Criterios de Selección de Amplificadores para Diseñadores de PCB

Probablemente todos estén familiarizados con el clásico amplificador operacional 741, especialmente si recuerdan sus primeras clases de electrónica. Sin embargo, cuando se trata de aplicaciones especializadas, la gama de amplificadores disponibles es suficiente para marear a cualquier diseñador. Una vez que se comprende cómo diferentes amplificadores citan diferentes especificaciones, se hace más fácil determinar el mejor amplificador para su aplicación. Hemos compilado una lista de criterios importantes de selección de amplificadores para diseñadores de PCB.

Clases de Amplificadores

Todos los amplificadores se dividen en diferentes clases, lo que determina su utilidad en diferentes aplicaciones. Aquí hay 5 clases comunes de amplificadores:

• Clase A. Estos amplificadores están destinados a ser altamente lineales y siempre están sesgados en encendido. Por lo tanto, no son adecuados para aplicaciones de alta potencia ya que consumirán más energía que los amplificadores en otras clases.
• Clase B. Estos amplificadores fueron diseñados como una alternativa más eficiente a los amplificadores de Clase A. Sin embargo, debido a que usan FETs, que requieren un mínimo de entrada para activar los transistores, no reproducen perfectamente la forma de onda de entrada y producen cierta distorsión a menor fuerza de señal de entrada. Esto se conoce como distorsión de cruce.
• Clase AB. Estos amplificadores son posiblemente los amplificadores más comúnmente usados para una amplia gama de aplicaciones. Proporcionan una mayor eficiencia que un amplificador de Clase A sin distorsión de cruce. También tienen un rango lineal comparable.
• Clase C. Estos amplificadores se usan más a menudo en aplicaciones de RF. Pueden ser diseñados con un amplio ancho de banda gracias al uso de un circuito tanque LC interno u otra circuitería para proporcionar una fuerte ganancia en altas frecuencias. Sin embargo, tienen menor linealidad que las clases de amplificadores mencionadas anteriormente.
• Clase D. Estos amplificadores usan alguna forma de PWM para controlar la salida. La salida se convierte de nuevo a una señal analógica con un filtro de paso bajo en la salida. A menudo se utilizan en aplicaciones de control de motores convirtiendo la salida a una señal PWM de mucha mayor frecuencia.

Ejemplo de amplificador de audio Clase D

Tenga en cuenta que hay muchas otras clases de amplificadores con varios niveles de especialización. No importa qué clase de amplificador elija usar, necesitará considerar algunas especificaciones diferentes para diferentes amplificadores.

Especificaciones Importantes para Criterios de Selección de Amplificadores

Al seleccionar un amplificador para trabajar con señales analógicas, preste atención a las siguientes especificaciones:

• Ganancia de voltaje en lazo abierto y cerrado. La ganancia en lazo abierto te indica efectivamente la máxima ganancia que puedes producir con tu amplificador. En realidad, medirás la ganancia en lazo cerrado una vez que se aplique la retroalimentación. Nota que esto es una función de la frecuencia; un diagrama de Bode del espectro de ganancia se parecerá al de un filtro de paso bajo.
• Rango lineal. Hay varias maneras de citar este valor. La relación entre la señal de entrada y salida nunca es perfectamente lineal, pero puede acercarse mucho en muchas aplicaciones. Esto puede especificarse como un rango de niveles de señal de entrada (usualmente en dBm) o como un valor máximo de entrada con algún valor de distorsión asociado.
• Rango dinámico. Esto es simplemente la diferencia entre los valores de salida más pequeño y más grande posibles. El valor más bajo está limitado por el piso de ruido, mientras que el más alto está limitado por el rango de entrada lineal. En general, el rango dinámico es DR = SNR + 1.
• Ancho de banda. Para amplificadores genéricos, esto está realmente relacionado con el tiempo de subida, que es el tiempo requerido para que el circuito cambie (del 10% al 90%). Esto limitará el rango de frecuencias útiles en el amplificador (ver la nota debajo de esta lista).
• Tasa de cambio. Esta es la tasa de cambio en la salida, usualmente en V/us o V/ns.
• Relación de rechazo de modo común. Esta es la capacidad del amplificador para rechazar el ruido de modo común presente en ambas entradas del amplificador.
• Eficiencia. Este número es realmente una declaración respecto a la cantidad de potencia disipada como calor. Un amplificador más eficiente disipa una menor fracción de potencia como calor.
• Entrada. Los amplificadores pueden ser completamente de un solo extremo o completamente diferenciales (es decir, entrada diferencial y salida diferencial).

Todos los parámetros anteriores serán una función de la frecuencia de entrada. Los amplificadores especializados tendrán un ancho de banda que se especifica en ciertos rangos de frecuencia. Asegúrate de que el ancho de banda se superponga con el rango de frecuencia de interés. Hay otras especificaciones importantes para amplificadores utilizados en aplicaciones específicas.

Amplificadores de Potencia

Todos los amplificadores de potencia (normalmente Clase B, C, o AB) están diseñados para funcionar cerca de su punto de compresión no lineal y disiparán una cantidad significativa de potencia durante la operación. En general, la salida de potencia de un amplificador disminuirá a medida que aumenta la temperatura; los amplificadores estables de alta calidad deberían proporcionar menos de 1 dB de disminución en la salida de potencia a través de todo el rango de temperaturas de operación. Otras especificaciones deberían exhibir una estabilidad similar.

Cuando se selecciona un amplificador de potencia, ya sea para aplicaciones específicas o en aplicaciones generales, los puntos previamente listados aún deben considerarse. Sin embargo, los amplificadores de potencia han evolucionado para diferentes aplicaciones, y las especificaciones listadas para diferentes amplificadores están adaptadas para diseñadores que trabajan con estas aplicaciones especializadas. Un excelente ejemplo se encuentra en amplificadores de potencia RF, donde los amplificadores para diferentes bandas de frecuencia se basan en diferentes procesos de semiconductores.

La no linealidad inherente en estos amplificadores conducirá a algunos efectos no deseados durante la operación. Los diseñadores de la comunidad de audio probablemente estén familiarizados con la distorsión armónica total (THD) o la distorsión armónica total más ruido (THD+N). La distorsión armónica es un efecto no lineal, donde los armónicos de orden superior de la señal deseada están presentes en la salida. Tu amplificador de potencia debería tener el nivel más bajo posible de THD o THD+N (normalmente expresado como un porcentaje).

Los amplificadores de potencia para trabajar con señales moduladas en frecuencia generalmente especifican la distorsión en términos del punto de intercepción de tercer orden (3OIP). La naturaleza no lineal de los amplificadores de potencia generará armónicos de orden superior y productos de intermodulación, que surgen debido a la mezcla de frecuencias no lineal entre diferentes frecuencias en una señal modulada en frecuencia. Estos productos de intermodulación aparecen como bandas laterales en el espectro de salida del amplificador. Este nivel de distorsión debido a la no linealidad también se cita como distorsión de intermodulación (IMD) fuera de la comunidad RF.

Ejemplo de extrapolación OIP3 en un amplificador de potencia para señales moduladas en frecuencia.

Aunque hay muchos productos de intermodulación posibles, los productos de orden impar son los más importantes ya que se encuentran más cerca del rango de frecuencia con el que estás trabajando. Los productos de intermodulación de tercer orden se encuentran más cerca de las frecuencias deseadas, seguidos por el quinto, séptimo, y así sucesivamente. 3OIP normalmente se cita como un valor de potencia de entrada en el cual la intensidad de los productos de intermodulación de tercer orden tendrá la misma intensidad de salida que la señal deseada.

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