PCB設計者のためのアンプ選択基準

多くの人が初期の電子工学の授業で習ったことを思い出すでしょうが、古典的な741オペアンプには誰もがおそらく馴染みがあるでしょう。しかし、特殊なアプリケーションに関して言えば、利用可能なアンプの範囲は、どんな設計者の頭も混乱させるに足りるほどです。異なるアンプが異なる仕様を引用する方法を理解すると、アプリケーションに最適なアンプを決定することが容易になります。PCB設計者のための重要なアンプ選択基準のリストをまとめました。

アンプのクラス

すべてのアンプは異なるクラスに分けられ、それが異なるアプリケーションでの有用性を決定します。ここでは、アンプの5つの一般的なクラスを紹介します：

• クラスA。 これらのアンプは高い線形性を目指して設計されており、常にオンの状態にバイアスされています。そのため、他のクラスのアンプよりも多くの電力を消費するため、高出力アプリケーションには適していません。
• クラスB。 これらのアンプは、クラスAアンプに比べてより効率的な代替品として設計されました。しかし、トランジスタをオンにするためにある最小限の入力を必要とするFETを使用しているため、入力波形を完全に再現せず、入力信号の強度が低いときに歪みを生じます。これはクロスオーバー歪みとして知られています。
• クラスAB。 これらのアンプは、幅広いアプリケーションにおいて最も一般的に使用されるアンプと言えるでしょう。クラスAアンプよりも高い効率を提供し、クロスオーバー歪みがありません。また、比較的線形範囲も広いです。
• クラスC。 これらのアンプは、RFアプリケーションでよく使用されます。内部のLCタンク回路や他の回路を使用して広帯域を設計することができ、高周波で強いゲインを提供します。しかし、前述のアンプクラスに比べて線形性が低いです。
• クラスD。 これらのアンプは、PWMの形式を何らかの形で使用して出力を制御します。出力は、出力側のローパスフィルターでアナログ信号に戻されます。これらは、出力をはるかに高い周波数のPWM信号に変換することによって、モータ制御アプリケーションでよく使用されます。

クラスDオーディオアンプの例

アンプのクラスには、さまざまな専門化レベルを持つ多くの他のクラスがあります。どのクラスのアンプを使用するにしても、異なるアンプの異なる仕様を比較検討する必要があります。

アンプ選択基準のための重要な仕様

アナログ信号を扱うアンプを選択する際には、以下の仕様に注意してください：

• オープンループとクローズドループの電圧利得。 オープンループ利得は、アンプで生成できる最大の利得を実質的に示します。実際には、フィードバックが適用された後のクローズドループ利得を測定します。これは周波数の関数であることに注意してください。利得スペクトルのボード線図は、ローパスフィルターのそれに似ています。
• 線形範囲。 この値を引用する方法はいくつかあります。入力信号と出力信号の関係は決して完全に線形ではありませんが、多くのアプリケーションで近似できます。これは、入力信号レベルの範囲（通常はdBmで指定）または、ある程度の歪み値を伴う最大入力値として指定できます。
• ダイナミックレンジ。 これは単純に最小と最大の可能な出力値の差です。最小値はノイズフロアによって制限され、最大値は線形入力範囲によって制限されます。一般に、ダイナミックレンジはDR = SNR + 1です。
• 帯域幅。 一般的なアンプに関しては、これは実際には立ち上がり時間（10%から90%までの切り替えに必要な時間）に関連しています。これはアンプの有用な周波数範囲を制限します（このリストの下の注を参照してください）。
• スルーレート。 これは出力の変化率で、通常はV/usまたはV/nsで表されます。
• コモンモード除去比。 これは、アンプの両入力に存在するコモンモードノイズを除去するアンプの能力です。
• 効率。 この数値は、発熱として消費される電力の量に関する声明です。より効率的なアンプは、発熱としてより少ない電力を消費します。
• 入力。 アンプは完全にシングルエンドまたは完全に差動（つまり、差動入力と差動出力）であることができます。

上記のすべてのパラメーターは入力周波数の関数になります。特殊なアンプは、特定の周波数範囲で指定された帯域幅を持ちます。帯域幅が関心のある周波数範囲と重なることを確認してください。特定のアプリケーションで使用されるアンプには、他にも重要な仕様があります。

パワーアンプ

すべてのパワーアンプ（通常はクラスB、C、またはAB）は、非線形圧縮点の近くで動作するように設計されており、運用中に大量の電力を消費します。一般に、アンプからの電力出力は温度が上昇するにつれて減少します。高品質で安定したアンプは、動作温度の全範囲にわたって1dB未満の電力出力の減少を提供するべきです。他の仕様も同様の安定性を示すべきです。

特定のアプリケーション向け、または一般的なアプリケーション向けにパワーアンプを選択する際には、以前に挙げた点を考慮するべきです。しかし、パワーアンプは異なるアプリケーション向けに進化しており、異なるアンプの仕様は、これらの特殊なアプリケーションで作業する設計者に適応されています。RFパワーアンプの優れた例では、異なる周波数帯のアンプが異なる半導体プロセスに基づいています。

これらのアンプの固有の非線形性は、運用中に意図しない効果を引き起こすことになります。オーディオコミュニティの設計者は、全高調波歪み(THD)または全高調波歪みプラスノイズ(THD+N)に精通している可能性があります。高調波歪みは非線形効果であり、所望の信号の高次高調波が出力に存在します。パワーアンプは、可能な限り低いTHDまたはTHD+Nレベル（通常はパーセンテージで表されます）を持つべきです。

周波数変調信号で動作するパワーアンプは、通常、三次相互変調点（3OIP）の観点から歪みを指定します。パワーアンプの非線形性質は、高次高調波と相互変調生成物を生成します。これは、周波数変調信号内の異なる周波数間の非線形周波数混合によって生じます。これらの相互変調生成物は、アンプの出力スペクトルの側帯として現れます。この非線形性による歪みレベルは、RFコミュニティの外でも相互変調歪み(IMD)として引用されます。

周波数変調信号用パワーアンプにおけるOIP3の例外挿。

多くの可能な相互変調生成物がありますが、奇数次の生成物が最も重要です。これは、作業している周波数範囲に最も近いためです。三次相互変調生成物は、所望の周波数に最も近く、その後に五次、七次などが続きます。3OIPは通常、三次相互変調生成物の強度が所望の信号と同じ出力強度を持つ入力電力値として引用されます。

Octopartは、次のシステム用の一般用途および特殊アンプコンポーネントの幅広い範囲へのアクセスを提供します。どのアンプが必要かわからない場合は、Part Selectorガイドを使用して、次の製品に最適なオプションを決定してみてください。

最新の記事を常にチェックするために、ニュースレターに登録してください。