Critérios de Seleção de Amplificadores para Designers de PCB

Provavelmente todos estão familiarizados com o clássico amplificador operacional 741, especialmente se você se lembra das suas primeiras aulas de eletrônica. No entanto, quando se trata de aplicações especializadas, a gama de amplificadores disponíveis é suficiente para deixar qualquer designer confuso. Uma vez que você entende como diferentes amplificadores citam diferentes especificações, fica mais fácil determinar o melhor amplificador para a sua aplicação. Compilamos uma lista de critérios importantes de seleção de amplificadores para designers de PCB.

Classes de Amplificadores

Todos os amplificadores são divididos em diferentes classes, o que determina a sua utilidade em diferentes aplicações. Aqui estão 5 classes comuns de amplificadores:

• Classe A. Estes amplificadores são destinados a ser altamente lineares e estão sempre polarizados. Portanto, não são adequados para aplicações de alta potência, pois consumirão mais energia do que amplificadores em outras classes.
• Classe B. Estes amplificadores foram projetados como uma alternativa mais eficiente aos amplificadores Classe A. No entanto, porque usam FETs, que requerem um mínimo de entrada para ligar os transistores, eles não reproduzem perfeitamente a forma de onda de entrada e produzem alguma distorção em forças de sinal de entrada mais baixas. Isso é conhecido como distorção de crossover.
• Classe AB. Estes amplificadores são, possivelmente, os amplificadores mais comumente usados em uma ampla gama de aplicações. Eles fornecem maior eficiência do que um amplificador Classe A sem distorção de crossover. Eles também têm uma faixa linear comparável.
• Classe C. Estes amplificadores são mais frequentemente usados em aplicações de RF. Eles podem ser projetados com uma largura de banda ampla graças ao uso de um circuito tanque LC interno ou outra circuitaria para fornecer um ganho forte em altas frequências. No entanto, eles têm menor linearidade do que as classes de amplificadores mencionadas anteriormente.
• Classe D. Estes amplificadores usam alguma forma de PWM para controlar a saída. A saída é convertida de volta para um sinal analógico com um filtro passa-baixa na saída. Eles são frequentemente usados em aplicações de controle de motores convertendo a saída para um sinal PWM de frequência muito mais alta.

Exemplo de amplificador de áudio Classe D

Note que existem muitas outras classes de amplificadores com vários níveis de especialização. Independentemente da classe de amplificador que você escolher usar, você precisará considerar algumas especificações diferentes para diferentes amplificadores.

Especificações Importantes para Critérios de Seleção de Amplificadores

Ao selecionar um amplificador para trabalhar com sinais analógicos, preste atenção nas seguintes especificações:

• Ganho de tensão em malha aberta e fechada. O ganho em malha aberta efetivamente indica o ganho máximo que você pode produzir com seu amplificador. Na realidade, você medirá o ganho em malha fechada uma vez que o feedback for aplicado. Note que isso é uma função da frequência; um gráfico de Bode do espectro de ganho se assemelhará ao de um filtro passa-baixa.
• Faixa linear. Existem várias maneiras de citar esse valor. A relação entre o sinal de entrada e saída nunca é perfeitamente linear, mas pode se aproximar bastante em muitas aplicações. Isso pode ser especificado como uma faixa de níveis de sinal de entrada (geralmente em dBm) ou como um valor máximo de entrada com algum valor de distorção associado.
• Faixa dinâmica. Isso é simplesmente a diferença entre os valores de saída possível menor e maior. O valor mais baixo é limitado pelo piso de ruído, enquanto o mais alto é limitado pela faixa de entrada linear. Em geral, a faixa dinâmica é DR = SNR + 1.
• Largura de banda. Para amplificadores genéricos, isso está na verdade relacionado ao tempo de subida, que é o tempo necessário para o circuito alternar (de 10% a 90%). Isso limitará a gama de frequências úteis no amplificador (veja a nota abaixo desta lista).
• Taxa de variação. Esta é a taxa de mudança na saída, geralmente em V/us ou V/ns.
• Razão de rejeição de modo comum. Esta é a capacidade do amplificador de rejeitar ruídos de modo comum presentes em ambas as entradas do amplificador.
• Eficiência. Este número é realmente uma declaração sobre a quantidade de energia dissipada como calor. Um amplificador mais eficiente dissipa uma menor fração de energia como calor.
• Entrada. Amplificadores podem ser totalmente de entrada única ou totalmente diferenciais (ou seja, entrada diferencial e saída diferencial).

Todos os parâmetros acima serão uma função da frequência de entrada. Amplificadores especializados terão largura de banda especificada em certas faixas de frequência. Certifique-se de que a largura de banda se sobreponha com a faixa de frequência de interesse. Existem outras especificações importantes para amplificadores usados em aplicações específicas.

Amplificadores de Potência

Todos os amplificadores de potência (normalmente Classe B, C ou AB) são projetados para operar perto de seu ponto de compressão não linear e dissiparão uma quantidade significativa de energia durante a operação. Em geral, a saída de potência de um amplificador diminuirá à medida que a temperatura aumenta; amplificadores estáveis de alta qualidade devem fornecer menos de 1 dB de diminuição na saída de potência em toda a gama de temperaturas operacionais. Outras especificações devem exibir estabilidade semelhante.

Ao selecionar um amplificador de potência, seja para aplicações específicas ou em aplicações gerais, os pontos anteriormente listados ainda devem ser considerados. No entanto, os amplificadores de potência evoluíram para diferentes aplicações, e as especificações listadas para diferentes amplificadores são adaptadas para designers que trabalham com essas aplicações especializadas. Um excelente exemplo está nos amplificadores de potência RF, onde amplificadores para diferentes faixas de frequência são baseados em diferentes processos semicondutores.

A não linearidade inerente a esses amplificadores levará a alguns efeitos não intencionais durante a operação. Designers da comunidade de áudio provavelmente estão familiarizados com distorção harmônica total (THD) ou distorção harmônica total mais ruído (THD+N). A distorção harmônica é um efeito não linear, onde harmônicos de ordem superior do sinal desejado estão presentes na saída. Seu amplificador de potência deve ter o menor nível possível de THD ou THD+N (normalmente expresso como uma porcentagem).

Amplificadores de potência para trabalhar com sinais modulados em frequência geralmente especificam distorção em termos do ponto de interceptação de terceira ordem (3OIP). A natureza não linear dos amplificadores de potência gerará harmônicos de ordem superior e produtos de intermodulação, que surgem devido à mistura de frequências não linear entre diferentes frequências em um sinal modulado em frequência. Esses produtos de intermodulação aparecem como bandas laterais no espectro de saída do amplificador. Esse nível de distorção devido à não linearidade também é citado como distorção de intermodulação (IMD) fora da comunidade RF.

Exemplo de extrapolação OIP3 em um amplificador de potência para sinais modulados em frequência.

Embora existam muitos produtos de intermodulação possíveis, os produtos de ordem ímpar são os mais importantes, pois estão mais próximos da faixa de frequência com a qual você está trabalhando. Os produtos de intermodulação de terceira ordem estão mais próximos das frequências desejadas, seguidos pelo quinto, sétimo e assim por diante. 3OIP é normalmente citado como um valor de potência de entrada no qual a intensidade dos produtos de intermodulação de terceira ordem terá a mesma intensidade de saída que o sinal desejado.

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