Figuras de mérito do amplificador - Amplifier figures of merit
Na eletrônica , as cifras de mérito de um amplificador são medidas numéricas que caracterizam suas propriedades e desempenho. As figuras de mérito podem ser fornecidas como uma lista de especificações que incluem propriedades como ganho , largura de banda , ruído e linearidade , entre outras listadas neste artigo. As figuras de mérito são importantes para determinar a adequação de um amplificador específico para o uso pretendido.
Ganho
O ganho de um amplificador é a razão entre a potência de saída e a amplitude ou potência de entrada, e geralmente é medido em decibéis . Quando medido em decibéis, é logaritmicamente relacionado à relação de potência: G (dB) = 10 log ( P out / P in ). Os amplificadores de RF são frequentemente especificados em termos de ganho de potência máximo que pode ser obtido, enquanto o ganho de voltagem de amplificadores de áudio e amplificadores de instrumentação será especificado com mais frequência. Por exemplo, um amplificador de áudio com ganho de 20 dB terá um ganho de tensão de dez.
O uso da figura de ganho de tensão é apropriado quando a impedância de entrada do amplificador é muito maior do que a impedância da fonte e a impedância de carga é maior do que a impedância de saída do amplificador.
Se dois amplificadores equivalentes estiverem sendo comparados, o amplificador com configurações de ganho mais altas será mais sensível, pois levaria menos sinal de entrada para produzir uma determinada quantidade de potência.
Largura de banda
A largura de banda de um amplificador é a faixa de frequências para a qual o amplificador oferece "desempenho satisfatório". A definição de "desempenho satisfatório" pode ser diferente para aplicativos diferentes. No entanto, uma métrica comum e bem aceita são os pontos de meia potência (ou seja, a frequência em que a potência desce pela metade de seu valor de pico) na curva de saída vs. frequência. Portanto, a largura de banda pode ser definida como a diferença entre os pontos de potência da metade inferior e superior. Portanto, isso também é conhecido como largura de banda de -3 dB . Larguras de banda (também chamadas de "respostas de frequência") para outras tolerâncias de resposta às vezes são citadas ( -1 dB , -6 dB etc.) ou "mais ou menos 1dB" (aproximadamente a diferença de nível de som que as pessoas geralmente podem detectar).
O ganho de um amplificador de áudio de faixa completa de boa qualidade será essencialmente plano entre 20 Hz a cerca de 20 kHz (a faixa da audição humana normal ). No projeto de amplificador de ultra-alta fidelidade, a resposta de frequência do amplificador deve se estender consideravelmente além disso (uma ou mais oitavas de cada lado) e pode ter pontos de -3 dB <10 Hz e> 65 kHz . Os amplificadores de turismo profissionais geralmente têm filtragem de entrada e / ou saída para limitar drasticamente a resposta de frequência além de 20 Hz-20 kHz ; muito da potência de saída potencial do amplificador seria, de outra forma, desperdiçado nas frequências infra - sônicas e ultrassônicas , e o perigo de interferência de rádio AM aumentaria. Os amplificadores de comutação modernos precisam de filtragem passa-baixa acentuada na saída para eliminar o ruído de comutação de alta frequência e os harmônicos .
A faixa de frequência na qual o ganho é igual ou superior a 70,7% de seu ganho máximo é denominada largura de banda.
Eficiência
A eficiência é uma medida de quanto da fonte de alimentação é aplicada de forma útil à saída do amplificador. Os amplificadores Classe A são muito ineficientes, na faixa de 10–20% com uma eficiência máxima de 25% para acoplamento direto da saída. O acoplamento indutivo da saída pode elevar sua eficiência a um máximo de 50%.
A eficiência de drenagem é a razão entre a potência de saída de RF e a potência de entrada de CC quando a energia de entrada primária de CC foi fornecida ao dreno de um transistor de efeito de campo . Com base nessa definição, a eficiência do dreno não pode exceder 25% para um amplificador classe A que é fornecido com corrente de polarização do dreno por meio de resistores (porque o sinal de RF tem seu nível zero em cerca de 50% da entrada CC). Os fabricantes especificam eficiências de drenagem muito mais altas e os projetistas são capazes de obter eficiências mais altas fornecendo corrente para o dreno do transistor por meio de um indutor ou enrolamento do transformador. Nesse caso, o nível zero de RF está próximo ao trilho DC e oscilará acima e abaixo do trilho durante a operação. Enquanto o nível de tensão estiver acima, a corrente do barramento CC é fornecida pelo indutor.
Os amplificadores Classe B têm uma eficiência muito alta, mas são impraticáveis para trabalho de áudio devido aos altos níveis de distorção (consulte: Distorção cruzada ). No projeto prático, o resultado de uma compensação é o projeto da classe AB. Os amplificadores modernos da Classe AB geralmente têm eficiências de pico entre 30 e 55% em sistemas de áudio e 50-70% em sistemas de radiofrequência com um máximo teórico de 78,5%.
Amplificadores de comutação Classe D disponíveis comercialmente relataram eficiências de até 90%. Os amplificadores da classe CF são geralmente conhecidos por serem amplificadores de eficiência muito alta. A RCA fabricou um transmissor de transmissão AM empregando um único triodo de baixa mu de classe C com uma eficiência de RF na faixa de 90%.
Amplificadores mais eficientes funcionam de forma mais fria e geralmente não precisam de ventiladores, mesmo em designs de vários quilowatts. A razão para isso é que a perda de eficiência produz calor como um subproduto da energia perdida durante a conversão de energia. Em amplificadores mais eficientes, há menos perda de energia, portanto, menos calor.
Em amplificadores de potência lineares de RF, como estações base de celular e transmissores de transmissão, técnicas especiais de projeto podem ser usadas para melhorar a eficiência. Os projetos Doherty, que usam um segundo estágio de saída como um amplificador de "pico", podem aumentar a eficiência de 15% a 30-35% em uma largura de banda estreita. Projetos de rastreamento de envelope são capazes de alcançar eficiências de até 60%, modulando a tensão de alimentação para o amplificador de acordo com o envelope do sinal.
Linearidade
Um amplificador ideal seria um dispositivo totalmente linear, mas os amplificadores reais são apenas lineares dentro de certos limites.
Quando o sinal para o amplificador é aumentado, a saída também aumenta até que um ponto seja alcançado onde alguma parte do amplificador se torna saturada e não pode produzir mais saída; isso é chamado de recorte e resulta em distorção .
Na maioria dos amplificadores, ocorre uma redução no ganho antes de ocorrer o hard clipping; o resultado é um efeito de compressão , que (se o amplificador for um amplificador de áudio) soa muito menos desagradável ao ouvido. Para esses amplificadores, o ponto de compressão de 1 dB é definido como a potência de entrada (ou potência de saída) em que o ganho é 1 dB menor do que o pequeno ganho do sinal. Às vezes, essa não linearidade é deliberadamente projetada para reduzir o desagrado audível do recorte rígido sob sobrecarga.
Os efeitos nocivos da não linearidade podem ser reduzidos com feedback negativo.
A linearização é um campo emergente, e existem muitas técnicas, tais como a alimentação para a frente , predistortion , postdistortion, a fim de evitar os efeitos indesejáveis das não-linearidades.
Ruído
Esta é uma medida de quanto ruído é introduzido no processo de amplificação. O ruído é um produto indesejável, mas inevitável, dos dispositivos e componentes eletrônicos; além disso, muito ruído resulta de economias intencionais de fabricação e tempo de design. A métrica para o desempenho de ruído de um circuito é a figura do ruído ou fator de ruído. A figura de ruído é uma comparação entre a relação sinal de saída para ruído e o ruído térmico do sinal de entrada.
Faixa dinâmica de saída
A faixa dinâmica de saída é a faixa, geralmente fornecida em dB, entre o menor e o maior nível de saída útil. O nível útil mais baixo é limitado pelo ruído de saída , enquanto o maior é limitado na maioria das vezes pela distorção. A relação entre esses dois é citada como a faixa dinâmica do amplificador. Mais precisamente, se S potência de sinal = máxima permitida, e N = potência de ruído, a gama dinâmica RD é DR = (S + N) / N .
Em muitos amplificadores de modo comutado, a faixa dinâmica é limitada pelo tamanho mínimo do passo de saída.
Taxa de giro
A taxa de variação é a taxa máxima de variação da saída, geralmente cotada em volts por segundo (ou microssegundo). Muitos amplificadores são, em última análise , limitados pela taxa de variação (normalmente pela impedância de uma corrente de transmissão tendo que superar os efeitos capacitivos em algum ponto do circuito), o que às vezes limita a largura de banda de potência total para frequências bem abaixo da resposta de frequência de sinal fraco do amplificador.
Tempo de subida
O tempo de subida , t r , de um amplificador é o tempo necessário para que a saída mude de 10% a 90% de seu nível final quando acionada por uma entrada em degrau . Para um sistema de resposta gaussiano (ou um simples roll off RC ), o tempo de subida é aproximado por:
t r * BW = 0,35 , onde t r é o tempo de subida em segundos e BW é a largura de banda em Hz .
Hora de assentamento e toque
O tempo necessário para que a saída estabilize dentro de uma certa porcentagem do valor final (por exemplo, 0,1%) é chamado de tempo de estabilização e é geralmente especificado para amplificadores verticais de osciloscópio e sistemas de medição de alta precisão. Ringing refere-se a uma variação de saída que circula acima e abaixo do valor final de um amplificador e leva a um atraso no alcance de uma saída estável. O toque é o resultado do overshoot causado por um circuito subamortecido .
Overshoot
Em resposta a uma entrada em degrau, o overshoot é o valor em que a saída excede seu valor final de estado estacionário.
Estabilidade
A estabilidade é um problema em todos os amplificadores com feedback, seja esse feedback adicionado intencionalmente ou resultados não intencionais. É especialmente um problema quando aplicado em vários estágios de amplificação.
A estabilidade é uma grande preocupação em amplificadores de RF e microondas . O grau de estabilidade de um amplificador pode ser quantificado por um denominado fator de estabilidade. Existem vários fatores de estabilidade diferentes, como o fator de estabilidade Stern e o fator de estabilidade Linvil, que especificam uma condição que deve ser cumprida para a estabilidade absoluta de um amplificador em termos de seus parâmetros de duas portas .