Application note: classi di amplificatori

Application note: classi di amplificatori

Classi di amplificatori nell’ambito delle prove EMC

Pur essendoci diverse classi di amplificatori a seconda della tecnologia utilizzata, quando si parla di laboratori EMC esistono solo due tipi di amplificatori: quelli in classe A e quelli in classe AB.

La classe viene definita in termini di angolo di conduzione, a cui corrisponde anche la percentuale di tempo in cui l’amplificatore realmente amplifica e conduce potenza. Un angolo di 360° implica l’amplificazione su tutto il ciclo, mentre un angolo di 180° significa che l’amplificazione è perpetrata solo per metà del tempo. Più è elevato l’angolo di conduzione e migliore sarà la linearità, a discapito – però – dell’efficienza e del calore dissipato.

Gli amplificatori con angolo di conduzione di 360° sono detti in Classe A e quelli con angolo di conduzione di 180° sono detti in Classe B. Gli amplificatori in Classe AB sono un compromesso tra le due posizioni e questo fatto è molto importante per le applicazioni di EMC poiché la distorsione indotta negli amplificatori in Classe B è troppo elevata per il nostro ambito.

Classe A o Classe AB?

Un po’ di storia…

Cos’è meglio, allora? Un amplificatore in Classe A o uno in Classe AB? O forse è meglio ciò che alcuni costruttori chiamano – impropriamente – Classe A-AB, in cui l’amplificatore opera con i transistor utilizzati al 50% della loro corrente nominale in Classe AB e, quando si avvicina alla saturazione, opera in Classe A? Non esiste una risposta giusta a questa domanda, perché è la domanda stessa ad essere sbagliata! A seconda dell’applicazione, una Classe presenterà dei vantaggi e degli svantaggi: ciò che è sensato è comprendere quali siano per prendere una decisione corretta ed economicamente conveniente.

Le norme cui facciamo riferimento nel campo della EMC richiedono che la distorsione armonica sia inferiore ad un certo valore e questa condizione viene normalmente verificata in entrambe le classi di amplificatore. A questo punto, allora, un amplificatore in Classe AB, notoriamente più economico di uno in Classe A, dovrebbe essere la scelta più sensata… eppure siamo abituati a vedere entrambe le tipologie di amplificatori nei laboratori! Perché?

Tanti anni fa, la tecnologia base per questi amplificatori era il TWT (Traveling Wave Tube) e permetteva di ottenere potenze elevate ed alte frequenze, a discapito – però – del comportamento. Diciamo infatti che i produttori di TWT specificano solo la potenza nominale e non quella non saturata (P1dB) che interessa a noi e quindi il produttore di amplificatori doveva stimare questo valore a circa il 50% della potenza dichiarata. Inoltre, entra in gioco il VSWR (Voltage Standing Wave Ratio): se il sistema in cui è presente l’amplificatore possiede un VSWR tale da avere molta potenza riflessa, i TWT si possono danneggiare.

Per questo motivo, un cambio importante di tecnologia ha fatto arrivare sul mercato i Classe A, il cui progetto permette di tollerare VSWR ben superiori a quelli praticamente raggiungibili. Questo implica non avere più paura di danneggiare un amplificatore solo perché si è connessa male l’uscita, poiché l’amplificatore in Classe A tollera il 100% della potenza riflessa!

Un successivo ulteriore cambio di tecnologia ha permesso ai produttori di amplificatori di avvicinare le performance dei Classe AB ai Classe A e a limitare la potenza nel momento in cui il VSWR inizia ad aumentare; due le soluzioni possibili: spegnere automaticamente l’amplificatore o andare in foldback e – semplicemente – limitare la potenza per avere una limitazione adeguata della potenza riflessa.

Pro e contro

Vantaggi e svantaggi

Classe A:

  • Caratteristiche di linearità ottimali
  • Distorsioni armoniche minime
  • Nessuna distorsione di crossover
  • Semplice da progettare
  • Tollera un VSWR infinito e quindi potenza riflessa totale
  • Sempre in conduzione, possiede un’efficienza molto bassa
  • Temperature alle giunzioni più elevate e quindi più spazio per dissipazione del calore
  • Limitazioni in potenza

Classe AB

  • Efficienza ottimale e richiesta di potenza solo quando necessario
  • Temperature alle giunzioni più basse e quindi minore necessità di dissipazione del calore
  • Dimensioni minori
  • Potenze anche molto elevate
  • Performance di linearità mediocri (ma sempre conformi in ambito EMC)
  • Necessità di foldback e protezioni contro VSWR

Morale

Quando si sceglie un amplificatore, occorre considerare le condizioni di utilizzo e comprendere quale sia il compromesso migliore per l’applicazione. Per le telecomunicazioni o per le prove in fine linea per cui si necessita di minimizzare le componenti armoniche anche a frequenza sopra 1 GHz, la soluzione migliore sarà un Classe A. Per le prove EMC, occorrerà valutare molti parametri – il più importante dei quali sarà il valore di P1dB nel peggior caso di VSWR sul range di frequenza – e capire se sia più interessante un Classe A o un Classe AB.

Il consiglio? Non decidete per una Classe “per abitudine”, ma cogliete l’occasione per studiare l’applicazione e comprendere i vantaggi di una e dell’altra soluzione per poi scegliere in maniera competente.