Quale Classe di Amplificatore di Potenza Dovresti Usare?

Gli amplificatori di potenza sono concettualmente semplici, ma non tutti gli amplificatori di potenza sono creati uguali. Certamente presentano specifiche e capacità concorrenziali, ma più importante è la topologia e la funzionalità di questi circuiti quando inseriti in un sistema reale. La funzionalità degli amplificatori di potenza è divisa in classi, e ci sono molte classi di amplificatori di potenza che funzionano in modo alquanto diverso. Esistono abbastanza classi di amplificatori di potenza che può essere difficile per tutti memorizzare come funziona ciascun amplificatore, così come quali classi di amplificatori sono preferibili in diversi sistemi.

In questo articolo, fornirò una panoramica delle principali classi di amplificatori di potenza e come possono essere utilizzate in diversi sistemi. Come vedremo, diversi tipi di amplificatori di potenza sono disponibili come circuiti integrati, e lavorano con diversi metodi di pilotaggio per fornire potenza. Caratteristiche operative come il packaging, la corretta riproduzione del segnale e la distorsione armonica sono alcune delle metriche importanti da considerare quando si selezionano gli amplificatori di potenza.

L'altro punto importante da considerare è la possibilità di sostituzioni per gli amplificatori di potenza, specialmente nell'ambiente moderno di carenze e lunghi tempi di consegna. Alcuni amplificatori di potenza sono compatibili tra loro e possono essere sostituiti direttamente purché il packaging e i pinout siano simili. Esamineremo le possibilità di sostituzione per i vari tipi di amplificatori di potenza in questo articolo quando tratteremo le classi di amplificatori di potenza.

Come Funzionano gli Amplificatori di Potenza

Concettualmente, gli amplificatori di potenza non sono diversi da qualsiasi altro amplificatore; si inserisce un certo segnale e il segnale in uscita è generalmente più intenso dell'ingresso. Il segnale di ingresso viene amplificato fino ad un certo valore massimo, che può essere regolabile con una banca I/O o attraverso la forza del segnale modulante di ingresso. Di seguito è mostrato un esempio di una tipica topologia di amplificatore di potenza.

Parlando in termini generali, le classi di amplificatori di potenza sono delineate dal loro meccanismo di pilotaggio, e sono ulteriormente delineate dalla topologia del circuito. Gli amplificatori di potenza possono essere pilotati con un segnale quadro modulato, o con un segnale AC in ingresso direttamente come mostrato nell'immagine sopra. Oltre al meccanismo di pilotaggio, ci sono diversi fattori che differenziano le classi di amplificatori di potenza:

• Metodo di modulazione (PWM, PFM, sigma-delta, ecc.)

• Topologia di erogazione della potenza (alimentazione singola, alimentazioni in cascata)

• Topologie push-pull

• Generazione di armoniche intenzionale vs. non intenzionale

Caratteristiche degli Amplificatori di Potenza

Oltre a questi punti, gli amplificatori di potenza possono avere una varietà di strutture e caratteristiche integrate nel prodotto. Ad esempio, certi amplificatori di potenza hanno configurazioni push-pull uniche sullo stadio di uscita, mentre altri sono semplici amplificatori a transistor (particolarmente a basse frequenze). Gli amplificatori possono anche utilizzare una topologia in cascata per fornire guadagno aggiuntivo, o possono usare un pre-amplificatore. Oltre ai requisiti operativi di base trovati nelle classi di amplificatori di potenza, davvero tutto è possibile per aggiungere caratteristiche, garantire la condizionamento del segnale, o fornire un'interfaccia per controllare il guadagno.

Moduli o Chip?

I prodotti amplificatori di potenza sono disponibili sia come chip per l'uso in dispositivi più piccoli, sia come moduli che possono essere integrati in dispositivi molto più grandi. Molti circuiti integrati (IC) per amplificatori di potenza rientrano in diverse classi e possono essere utilizzati in molte applicazioni, anche se molti dei prodotti amplificatori di classe sono costruiti per l'audio. La maggior parte degli altri amplificatori di potenza che non sono specificamente commercializzati per l'audio e che utilizzano solo un transistor come elemento attivo sono amplificatori di Classe A, anche se il datasheet o i materiali di marketing non elencano una classe di amplificatore specifica.

Un esempio di componente è il LM4991 di Texas Instruments. Questo amplificatore audio di Classe AB fornisce fino a 3 W di potenza in uscita operando a livelli logici (fino a 5,5 V). Il componente può essere raddoppiato in parallelo per fornire un'uscita stereo a due altoparlanti con livelli di distorsione molto bassi THD + N nell'intera gamma audio. Di seguito sono mostrati alcuni dati operativi e un circuito di applicazione.

Gli amplificatori di potenza sono disponibili anche come moduli preconfezionati che includono molte funzionalità. Alcuni componenti o moduli per amplificatori di potenza sono destinati a operare all'interno di una specifica larghezza di banda, quindi ci sono circuiti aggiuntivi sullo stadio di uscita che forniscono filtraggio e adattamento dell'impedenza, specialmente nei sistemi ad alta frequenza dove vengono generati segnali RF. Tuttavia, vedrai ancora moduli per amplificatori di potenza operare su un'ampia gamma di frequenze possibili, arrivando anche nella gamma dei GHz. Questi moduli sono solitamente destinati ad applicazioni ad alta potenza.

Il PE15A5068 di Pasternack è un amplificatore di Classe AB con 5 W di potenza di ingresso a saturazione operante da 2 a 18 GHz. Questo modulo opera a 22-24 V DC con un guadagno tipico di 37 dB. Questi moduli possono essere piuttosto costosi e sono destinati solo a applicazioni RF specialistiche in comunicazioni (ad es., radio militari) o strumentazione. Questo particolare componente è costruito con un GaN FET, sebbene altri componenti potrebbero essere costruiti da semiconduttori composti III-V.

Amplificatori di potenza alimentati in AC

Questi amplificatori di potenza sfruttano il segnale AC in ingresso, e possibilmente un certo offset di polarizzazione DC applicato, per modulare uno o più transistor. Potrebbe esserci un preamplificatore in questi amplificatori per aumentare la sensibilità in ingresso e modulare completamente i transistor.

Classe A

Gli amplificatori di potenza di Classe A sono costruiti con un singolo transistor di commutazione, indipendentemente dal tipo di transistor di potenza. L'intenzione di questi amplificatori è massimizzare l'intervallo lineare del dispositivo attorno al punto Q del transistor in modo da prevenire la distorsione del segnale e la generazione di armoniche. Questi amplificatori possono avere un ampio intervallo lineare se costruiti correttamente e sono facilmente realizzabili con componenti discreti. Lo svantaggio di un amplificatore di Classe A è la generazione di calore perché il transistor è sempre polarizzato in DC nello stato di conduzione, quindi ci saranno sempre alcune leggere perdite di conduzione.

Classe B

Questi amplificatori sono simili alla Classe A, ma offrono un minor spreco di calore attraverso l'uso di due transistor che operano a polarità inverse in una configurazione push-pull, ovvero, ogni transistor gestisce solo metà del segnale di ingresso. Ogni transistor è modulato in OFF quando il livello del segnale supera 0 V, il che poi modula l'altro transistor in ON. Lo svantaggio di questi amplificatori è il loro tempo morto o zona morta; durante il breve periodo in cui il segnale passa per 0 V, il segnale di guida tra le due polarità sarà sotto-soglia, quindi il transistor sarà in OFF anche se il livello del segnale è un piccolo valore non nullo.

Da notare che esiste anche un amplificatore di potenza Classe AB, che unisce i migliori aspetti dei circuiti amplificatori Classe A e Classe B con bassa distorsione.

Classe C

Questi amplificatori utilizzano un circuito LC parallelo sul terminale di polarizzazione in ingresso per fornire filtraggio alla risonanza LC. Questi amplificatori operano senza polarizzazione DC con un singolo transistor, quindi hanno una forte distorsione alle frequenze operative tipiche. Pertanto, non sono normalmente utilizzati in audio o in qualsiasi altra applicazione che richieda una larga banda, invece, sono spesso utilizzati come oscillatori data un'entrata sinusoidale. La gamma lineare di questi amplificatori è anche molto bassa a causa del punto di funzionamento impostato per questi amplificatori.

Amplificatori di Potenza Guidati da PWM

Queste classi di amplificatori di potenza sono più comuni nelle applicazioni digitali a causa del modo in cui sono guidati. Il metodo di guida richiesto può essere generato da forme d'onda analogiche, o il treno di impulsi potrebbe essere sintetizzato con un processore digitale.

Classe D e S

Questi due amplificatori sono amplificatori di commutazione non lineari che utilizzano treni di impulsi modulati e filtraggio per produrre il segnale di uscita desiderato.

• Classe D: Questi amplificatori utilizzano un dente di sega in ingresso e il segnale di ingresso in un comparatore per generare un segnale modulato sigma-delta. Questo segnale è utilizzato per guidare un circuito amplificatore push-pull e l'uscita è filtrata nell'intervallo audio.

• Classe S: Utilizza un modulatore sigma-delta per produrre un'onda quadra di uscita, che viene amplificata e poi passata attraverso un filtro passa-banda ad alta Q per produrre un'onda sinusoidale.

Questi amplificatori operano con alta efficienza e bassa distorsione rendendoli paragonabili agli amplificatori Classe A/AB in termini di distorsione.

Classe F

Un amplificatore Classe F è progettato per utilizzare un insieme di risonatori armonici ad alta Q per fornire potenza a un carico con basse perdite resistive. Man mano che più elementi risonatori sono cascata sullo stadio di uscita, la forma d'onda di uscita si avvicina a un'onda quadra con una conversione di potenza altamente efficiente. Le armoniche generate sono multipli dei componenti nel segnale di ingresso, quindi questi amplificatori sono più utili come generatori di onde quadre ad alta potenza.

Classe G e H

Questi amplificatori di potenza sono un miglioramento degli amplificatori Classe AB con uno schema di consegna di potenza unico. La modulazione in questi amplificatori è ottenuta poiché il segnale di ingresso costringe il dispositivo a passare tra più valori di tensione di alimentazione durante la sua oscillazione. La differenza tra Classe G e Classe H è la differenza tra alimentazioni digitali e analogiche; gli amplificatori Classe H utilizzano un'alimentazione di potenza variabile continuamente (analogica) mentre la Classe G utilizza un insieme di valori di tensione di alimentazione discreti.

Classe I

Questa classe di amplificatore opera sotto lo stesso concetto di un amplificatore di Classe B, ma utilizza due circuiti push-pull in parallelo. Un circuito è attivo durante il semiciclo positivo mentre l'altro è attivo durante il semiciclo negativo. Ogni lato del dispositivo alterna tra ON e OFF quando il ciclo di lavoro del driver PWM è del 50% proprio nel punto di attraversamento dello zero dell'input.

Altri Componenti per i Circuiti degli Amplificatori di Potenza

Gli esempi sopra dovrebbero mostrare che le classi degli amplificatori di potenza riguardano più la struttura che le capacità. Questo significa tipicamente che se sai come costruire e utilizzare un piccolo circuito di amplificatore di potenza, i concetti possono essere rapidamente scalati a potenze o frequenze maggiori.

In qualsiasi catena di segnali analogici o RF, l'amplificatore non sarà l'unico componente. Questi sistemi potrebbero essere caricati con altri componenti discreti o op-amps per fornire funzioni come il filtraggio, o potrebbero utilizzare componenti monolitici specializzati quando operano ad alte frequenze. Alcuni dei componenti importanti necessari nei circuiti degli amplificatori di potenza sono collegati di seguito.

• Amplificatori a basso rumore per circuiti di ricezione nei sistemi RF

• Condensatori per filtri ad alta frequenza

• Amplificatori operazionali per circuiti analogici

• GaN FETs per applicazioni ad alta frequenza

Nel caso in cui stai costruendo un amplificatore da un insieme di componenti discreti, avrai bisogno di tutti i componenti mostrati nel diagramma topologico sopra e, eventualmente, di posizionarli su un PCB. Assicurati di utilizzare i migliori strumenti della catena di approvvigionamento per trovare i componenti di cui hai bisogno per il tuo progetto.

Le aziende che vogliono implementare una strategia di catena di approvvigionamento just-in-case hanno bisogno di accesso a dati, intuizioni e una piattaforma di approvvigionamento come Octopart per aiutare a localizzare e procurare componenti. Octopart fornisce funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio per aiutare gli acquirenti a trovare componenti e dati aggiornati sui prezzi dei distributori, inventario dei pezzi e specifiche dei pezzi. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati per trovare i componenti di cui hai bisogno.

Rimani aggiornato con i nostri ultimi articoli iscrivendoti alla nostra newsletter.