Qual Classe de Amplificador de Potência Você Deve Usar?

Criada: Novembro 7, 2022
Atualizada: Julho 1, 2024

Amplificadores de potência são conceitualmente simples, mas nem todos os amplificadores de potência são criados iguais. Eles certamente têm especificações e capacidades concorrentes, mas mais importante é a topologia e funcionalidade desses circuitos quando colocados em um sistema real. A funcionalidade do amplificador de potência é dividida em classes, e existem muitas classes de amplificadores de potência que funcionam de forma um pouco diferente. Há tantas classes de amplificadores de potência que pode ser difícil para todos memorizarem como cada amplificador funciona, bem como quais classes de amplificadores são preferíveis em diferentes sistemas.

Neste artigo, darei uma visão geral das principais classes de amplificadores de potência e como elas podem ser usadas em diferentes sistemas. Como veremos, diferentes tipos de amplificadores de potência estão disponíveis como circuitos integrados, e eles trabalham com diferentes métodos de acionamento para fornecer potência. Características operacionais como embalagem, reprodução correta do sinal e distorção harmônica são algumas das métricas importantes a considerar ao selecionar amplificadores de potência.

O outro ponto importante a considerar é a possibilidade de substituições para amplificadores de potência, especialmente no ambiente moderno de escassez e longos prazos de entrega. Alguns amplificadores de potência são compatíveis entre si e podem ser substituídos diretamente, desde que a embalagem e os pinos sejam semelhantes. Vamos olhar para as possibilidades de substituição para os vários tipos de amplificadores de potência neste artigo ao cobrir as classes de amplificadores de potência.

Como Funcionam os Amplificadores de Potência

Conceitualmente, os amplificadores de potência não são diferentes de qualquer outro amplificador; você insere um certo sinal, e o sinal de saída é geralmente mais intenso que o de entrada. O sinal de entrada é amplificado até algum valor máximo, que pode ser ajustável com um banco I/O ou através da força do sinal modulador de entrada. Um exemplo de uma topologia típica de amplificador de potência é mostrado abaixo.

De forma geral, as classes de amplificadores de potência são delineadas pelo seu mecanismo de acionamento, e elas são ainda mais delineadas pela topologia do circuito. Amplificadores de potência podem ser acionados com um sinal de onda quadrada modulada, ou com um sinal AC de entrada diretamente, como é mostrado na imagem acima. Além do mecanismo de acionamento, há vários fatores que diferenciam as classes de amplificadores de potência:

Método de modulação (PWM, PFM, sigma-delta, etc.)
Topologia de entrega de potência (fornecimento único, fornecimentos em cascata)
Topologias push-pull
Geração de harmônicos intencional vs. não intencional

Características do Amplificador de Potência

Além desses pontos, amplificadores de potência podem ter uma variedade de estruturas e características incorporadas ao produto. Por exemplo, certos amplificadores de potência têm configurações push-pull únicas no estágio de saída, enquanto outros são simples amplificadores de transistor (particularmente em baixas frequências). Amplificadores também podem usar uma topologia em cascata para fornecer ganho adicional, ou eles podem usar um pré-amplificador. Além dos requisitos operacionais básicos encontrados nas classes de amplificadores de potência, realmente qualquer coisa é possível para adicionar características, garantir condicionamento de sinal ou fornecer uma interface para controlar o ganho.

Módulos ou Chips?

Produtos amplificadores de potência estão disponíveis tanto em forma de chips para uso em dispositivos menores, quanto em módulos que podem ser integrados em dispositivos maiores. Muitos circuitos integrados (ICs) de amplificadores de potência se enquadram em diferentes classes e podem ser usados em várias aplicações, embora muitos dos produtos de amplificadores de potência classificados sejam construídos para áudio. A maioria dos outros amplificadores de potência que não são especificamente comercializados para áudio e que usam apenas um transistor como elemento ativo são amplificadores Classe A, mesmo que a ficha técnica ou materiais de marketing não listem uma classe específica de amplificador. Um exemplo de componente é o LM4991 da Texas Instruments. Este amplificador de áudio Classe AB fornece até 3 W de potência de saída operando em níveis lógicos (até 5,5 V). O componente pode ser duplicado em paralelo para fornecer saída estéreo para dois alto-falantes com níveis muito baixos de distorção THD + N ao longo da faixa de áudio. Alguns dados operacionais e um circuito de aplicação são mostrados abaixo.

Amplificadores de potência também estão disponíveis como módulos pré-embalados que incluem muitos recursos. Alguns componentes ou módulos de amplificadores de potência são destinados a operar dentro de uma largura de banda específica, portanto, existem circuitos adicionais no estágio de saída que fornecem filtragem e correspondência de impedância, especialmente em sistemas de alta frequência onde sinais de RF estão sendo gerados. No entanto, você ainda verá módulos de amplificadores de potência operando em uma enorme gama de frequências possíveis, chegando até a faixa de GHz. Esses módulos geralmente são destinados a aplicações de alta potência. O PE15A5068 da Pasternack é um amplificador Classe AB com 5 W de potência de entrada de saturação operando de 2 a 18 GHz. Este módulo opera de 22 a 24 V DC com um ganho típico de 37 dB. Esses módulos podem ser bastante caros e são destinados apenas para aplicações especializadas de RF em comunicações (por exemplo, rádios militares) ou instrumentação. Este componente específico é construído com um GaN FET, embora outros componentes possam ser construídos a partir de semicondutores compostos III-V.

Amplificadores de Potência Acionados por CA

Esses amplificadores de potência utilizam o sinal de CA de entrada, e possivelmente algum viés de deslocamento de CC aplicado, para modular um ou mais transistores. Pode haver um pré-amplificador nesses amplificadores para aumentar a sensibilidade de entrada e modular completamente os transistores.

Classe A

Os amplificadores de potência Classe A são construídos com um único transistor de comutação, independentemente do tipo de transistor de potência. A intenção desses amplificadores é maximizar a faixa linear do dispositivo em torno do ponto Q do transistor para evitar distorção do sinal e geração de harmônicos. Esses amplificadores podem ter uma alta faixa linear quando construídos adequadamente, e são facilmente construídos a partir de componentes discretos. A desvantagem de um amplificador Classe A é a geração de calor, pois o transistor está sempre polarizado em CC no estado de condução, portanto, sempre haverá algumas perdas de condução leves.

Classe B

Esses amplificadores são semelhantes aos de Classe A, mas oferecem menor desperdício de calor através do uso de dois transistores operando em polaridades inversas em uma configuração push-pull, ou seja, cada transistor só fornece metade do sinal de entrada. Cada transistor é modulado para DESLIGADO quando o nível do sinal passa por 0 V, o que então modula o outro transistor para LIGADO. A desvantagem desses amplificadores é o seu tempo morto ou zona morta; durante o breve período em que o sinal passa por 0 V, o sinal de condução entre as duas polaridades será sublimiar, então o transistor estará DESLIGADO mesmo se o nível do sinal for um pequeno valor não nulo.

Note que também existe um amplificador de potência Classe AB, que combina os melhores aspectos dos circuitos amplificadores Classe A e Classe B com baixa distorção.

Classe C

Esses amplificadores usam um circuito LC paralelo no terminal de polarização de entrada para fornecer filtragem na ressonância LC. Esses amplificadores operam sem polarização DC com um único transistor, então eles têm forte distorção nas frequências de operação típicas. Portanto, normalmente não são usados em áudio ou em qualquer outra coisa que exija alta largura de banda, em vez disso, são frequentemente usados como osciladores dado um input sinusoidal. A faixa linear desses amplificadores também é muito baixa devido ao ponto de operação ser definido para esses amplificadores.

Amplificadores de Potência Acionados por PWM

Essas classes de amplificadores de potência são mais comuns em aplicações digitais devido à maneira como são acionados. O método de acionamento necessário pode ser gerado a partir de formas de onda analógicas, ou o trem de pulso poderia ser sintetizado com um processador digital.

Classe D e S

Esses dois amplificadores são amplificadores de comutação não lineares que usam trens de pulso modulados e filtragem para produzir o sinal de saída desejado.

Classe D: Esses amplificadores usam um dente de serra de entrada e o sinal de entrada em um comparador para gerar um sinal modulado sigma-delta. Esse sinal é usado para acionar um circuito amplificador push-pull e a saída é filtrada para a faixa de áudio.
Classe S: Usa um modulador sigma-delta para produzir uma onda quadrada de saída, que é amplificada e depois passada por um filtro passa-banda de alta-Q para produzir uma onda senoidal.

Esses amplificadores operam com alta eficiência e baixa distorção, tornando-os comparáveis aos amplificadores Classe A/AB em termos de distorção.

Classe F

Um amplificador Classe F é projetado para usar um conjunto de ressonadores harmônicos de alta-Q para entregar potência a uma carga com baixas perdas resistivas. À medida que mais elementos ressonadores são cascados no estágio de saída, a forma de onda de saída se aproxima de uma onda quadrada com conversão de potência altamente eficiente. Os harmônicos gerados são múltiplos dos componentes no sinal de entrada, então esses amplificadores são mais úteis como geradores de onda quadrada de alta potência.

Classe G e H

Esses amplificadores de potência são uma melhoria nos amplificadores Classe AB com um esquema de entrega de potência único. A modulação nesses amplificadores é alcançada à medida que o sinal de entrada força o dispositivo a alternar entre múltiplas tensões de trilho durante sua oscilação. A diferença entre Classe G e Classe H é a diferença entre fornecimentos digitais e analógicos; amplificadores Classe H usam uma fonte de alimentação variável continuamente (analógica) enquanto Classe G usa um conjunto de valores de tensão de trilho discretos.

Classe I

Esta classe de amplificador opera sob o mesmo conceito que um amplificador Classe B, mas utiliza dois circuitos push-pull em paralelo. Um circuito está ativo durante o meio ciclo positivo enquanto o outro está ativo durante o meio ciclo negativo. Cada lado do dispositivo alterna entre LIGADO e DESLIGADO quando o ciclo de trabalho do driver PWM é de 50% bem no ponto de cruzamento zero da entrada.

Outros Componentes Para Circuitos de Amplificadores de Potência

Os exemplos acima devem mostrar que as classes de amplificadores de potência são mais sobre estrutura e menos sobre capacidades. Isso normalmente significa que, se você sabe como construir e usar um pequeno circuito de amplificador de potência, os conceitos podem ser rapidamente escalados para maiores potências ou frequências.

Em qualquer cadeia de sinal analógico ou RF, o amplificador não será o único componente. Esses sistemas podem ser carregados com outros componentes discretos ou op-amps para fornecer funções como filtragem, ou eles podem usar componentes monolíticos especializados quando operando em altas frequências. Alguns dos componentes importantes necessários em circuitos de amplificadores de potência estão linkados abaixo.

No caso de você estar construindo um amplificador a partir de um conjunto de componentes discretos, você precisará de todos os componentes mostrados no diagrama topológico acima e, eventualmente, colocá-los em uma PCB. Certifique-se de usar as melhores ferramentas de cadeia de suprimentos para encontrar os componentes necessários para o seu design.

Empresas que desejam implementar uma estratégia de cadeia de suprimentos just-in-case precisam de acesso a dados, insights e uma plataforma de sourcing como a Octopart para ajudar a localizar e adquirir componentes. A Octopart oferece recursos avançados de busca e filtragem para ajudar os compradores a encontrar componentes e dados atualizados de preços de distribuidores, inventário de peças e especificações de peças. Confira nossa página de circuitos integrados para encontrar os componentes de que você precisa.

Mantenha-se atualizado com nossos últimos artigos inscrevendo-se em nossa newsletter.