Kryteria wyboru wzmacniaczy dla projektantów PCB

Każdy prawdopodobnie zna klasyczny wzmacniacz operacyjny 741, szczególnie jeśli przypomina sobie swoje pierwsze lekcje z elektroniki. Jednakże, jeśli chodzi o specjalistyczne zastosowania, dostępna gama wzmacniaczy jest na tyle szeroka, że może przyprawić o zawrót głowy każdego projektanta. Gdy zrozumie się, jak różne wzmacniacze podają różne specyfikacje, łatwiej jest określić najlepszy wzmacniacz do swojej aplikacji. Zgromadziliśmy listę ważnych kryteriów wyboru wzmacniacza dla projektantów PCB.

Klasy wzmacniaczy

Wszystkie wzmacniacze są podzielone na różne klasy, które określają ich przydatność w różnych aplikacjach. Oto 5 powszechnych klas wzmacniaczy:

• Klasa A. Te wzmacniacze są przeznaczone do bycia wysoce liniowymi i są zawsze spolaryzowane włączone. Dlatego nie nadają się do aplikacji o wysokiej mocy, ponieważ będą zużywać więcej energii niż wzmacniacze w innych klasach.
• Klasa B. Te wzmacniacze zostały zaprojektowane jako bardziej efektywna alternatywa dla wzmacniaczy klasy A. Jednakże, ponieważ używają one tranzystorów FET, które wymagają pewnego minimalnego wejścia, aby włączyć tranzystory, nie reprodukują doskonale sygnału wejściowego i produkują pewne zniekształcenia przy niższej sile sygnału wejściowego. Jest to znane jako zniekształcenie przejściowe.
• Klasa AB. Te wzmacniacze są prawdopodobnie najczęściej używanymi wzmacniaczami w szerokim zakresie aplikacji. Zapewniają wyższą efektywność niż wzmacniacz klasy A bez zniekształcenia przejściowego. Mają również porównywalny zakres liniowości.
• Klasa C. Te wzmacniacze są częściej używane w aplikacjach RF. Mogą być zaprojektowane z szerokim pasmem dzięki użyciu wewnętrznego obwodu LC lub innej elektroniki, aby zapewnić silne wzmocnienie na wysokich częstotliwościach. Jednak mają niższą liniowość niż wyżej wymienione klasy wzmacniaczy.
• Klasa D. Te wzmacniacze używają pewnej formy PWM do kontrolowania wyjścia. Wyjście jest przekształcane z powrotem na sygnał analogowy za pomocą filtru dolnoprzepustowego na wyjściu. Są często używane w aplikacjach kontroli silników przez przekształcenie wyjścia na sygnał PWM o znacznie wyższej częstotliwości.

Przykład wzmacniacza audio klasy D

Należy zauważyć, że istnieje wiele innych klas wzmacniaczy z różnymi poziomami specjalizacji. Niezależnie od tego, którą klasę wzmacniacza wybierzesz, będziesz musiał rozważyć różne specyfikacje dla różnych wzmacniaczy.

Ważne specyfikacje dla kryteriów wyboru wzmacniacza

Wybierając wzmacniacz do pracy z sygnałami analogowymi, zwróć uwagę na następujące specyfikacje:

• Wzmocnienie pętli otwartej i zamkniętej. Wzmocnienie pętli otwartej efektywnie pokazuje maksymalne wzmocnienie, które można uzyskać z twojego wzmacniacza. W rzeczywistości zmierzysz wzmocnienie pętli zamkniętej po zastosowaniu sprzężenia zwrotnego. Zauważ, że jest to funkcja częstotliwości; wykres Bodego spektrum wzmocnienia będzie przypominał filtr dolnoprzepustowy.
• Zakres liniowy. Istnieje kilka sposobów podania tej wartości. Relacja między sygnałem wejściowym a wyjściowym nigdy nie jest idealnie liniowa, ale w wielu aplikacjach może być bliska. Można to określić jako zakres poziomów sygnału wejściowego (zazwyczaj w dBm) lub jako maksymalną wartość wejściową z pewną związaną wartością zniekształcenia.
• Zakres dynamiki. Jest to po prostu różnica między najmniejszą a największą możliwą wartością wyjściową. Najniższa wartość jest ograniczona przez poziom szumu, podczas gdy najwyższa jest ograniczona przez liniowy zakres wejściowy. Ogólnie zakres dynamiki to DR = SNR + 1.
• Pasmo przenoszenia. Dla ogólnych wzmacniaczy jest to faktycznie związane z czasem narastania, który jest czasem wymaganym dla obwodu do przełączenia (od 10% do 90%). Ograniczy to zakres użytecznych częstotliwości w wzmacniaczu (patrz uwaga poniżej tej listy).
• Szybkość narastania. Jest to szybkość zmiany na wyjściu, zazwyczaj w V/us lub V/ns.
• Stosunek odrzucenia sygnału wspólnego. Jest to zdolność wzmacniacza do odrzucania szumu wspólnego obecnego na obu wejściach wzmacniacza.
• Skuteczność. Ta liczba jest naprawdę stwierdzeniem dotyczącym ilości mocy rozpraszanej jako ciepło. Bardziej efektywny wzmacniacz rozprasza mniejszą część mocy jako ciepło.
• Wejście. Wzmacniacze mogą być w pełni jednostronne lub w pełni różnicowe (tj. różnicowe wejście i różnicowe wyjście).

Wszystkie powyższe parametry będą funkcją częstotliwości wejściowej. Specjalistyczne wzmacniacze będą miały pasmo przenoszenia określone w pewnych zakresach częstotliwości. Upewnij się, że pasmo przenoszenia pokrywa się z zakresem częstotliwości, który Cię interesuje. Istnieją inne ważne specyfikacje dla wzmacniaczy używanych w konkretnych aplikacjach.

Wzmacniacze mocy

Wszystkie wzmacniacze mocy (zazwyczaj klasy B, C lub AB) są zaprojektowane do pracy blisko ich nieliniowego punktu kompresji i będą rozpraszać znaczną ilość mocy podczas działania. Ogólnie, moc wyjściowa z wzmacniacza będzie maleć wraz ze wzrostem temperatury; wysokiej jakości stabilne wzmacniacze powinny zapewniać mniejszy niż 1 dB spadek mocy wyjściowej na całym zakresie temperatur pracy. Inne specyfikacje powinny wykazywać podobną stabilność.

Podczas wyboru wzmacniacza mocy, czy to przeznaczonego do konkretnych zastosowań, czy ogólnych, należy wciąż brać pod uwagę wcześniej wymienione punkty. Jednakże, wzmacniacze mocy ewoluowały dla różnych zastosowań, a specyfikacje wymienione dla różnych wzmacniaczy są dostosowane do projektantów pracujących z tymi specjalistycznymi zastosowaniami. Doskonałym przykładem są wzmacniacze mocy RF, gdzie wzmacniacze dla różnych pasm częstotliwości opierają się na różnych procesach półprzewodnikowych.

Wrodzona nieliniowość tych wzmacniaczy prowadzi do pewnych niezamierzonych efektów podczas działania. Projektanci z społeczności audio prawdopodobnie są zaznajomieni z całkowitym zniekształceniem harmonicznych (THD) lub całkowitym zniekształceniem harmonicznych plus szum (THD+N). Zniekształcenie harmoniczne to efekt nieliniowy, gdzie wyższe harmoniczne pożądanego sygnału są obecne na wyjściu. Twój wzmacniacz mocy powinien mieć jak najniższy poziom THD lub THD+N (zwykle wyrażany jako procent).

Wzmacniacze mocy do pracy z sygnałami modulowanymi częstotliwościowo zazwyczaj określają zniekształcenie w terminach punktu przecięcia trzeciego rzędu (3OIP). Nieliniowa natura wzmacniaczy mocy generuje wyższe harmoniczne i produkty intermodulacji, które powstają w wyniku nieliniowego mieszania częstotliwości między różnymi częstotliwościami w sygnale modulowanym częstotliwościowo. Te produkty intermodulacji pojawiają się jako pasma boczne w spektrum wyjściowym wzmacniacza. Ten poziom zniekształceń spowodowany nieliniowością jest również cytowany jako zniekształcenie intermodulacji (IMD) poza społecznością RF.

Przykład ekstrapolacji OIP3 w wzmacniaczu mocy dla sygnałów modulowanych częstotliwościowo.

Chociaż istnieje wiele możliwych produktów intermodulacji, produkty nieparzystego rzędu są najważniejsze, ponieważ leżą najbliżej zakresu częstotliwości, z którym pracujesz. Produkty intermodulacji trzeciego rzędu leżą najbliżej pożądanych częstotliwości, po nich piąte, siódme i tak dalej. 3OIP jest zwykle podawany jako wartość mocy wejściowej, przy której intensywność produktów intermodulacji trzeciego rzędu będzie miała taką samą intensywność wyjściową jak sygnał pożądany.

Octopart jest tutaj, aby dać Ci dostęp do ogromnej gamy ogólnego przeznaczenia i specjalistycznych komponentów wzmacniaczy dla Twojego następnego systemu. Jeśli nie jesteś pewien, który wzmacniacz potrzebujesz, spróbuj użyć naszego przewodnika wyboru części, aby określić najlepszą opcję dla Twojego następnego produktu.

Upewnij się, że jesteś na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.