Criteri di Selezione degli Amplificatori per i Progettisti di PCB

Tutti sono probabilmente familiari con il classico op-amp 741, specialmente se ricordate le vostre prime lezioni di elettronica. Tuttavia, quando si tratta di applicazioni specializzate, la gamma di amplificatori disponibili è tale da far girare la testa a qualsiasi progettista. Una volta che si ha una comprensione di come diversi amplificatori citano diverse specifiche, diventa più facile determinare l'amplificatore migliore per la propria applicazione. Abbiamo compilato una lista di criteri importanti per la selezione degli amplificatori per i progettisti di PCB.

Classi di Amplificatori

Tutti gli amplificatori sono divisi in diverse classi, che ne determinano l'utilità in diverse applicazioni. Ecco 5 classi comuni di amplificatori:

• Classe A. Questi amplificatori sono intesi per essere altamente lineari e sono sempre polarizzati in conduzione. Pertanto, non sono adatti per applicazioni ad alta potenza poiché consumeranno più energia rispetto agli amplificatori in altre classi.
• Classe B. Questi amplificatori sono stati progettati come un'alternativa più efficiente agli amplificatori di Classe A. Tuttavia, poiché utilizzano FET, che richiedono un minimo input per attivare i transistor, non riproducono perfettamente la forma d'onda di ingresso e producono una certa distorsione a bassa intensità del segnale di ingresso. Questo è noto come distorsione di crossover.
• Classe AB. Questi amplificatori sono probabilmente gli amplificatori più comunemente utilizzati per una vasta gamma di applicazioni. Forniscono un'efficienza maggiore rispetto a un amplificatore di Classe A senza distorsione di crossover. Hanno anche un intervallo lineare comparabile.
• Classe C. Questi amplificatori sono più spesso utilizzati in applicazioni RF. Possono essere progettati con una larga banda grazie all'uso di un circuito serbatoio LC interno o altre circuiterie per fornire un forte guadagno ad alte frequenze. Tuttavia, hanno una linearità inferiore rispetto alle classi di amplificatori sopra menzionate.
• Classe D. Questi amplificatori utilizzano una forma di PWM per controllare l'uscita. L'uscita viene convertita di nuovo in un segnale analogico con un filtro passa-basso all'uscita. Sono spesso utilizzati in applicazioni di controllo motore convertendo l'uscita in un segnale PWM di frequenza molto più alta.

Esempio di amplificatore audio Classe D

Da notare che ci sono molte altre classi di amplificatori con vari livelli di specializzazione. Indipendentemente dalla classe di amplificatore che si sceglie di utilizzare, sarà necessario considerare alcune specifiche diverse per diversi amplificatori.

Specifiche Importanti per i Criteri di Selezione degli Amplificatori

Quando si seleziona un amplificatore per lavorare con segnali analogici, prestare attenzione alle seguenti specifiche:

• Guadagno in anello aperto e chiuso. Il guadagno in anello aperto indica effettivamente il massimo guadagno che puoi ottenere con il tuo amplificatore. In realtà, misurerai il guadagno in anello chiuso una volta applicato il feedback. Nota che questa è una funzione della frequenza; un grafico di Bode dello spettro di guadagno assomiglierà a quello di un filtro passa-basso.
• Gamma lineare. Ci sono diversi modi per citare questo valore. La relazione tra il segnale di ingresso e di uscita non è mai perfettamente lineare, ma può avvicinarsi molto in molte applicazioni. Questo può essere specificato come una gamma di livelli di segnale di ingresso (solitamente in dBm) o come un valore massimo di ingresso con un certo valore di distorsione associato.
• Gamma dinamica. Questa è semplicemente la differenza tra i valori di uscita più piccoli e più grandi possibili. Il valore più basso è limitato dal pavimento di rumore, mentre il più alto è limitato dalla gamma di ingresso lineare. In generale, la gamma dinamica è DR = SNR + 1.
• Larghezza di banda. Per gli amplificatori generici, questo è in realtà correlato al tempo di salita, che è il tempo necessario al circuito per commutare (dal 10% al 90%). Questo limiterà la gamma di frequenze utili nell'amplificatore (vedi la nota sotto questa lista).
• Velocità di variazione. Questo è il tasso di cambiamento in uscita, solitamente in V/us o V/ns.
• Rapporto di reiezione del modo comune. Questa è la capacità dell'amplificatore di respingere il rumore in modo comune presente su entrambi gli ingressi dell'amplificatore.
• Efficienza. Questo numero è davvero un'affermazione riguardante la quantità di potenza dissipata come calore. Un amplificatore più efficiente dissipa una frazione minore di potenza come calore.
• Ingresso. Gli amplificatori possono essere completamente single-ended o completamente differenziali (cioè, ingresso differenziale e uscita differenziale).

Tutti i parametri sopra menzionati saranno una funzione della frequenza di ingresso. Gli amplificatori specializzati avranno una larghezza di banda specificata in determinati intervalli di frequenza. Assicurati che la larghezza di banda si sovrapponga con l'intervallo di frequenza di interesse. Ci sono altre specifiche importanti per gli amplificatori utilizzati in applicazioni specifiche.

Amplificatori di Potenza

Tutti gli amplificatori di potenza (normalmente Classe B, C o AB) sono progettati per funzionare vicino al loro punto di compressione non lineare e dissiperanno una quantità significativa di potenza durante il funzionamento. In generale, l'uscita di potenza da un amplificatore diminuirà all'aumentare della temperatura; gli amplificatori stabili di alta qualità dovrebbero fornire meno di 1 dB di diminuzione dell'uscita di potenza su tutto l'intervallo di temperature operative. Altre specifiche dovrebbero mostrare una stabilità simile.

Quando si seleziona un amplificatore di potenza, sia per applicazioni specifiche che per applicazioni generali, i punti precedentemente elencati dovrebbero comunque essere considerati. Tuttavia, gli amplificatori di potenza si sono evoluti per diverse applicazioni e le specifiche elencate per i diversi amplificatori sono adattate ai progettisti che lavorano con queste applicazioni specializzate. Un eccellente esempio è negli amplificatori di potenza RF, dove gli amplificatori per diverse bande di frequenza si basano su diversi processi a semiconduttore.

La non linearità intrinseca in questi amplificatori porterà ad alcuni effetti indesiderati durante il funzionamento. I progettisti della comunità audio sono probabilmente familiari con la distorsione armonica totale (THD) o la distorsione armonica totale più rumore (THD+N). La distorsione armonica è un effetto non lineare, dove armoniche di ordine superiore del segnale desiderato sono presenti all'uscita. Il tuo amplificatore di potenza dovrebbe avere il livello più basso possibile di THD o THD+N (normalmente espresso come una percentuale).

Gli amplificatori di potenza per lavorare con segnali modulati in frequenza di solito specificano la distorsione in termini di punto di intercettazione del terzo ordine (3OIP). La natura non lineare degli amplificatori di potenza genererà armoniche di ordine superiore e prodotti di intermodulazione, che sorgono a causa del mixing non lineare di frequenze tra diverse frequenze in un segnale modulato in frequenza. Questi prodotti di intermodulazione appaiono come bande laterali nello spettro di uscita dell'amplificatore. Questo livello di distorsione dovuto alla non linearità è anche citato come distorsione di intermodulazione (IMD) al di fuori della comunità RF.

Esempio di estrapolazione OIP3 in un amplificatore di potenza per segnali modulati in frequenza.

Sebbene ci siano molti possibili prodotti di intermodulazione, i prodotti di ordine dispari sono i più importanti poiché si trovano più vicini alla gamma di frequenze con cui si sta lavorando. I prodotti di intermodulazione di terzo ordine si trovano più vicini alle frequenze desiderate, seguiti dal quinto, settimo e così via. Il 3OIP è normalmente citato come un valore di potenza di ingresso in cui l'intensità dei prodotti di intermodulazione di terzo ordine avrà la stessa intensità di uscita del segnale desiderato.

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