Application note: selezione dell’amplificatore
Application note: selezione dell'amplificatore
Quali sono i punti focali per selezionare un amplificatore RF?
Storicamente, tanti anni fa, la scelta degli amplificatori per prove di compatibilità elettromagnetica (EMC) si basava su conoscenze tribali e tradizioni orali… adesso abbiamo molte più frecce al nostro arco per potere definire le necessità e, di conseguenza, scegliere con competenza le caratteristiche dell’amplificatore e dell’antenna che ci permettano di ottimizzare il sistema, raggiungere i campi desiderati sul range di frequenza richiesto, nell’ottica di ottenere il minimo down-time possibile per massimizzare la profittabilità e l’efficienza del laboratorio.
Gli standard EMC
Gli standard EMC
EMC è la capacità caratteristica di un sistema o di un componente a sapere operare in un ambiente già presente ed inquinato dal punto di vista elettro-magnetico senza degradare le proprie prestazioni e senza disturbare altri sistemi e componenti. Sappiamo che esistono diverse tipologie di prove di immunità atte a verificare la solidità dell’oggetto in prova e i livelli di prova di questi vengono definiti dagli standard.
Spesso, quindi, sarà lo standard che definirà già il tipo di amplificatore che ci sarà necessario considerare. Le norme di riferimento per le immunità irradiate saranno quindi IEC 61000-4-3 per il mondo civile e industriale, ISO 11451 e ISO 11452-2 per il mondo automotive, MIL-STD-461G RS103, MIL-STD-464 e DO-160G per il mondo militare ed avionico.
Le basi
Definizione delle specifiche di un amplificatore
- Risposta in frequenza: gli amplificatori sono studiati per operare specificatamente su alcune bande di frequenza. Alcuni amplificatori possono operare fuori da questi range con potenze significativamente ridotte.
- Potenza nominale di uscita: la definizione di questa, come già notato in altra application note, varia dal produttore: spesso si tratta della potenza in saturazione che poco interessa alla EMC. La selezione deve tenere conto di P1dB perché le normative richiedono sempre un livello di linearità importante che una potenza saturata non fornisce.
- Potenza ad 1 dB di compressione (P1dB): la potenza massima generabile da un amplificatore nel punto di compressione a 1 dB. Questo è il vero parametro che occorre considerare nella scelta della potenza ed è il parametro che definisce la massima potenza lineare garantita sul range.
- Distorsione armonica: il rapporto della somma delle potenze di tutte le componenti armoniche rispetto alla fondamentale. Molti capitolati definiscono come minimo valore – 6dBc ed è importante che la distorsione sia risibile per non disturbare involontariamente su frequenze diverse dalla fondamentale.
- Guadagno: il fattore di amplificazione in termini di potenza. La terminologia dei parametri S definisce il guadagno come S21.
- Flatness: la variazione del guadagno sul range di frequenze. Una variazione troppo elevata potrebbe portare a distorsioni in frequenza.
- Efficienza: rapporto tra potenza in uscita e potenza effettivamente richiesta. Normalmente gli amplificatori in Classe A sono meno efficienti di quelli in Classe AB a causa della loro struttura; ciò non ostante, lo sviluppo degli ultimi anni ha permesso di creare degli amplificatori quasi-lineari con caratteristiche da Classe A ed efficienza da Classe AB.
- Capacità di fornire amplificazioni pulsate: a questo proposito, occorre fare riferimento alle limitazione alla pulsata quali la durata, la ripetizione ed il duty cycle. Una lampadina da 100 W, infatti, non potrà, senza rompersi reapidamente, fornire 1000 W perché utilizzata solo un decimo del tempo…
- Modulazione: variazione delle proprietà del segnale periodico da ripetere (AM, FM, PM).
- Mismatch tolerance: la capacità di un amplificatore di continuare ad operare senza fermarsi anche su carichi sbilanciati che forniscono una potenza riflessa importante. Nelle applicazioni EMC, specialmente alle basse frequenze, i trasduttori possono fornire resistenze di ingresso molto diverse da 50 Ohm e questo provocherà la riflessione di potenza verso l’amplificatore generatore: è importante quindi sapere controllare il fenomeno ed operare in sicurezza.
Segnale in ingresso e potenza in uscita
Specifiche di input ed output
Quanta potenza è richiesta in input per ottenere la potenza massima in uscita? Questa è la domanda fondamentale per chi deve scegliere un amplificatore. Spesso il segnale in ingresso per ottenere la potenza massima è di 1 mW ma questo valore varia a seconda del produttore e dal modello e, in alcuni casi, si può ottenere la potenza massima anche con meno di 1 mW in ingresso.
La potenza del segnale in ingresso influisce fortemente sul segnale in uscita e determina la regione di operatività ed il grado di compressione. Idealmente, un amplificatore dovrebbe semplicemente amplificare e non aggiungere segnali spurî addizionali. A meno che non si operi in una regione di potenza altamente lineare, l’amplificatore inserirà sempre una certa qual distorsione. La necessità di avere la minima distorsione possibile ci porterà quindi a comprendere la compressione e definire la potenza ad 1 dB di compressione P1dB.
Maggiore è il segnale in ingresso, maggiore è il rischio di compressione. Al livello di P1dB, il segnale CW sarà lievemente appiattito ai picchi. Man mano che si sale in potenza, sarà apparente la trasformazione in un onda quadra. Sotto si possono osservare i segnali a P1dB e P3dB.
Caratteristiche di linearità
Linearità e distorsione
La distorsione creerà segnali indesiderati a frequenze non presenti nel segnale in ingresso, come si può osservare con un analizzatore di spettro. La figura sotto presentata mostra un amplificatore TWT in saturazione e le armoniche hanno un’ampiezza leggermente minore della fondamentale. Questa situazione causerà problemi enormi al tecnico EMC: in caso di prova negativa, non sapremo se sarà dovuta alla fondamentale (come ci servirebbe capire) o alle armoniche non desiderate e, in caso di prova positiva, ci porremmo delle domande sulla possibilità che le armoniche siano andate ad impattare e correggere un’eventuale deriva negativa!
Ricordiamo che, per motivi tecnici, la maggior parte delle sonde di campo utilizzate va a mostrare l’energia sull’intera banda (fondamentale, armoniche e spurie) rendendo molto difficile la discriminazione sulla bontà dell’amplificatore utilizzato ad una determinata potenza. Ecco l’importanza di una caratterizzazione annuale dei propri amplificatori (verifica del guadagno e del P1dB) così da potersi garantire delle prove impeccabili.
Differenti tipologie di amplificatori
Classe A o Classe AB
Gli amplificatori utilizzati in ambito EMC possono essere di Classe A o di Classe AB poiché sono le classi che forniscono i maggiori livelli di tolleranza al mismatch. Ognuna presenta dei pro e dei contro.
Gli amplificatori in Classe A sono solitamente migliori per ciò che concerne la tolleranza al mismatch, la linearità e la distorsione armonica. Sono più grandi e necessitano di maggiore potenza.
Gli amplificatori in Classe AB sono più economici, compatti e necessitano solo della potenza richiesta. D’altro canto, davanti ad un mismatch sono protetti da limitazione di potenza o da arresto dell’amplificatore.
| Caratteristiche | Classe A | Classe AB |
| Distorsione in uscita | Bassa, alta linearità | Media, bassa linearità |
| Costo | Elevato | Economico |
| Solidità | Operatività a mismatch totale | A seconda del mismatch, limitazioni in potenza o arresto |
| Dimensioni e peso | Largo e pesante | Compatto e leggero |
| Costruzione | Più componenti necessari per la dissipazione del calore | Meno componenti necessari per la dissipazione del calore |
| Potenza in ingresso | Meno efficiente | Più efficiente |
| Bias | Corrente come da forma del segnale in ingresso | Corrente solo tre 180 ° e 360 ° della forma del segnale in ingresso |
Amplificatori TWT o allo stato solido
Per molti anni gli amplificatori TWT (Traveling Wave Tubes Amplifiers) sono stati l’unica possibile scelta sul mercato per coprire ampli livelli di potenza e di gamma di frequenze. Le caratteristiche dei TWT, inoltre, li rendono adatti ad un utilizzo pulsato. Il contro è la presenza di elevato contenuto armonico, maggiore rumore di fondo ed aumento della potenza necessaria per l’utilizzo (classicamente, un TWT può essere utilizzato in regime lineare a meno del 50 % della propria potenza nominale!).
Le difficoltà incontrate con i TWT sono state mitigate con l’uso degli amplificatori allo stato solido che offrono maggiore stabilità nel tempo, migliore tolleranza al mismatch, minori armoniche ed un miglior MTBF.
Spesso si ha necessità di potenze diverse su bande diverse: alzandosi in frequenza, infatti, il medesimo campo viene raggiunto con minore potenza (e con antenne diverse!) e avere un amplificatore che offre la medesima potenza su un range troppo amplio può essere uno svantaggio importante dal punto di vista economico. Ecco il motivo dell’esistenza di amplificatori Dual Band che uniscono in un unico amplificatore due (o più) moduli di amplificazione e che permettono quindi di soddisfare le proprie necessità di potenza in maniera economicamente corretta.
Considerazioni finali
Considerazioni finali
Abbiamo velocemente sfiorato le caratteristiche e la storia degli amplificatori per fornire una base per future scelte. Chiaramente, i fattori di scelta dovranno partire dalle proprie necessità e dagli standard di riferimento (industriale, automotive, militare…). A partire da questa indicazione, il tecnico che andrà a studiare la soluzione migliore e più efficace dovrà considerare l’impatto del guadagno delle antenne selezionate e dell’ambiente in cui verranno utilizzate e fornirà una scelta di poco sovradimensionata per essere certi che funzioni in diverse situazioni.
A tal proposito, il team Volta è sempre a disposizione per aiutarvi e per venirvi incontro nello studio a partire dalle vostre necessità.
