הקדמה: האתגר המרכזי בעיצוב מגבר

כוח מגבר מתפקד כממשק הפעיל הסופי בין מקור אות לבין עומס תובעני, בין אם זה דובר חזק, אנטנה, עובר אדזואלקטרי, או מתעתע תעשייתי.המטרה העיקרית היא פשוטה באופן מטעה: לשחזר את הגלום בפלט עם מספיק זרם ומתח כדי להניע את העומס, תוך הוספת חפצים של המגבר עצמו עושה בפועל זה, דורש את זה דורש את זה אנלוגי ביותר של אתגרים הנדסיים.

המתח הבסיסי קיים בין תפוקת חשמל ואמינות האותות.כפי שמגבר דוחף לספק כוח גבוה יותר, מרכיביו הפעילים מונעים קרוב יותר לגבולותיהם הפיזיים.מסילות אספקה לכפות תנודות מתוחות קשות. דרישות הנוכחיות של OUTput מדגישות את אזור ההפעלה הבטוח (SOA) של טרנסיסטורים. ⁇ rmal ⁇ s על פני נקודות ההטיה המותתות של המוות ומציגות בתדר נמוך.

מאמר זה בוחן את אסטרטגיות ההנדסה השיטתית הנדרשות כדי לשבור את איכות המסחר-off. זה מכסה את הפיזיקה הבסיסית של אי-לינאריות, ארכיטקטורות מעגלים אופטימליות לינאריות, קריטריונים בחירה רכיב, ניהול תרמי, משמעת הפריסה וטכניקות אימות יסודיות. על ידי יישום עקרונות אלה, מהנדסים יכולים לעצב מגברים המספקים מגוון דינמי יוצא דופן וכוח ללא שכפול של הדלנות של האות.

יסודות פיזיים של אי-לינאריות

הבנת הסיבות השורשיות של עיוות והשפלה אות היא הצעד הראשון לקראת הקטנתם. הגורמים האלה מושרשים בפיסיקה של מוליכים למחצה ואת הגבולות הבסיסיים של טופולוגיה המעגלית.

קבל Compression ו- 1 dB Power Point

לכל מגבר יש טווח דינמי סופי.ברמות אות נמוכות, הרווח הוא ליניארי.כפי שעלייה בmplitude, הפלט מתחיל לחבל בשל הישבן של המכשירים הפעילים.זה מוגדר על ידי נקודת הדחיסה 1 dB (P1dB), שבו התפוקה מתחילה לחבל ב-1B משווי ליניארי שלה, או מעבר לנקודה זו מציגה עיוותים חמורים.

מנגנונים: THD ו-IMD

(הדגשה) באה לידי ביטוי בעיקר כמוצרים הרמוניים ובינוניים. MDic Distortion] Harmonic Distortion (THD)igFLT:1] מודד את סכום כל המרכיבים ההרמוניים שנוצרו על ידי המגבר: 2 מקורות בין-מודולציה אקסואנטית (IMD)FLT 3: 3 כאשר מופיעים שני תדרים או יותר; המגבר אינו יוצר הבדלים משמעותיים של מבנה ID.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

צומת הסיליקון מתחממת באופן משמעותי תחת פיזור כוח גבוה (הפרמטרים המרכזיים כגון FLT:0transconductance (gm)FLT:1,FLT:2 הנוכחי רווח (beta)FLT 3: 3, ו-FLT:4threshold מתח (Vth)FLT:5 שינוי עם טמפרטורה.

חוסר התאמה והעברות כוח

העברת החשמל המקסימלית קובעת כי כוח מקסימלי מועבר לעומס כאשר המקור מתאים את העומס.עם זאת, עבור מגברי מתח (מקור אודיו), אימפולס פלט נמוך מאוד הוא הרצוי עבור תגובה גבוהה לחות שטוחה תדר.במגברי RF, התאמה congate משמש להעברת כוח.

התנצלות על High Linearity

הבחירות האדריכליות שהתקבלו ברמת הסכאמטיות יש את ההשפעה המשמעותית ביותר על האיזון בין כוח ואיכות.

דרגה A, AB, ומודרנית Switch Architectures

(FLT:0) AClass AigFLT:1) מגבר הטיה את מכשיר הפלט כדי לבצע זרם עבור 360 מעלות של מחזור קלט.זה מניב את העיוות הנמוך ביותר כי המכשיר לעולם לא כבוי.עם זאת, Class A הוא לא יעיל אלקטרומגנטי (בדרך כלל 20-30% יעילות תיאורטית מקסימלית), ומייצר חום עצום ברמות כוח מתון.

(FLT:0) MAIRFLT:1) הוא עבודת אודיו וכוח גבוה מכשיר.המכשירים הפלט לבצע קצת יותר מ-180 מעלות, עם הטיה חפיפה קטנה הנוכחית כדי לחסל עיוות חוצה. a היטב-a-a-a-a-biased Class AB מגבר יכול להשיג יעילות של 50-65% תוך שמירה על T+N נמוך מאוד.

(FLT:0) DClassearFLT:1) משתמש במודולציה דו-פעמית גבוהה של הדופק (PWM) כדי להשיג יעילות תיאורטית מעל 90%.זה מאפשר תפוקה גבוהה מאוד של כוח בגורמים קטנים.האתגר לאיכות האות הוא מסנן הנדרש כדי לשחזר את אות השמע מן נושא PWM. Artifacts מן המסנן המשתנה ולא לינאריות יכול לעיוות בזהירות אם הוא להציג עיוות תוכנן בקפידה.

אדריכלות פוש-Pull ואפילו-Order Cancel

שלב הפלט של דחיפה-פודל הוא טכניקה בסיסית.על ידי שימוש בזוג מכשירים משלימים (NPN / PNP או N-Channel / P-Channel), הלוויות החיוביות והשליליות של הגלפור מנוהלות על ידי מכשירים נפרדים.אדריכלות זו מבטלת באופן חד-פעמי אפילו-סדר רכיבי עיוות הרמוניים, כפי שהם מופיעים בשלב הנכון של זוגות משלימים היא חיונית כדי למקסם את הביטול הזה גם כן.

התפקיד של פידבק שלילי

משוב שלילי (NFB) הוא הכלי החזק ביותר זמין למעצב המעגל ליניארי.על ידי האכלה חלק מהתתת הפלט בחזרה לקלט בשלב הפוך, רווח של המגבר מופחת וייצוב, רוחב פס הוא מורחב, פלט אימפולס מופחת באופן דרסטי, ועיוות הוא מדוכא על ידי גורם הקשור ישירות לרווח.

Cascode ו-Feedback Stages

תצורת ה- cascode (common-emitter) או Common-source האכלה משותפת (gate משותף) מפחיתה באופן דרמטי את ההשפעה של מילר.זה מקטין את ה-Freitance האפקטיבי, המאפשר רוחב פס רחב יותר ושיעורי סלולים גבוהים יותר. עבור כוח גבוה RF ו-V רחב מגברי פלזמה, ה-Cascode הוא כמעט חובה.

בחירה מתאימה ל-Desing Purity

שום טופולוגיה מעגלית לא יכולה לפצות על רכיבים נבחרים בצורה גרועה.כל מרכיב פסיבי ופעיל תורם רעש, עיוות והתנהגות תרמית.

מכשירים פעילים: Transistors ו- Op-Amps

(ב) ל"שלבי חשמל" (FLT:0) ,MupFETsFLT) 1:1 הם לעתים קרובות מועדפים על מכשירים אנכיים DMOS עבור ליניאריות שלהם ויציבות תרמית (יש להם מקדם טמפרטורה חיובי המרתיע כתמים חמים) (FLT:2GaN (Gallium Nitride) FETFLT 3 ו-FLT:4SC (Siliconb) , לעומת סיליקון) המאפשר סיליקון גבוה מאוד, לעומת סיליקון, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 סיליקון סיליקון, 000 סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל מאוד, 000 סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון כוח

לנהג ולשלבי קלט (FLT:0)JFETssveFLT:1 ו-(FLT:2) JFET-input Op-ampsFLT 3: (כגון OPA1642 או ADA4625) מספקים רעש מתח נמוך מאוד ועומס גבוה.

פאסיביות: Capacitors and Resistors

(ב) ה- Capacitors הם מקור עיקרי לעיוות, במיוחד בנתיב האותות:0C0G (NP0) (NP0) סגסוגת 1 קרמיקה שיעור קרמיקה יש קיבולת נמוכה מאוד וחסכונית טמפרטורה, מה שהופך אותם אידיאליים עבור מסננים ורשתות פיצוי.עבור הפיכה גבוהה ו-FLT:2polypropylene Film capaciphalphár 3 (D) עבור ccerliglowdator (D) נמוך (Digerliger (Diperta נמוך).

יש להימנע מסרטים של 0 (FLT:0) מטבוליים 1 (מבחינת רעש נמוך וטמפרטורות נמוכות יעילות של התנגדות (TCR) Wirewound Resistanceors יש להימנע מנתיבי אות בשל היותו בעל השכלה גבוהה.עמודי פילים על פני השטח עומדים בפני פילים דקים מציעים את השילוב הטוב ביותר של רעש נמוך, אינדוקציוניות נמוכות ויציבות.

כוח אספקה

אספקת החשמל מאמתת ישירות את האות במגבר יחיד.הכוח אספקת Ratio (PSRR) של המגבר חייב להיות גבוה, אבל זה סופי בתדרים גבוהים.זה אומר כי הרכבות האספקה חייבות להיות נקיות.FLT:0Linear תקנה FLT:1 הוא תקן הזהב עבור מסילות רוחב גבוהה, שילוב של מתח אלקטרו-מסלולי נמוך לצמצום נפח של מלחים (Riclyr-FLT:1) הוא תקן זהב עבור טביעות רגישות גבוהה.

ניהול תרמי ומבצע בטוח

חום הוא האויב של אמינות ואיכות אות. אסטרטגיה תרמית ממושמעת חיונית להשגת תפוקת חשמל גבוהה.

הבנה: Thermal Resistance

הנתיב התרמי מן צומת הסיליקון אל האוויר המתפתל הוא מוגדר על ידי התנגדות תרמית, מלוטש כמו Theta-ja (צומת-to-ambient) עבור מכשירים בעלי עוצמה גבוהה, תנור חיצוני הוא חובה.ההתנגדות התרמית של תנור חום (theta-SA) קובע ישירות את העלייה מעל ambient בפיזור חשמל נתון.

Active vs. Passive Cooling

קירור פסיבי (convection) הוא שקט ואמינה, אבל דורש מאוד תנורי חום גדולים עבור פיזור חשמל גבוה (300W+) קירור פעיל (אוויר מאולץ באמצעות מעריצים) מאפשר פרופילים תנורי חום קטנים יותר באופן משמעותי, אך מציג רעש ודאגות אמינות מכניות.עבור רמות הכוח הגבוהות ביותר, קירור נוזלי ניתן להשתמש, למרות שהוא מוסיף מורכבות מערכת.

אזור תפעול בטוח (SOA) Protection

שלב מגבר חייב להיות מוגן מפני מעבר לגבולות המוצר הנוכחי של הטרנזירים (העקומה SOA) עומסים תגובתיים (capacitive או inductive) יכול לגרום למתח המיידי והזרם הנוכחי לכבוש את האזור בלחץ גבוה של מעגלי הגנת SOA. (VI מגבילה) חייב להיות מהיר ולא מרתיעה כדי למנוע הרס ללא עיוות את האות במהלך תנאים לא רגילים, כגון חסימת מעגל מגנטית: 0Fexing הוא לחץ דם מהיר;

המונחים: Grounding and Interference control

עיצוב סכימטי טוב נהרס על ידי פריסה גרועה.מגברי כוח גבוה פועלים עם זרמים גבוהים ומתחים גבוהים, מה שהופך אותם פגיעים לאפקטים פרציטיים.

אסטרטגיות בסיסיות

(ה) [ה]המילה] היא טכניקה קלאסית שבה כל נתיבי הקרקע מתאספים בנקודה פיזית אחת בלבד.זה מונע זרמי אות גדולים לזרום דרך נתיבי קרקע רגישים ברמה נמוכה.בעיצובים מעורבים, מטוס קרקע מוצק הוא לעתים קרובות טוב יותר לביצועי RF, אך יש צורך לקחת טיפול כדי לחלק את המטוס או לבודד את הכוח הרעוע משלבים רגישים של שלבים: F2G:

הגנה ו-EMI filter

(ה) שלבים של כוח עליון (Class D, SMPS) הם מקורות משמעותיים של EMI.שלב קלט חייב להיות מופרד פיזית משלב הפלט, לפעמים על ידי מגן מתכת מעוגן;0Ferrite beadsFLT:1 ו משותף-mode נחנק על כבלי חשמל ורמקולים מחוסנים לעזור לדכא פליטות קרינה גבוהה.

חינוך פרדוקסלי ו Capacitance

כל עקבות PCB יש אינדוקטיבות ו קיבולות.בעוצמה גבוהה RF ורחבי פס רחב, את החדירה parasitic של עקבות הפלט יכול לגרום oscillation. את הציפוי parasitic capacitance של תנור חום (אשר לעתים קרובות מעומק) יכול זוג רעש גבוה ⁇ לתוך הבמה.

שיטות אימות ומדיעה

עיצוב אינו שלם ללא אימות יסודי.סילוק המעגל הוא התחלה נהדרת, אבל מדידות בעולם האמיתי תחת עומס הם השופט הסופי של ביצועים.

ביצועי מפתח

  • (FLT:0THD+N (בעיקר מחיקה הרמונית בתוספת Noise)FLT:1: המדד הסטנדרטי עבור מגברי אודיו. עיצובים ביצועים גבוהים שואפים THD+N מתחת 0.001% ב 1 kHz וכוח מלא.
  • (בקיצור:0)SMPTE IMD (Intermodulation Distortion)FLT:1: שימוש בגירסת מעורבות של 60 הרץ ו-7 kHz כדי למדוד אי-לינאריות דינמית.
  • (ב) ,0Output Impedance and Damping FactorveFLT:1; A low פלט Impedance (גורם לחות גבוה) מבטיח המגבר יכול לשלוט ב-Back-EMF של דובר.
  • (ב) ,0) ,Phase MarginFLT:1: נמדד באמצעות מנתח רשת תחת עומסי קיבול כדי להבטיח יציבות.

סימבול ומודל

סימולציה SPICE משמשת כדי להעריך את רווח ה-Open-loop ואת שלב, יציבות נקודת הטיה מעל טמפרטורה, ועיוות ביצועים.אנליזה מונטה קרלו מסייעת לזהות רגישות לסובלנות רכיב.FLT:0Analog מכשירים הספרייה הנרחבת של הדרכות, כגון MT-001 על עיוות, מספק תובנה עמוקה לסימולציה של פרמטרים של חיקוי עולמי אמיתי 1LT:1 .

המונחים: Measurement Setup

(ב) מנתח אודיו בעל ביצועים גבוהים (כגון APx555 או R&S UPV) הוא הכלי הסטנדרטי לאפיון מגברי אודיו.עבור מגברי RF, אנליייזר רשת Vector (VNA) ו- Spectrum Analyzer משמשים.בדיקות צריכות להתבצע עם עומסים חמורים, כולל עומסים רק פעילים (FLT:0LT:0alcio) ו- 3FLTמובנים באמצעות בדיקות נמוכות אלה מסייעות טיפוליות טיפוליות (FLTI)

עיצוב העולם האמיתי

הצעד האחרון הוא לתרגם את עקרונות העיצוב האלה למוצר שעומד במפרט שלה בעולם האמיתי.מגבר פורץ לתוך oscillation כאשר מחובר לכבל ארוך או עומס קיבולי אינו מוכן לפרריסה.

תכונות הגנה, בעוד צורך, יכול גם להשפיע על איכות הקול.גבול מתוכנן גרוע יותר מאשר קידוד מהיר, מעגלים קלים-מחוסנים ומגבלות כוח אמיתיות להגיב למוצר הנוכחי בפועל הם מועדפים.

בסופו של דבר, השגת תפוקת חשמל גבוהה ללא איכות אות הסתברותית היא לא עניין של רכיב יחיד "סוד" או טופולוגיה.זה תרגיל קפדני בהנדסה שיטתית.על ידי ניהול בזהירות את הסביבה התרמית, החשמלית והמכנית של המגבר, ועל ידי אימות ביצועים בכל שלב של התפתחות, ניתן לבנות מגבר המספק את מלואות הכוח והזה של פריזטין.