Критерии выбора усилителя для разработчиков печатных плат

Всем, вероятно, знаком классический операционный усилитель 741, особенно если вы помните свои первые занятия по электронике. Однако, когда речь заходит о специализированных приложениях, ассортимент доступных усилителей достаточно велик, чтобы сбить с толку любого конструктора. Как только вы поймете, как разные усилители указывают разные характеристики, становится легче определить лучший усилитель для вашего приложения. Мы составили список важных критериев выбора усилителя для разработчиков печатных плат.

Классы усилителей

Все усилители разделены на разные классы, что определяет их применимость в различных приложениях. Вот 5 общих классов усилителей:

• Класс A. Эти усилители предназначены для высокой линейности и всегда находятся во включенном состоянии. Поэтому они не подходят для приложений с высокой мощностью, так как будут потреблять больше энергии, чем усилители других классов.
• Класс B. Эти усилители были разработаны как более эффективная альтернатива усилителям класса A. Однако, поскольку они используют ПТ, которые требуют некоторого минимального входного сигнала для включения транзисторов, они не идеально воспроизводят входной сигнал и создают некоторые искажения при меньшей силе входного сигнала. Это известно как искажение переключения.
• Класс AB. Эти усилители, возможно, являются наиболее часто используемыми усилителями для широкого спектра приложений. Они обеспечивают более высокую эффективность, чем усилитель класса A, без искажения переключения. У них также сопоставимый линейный диапазон.
• Класс C. Эти усилители чаще всего используются в РЧ-приложениях. Благодаря использованию внутренней LC-резонансной цепи или другой схемотехники они могут быть спроектированы с широкой полосой пропускания, обеспечивая сильное усиление на высоких частотах. Однако у них ниже линейность, чем у упомянутых классов усилителей.
• Класс D. Эти усилители используют некоторую форму ШИМ для управления выходом. Выходной сигнал преобразуется обратно в аналоговый сигнал с помощью низкочастотного фильтра на выходе. Они часто используются в приложениях управления двигателями, преобразуя выходной сигнал в ШИМ-сигнал значительно более высокой частоты.

Пример аудиоусилителя класса D

Отметим, что существует много других классов усилителей с различным уровнем специализации. Независимо от того, какой класс усилителя вы выберете, вам придется учитывать некоторые различные характеристики для разных усилителей.

Важные характеристики для критериев выбора усилителя

При выборе усилителя для работы с аналоговыми сигналами обратите внимание на следующие характеристики:

• Коэффициент усиления с открытым и закрытым контуром. Коэффициент усиления с открытым контуром показывает максимальное усиление, которое вы можете получить с вашим усилителем. На практике вы будете измерять коэффициент усиления с закрытым контуром после применения обратной связи. Заметьте, что это функция частоты; график Боде спектра усиления будет напоминать низкочастотный фильтр.
• Линейный диапазон. Существует несколько способов указания этого значения. Связь между входным и выходным сигналом никогда не бывает идеально линейной, но во многих приложениях она может быть близкой к линейной. Это может быть указано как диапазон уровней входного сигнала (обычно в dBm) или как максимальное входное значение с некоторым связанным значением искажения.
• Динамический диапазон. Это просто разница между наименьшим и наибольшим возможными выходными значениями. Наименьшее значение ограничено уровнем шума, в то время как наибольшее ограничено линейным входным диапазоном. В общем, динамический диапазон равен DR = SNR + 1.
• Полоса пропускания. Для общих усилителей это на самом деле связано с временем нарастания, которое является временем, необходимым для переключения схемы (от 10% до 90%). Это ограничит диапазон полезных частот в усилителе (см. примечание ниже этого списка).
• Скорость нарастания. Это скорость изменения на выходе, обычно в V/мкс или V/нс.
• Коэффициент подавления синфазного сигнала. Это способность усилителя подавлять синфазный шум, присутствующий на обоих входах усилителя.
• Эффективность. Это число действительно является показателем количества энергии, рассеиваемой в виде тепла. Более эффективный усилитель рассеивает меньшую часть мощности в виде тепла.
• Вход. Усилители могут быть полностью однополярными или полностью дифференциальными (т.е. с дифференциальным входом и выходом).

Все вышеупомянутые параметры будут функцией входной частоты. Специализированные усилители будут иметь полосу пропускания, которая указана в определенных диапазонах частот. Убедитесь, что полоса пропускания перекрывается с интересующим вас диапазоном частот. Есть и другие важные характеристики для усилителей, используемых в специфических приложениях.

Усилители мощности

Все усилители мощности (обычно класса B, C или AB) разработаны для работы около их нелинейной точки сжатия и будут рассеивать значительное количество мощности во время работы. В общем, выходная мощность от усилителя будет уменьшаться по мере увеличения температуры; качественные стабильные усилители должны обеспечивать уменьшение выходной мощности менее чем на 1 дБ на протяжении всего диапазона рабочих температур. Другие характеристики должны демонстрировать аналогичную стабильность.

При выборе усилителя мощности, будь то для конкретных приложений или для общего использования, следует учитывать ранее перечисленные моменты. Однако усилители мощности развивались для различных приложений, и спецификации, перечисленные для разных усилителей, адаптированы для дизайнеров, работающих с этими специализированными приложениями. Отличным примером являются усилители мощности РЧ, где усилители для различных частотных диапазонов основаны на разных полупроводниковых процессах.

Присущая нелинейность этих усилителей приведет к некоторым непреднамеренным эффектам во время работы. Дизайнеры из аудиосообщества вероятно знакомы с общим гармоническим искажением (THD) или общим гармоническим искажением плюс шум (THD+N). Гармоническое искажение - это нелинейный эффект, при котором на выходе присутствуют гармоники высшего порядка желаемого сигнала. Ваш усилитель мощности должен иметь как можно более низкий уровень THD или THD+N (обычно выражается в процентах).

Усилители мощности для работы с частотно-модулированными сигналами обычно указывают искажение в терминах точки перехвата третьего порядка (3OIP). Нелинейный характер усилителей мощности будет генерировать гармоники высшего порядка и продукты интермодуляции, которые возникают из-за нелинейного смешивания частот среди различных частот в частотно-модулированном сигнале. Эти продукты интермодуляции появляются как боковые полосы в выходном спектре усилителя. Этот уровень искажения из-за нелинейности также называется интермодуляционным искажением (IMD) за пределами РЧ-сообщества.

Пример экстраполяции OIP3 в усилителе мощности для частотно-модулированных сигналов.

Хотя возможно много различных продуктов интермодуляции, продукты нечетного порядка являются наиболее важными, поскольку они находятся ближе всего к диапазону частот, с которыми вы работаете. Продукты интермодуляции третьего порядка находятся ближе всего к желаемым частотам, за ними следуют пятый, седьмой и так далее. 3OIP обычно указывается как значение входной мощности, при которой интенсивность продуктов интермодуляции третьего порядка будет иметь такую же выходную интенсивность, как и желаемый сигнал.

Octopart здесь, чтобы предоставить вам доступ к огромному ассортименту компонентов усилителей общего назначения и специального назначения для вашей следующей системы. Если вы не уверены, какой усилитель вам нужен, попробуйте использовать наш руководство по выбору деталей для определения лучшего варианта для вашего следующего продукта.

Обязательно следите за нашими последними статьями, подписавшись на нашу рассылку.