Którą klasę wzmacniaczy mocy powinieneś użyć?

Wzmacniacze mocy są proste koncepcyjnie, ale nie wszystkie wzmacniacze mocy są stworzone równo. Z pewnością mają one konkurujące ze sobą specyfikacje i możliwości, ale ważniejsza jest topologia i funkcjonalność tych obwodów, gdy są umieszczone w rzeczywistym systemie. Funkcjonalność wzmacniaczy mocy jest podzielona na klasy, i istnieje wiele klas wzmacniaczy mocy, z których każda funkcjonuje nieco inaczej. Jest wystarczająco dużo klas wzmacniaczy mocy, że może być trudno dla wszystkich zapamiętać, jak każdy wzmacniacz funkcjonuje, jak również które klasy wzmacniaczy są preferowane w różnych systemach.

W tym artykule przedstawię przegląd głównych klas wzmacniaczy mocy i jak mogą być używane w różnych systemach. Jak zobaczymy, różne typy wzmacniaczy mocy są dostępne jako układy scalone, i pracują z różnymi metodami sterowania, aby dostarczyć moc. Charakterystyki operacyjne takie jak opakowanie, poprawne odtwarzanie sygnału i zniekształcenia harmoniczne to tylko kilka ważnych metryk do rozważenia przy wyborze wzmacniaczy mocy.

Inny ważny punkt do rozważenia to możliwość zastąpienia wzmacniaczy mocy, szczególnie w nowoczesnym środowisku niedoborów i długich czasów realizacji. Niektóre wzmacniacze mocy są kompatybilne z innymi i mogą być bezpośrednio zastąpione, o ile opakowanie i rozmieszczenie wyprowadzeń są podobne. Przyjrzymy się możliwościom zastąpienia dla różnych typów wzmacniaczy mocy w tym artykule, omawiając klasy wzmacniaczy mocy.

Jak działają wzmacniacze mocy

Koncepcyjnie, wzmacniacze mocy nie różnią się od innych wzmacniaczy; wprowadzasz pewien sygnał, a sygnał wyjściowy jest ogólnie intensywniejszy niż sygnał wejściowy. Sygnał wejściowy jest wzmacniany do pewnej maksymalnej wartości, która może być regulowana za pomocą banku I/O lub przez siłę sygnału modulującego wejście. Poniżej przedstawiono przykład typowej topologii wzmacniacza mocy.

Generalnie rzecz biorąc, klasy wzmacniaczy mocy są rozróżniane przez ich mechanizm sterowania, i są dalej rozróżniane przez topologię obwodu. Wzmacniacze mocy mogą być sterowane zmodulowanym sygnałem kwadratowym, lub bezpośrednio sygnałem AC, jak pokazano na powyższym obrazku. Poza mechanizmem sterowania, istnieje kilka czynników różnicujących klasy wzmacniaczy mocy:

• Metoda modulacji (PWM, PFM, sigma-delta itp.)

• Topologia dostarczania mocy (pojedyncze zasilanie, kaskadowe zasilania)

• Topologie push-pull

• Intencjonalne vs. nieintencjonalne generowanie harmonicznych

Cechy wzmacniaczy mocy

Poza tymi punktami, wzmacniacze mocy mogą mieć różnorodne struktury i funkcje wbudowane w produkt. Na przykład, niektóre wzmacniacze mocy mają unikalne konfiguracje push-pull na etapie wyjściowym, podczas gdy inne są prostymi wzmacniaczami tranzystorowymi (szczególnie na niskich częstotliwościach). Wzmacniacze mogą również używać topologii kaskadowej, aby zapewnić dodatkowe wzmocnienie, lub mogą używać przedwzmacniacza. Poza podstawowymi wymaganiami operacyjnymi znajdującymi się w klasach wzmacniaczy mocy, naprawdę wszystko jest możliwe do dodania funkcji, zapewnienia kondycjonowania sygnału, lub zapewnienia interfejsu do kontrolowania wzmocnienia.

Moduły czy układy scalone?

Produkty wzmacniaczy mocy są dostępne jako układy scalone do użytku w mniejszych urządzeniach lub jako moduły, które można zintegrować z znacznie większymi urządzeniami. Wiele układów scalonych wzmacniaczy mocy należy do różnych klas i może być używanych w wielu aplikacjach, chociaż wiele produktów wzmacniaczy mocy przypisanych do klas jest przeznaczonych do audio. Większość innych wzmacniaczy mocy, które nie są specjalnie reklamowane do zastosowań audio i które używają tylko jednego tranzystora jako elementu aktywnego, to wzmacniacze klasy A, nawet jeśli karta katalogowa lub materiały marketingowe nie wymieniają konkretnej klasy wzmacniacza.

Jednym z przykładowych komponentów jest LM4991 od Texas Instruments. Ten wzmacniacz audio klasy AB zapewnia moc wyjściową do 3 W, pracując na poziomach logiki (do 5,5 V). Komponent można podwoić równolegle, aby zapewnić wyjście stereo do dwóch głośników z bardzo niskim poziomem zniekształceń THD + N na całym zakresie audio. Poniżej przedstawiono niektóre dane operacyjne i układ aplikacyjny.

Wzmacniacze mocy są również dostępne jako gotowe moduły, które zawierają wiele funkcji. Niektóre komponenty lub moduły wzmacniaczy mocy są przeznaczone do pracy w określonym paśmie, więc na etapie wyjściowym znajdują się dodatkowe obwody zapewniające filtrację i dopasowanie impedancji, szczególnie w systemach wysokoczęstotliwościowych, gdzie są generowane sygnały RF. Jednak nadal można zobaczyć moduły wzmacniaczy mocy pracujące w bardzo szerokim zakresie możliwych częstotliwości, sięgających nawet zakresu GHz. Te moduły są zazwyczaj przeznaczone do zastosowań wysokomocowych.

PE15A5068 od Pasternack to wzmacniacz klasy AB z mocą nasycenia na wejściu 5 W, pracujący od 2 do 18 GHz. Ten moduł działa przy 22 do 24 V DC z typowym wzmocnieniem 37 dB. Te moduły mogą być dość drogie i są przeznaczone tylko do specjalistycznych zastosowań RF w komunikacji (np. wojskowe radia) lub instrumentacji. Ten konkretny komponent jest zbudowany z GaN FET, chociaż inne komponenty mogą być zbudowane z półprzewodników złożonych III-V.

Wzmacniacze mocy zasilane prądem przemiennym

Te wzmacniacze mocy wykorzystują sygnał wejściowy prądu przemiennego, a możliwe także pewne przyłożone stałe przesunięcie polaryzacji, do modulacji jednego lub więcej tranzystorów. W tych wzmacniaczach może być preamp, aby zwiększyć czułość wejściową i w pełni zmodulować tranzystory.

Klasa A

Wzmacniacze mocy klasy A są zbudowane z pojedynczego tranzystora przełączającego, niezależnie od typu tranzystora mocy. Intencją tych wzmacniaczy jest maksymalizacja liniowego zakresu urządzenia wokół punktu Q tranzystora, aby zapobiec zniekształceniom sygnału i generowaniu harmonicznych. Te wzmacniacze mogą mieć wysoki zakres liniowy, gdy są odpowiednio skonstruowane, i łatwo można je zbudować z oddzielnych komponentów. Wadą wzmacniacza klasy A jest generowanie ciepła, ponieważ tranzystor jest zawsze spolaryzowany stałym prądem do stanu przewodzenia, więc zawsze będą występować pewne niewielkie straty przewodzenia.

Klasa B

Te wzmacniacze są podobne do klasy A, ale oferują mniejsze straty ciepła dzięki wykorzystaniu dwóch tranzystorów pracujących na przeciwnych polaryzacjach w konfiguracji push-pull, tj. każdy tranzystor dostarcza tylko połowę sygnału wejściowego. Każdy tranzystor jest modulowany na OFF, gdy poziom sygnału przekracza 0 V, co następnie moduluje drugi tranzystor na ON. Wadą tych wzmacniaczy jest ich martwy czas lub martwa strefa; podczas krótkiego okresu, gdy sygnał przechodzi przez 0 V, sygnał sterujący między dwoma polaryzacjami będzie poniżej progu, więc tranzystor będzie w stanie OFF, nawet jeśli poziom sygnału jest małą, niezerową wartością.

Należy zauważyć, że istnieje również wzmacniacz mocy klasy AB, który łączy w sobie najlepsze cechy obwodów wzmacniaczy klasy A i B z niskimi zniekształceniami.

Klasa C

Te wzmacniacze używają równoległego obwodu LC na wejściowym zacisku polaryzacji do filtracji na rezonansie LC. Te wzmacniacze działają bez polaryzacji stałoprądowej z pojedynczym tranzystorem, więc mają silne zniekształcenia przy typowych częstotliwościach pracy. Dlatego nie są zwykle używane w audio ani w czymkolwiek innym wymagającym dużej przepustowości, zamiast tego często są używane jako oscylatory przy sinusoidalnym wejściu. Zakres liniowy tych wzmacniaczy jest również bardzo niski ze względu na punkt pracy ustawiony dla tych wzmacniaczy.

Wzmacniacze mocy sterowane PWM

Te klasy wzmacniaczy mocy są bardziej powszechne w aplikacjach cyfrowych ze względu na sposób, w jaki są sterowane. Wymagana metoda sterowania może być generowana z analogowych przebiegów falowych, lub ciąg impulsów może być syntezowany z procesorem cyfrowym.

Klasa D i S

Te dwa wzmacniacze to nieliniowe wzmacniacze przełączające, które używają modulowanych ciągów impulsów i filtracji do wytworzenia pożądanego sygnału wyjściowego.

• Klasa D: Te wzmacniacze używają wejściowej piły i sygnału wejściowego w komparatorze do generowania sygnału modulowanego sigma-delta. Ten sygnał jest używany do sterowania obwodem wzmacniacza push-pull, a wyjście jest filtrowane do zakresu audio.

• Klasa S: Używa modulatora sigma-delta do wytworzenia wyjściowej fali kwadratowej, która jest wzmacniana, a następnie przepuszczana przez filtr pasmowoprzepustowy o wysokiej jakości Q, aby wytworzyć falę sinusoidalną.

Te wzmacniacze działają z wysoką efektywnością i niskimi zniekształceniami, co czyni je porównywalnymi do wzmacniaczy klasy A/AB pod względem zniekształceń.

Klasa F

Wzmacniacz klasy F jest zaprojektowany do wykorzystania zestawu rezonatorów harmonicznyc o wysokiej jakości Q do dostarczania mocy do obciążenia z niskimi stratami rezystancyjnymi. W miarę jak na wyjściu kaskadowane są kolejne elementy rezonatora, przebieg wyjściowy zbliża się do fali kwadratowej z wysoce efektywną konwersją mocy. Generowane harmoniczne są wielokrotnościami składników w sygnale wejściowym, więc te wzmacniacze są bardziej użyteczne jako generatory fal kwadratowych o wysokiej mocy.

Klasa G i H

Te wzmacniacze mocy są ulepszeniem wzmacniaczy klasy AB z unikalnym schematem dostarczania mocy. Modulacja w tych wzmacniaczach jest osiągana, gdy sygnał wejściowy zmusza urządzenie do przełączania między wieloma napięciami szynowymi podczas jego oscylacji. Różnica między klasą G a H polega na różnicy między zasilaniem cyfrowym a analogowym; wzmacniacze klasy H używają ciągle zmieniającego się zasilania (analogowego), podczas gdy klasa G używa zestawu dyskretnych wartości napięcia szynowego.

Klasa I

Ta klasa wzmacniacza działa na tej samej zasadzie co wzmacniacz klasy B, ale używa dwóch obwodów push-pull równolegle. Jeden obwód jest aktywny podczas dodatniego półokresu, a drugi podczas ujemnego półokresu. Każda strona urządzenia przełącza się między stanem WŁĄCZONYM i WYŁĄCZONYM, gdy wypełnienie impulsu sterującego PWM wynosi 50% dokładnie w punkcie przejścia przez zero sygnału wejściowego.

Inne komponenty dla obwodów wzmacniaczy mocy

Powyższe przykłady powinny pokazać, że klasy wzmacniaczy mocy dotyczą bardziej struktury niż możliwości. Oznacza to zwykle, że jeśli wiesz, jak zbudować i używać małego obwodu wzmacniacza mocy, koncepcje te mogą być szybko skalowane do większych mocy lub częstotliwości.

W każdym łańcuchu sygnałowym analogowym lub RF wzmacniacz nie będzie jedynym komponentem. Te systemy mogą być wyposażone w inne dyskretne lub wzmacniacze operacyjne, aby zapewnić funkcje takie jak filtrowanie, lub mogą używać specjalistycznych komponentów monolitycznych przy pracy na wysokich częstotliwościach. Niektóre ważne komponenty potrzebne w obwodach wzmacniaczy mocy są podlinkowane poniżej.

• Wzmacniacze o niskim poziomie szumów dla obwodów odbiorczych w systemach RF

• Kondensatory do filtrów wysokich częstotliwości

• Wzmacniacze operacyjne do obwodów analogowych

• GaN FETs do zastosowań wysokich częstotliwości

W przypadku, gdy budujesz wzmacniacz z zestawu dyskretnych komponentów, będziesz potrzebować wszystkich komponentów pokazanych na powyższym schemacie topologicznym i ostatecznie umieścić je na PCB. Upewnij się, że używasz najlepszych narzędzi łańcucha dostaw, aby znaleźć komponenty potrzebne do Twojego projektu.

Firmy, które chcą wdrożyć strategię łańcucha dostaw na wypadek "na wszelki wypadek", potrzebują dostępu do danych, wglądu i platformy sourcingowej takiej jak Octopart, aby pomóc w lokalizowaniu i pozyskiwaniu komponentów. Octopart oferuje zaawansowane funkcje wyszukiwania i filtracji, aby pomóc kupującym znaleźć komponenty oraz aktualne dane o cenach dystrybutorów, zapasach części i specyfikacjach części. Zapoznaj się z naszą stroną układów scalonych, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Zostań na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.