Castig, banda si zgomot: parametrii esentiali ai unui amplificator de semnal

Un amplificator nu este potrivit doar pentru ca poate mari un semnal de zece ori. El trebuie sa furnizeze amplitudinea ceruta pe intreaga banda de lucru, in sarcina reala, fara compresie, limitare de curent, zgomot excesiv sau oscilatii.

In laborator, cele mai multe selectii gresite apar cand se compara numai castigul si tensiunea maxima de iesire. Sunt ignorate impedanta sarcinii, banda la putere maxima, slew rate-ul, liniaritatea si conditiile in care producatorul a masurat performantele. Rezultatul este un semnal care arata corect fara sarcina, dar se deformeaza imediat dupa conectarea dispozitivului testat.

Ce trebuie sa faca amplificatorul in aplicatia reala

Inaintea compararii fiselor tehnice trebuie definit rolul amplificatorului in lantul de test.

Poate fi necesar pentru:

• cresterea amplitudinii unui generator de functii;

• comanda unui traductor piezoelectric;

• stimularea unui senzor sau actuator;

• testarea susceptibilitatii unui ECU;

• simularea unor semnale electrice industriale;

• alimentarea unei sarcini de 50 Ω;

• amplificarea unui semnal RF;

• excitarea unui circuit rezonant;

• testarea unor componente MEMS;

• obtinerea unui semnal diferential;

• cresterea sensibilitatii unui sistem de masurare.

Fiecare scenariu pune accentul pe alti parametri. Un preamplificator pentru receptia unui semnal RF slab trebuie sa aiba zgomot redus. Un amplificator pentru un actuator piezoelectric trebuie sa suporte o sarcina capacitiva si sa furnizeze curent tranzitoriu. Un model pentru testarea unui ECU poate necesita sute de volti varf-la-varf, banda suficienta si protectie la sarcini dificile.

Castigul: cat de mult creste semnalul

Castigul in tensiune se calculeaza prin relatia:

A_v = V_out / V_in

unde:

• A_v este castigul liniar;

• V_out este tensiunea de iesire;

• V_in este tensiunea de intrare.

Daca intrarea este de 1 Vpp, iar iesirea este de 10 Vpp, castigul este:

A_v = 10 Vpp / 1 Vpp
A_v = 10

Castigul de tensiune exprimat in dB este:

G_dB = 20 × log10(V_out / V_in)

Pentru un raport de tensiune egal cu 10:

G_dB = 20 dB

Pentru putere, relatia este diferita:

G_dB = 10 × log10(P_out / P_in)

Cele doua formule nu trebuie amestecate. Relatia cu 20 × log10 este utilizata pentru raporturi de tensiune sau curent atunci cand impedantele relevante sunt aceleasi. In sistemele RF, castigul este exprimat frecvent ca diferenta dintre puterea de iesire si puterea de intrare.

Castigul nominal nu este castigul disponibil in orice conditii

Un amplificator poate avea castig nominal ×10, dar iesirea nu poate creste nelimitat.

Daca intrarea este marita pana la 10 Vpp, rezultatul teoretic ar fi:

V_out = 10 × 10 Vpp
V_out = 100 Vpp

Aceasta valoare va fi obtinuta numai daca amplificatorul poate furniza:

• tensiunea ceruta;

• curentul cerut de sarcina;

• viteza de variatie a tensiunii;

• puterea termica;

• amplitudinea la frecventa respectiva.

Daca una dintre limite este depasita, apar clipping-ul, compresia, reducerea benzii sau intrarea protectiei.

Castigul trebuie verificat in sarcina reala

Un semnal de 20 Vpp masurat in gol nu garanteaza 20 Vpp pe o sarcina de 50 Ω.

Pentru un semnal sinusoidal de 10 Vpp:

V_pk = 5 V

V_rms = V_pk / √2
V_rms ≈ 3,54 V

Puterea disipata intr-o sarcina de 50 Ω este:

P = V_rms² / R

P = 3,54² / 50
P ≈ 0,25 W

Curentul de varf este:

I_pk = V_pk / R

I_pk = 5 / 50
I_pk = 0,10 A

Amplificatorul trebuie sa furnizeze simultan 10 Vpp si un curent de varf de 100 mA. Un model care poate genera tensiunea in gol, dar este limitat la 20 mA, nu poate mentine aceeasi amplitudine pe 50 Ω.

De ce impedanta de 50 Ω produce frecvent confuzii

Generatoarele si amplificatoarele de banda larga sunt deseori proiectate pentru sisteme de 50 Ω. Amplitudinea afisata de generator poate fi valoarea disponibila intr-o terminatie de 50 Ω, nu tensiunea masurata pe o intrare cu impedanta ridicata.

Un generator cu impedanta interna de 50 Ω formeaza un divizor cu sarcina de 50 Ω. Daca sarcina este eliminata si iesirea este conectata la un osciloscop setat pe 1 MΩ, tensiunea masurata poate fi aproximativ dubla fata de valoarea programata pentru o sarcina de 50 Ω.

De aici apar situatii precum:

• generator setat la 1 Vpp, dar osciloscopul indica aproape 2 Vpp;

• amplificator supracomandat deoarece semnalul real de intrare este mai mare;

• castig aparent incorect;

• clipping la o amplitudine mai mica decat cea anticipata;

• diferente intre masurarea cu terminatie interna si una externa.

Pentru fiecare test se documenteaza:

• impedanta sursei;

• impedanta de intrare a amplificatorului;

• impedanta de iesire;

• impedanta sarcinii;

• pozitia terminatiei de 50 Ω;

• amplitudinea definita de producator.

Banda de frecventa: mai mult decat o valoare maxima

Banda indica intervalul de frecventa in care amplificatorul respecta anumite conditii de castig si amplitudine.

Limita superioara este exprimata frecvent la punctul de -3 dB. La aceasta frecventa, castigul in tensiune scade la aproximativ 70,7% din valoarea sa din zona plana.

Daca un amplificator furnizeaza 10 Vpp in zona sa nominala, la limita de -3 dB poate furniza aproximativ:

10 Vpp × 0,707 = 7,07 Vpp

Prin urmare, un amplificator cu banda de 100 MHz nu mentine neaparat amplitudinea nominala pana la 100 MHz. Frecventa marcata drept limita de banda este deja un punct cu atenuare.

Platitudinea castigului conteaza in interiorul benzii

Doua amplificatoare cu aceeasi limita de -3 dB pot reproduce diferit un semnal complex.

Gain flatness descrie variatia castigului in interiorul domeniului util. Daca unele componente de frecventa sunt amplificate mai mult decat altele, forma de unda este deformata.

Aceasta problema apare la:

• impulsuri;

• semnale dreptunghiulare;

• chirp-uri;

• semnale arbitrare;

• modulatii cu banda larga;

• teste multi-tone;

• semnale radar;

• impulsuri ultrasonice.

Keysight arata ca variatiile castigului in banda pot distorsiona semnalul deoarece componentele sale spectrale nu sunt amplificate egal. Pentru o caracterizare corecta, castigul se masoara pe o plaja de frecvente si la un nivel suficient de mic pentru a evita compresia.

Banda semnalului nu este egala cu frecventa sa fundamentala

Un semnal dreptunghiular de 1 MHz nu contine doar o componenta de 1 MHz. Fronturile sunt formate din armonici impare, iar reproducerea lor necesita o banda mai mare.

Relatia aproximativa dintre timpul de crestere si banda unui sistem cu raspuns apropiat de un singur pol este:

t_r ≈ 0,35 / BW

Un amplificator cu banda de 10 MHz are un timp de crestere teoretic de aproximativ:

t_r = 0,35 / 10.000.000
t_r = 35 ns

Daca aplicatia necesita fronturi de 5 ns, un amplificator de 10 MHz va rotunji sever semnalul, chiar daca frecventa de repetitie este mult mai mica. Relatia dintre banda si timpul de crestere este utilizata pentru evaluarea raspunsului sistemelor de masurare si amplificare, cu factorul exact dependent de forma raspunsului in frecventa.

Banda pentru semnal mic si banda la putere maxima

Specificatia de banda pentru semnal mic este obtinuta cu o amplitudine suficient de redusa incat amplificatorul sa functioneze liniar si sa nu fie limitat de viteza de variatie.

Banda la putere maxima, denumita full-power bandwidth, este determinata cu un semnal de amplitudine mare si include efectul limitarii produse de slew rate. Cele doua valori pot fi foarte diferite.

Un amplificator poate avea:

• banda de semnal mic de 20 MHz;

• banda la amplitudine maxima de numai 500 kHz;

• amplitudine intermediara disponibila la cateva MHz.

Pentru aplicatii de inalta tensiune, full-power bandwidth este adesea mai relevanta decat banda de semnal mic.

Slew rate: limita ascunsa a semnalelor mari

Slew rate-ul arata viteza maxima cu care tensiunea de iesire poate varia si se exprima de regula in V/µs.

Pentru un semnal sinusoidal:

SR_necesar = 2 × π × f × V_pk

Frecventa maxima teoretica pentru o amplitudine data este:

f_max = SR / (2 × π × V_pk)

Sa presupunem ca amplificatorul are:

• slew rate: 200 V/µs;

• iesire necesara: 100 Vpp;

• V_pk: 50 V.

Rezulta:

f_max = 200 V/µs / (2 × π × 50 V)

f_max ≈ 0,637 MHz

Chiar daca banda de semnal mic este mai mare, amplificatorul nu poate reproduce sinusoidal 100 Vpp mult peste aproximativ 637 kHz fara limitare de slew rate.

Full-power bandwidth este direct legata de slew rate si de amplitudinea de varf a semnalului.

Cum arata limitarea de slew rate

Pe osciloscop, sinusul incepe sa semene cu un semnal triunghiular. Panta devine aproape constanta deoarece iesirea nu mai poate urmari variatia solicitata.

La impulsuri pot aparea:

• fronturi mai lente;

• amplitudine redusa;

• intarziere;

• latime modificata;

• cresterea timpului de stabilizare.

Reducerea frecventei poate elimina simptomul, dar nu rezolva selectia gresita daca aplicatia necesita frecventa initiala.

Zgomotul: semnalul amplificat impreuna cu informatia utila

Orice amplificator adauga zgomot propriu. La semnale mari, contributia poate fi neglijabila. La senzori, receptoare si preamplificatoare, zgomotul poate decide daca semnalul este detectabil.

Parametrii uzuali includ:

• densitatea zgomotului de tensiune, in nV/√Hz;

• densitatea zgomotului de curent, in pA/√Hz;

• zgomot RMS integrat intr-o banda;

• noise figure, in dB;

• zgomot 1/f la frecvente joase;

• raport semnal-zgomot;

• zgomot referit la intrare sau la iesire.

Pentru zgomot alb cu densitatea aproximativ constanta e_n, estimarea simplificata este:

V_n,rms ≈ e_n × √B

unde:

• V_n,rms este zgomotul RMS;

• e_n este densitatea zgomotului de tensiune;

• B este banda de zgomot, in Hz.

Daca:

e_n = 5 nV/√Hz
B = 1 MHz

atunci:

V_n,rms ≈ 5 nV/√Hz × √1.000.000 Hz
V_n,rms ≈ 5 µV

Daca banda este marita de la 1 MHz la 100 MHz, zgomotul ideal creste de zece ori, deoarece radicalul benzii creste de zece ori.

Contributia totala depinde si de rezistenta sursei, temperatura, castig si zgomotul de curent. Analog Devices subliniaza ca banda trebuie inclusa in calculul zgomotului si ca performanta variaza cu castigul si impedanta sursei.

Mai multa banda poate insemna o masurare mai zgomotoasa

Un amplificator cu banda de 1 GHz nu este automat superior pentru un semnal util limitat la 100 kHz.

Banda suplimentara poate amplifica:

• zgomot termic;

• interferente RF;

• armonici ale surselor in comutatie;

• semnale radio;

• zgomotul instrumentului de masurare;

• oscilatii parazite.

Cand aplicatia permite, un filtru dupa amplificator sau un model cu banda adaptata poate imbunatati raportul semnal-zgomot.

Nu se limiteaza banda fara analiza. Filtrul poate elimina tranzienti sau componente reale ale semnalului.

Noise figure in lanturile RF

Pentru amplificatoarele RF, noise figure arata degradarea raportului semnal-zgomot introdusa de dispozitiv.

Factorul de zgomot este:

F = SNR_in / SNR_out

Noise figure este:

NF = 10 × log10(F)

Un amplificator ideal ar avea NF = 0 dB. Orice dispozitiv real are o valoare mai mare.

Pozitia amplificatorului in lant conteaza. Un LNA amplasat aproape de inceputul receptorului poate reduce influenta zgomotului etajelor urmatoare, daca are castig suficient si noise figure redus. Atenuatoarele sau pierderile plasate inaintea LNA-ului degradeaza direct sensibilitatea sistemului.

Pentru un amplificator de putere utilizat la iesirea unui generator, noise figure poate fi mai putin critic decat:

• P1dB;

• puterea saturata;

• armonicile;

• IP3;

• gain flatness;

• VSWR;

• stabilitatea.

Compresia: cand castigul nominal nu mai este valabil

La nivel mic, un amplificator functioneaza aproximativ liniar:

P_out = P_in + G

unde marimile sunt exprimate in dBm si dB.

Daca amplificatorul are castig de 20 dB:

• pentru -20 dBm la intrare, iesirea ideala este 0 dBm;

• pentru 0 dBm la intrare, iesirea ideala este 20 dBm;

• pentru +10 dBm la intrare, iesirea ideala ar fi 30 dBm.

La un moment dat, iesirea nu mai poate creste proportional. Castigul incepe sa scada, iar semnalul intra in compresie.

P1dB este puterea de iesire sau intrare la care castigul a scazut cu 1 dB fata de castigul de semnal mic. Acest parametru descrie limita superioara a functionarii aproximativ liniare.

De ce nu se lucreaza permanent la P1dB

La P1dB, amplificatorul este deja neliniar. Pot creste:

• distorsiunile armonice;

• produsele de intermodulatie;

• eroarea de amplitudine;

• temperatura;

• variatia castigului;

• deformarea varfurilor semnalului.

Pentru masurari de precizie se pastreaza o marja fata de compresie. Valoarea exacta depinde de cerinta de liniaritate, de raportul peak-to-average si de tipul semnalului.

Un semnal OFDM sau multi-tone poate avea varfuri instantanee mult peste puterea medie. Amplificatorul poate intra in compresie pe varfuri chiar daca puterea medie pare confortabil sub P1dB.

IP3 si distorsiunile de intermodulatie

Cand doua tonuri apropiate, f_1 si f_2, sunt amplificate de un dispozitiv neliniar, apar produse precum:

2f_1 – f_2
2f_2 – f_1

Aceste componente sunt periculoase deoarece se afla aproape de semnalele originale si nu pot fi eliminate usor prin filtrare.

Third-order intercept point, IP3, este o marime extrapolata folosita pentru evaluarea liniaritatii. Amplificatorul intra in compresie inainte de a ajunge fizic la punctul IP3, dar o valoare IP3 ridicata indica, in general, o capacitate mai buna de a gestiona mai multe semnale fara intermodulatie excesiva.

IP3 este relevant pentru:

• receptoare RF;

• teste multi-tone;

• comunicatii;

• radar;

• simularea mediului electromagnetic;

• amplificarea semnalelor modulate;

• sisteme cu mai multe purtatoare.

Pentru un semnal sinusoidal unic, THD si armonicile pot fi mai intuitive. Pentru mai multe tonuri, intermodulatia devine esentiala.

Sarcina capacitiva: cazul care suprasolicita amplificatorul fara putere activa mare

Actuatoarele piezoelectrice, cablurile lungi si unele dispozitive MEMS se comporta predominant capacitiv.

Curentul instantaneu necesar este:

i = C × dV/dt

Pentru:

C = 1 nF
dV/dt = 100 V/µs

rezulta:

i = 1 nF × 100 V/µs
i = 0,1 A

Amplificatorul trebuie sa furnizeze 100 mA, chiar daca sarcina nu disipa putere activa precum un rezistor.

Pentru un semnal sinusoidal:

I_pk = 2 × π × f × C × V_pk

Daca:

f = 100 kHz
C = 10 nF
V_pk = 50 V

rezulta:

I_pk ≈ 3,14 A

Un amplificator de 100 Vpp care furnizeaza maximum 100 mA nu poate comanda aceasta sarcina la 100 kHz. Tensiunea maxima din fisa tehnica este irelevanta daca limita de curent este depasita.

Sarcina capacitiva poate provoca instabilitate

Pe langa curent, capacitatea modifica faza buclei de reactie. Amplificatorul poate prezenta:

• overshoot;

• ringing;

• oscilatii continue;

• incalzire;

• declansarea protectiei;

• raspuns diferit in functie de lungimea cablului.

Solutiile posibile includ:

• rezistor serie la iesire;

• retea de amortizare;

• cablu mai scurt;

• reducerea benzii;

• amplificator certificat pentru sarcini capacitive;

• limitarea amplitudinii sau frecventei.

Rezistorul serie reduce curentul si imbunatateste stabilitatea, dar modifica tensiunea pe sarcina. Valoarea trebuie stabilita prin calcul si test, nu adaugata arbitrar.

Sarcina inductiva si energia returnata

Bobinele, solenoizii si transformatoarele pot returna energie catre iesirea amplificatorului.

La intreruperea curentului, inductanta produce o tensiune:

V = L × di/dt

Pot aparea:

• supratensiuni;

• saturarea amplificatorului;

• intrarea protectiei;

• curenti inversi;

• degradarea etajului de iesire;

• oscilatii cu capacitatile parazite.

Nu orice amplificator de semnal este proiectat sa absoarba energie regenerativa. Pentru sarcini inductive trebuie verificata explicit compatibilitatea si, unde este cazul, trebuie utilizate circuite de protectie.

Amplificatoarele de inalta tensiune si cele RF nu sunt interschimbabile

Un model de inalta tensiune poate furniza sute de volti la frecvente de ordinul sutelor de kHz, dar nu este destinat semnalelor de mai multi GHz.

Un model RF poate lucra pana la zeci de GHz si poate furniza putere in 50 Ω, dar poate:

• sa nu transmita componenta DC;

• sa aiba limita inferioara de ordinul kHz sau MHz;

• sa furnizeze numai cativa volti varf-la-varf;

• sa nu accepte sarcini capacitive mari;

• sa necesite conectica RF si terminatii controlate.

Tabor A10200, de exemplu, este un amplificator RF de banda larga, cu domeniu declarat de la 100 kHz la 20 GHz si putere tipica la P1dB de +28 dBm. In schimb, seria Tabor 9100A/9200A/9400 urmareste iesiri de pana la 400 Vpp si banda la putere maxima de peste 500 kHz, pentru aplicatii de inalta tensiune.

Cum alegi amplificatorul dupa aplicatie

Pentru cresterea iesirii unui generator de functii

Verifica:

• castigul;

• amplitudinea maxima;

• banda la amplitudinea necesara;

• impedanta de intrare;

• impedanta sarcinii;

• curentul de iesire;

• DC offset-ul permis;

• distorsiunea;

• protectia la scurtcircuit.

Un generator de 20 MHz conectat la un amplificator cu banda la putere maxima de 500 kHz nu poate produce un semnal de amplitudine mare la 20 MHz.

Pentru traductoare piezoelectrice

Prioritatile sunt:

• tensiunea de iesire;

• curentul reactiv;

• sarcina capacitiva maxima;

• stabilitatea;

• slew rate-ul;

• protectia termica;

• modul unipolar sau bipolar;

• posibilitatea de monitorizare a iesirii.

Nu se selecteaza modelul numai dupa capacitanta statica a traductorului. Capacitanta cablului si a fixture-ului trebuie adaugata.

Pentru teste ECU si simularea semnalelor auto

Sunt relevante:

• iesirea bipolara;

• tensiunea maxima;

• curentul;

• banda;

• slew rate-ul;

• protectia la sarcina;

• izolarea si masa semnalului;

• numarul de canale;

• sincronizarea canalelor;

• monitorizarea iesirii.

Amplificatoarele Tabor de inalta tensiune sunt prezentate de producator inclusiv pentru teste de susceptibilitate ECU si simularea sistemelor de putere multifazate.

Pentru RF si microunde

Se verifica:

• domeniul de frecventa;

• castigul si gain flatness;

• P1dB;

• Psat;

• noise figure;

• IP3;

• return loss;

• VSWR;

• conectorii;

• puterea maxima admisa la intrare;

• protectia la polaritate si alimentare;

• comportamentul la semnale modulate.

Un amplificator semnal inalta frecventa trebuie integrat intr-un lant de 50 Ω cu cabluri si terminatii adecvate. La frecvente de ordinul GHz, un adaptor sau un cablu nepotrivit poate introduce pierderi si reflexii comparabile cu variatia de castig pe care specialistul incearca sa o masoare.

Pentru preamplificarea semnalelor slabe

Prioritatile devin:

• noise figure;

• zgomot referit la intrare;

• castig suficient pentru a depasi zgomotul etajului urmator;

• impedanta sursei;

• banda minima necesara;

• stabilitatea;

• protectia intrarii;

• gama dinamica.

Un castig foarte mare nu este automat avantajos. Semnalele puternice nedorite pot satura preamplificatorul si pot genera intermodulatie, chiar daca semnalul util este slab.

Testarea amplificatorului inainte de utilizare

O verificare tehnica poate fi structurata in mai multe etape.

1. Verificarea castigului la semnal mic

Se aplica un sinus cu amplitudine suficient de mica pentru a evita compresia.

Se masoara:

• V_in;

• V_out;

• castigul;

• diferenta de faza;

• offsetul.

Testul se repeta la mai multe frecvente.

2. Masurarea benzii si a gain flatness-ului

Frecventa este baleiata pe domeniul aplicatiei. Nivelul de intrare ramane constant, iar iesirea este inregistrata.

Se urmareste:

• zona plana;

• variatia maxima a castigului;

• punctul de -3 dB;

• rezonantele;

• cresterea castigului inaintea limitei;

• diferentele intre canale.

Un varf de castig in apropierea limitei poate indica un raspuns subamortizat si poate produce overshoot la impulsuri.

3. Testarea la amplitudinea reala

Testul de semnal mic nu verifica slew rate-ul sau limita de curent.

Se aplica:

• frecventa reala;

• amplitudinea reala;

• sarcina reala sau una echivalenta;

• factorul de umplere real.

Se inspecteaza:

• clipping-ul;

• deformarea;

• scaderea amplitudinii;

• temperatura;

• protectia;

• stabilitatea.

4. Verificarea compresiei

Puterea de intrare este crescuta gradual. Se compara castigul la fiecare nivel.

Pentru masurari RF, P1dB poate fi determinat cu un generator si un analizor de spectru, power meter sau analizor de retea, cu atentie la puterea si linearitatea intregului montaj. Keysight descrie testarea castigului si a compresiei prin varierea puterii sursei pe frecventele de interes.

5. Masurarea zgomotului

Intrarea se termina cu impedanta corecta. Iesirea se masoara cu banda cunoscuta.

Se noteaza:

• banda instrumentului;

• RBW, daca este folosit un analizor de spectru;

• castigul;

• impedanta;

• temperatura;

• filtrarea;

• valoarea RMS sau densitatea spectrala.

O valoare de zgomot fara banda asociata are utilitate redusa.

6. Testarea raspunsului la impuls

Se aplica un impuls sau un semnal dreptunghiular cu front suficient de rapid.

Se urmaresc:

• timpul de crestere;

• timpul de cadere;

• overshoot-ul;

• undershoot-ul;

• ringing-ul;

• timpul de stabilizare;

• dependenta de sarcina.

7. Testarea termica

Amplificatorul se lasa sa functioneze la sarcina si factorul de umplere preconizate.

Unele probleme apar numai dupa incalzire:

• reducerea castigului;

• limitarea curentului;

• drift;

• cresterea distorsiunii;

• declansarea protectiei;

• instabilitate.

Greseli frecvente si modul de evitare

Se compara numai castigul si tensiunea maxima

Problema: amplificatorul nu poate furniza curentul sau slew rate-ul necesar.

Corectie: se calculeaza V_pk, I_pk, puterea si dV/dt pentru sarcina reala.

Se foloseste banda de semnal mic pentru o iesire de amplitudine maxima

Problema: semnalul este limitat de slew rate.

Corectie: se verifica full-power bandwidth sau se calculeaza limita din SR si V_pk.

Se ignora terminatia de 50 Ω

Problema: amplitudinea reala de intrare este diferita de cea asteptata.

Corectie: se traseaza intregul lant de impedante si se masoara amplitudinea direct la intrarea amplificatorului.

Se lucreaza aproape de clipping

Problema: varfurile semnalului si distorsiunile cresc, chiar daca forma de unda pare inca acceptabila.

Corectie: se pastreaza headroom pentru varfuri, tolerante si variatii termice.

Se conecteaza direct o sarcina capacitiva mare

Problema: apar oscilatii, limitare de curent sau supraincalzire.

Corectie: se calculeaza curentul capacitiv si se verifica stabilitatea declarata de producator.

Se foloseste un amplificator RF pentru semnale cu componenta DC

Problema: componenta continua si frecventele joase sunt blocate sau atenuate.

Corectie: se verifica limita inferioara a benzii si tipul de cuplaj.

Se presupune ca un model de inalta tensiune este si o sursa de putere

Problema: amplificatorul poate furniza tensiune mare, dar curent limitat.

Corectie: se verifica aria sigura de functionare, sarcina minima si puterea termica.

Se masoara iesirea fara o sarcina reprezentativa

Problema: amplitudinea si stabilitatea se modifica dupa conectarea dispozitivului real.

Corectie: se foloseste o sarcina echivalenta rezistiva, capacitiva sau complexa.

Se ignora cablurile

Problema: capacitatea, inductanta si pierderile cablului modifica semnalul.

Corectie: cablul este inclus in modelul sarcinii si in testul final.

Situatii speciale pe care fisele simplificate le omit

Semnale cu factor de creasta ridicat

Un semnal poate avea putere medie mica, dar varfuri mari. Sunt exemple:

• OFDM;

• impulsuri rare;

• semnale multi-tone;

• forme de unda arbitrare;

• burst-uri.

Selectia dupa puterea medie poate conduce la compresia varfurilor.

Functionare continua fata de burst

Un amplificator poate suporta o amplitudine mare pentru impulsuri scurte, dar nu in regim continuu.

Trebuie verificati:

• factorul de umplere;

• durata impulsului;

• rata de repetitie;

• temperatura;

• ventilatia;

• derating-ul.

Mai multe canale active

La modelele multicanal, toate canalele pot imparti:

• sursa de alimentare;

• racirea;

• spatiul termic;

• carcasa;

• limitele de putere.

Se verifica daca performanta maxima este disponibila simultan pe toate canalele.

Semnal diferential obtinut din doua canale

Doua iesiri opuse pot dubla tensiunea diferentiala pe sarcina, dar necesita:

• castiguri apropiate;

• faza corecta;

• sincronizare;

• sarcina flotanta compatibila;

• evitarea conectarii nepermise a maselor.

Eroarea de amplitudine sau faza produce componenta de mod comun si reduce puritatea semnalului diferential.

Protectia poate modifica forma de unda

Limitarea de curent, protectia termica si circuitele de iesire nu actioneaza intotdeauna ca o oprire completa. Pot aparea:

• reducerea temporara a amplitudinii;

• clipping asimetric;

• recuperare lenta;

• burst-uri de oscilatie;

• distorsiuni dependente de sarcina.

Aceste simptome pot fi confundate cu defecte ale dispozitivului testat.

Checklist pentru selectarea unui amplificator de semnal

Inainte de solicitarea unei oferte, se definesc:

• tipul semnalului;

• componenta DC;

• frecventa minima;

• frecventa maxima;

• amplitudinea de intrare;

• amplitudinea de iesire;

• castigul necesar;

• impedanta sursei;

• impedanta sarcinii;

• tipul sarcinii;

• curentul de varf;

• puterea continua;

• slew rate-ul necesar;

• full-power bandwidth;

• factorul de umplere;

• durata impulsurilor;

• nivelul maxim de zgomot;

• distorsiunea admisa;

• P1dB si IP3, pentru RF;

• numarul de canale;

• iesire single-ended sau diferentiala;

• cerintele de monitorizare;

• conectorii;

• racirea;

• integrarea in rack;

• protectiile;

• posibilitatea de automatizare.

Oferta de amplificatoare de semnal trebuie comparata folosind aceste date, nu doar castigul si frecventa maxima din titlul produsului.

Amplificatoare pentru laborator, RF si inalta tensiune

Portofoliul Tabor ilustreaza diferentele dintre principalele categorii.

Modelul 9260 este un amplificator de banda larga, cu doua canale sau configuratie diferentiala, 45 MHz, iesire de 34 Vpp in 50 Ω si putere de pana la 10 W. Este destinat extinderii nivelului furnizat de un generator in aplicatii care solicita simultan frecventa si curent.

Modelele de inalta tensiune pot furniza pana la 400 Vpp, cu unul, doua sau patru canale si banda la putere maxima de peste 500 kHz, in functie de configuratie. Aceste valori raspund unor aplicatii diferite fata de un amplificator RF de 20 GHz.

Articolul Amplificatoare de semnal Tabor prezinta familiile de produse si diferentele dintre amplificarea de inalta tensiune, de banda larga si RF.

Prin ARC Brasov – distribuitor de aparate de masura si control al multor marci consacrate pot fi analizate lantul de semnal, generatorul existent, sarcina si accesoriile necesare. Alegerea unui amplificator de semnal trebuie facuta dupa amplitudinea disponibila la frecventa si sarcina aplicatiei, nu dupa o singura valoare maxima din fisa tehnica iar specialistii ARC Brasov sunt pregatiti sa va ajute sa faceti alegerea potrivita.

Intrebari frecvente

Un castig mai mare este intotdeauna mai bun?

Nu. Castigul excesiv poate satura etajul urmator, amplifica zgomotul si reduce headroom-ul. Se alege castigul necesar pentru nivelul tinta, cu marja rezonabila.

Ce inseamna banda de -3 dB?

Este intervalul pana la frecventa la care castigul a scazut cu 3 dB. Amplitudinea tensiunii este atunci aproximativ 70,7% din valoarea din zona plana.

De ce amplificatorul nu mai atinge tensiunea maxima la frecventa ridicata?

Poate fi limitat de slew rate, curent, putere, sarcina sau full-power bandwidth. Tensiunea maxima este adesea specificata la frecvente joase.

Care este diferenta dintre banda si full-power bandwidth?

Banda obisnuita este masurata cu semnal mic. Full-power bandwidth arata pana la ce frecventa poate fi mentinuta o amplitudine mare fara limitare semnificativa de slew rate.

Cum verific daca amplificatorul poate comanda o sarcina de 50 Ω?

Se calculeaza curentul si puterea din amplitudinea necesara. Se verifica apoi iesirea declarata explicit pentru 50 Ω.

Ce inseamna P1dB?

Este punctul la care castigul a scazut cu 1 dB fata de castigul liniar de semnal mic. Amplificatorul este deja in compresie la acest nivel.

Noise figure este acelasi lucru cu zgomotul de iesire?

Nu. Noise figure exprima degradarea raportului semnal-zgomot. Zgomotul de iesire depinde si de castig, banda, temperatura si terminatii.

Pot conecta un piezo direct la orice amplificator de inalta tensiune?

Nu. Trebuie verificata capacitanta totala, curentul reactiv, stabilitatea si limita termica. Tensiunea maxima nu este suficienta.

Un amplificator de 20 GHz poate amplifica un semnal DC?

Nu automat. Modelul trebuie sa fie DC-coupled sau sa aiba limita inferioara suficient de joasa. Un amplificator RF poate bloca semnalele sub frecventa sa minima.

De ce semnalul oscileaza dupa conectarea cablului?

Cablul adauga capacitate, inductanta si intarziere. Amplificatorul poate deveni instabil sau poate interactiona cu terminatia. Se verifica sarcina, lungimea cablului si recomandarile producatorului.

Pot folosi doua iesiri pentru a obtine tensiune diferentiala dubla?

Numai daca modelul permite configuratia, sarcina este compatibila si canalele sunt sincronizate si defazate corect. Masele nu trebuie conectate intr-un mod care scurtcircuiteaza iesirile.

Cum disting clipping-ul de limitarea de slew rate?

Clipping-ul aplatizeaza varfurile la o anumita tensiune. Limitarea de slew rate transforma portiunile rapide in pante aproape liniare si poate face sinusul sa semene cu un triunghi.

Selectia unui amplificator incepe cu sarcina si forma de unda, nu cu castigul.

Pentru fiecare aplicatie trebuie confirmate:

• tensiunea de iesire in sarcina;

• curentul de varf;

• puterea disipata;

• banda utila;

• full-power bandwidth;

• slew rate-ul;

• zgomotul;

• liniaritatea;

• stabilitatea;

• regimul termic.

Castigul arata raportul ideal dintre iesire si intrare. Banda arata cat de repede poate raspunde sistemul in regim de semnal mic. Zgomotul stabileste limita inferioara a semnalelor utile. Compresia, curentul si slew rate-ul stabilesc limita superioara.

Un amplificator bine ales pastreaza forma de unda, amplitudinea si sincronizarea in sarcina reala. Un model ales numai dupa tensiunea maxima poate produce un semnal corect in gol si complet nepotrivit dupa conectarea dispozitivului testat.