Какой класс усилителя мощности вам следует использовать?

Создано: 7 Ноября, 2022
Обновлено: 1 Июля, 2024

Усилители мощности концептуально просты, но не все усилители мощности созданы равными. У них, безусловно, есть конкурирующие спецификации и возможности, но более важной является топология и функциональность этих схем при внедрении в реальную систему. Функциональность усилителя мощности делится на классы, и существует множество классов усилителей мощности, каждый из которых функционирует несколько иначе. Классов усилителей мощности достаточно много, и запомнить, как функционирует каждый усилитель, а также какие классы усилителей предпочтительнее в различных системах, может быть сложно.

В этой статье я дам обзор основных классов усилителей мощности и как они могут использоваться в различных системах. Как мы увидим, различные типы усилителей мощности доступны в виде интегральных схем, и они работают с различными методами управления для обеспечения мощности. Операционные характеристики, такие как упаковка, корректное воспроизведение сигнала и гармонические искажения, являются несколькими важными метриками, которые следует учитывать при выборе усилителей мощности.

Другой важной точкой для рассмотрения является возможность замены усилителей мощности, особенно в современной среде дефицита и длительных сроков поставки. Некоторые усилители мощности совместимы друг с другом и могут быть заменены напрямую, при условии схожести упаковки и распиновки. Мы рассмотрим возможности замены для различных типов усилителей мощности в этой статье при описании классов усилителей мощности.

Как работают усилители мощности

Концептуально усилители мощности не отличаются от любого другого усилителя; вы подаете определенный сигнал, и выходной сигнал, как правило, более интенсивный, чем входной. Входной сигнал усиливается до некоторого максимального значения, которое может быть регулируемым с помощью банка ввода/вывода или через силу входного модулирующего сигнала. Пример типичной топологии усилителя мощности показан ниже.

В общем, классы усилителей мощности различаются по механизму управления, и далее они различаются по топологии схемы. Усилители мощности могут управляться с помощью модулированного прямоугольного сигнала или непосредственно входным переменным сигналом, как показано на изображении выше. Помимо механизма управления, существует несколько факторов, которые отличают классы усилителей мощности:

Метод модуляции (ШИМ, ЧММ, сигма-дельта и т. д.)
Топология подачи питания (одиночное питание, каскадные источники)
Топологии толкать-тянуть
Намеренное против ненамеренного генерирования гармоник

Особенности усилителей мощности

Помимо этих моментов, усилители мощности могут иметь различные структуры и особенности, встроенные в продукт. Например, некоторые усилители мощности имеют уникальные конфигурации толкать-тянуть на выходном каскаде, в то время как другие являются простыми транзисторными усилителями (особенно на низких частотах). Усилители также могут использовать каскадную топологию для обеспечения дополнительного усиления или могут использовать предусилитель. Помимо основных требований к эксплуатации, найденных в классах усилителей мощности, действительно возможно все что угодно для добавления функций, обеспечения кондиционирования сигнала или предоставления интерфейса для управления усилением.

Модули или чипы?

Продукты усилителей мощности доступны в виде чипов для использования в малых устройствах или в виде модулей, которые могут быть интегрированы в гораздо более крупные устройства. Многие интегральные схемы усилителей мощности относятся к различным классам и могут использоваться во многих приложениях, хотя многие продукты усилителей мощности определенного класса предназначены для аудио. Большинство других усилителей мощности, которые не рекламируются специально для аудио и используют только один транзистор в качестве активного элемента, являются усилителями класса A, даже если в техническом описании или маркетинговых материалах не указан конкретный класс усилителя.

Одним из примеров компонента является LM4991 от Texas Instruments. Этот аудиоусилитель класса AB обеспечивает выходную мощность до 3 Вт, работая на логических уровнях (до 5,5 В). Компонент может быть удвоен параллельно для обеспечения стереофонического вывода на два динамика с очень низкими уровнями искажений THD + N на протяжении всего аудиодиапазона. Ниже показаны некоторые эксплуатационные данные и схема применения.

Усилители мощности также доступны в виде предварительно упакованных модулей, которые включают множество функций. Некоторые компоненты или модули усилителей мощности предназначены для работы в определенной полосе пропускания, поэтому на выходном каскаде есть дополнительные схемы, обеспечивающие фильтрацию и согласование импеданса, особенно в высокочастотных системах, где используются РЧ-сигналы. Тем не менее, вы все равно увидите модули усилителей мощности, работающие в огромном диапазоне возможных частот, даже доходящие до диапазона ГГц. Эти модули обычно предназначены для приложений с высокой мощностью.

PE15A5068 от Pasternack - это усилитель класса AB с насыщенной входной мощностью 5 Вт, работающий в диапазоне от 2 до 18 ГГц. Этот модуль работает при 22-24 В постоянного тока с типичным усилением 37 дБ. Эти модули могут быть довольно дорогими и предназначены только для специализированных РЧ-приложений в области связи (например, военные радиостанции) или инструментарии. Этот конкретный компонент построен на основе GaN FET, хотя другие компоненты могут быть построены из полупроводников на основе соединений III-V группы.

Усилители мощности с питанием от переменного тока

Эти усилители мощности используют входной сигнал переменного тока и, возможно, некоторое приложенное смещение постоянного тока, для модуляции одного или нескольких транзисторов. В этих усилителях может быть предусмотрен предварительный усилитель для повышения чувствительности входа и полной модуляции транзисторов.

Класс A

Усилители мощности класса A построены с использованием одного коммутирующего транзистора, независимо от типа транзистора мощности. Цель этих усилителей - максимизировать линейный диапазон устройства вокруг рабочей точки транзистора, чтобы предотвратить искажение сигнала и генерацию гармоник. Эти усилители могут иметь высокий линейный диапазон при правильной конструкции и их легко собрать из дискретных компонентов. Недостатком усилителя класса A является генерация тепла, поскольку транзистор всегда смещен постоянным током в проводящее состояние, таким образом, всегда будут некоторые небольшие потери проводимости.

Класс B

Эти усилители похожи на усилители класса A, но они обеспечивают меньшее тепловое рассеивание за счет использования двух транзисторов, работающих на противоположных полярностях в конфигурации push-pull, т.е. каждый транзистор усиливает только половину входного сигнала. Каждый транзистор модулируется в состояние ВЫКЛ, когда уровень сигнала проходит через 0 В, что затем модулирует другой транзистор в состояние ВКЛ. Недостатком этих усилителей является их мертвое время или мертвая зона; в течение краткого периода, когда сигнал проходит через 0 В, управляющий сигнал между двумя полярностями будет ниже порога, так что транзистор будет ВЫКЛ, даже если уровень сигнала является малым, ненулевым значением.

Обратите внимание, что существует также усилитель мощности класса AB, который сочетает в себе лучшие аспекты схем усилителей класса A и класса B с низким уровнем искажений.

Класс C

Эти усилители используют параллельную LC-цепь на входном смещении для фильтрации на резонансной частоте LC. Эти усилители работают без постоянного смещения с одним транзистором, поэтому они имеют сильные искажения на типичных рабочих частотах. Поэтому они обычно не используются в аудио или в любом другом приложении, требующем высокой полосы пропускания, вместо этого они часто используются как генераторы колебаний при синусоидальном входе. Линейный диапазон этих усилителей также очень низкий из-за точки работы, установленной для этих усилителей.

Усилители мощности с ШИМ-управлением

Эти классы усилителей мощности более распространены в цифровых приложениях из-за способа их управления. Требуемый метод управления может быть сгенерирован из аналоговых сигналов, или поезд импульсов может быть синтезирован с помощью цифрового процессора.

Класс D и S

Эти два усилителя - нелинейные коммутируемые усилители, которые используют модулированные поезда импульсов и фильтрацию для получения желаемого выходного сигнала.

Класс D: Эти усилители используют входную пилообразную и входной сигнал в компараторе для генерации сигнала с сигма-дельта модуляцией. Этот сигнал используется для управления схемой усилителя push-pull, и выходной сигнал фильтруется в аудиодиапазон.
Класс S: Использует сигма-дельта модулятор для получения выходного квадратного сигнала, который усиливается, а затем проходит через высокодобротный полосовой фильтр для получения синусоиды.

Эти усилители работают с высокой эффективностью и низкими искажениями, делая их сопоставимыми с усилителями класса A/AB по уровню искажений.

Класс F

Усилитель класса F разработан для использования набора высокодобротных гармонических резонаторов для передачи мощности на нагрузку с низкими резистивными потерями. По мере того как на выходной стадии каскадируются дополнительные элементы резонатора, форма выходного сигнала приближается к квадратной волне с высокоэффективным преобразованием мощности. Генерируемые гармоники являются кратными компонентам входного сигнала, поэтому эти усилители более полезны как генераторы мощных квадратных волн.

Класс G и H

Эти усилители мощности являются улучшением усилителей класса AB с уникальной схемой подачи питания. Модуляция в этих усилителях достигается за счет того, что входной сигнал заставляет устройство переключаться между несколькими напряжениями шин во время его колебаний. Разница между классом G и классом H заключается в разнице между цифровыми и аналоговыми источниками питания; усилители класса H используют непрерывно изменяющийся источник питания (аналоговый), в то время как класс G использует набор дискретных значений напряжения шин.

Класс I

Этот класс усилителей работает по тому же принципу, что и усилитель класса B, но использует две параллельные схемы push-pull. Одна схема активна во время положительного полупериода, в то время как другая активна во время отрицательного полупериода. Каждая сторона устройства переключается между включенным и выключенным состоянием, когда рабочий цикл драйвера ШИМ составляет 50% точно в момент перехода через ноль входного сигнала.

Другие компоненты для схем усилителей мощности

Приведенные выше примеры должны показать, что классы усилителей мощности больше связаны со структурой, чем с возможностями. Это обычно означает, что если вы знаете, как построить и использовать небольшую схему усилителя мощности, концепции могут быстро масштабироваться до больших мощностей или частот.

В любой аналоговой или РЧ цепи усилитель не будет единственным компонентом. Эти системы могут быть оснащены другими дискретными или операционными усилителями для выполнения функций, таких как фильтрация, или они могут использовать специализированные монолитные компоненты при работе на высоких частотах. Некоторые важные компоненты, необходимые в схемах усилителей мощности, приведены ниже.

В случае, если вы собираете усилитель из набора дискретных компонентов, вам понадобятся все компоненты, показанные на приведенной выше топологической схеме, и, в конечном итоге, разместить их на печатной плате. Убедитесь, что вы используете лучшие инструменты цепочки поставок, чтобы найти необходимые вам компоненты для вашего проекта.

Компании, которые хотят реализовать стратегию цепочки поставок на случай непредвиденных обстоятельств, нуждаются в доступе к данным, аналитике и платформе поиска компонентов, такой как Octopart, чтобы помочь найти и закупить компоненты. Octopart предоставляет расширенные функции поиска и фильтрации для помощи покупателям в поиске компонентов и актуальных данных о ценах дистрибьюторов, запасах на складах и спецификациях деталей. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые вам компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.