Quelle classe d'amplificateur de puissance devriez-vous utiliser ?

Créé: Novembre 7, 2022
Mise à jour: Juillet 1, 2024

Les amplificateurs de puissance sont conceptuellement simples, mais tous les amplificateurs de puissance ne sont pas égaux. Ils ont certainement des spécifications et des capacités concurrentes, mais plus important est la topologie et la fonctionnalité de ces circuits lorsqu'ils sont placés dans un système réel. La fonctionnalité de l'amplificateur de puissance est divisée en classes, et il existe de nombreuses classes d'amplificateurs de puissance qui fonctionnent chacune de manière quelque peu différente. Il y a suffisamment de classes d'amplificateurs de puissance pour qu'il puisse être difficile pour tout le monde de mémoriser comment chaque amplificateur fonctionne, ainsi que quelles classes d'amplificateurs sont préférables dans différents systèmes.

Dans cet article, je vais donner un aperçu des principales classes d'amplificateurs de puissance et comment elles peuvent être utilisées dans différents systèmes. Comme nous le verrons, différents types d'amplificateurs de puissance sont disponibles sous forme de circuits intégrés, et ils fonctionnent avec différentes méthodes de pilotage pour fournir de la puissance. Les caractéristiques opérationnelles telles que l'emballage, la reproduction correcte du signal et la distorsion harmonique sont quelques-unes des métriques importantes à considérer lors de la sélection d'amplificateurs de puissance.

L'autre point important à considérer est la possibilité de substitutions pour les amplificateurs de puissance, surtout dans l'environnement moderne de pénuries et de longs délais de livraison. Certains amplificateurs de puissance sont compatibles entre eux et peuvent être substitués directement tant que l'emballage et les brochages sont similaires. Nous examinerons les possibilités de substitution pour les différents types d'amplificateurs de puissance dans cet article lors de la couverture des classes d'amplificateurs de puissance.

Comment fonctionnent les amplificateurs de puissance

Conceptuellement, les amplificateurs de puissance ne sont pas différents de tout autre amplificateur ; vous entrez un certain signal, et le signal de sortie est généralement plus intense que l'entrée. Le signal d'entrée est amplifié jusqu'à une certaine valeur maximale, qui peut être ajustable avec une banque E/S ou par la force du signal modulant d'entrée. Un exemple de topologie typique d'amplificateur de puissance est montré ci-dessous.

De manière générale, les classes d'amplificateurs de puissance sont délimitées par leur mécanisme de pilotage, et elles sont encore délimitées par la topologie du circuit. Les amplificateurs de puissance peuvent être pilotés avec un signal carré modulé, ou avec un signal AC d'entrée directement comme le montre l'image ci-dessus. Au-delà du mécanisme de pilotage, il existe plusieurs facteurs qui différencient les classes d'amplificateurs de puissance :

Méthode de modulation (PWM, PFM, sigma-delta, etc.)
Topologie de livraison de puissance (alimentation unique, alimentations en cascade)
Topologies push-pull
Génération harmonique intentionnelle vs. non intentionnelle

Caractéristiques des amplificateurs de puissance

Au-delà de ces points, les amplificateurs de puissance peuvent avoir une variété de structures et de fonctionnalités intégrées dans le produit. Par exemple, certains amplificateurs de puissance ont des configurations push-pull uniques au niveau du stade de sortie, tandis que d'autres sont de simples amplificateurs à transistor (particulièrement à basses fréquences). Les amplificateurs peuvent également utiliser une topologie en cascade pour fournir un gain supplémentaire, ou ils peuvent utiliser un pré-amplificateur. Au-delà des exigences opérationnelles de base trouvées dans les classes d'amplificateurs de puissance, vraiment tout est possible pour ajouter des fonctionnalités, assurer le conditionnement du signal, ou fournir une interface pour contrôler le gain.

Modules ou puces ?

Les produits d'amplificateurs de puissance sont disponibles sous forme de puces pour une utilisation dans des dispositifs plus petits, ou sous forme de modules pouvant être intégrés dans des dispositifs beaucoup plus grands. De nombreux circuits intégrés d'amplificateurs de puissance appartiennent à différentes classes et peuvent être utilisés dans de nombreuses applications, bien que de nombreux produits d'amplificateurs de puissance classés soient conçus pour l'audio. La plupart des autres amplificateurs de puissance qui ne sont pas spécifiquement commercialisés pour l'audio et qui utilisent seulement un transistor comme élément actif sont des amplificateurs de Classe A, même si la fiche technique ou les matériaux de marketing ne listent pas une classe d'amplificateur spécifique.

Un exemple de composant est le LM4991 de Texas Instruments. Cet amplificateur audio de Classe AB fournit jusqu'à 3 W de puissance de sortie fonctionnant à des niveaux logiques (jusqu'à 5,5 V). Le composant peut être doublé en parallèle pour fournir une sortie stéréo à deux haut-parleurs avec des niveaux de distorsion très bas THD + N sur toute la gamme audio. Certaines données opérationnelles et un circuit d'application sont montrés ci-dessous.

Les amplificateurs de puissance sont également disponibles sous forme de modules pré-emballés incluant de nombreuses fonctionnalités. Certains composants ou modules d'amplificateurs de puissance sont destinés à fonctionner dans une bande passante spécifique, il y a donc des circuits supplémentaires sur l'étage de sortie qui fournissent un filtrage et une adaptation d'impédance, en particulier dans les systèmes haute fréquence où des signaux RF sont générés. Cependant, vous verrez toujours des modules d'amplificateurs de puissance fonctionner sur une vaste gamme de fréquences possibles, atteignant même la gamme des GHz. Ces modules sont généralement destinés à des applications de haute puissance.

Le PE15A5068 de Pasternack est un amplificateur de Classe AB avec une puissance d'entrée de saturation de 5 W fonctionnant de 2 à 18 GHz. Ce module fonctionne à 22 à 24 V DC avec un gain typique de 37 dB. Ces modules peuvent être assez coûteux et sont uniquement destinés à des applications RF spécialisées dans les communications (par exemple, les radios militaires) ou l'instrumentation. Ce composant particulier est construit avec un GaN FET, bien que d'autres composants puissent être construits à partir de semi-conducteurs composés III-V.

Amplificateurs de puissance alimentés en CA

Ces amplificateurs de puissance utilisent le signal d'entrée CA, et éventuellement un certain décalage de polarisation CC appliqué, pour moduler un ou plusieurs transistors. Il peut y avoir un préamplificateur dans ces amplificateurs pour augmenter la sensibilité d'entrée et moduler complètement les transistors.

Classe A

Les amplificateurs de puissance de Classe A sont construits avec un seul transistor de commutation, quel que soit le type de transistor de puissance. L'intention de ces amplificateurs est de maximiser la gamme linéaire du dispositif autour du point Q du transistor afin de prévenir la distorsion du signal et la génération d'harmoniques. Ces amplificateurs peuvent avoir une large gamme linéaire lorsqu'ils sont correctement construits, et ils sont facilement réalisés à partir de composants discrets. L'inconvénient d'un amplificateur de Classe A est la génération de chaleur car le transistor est toujours polarisé en CC dans l'état conducteur, il y aura donc toujours quelques pertes de conduction légères.

Classe B

Ces amplificateurs sont similaires à la classe A, mais ils offrent moins de chaleur gaspillée grâce à l'utilisation de deux transistors fonctionnant à des polarités inverses dans une configuration push-pull, c'est-à-dire que chaque transistor ne traite que la moitié du signal d'entrée. Chaque transistor est modulé en OFF lorsque le niveau du signal passe à 0 V, ce qui module alors l'autre transistor en ON. L'inconvénient de ces amplificateurs est leur temps mort ou zone morte ; pendant la brève période où le signal passe à 0 V, le signal de commande entre les deux polarités sera sous-seuil, donc le transistor sera en OFF même si le niveau du signal est une petite valeur non nulle.

Notez qu'il existe également un amplificateur de puissance de classe AB, qui combine les meilleurs aspects des circuits d'amplificateurs de classe A et B avec une faible distorsion.

Classe C

Ces amplificateurs utilisent un circuit LC parallèle sur la borne de polarisation d'entrée pour fournir un filtrage à la résonance LC. Ces amplificateurs fonctionnent sans polarisation DC avec un seul transistor, donc ils présentent une forte distorsion aux fréquences de fonctionnement typiques. Par conséquent, ils ne sont normalement pas utilisés dans l'audio ou dans tout autre chose nécessitant une large bande passante, à la place, ils sont souvent utilisés comme oscillateurs avec une entrée sinusoïdale. La plage linéaire de ces amplificateurs est également très faible en raison du point de fonctionnement défini pour ces amplificateurs.

Amplificateurs de puissance pilotés par MLI

Ces classes d'amplificateurs de puissance sont plus courantes dans les applications numériques en raison de la manière dont ils sont pilotés. La méthode de pilotage requise peut être générée à partir de formes d'onde analogiques, ou le train d'impulsions pourrait être synthétisé avec un processeur numérique.

Classes D et S

Ces deux amplificateurs sont des amplificateurs de commutation non linéaires qui utilisent des trains d'impulsions modulées et un filtrage pour produire le signal de sortie souhaité.

Classe D : Ces amplificateurs utilisent une dent de scie d'entrée et le signal d'entrée dans un comparateur pour générer un signal modulé sigma-delta. Ce signal est utilisé pour piloter un circuit d'amplificateur push-pull et la sortie est filtrée dans la gamme audio.
Classe S : Utilise un modulateur sigma-delta pour produire une onde carrée de sortie, qui est amplifiée puis passée à travers un filtre passe-bande à haute Q pour produire une onde sinusoïdale.

Ces amplificateurs fonctionnent avec une haute efficacité et une faible distorsion les rendant comparables aux amplificateurs de classe A/AB en termes de distorsion.

Classe F

Un amplificateur de classe F est conçu pour utiliser un ensemble de résonateurs harmoniques à haute Q pour fournir de l'énergie à une charge avec de faibles pertes résistives. À mesure que plus d'éléments résonateurs sont cascades sur l'étage de sortie, la forme d'onde de sortie se rapproche d'une onde carrée avec une conversion d'énergie très efficace. Les harmoniques générées sont des multiples des composants dans le signal d'entrée, donc ces amplificateurs sont plus utiles comme générateurs d'ondes carrées de haute puissance.

Classes G et H

Ces amplificateurs de puissance sont une amélioration des amplificateurs de classe AB avec un schéma de livraison de puissance unique. La modulation dans ces amplificateurs est réalisée lorsque le signal d'entrée force le dispositif à basculer entre plusieurs tensions de rail pendant son oscillation. La différence entre la classe G et la classe H est la différence entre les alimentations numériques et analogiques ; les amplificateurs de classe H utilisent une alimentation électrique variant continuellement (analogique) tandis que la classe G utilise un ensemble de valeurs de tension de rail discrètes.

Classe I

Cette classe d'amplificateur fonctionne selon le même concept qu'un amplificateur de classe B, mais elle utilise deux circuits push-pull en parallèle. Un circuit est actif pendant la demi-cycle positif tandis que l'autre est actif pendant le demi-cycle négatif. Chaque côté du dispositif bascule entre ON et OFF lorsque le cycle de travail du pilote PWM est de 50% juste au point de croisement zéro de l'entrée.

Autres composants pour les circuits d'amplificateurs de puissance

Les exemples ci-dessus devraient montrer que les classes d'amplificateurs de puissance concernent plus la structure que les capacités. Cela signifie typiquement que si vous savez comment construire et utiliser un petit circuit d'amplificateur de puissance, les concepts peuvent rapidement être mis à l'échelle pour des puissances ou des fréquences plus grandes.

Dans toute chaîne de signal analogique ou RF, l'amplificateur ne sera pas le seul composant. Ces systèmes pourraient être chargés d'autres composants discrets ou d'op-amps pour fournir des fonctions comme le filtrage, ou ils pourraient utiliser des composants monolithiques spécialisés lorsqu'ils fonctionnent à haute fréquence. Certains des composants importants nécessaires dans les circuits d'amplificateurs de puissance sont liés ci-dessous.

Dans le cas où vous construisez un amplificateur à partir d'un ensemble de composants discrets, vous aurez besoin de tous les composants montrés dans le diagramme topologique ci-dessus et, éventuellement, de les placer sur un PCB. Assurez-vous d'utiliser les meilleurs outils de chaîne d'approvisionnement pour trouver les composants dont vous avez besoin pour votre conception.

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