn das Signalniveau 0 V überschreitet, was dann den anderen Transistor einschaltet. Der Nachteil dieser Verstärker ist ihre Totzeit oder Tote Zone; während der kurzen Periode, in der das Signal 0 V passiert, wird das treibende Signal zwischen den beiden Polaritäten unterhalb der Schwelle sein, sodass der Transistor ausgeschaltet bleibt, auch wenn das Signalniveau ein kleiner, nicht-null Wert ist.

Beachten Sie, dass es auch einen Klasse-AB-Leistungsverstärker gibt, der die besten Aspekte der Klasse-A- und Klasse-B-Verstärkerschaltungen mit geringer Verzerrung verbindet.

Klasse C

Diese Verstärker verwenden einen parallelen LC-Kreis am Eingangsbias-Terminal, um eine Filterung bei der LC-Resonanz zu bieten. Diese Verstärker arbeiten ohne Gleichstromvorspannung mit einem einzigen Transistor, sodass sie bei typischen Betriebsfrequenzen eine starke Verzerrung aufweisen. Daher werden sie normalerweise nicht in der Audiotechnik oder in anderen Anwendungen mit hoher Bandbreite verwendet, stattdessen werden sie oft als Oszillatoren bei einem sinusförmigen Eingang verwendet. Der lineare Bereich dieser Verstärker ist auch sehr niedrig, da der Betriebspunkt für diese Verstärker eingestellt ist.

PWM-gesteuerte Leistungsverstärker

Diese Klassen von Leistungsverstärkern sind in digitalen Anwendungen häufiger anzutreffen, aufgrund der Art und Weise, wie sie angesteuert werden. Die erforderliche Ansteuermethode kann aus analogen Wellenformen generiert werden, oder der Impulszug könnte mit einem digitalen Prozessor synthetisiert werden.

Klasse D und S

Diese beiden Verstärker sind nichtlineare Schaltverstärker, die modulierte Impulszüge und Filterung verwenden, um das gewünschte Ausgangssignal zu erzeugen.

• Klasse D: Diese Verstärker verwenden eine Eingangssägezahnwelle und das Eingangssignal in einem Komparator, um ein Sigma-Delta-moduliertes Signal zu erzeugen. Dieses Signal wird verwendet, um einen Gegentaktverstärkerkreis anzusteuern und das Ausgangssignal wird in den Audio-Bereich gefiltert.

• Klasse S: Verwendet einen Sigma-Delta-Modulator, um eine Ausgangsrechteckwelle zu erzeugen, die verstärkt und dann durch ein Hoch-Q-Bandpassfilter geleitet wird, um eine Sinuswelle zu erzeugen.

Diese Verstärker arbeiten mit hoher Effizienz und geringer Verzerrung, was sie hinsichtlich der Verzerrung mit Klasse A/AB-Verstärkern vergleichbar macht.

Klasse F

Ein Klasse-F-Verstärker ist so konzipiert, dass er mit einer Reihe von Hoch-Q-Harmonischen Resonatoren Leistung mit geringen resistiven Verlusten an eine Last liefert. Wenn mehr Resonatorelemente auf der Ausgangsstufe kaskadiert werden, nähert sich die Ausgangswellenform einer Rechteckwelle mit einer sehr effizienten Leistungsumwandlung. Die erzeugten Harmonischen sind Vielfache von Komponenten im Eingangssignal, sodass diese Verstärker nützlicher als Hochleistungs-Rechteckwellengeneratoren sind.

Klasse G und H

Diese Leistungsverstärker sind eine Verbesserung der Klasse-AB-Verstärker mit einem einzigartigen Leistungslieferungsschema. Die Modulation in diesen Verstärkern wird erreicht, indem das Eingangssignal das Gerät dazu zwingt, während seiner Schwingung zwischen mehreren Schienenspannungen zu wechseln. Der Unterschied zwischen Klasse G und Klasse H liegt im Unterschied zwischen digitalen und analogen Versorgungen; Klasse-H-Verstärker verwenden eine kontinuierlich variierende Stromversorgung (analog), während Klasse G eine Reihe von diskreten Schienenspannungswerten verwendet.

Klasse I

Diese Verstärkerklasse funktioniert nach demselben Konzept wie ein Klasse-B-Verstärker, verwendet jedoch zwei Gegentakt-Schaltungen parallel. Eine Schaltung ist während der positiven Halbwelle aktiv, während die andere während der negativen Halbwelle aktiv ist. Jede Seite des Geräts wechselt zwischen EIN und AUS, wenn der Tastgrad des PWM-Treibers bei 50% genau am Nulldurchgangspunkt des Eingangs liegt.

Weitere Komponenten für Leistungsverstärker-Schaltungen

Die obigen Beispiele sollten zeigen, dass es bei Leistungsverstärkerklassen mehr um die Struktur und weniger um die Fähigkeiten geht. Das bedeutet in der Regel, dass wenn man weiß, wie man eine kleine Leistungsverstärker-Schaltung baut und verwendet, die Konzepte schnell auf größere Leistungen oder Frequenzen skaliert werden können.

In jeder analogen oder RF-Signalkette wird der Verstärker nicht die einzige Komponente sein. Diese Systeme könnten mit anderen diskreten oder Operationsverstärkern beladen sein, um Funktionen wie Filterung zu bieten, oder sie könnten spezielle monolithische Komponenten verwenden, wenn sie bei hohen Frequenzen arbeiten. Einige der wichtigen Komponenten, die in Leistungsverstärker-Schaltungen benötigt werden, sind unten verlinkt.

• Rauscharme Verstärker für Empfangsschaltungen in RF-Systemen

• Kondensatoren für Hochfrequenzfilter

• Operationsverstärker für analoge Schaltungen

• GaN FETs für Hochfrequenzanwendungen

Wenn Sie einen Verstärker aus einer Reihe von diskreten Komponenten aufbauen, benötigen Sie alle Komponenten, die im obigen topologischen Diagramm gezeigt werden, und letztendlich, diese auf einer Leiterplatte zu platzieren. Stellen Sie sicher, dass Sie die besten Supply-Chain-Tools verwenden, um die Komponenten zu finden, die Sie für Ihr Design benötigen.

Unternehmen, die eine Just-in-Case-Versorgungskettenstrategie implementieren möchten, benötigen Zugang zu Daten, Einblicken und einer Beschaffungsplattform wie Octopart, um Komponenten zu lokalisieren und zu beschaffen. Octopart bietet fortgeschrittene Such- und Filterfunktionen, um Käufern beim Finden von Komponenten und aktuelle Distributorenpreisdaten, Teilebestände und Teilespezifikationen zu helfen. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

Bleiben Sie auf dem Laufenden mit unseren neuesten Artikeln, indem Sie sich für unseren Newsletter anmelden.