증폭기(Amplifier) Class 싹싹김치

 

클래스 AB 증폭기

클래스 AB 증폭기 출력단은 클래스 A 증폭기와 클래스 B 증폭기의 장점을 결합하여 더 나은 증폭기 설계를 제공합니다.

클래스 B 증폭기 와 클래스 AB 증폭기 모두 왜곡이 있거나 없이 출력에서 ​​전체 360 ° 입력 파형 을 재구성하는 방식으로 구성된 두 개의 전력 트랜지스터(또는 FET)로 구성된 푸시풀 출력단을 가지고 있습니다 .

모든 증폭기의 목적은 입력 신호의 특성을 따르지만 연결된 부하의 요구 사항을 충족할 만큼 충분히 큰 출력을 생성하는 것입니다. 우리는 증폭기의 전력 출력이 부하에 적용된 전압과 전류(P = V*I)의 곱인 반면, 전력 입력은 전원 공급 장치에서 가져온 DC 전압과 전류의 곱임을 확인했습니다.

출력 트랜지스터가 항상 100% 전도되는 클래스 A 증폭기의 증폭은 높을 수 있지만 DC 전원 공급 장치에서 AC 전원 출력으로의 변환 효율은 일반적으로 50% 미만으로 상당히 낮습니다.

그러나 클래스 B 모드에서 작동하도록 클래스 A 증폭기 회로를 수정하면(각 트랜지스터가 시간의 50% 동안만 전도되는 경우) 컬렉터 전류는 사이클의 180o 동안만 각 트랜지스터에 흐릅니다. 여기서의 장점은 DC-AC 변환 효율이 약 75%로 훨씬 높다는 것입니다. 그러나 클래스 B 구성에서는 허용할 수 없는 출력 신호의 크로스오버 왜곡이 발생합니다.

 

클래스 A 구성의 낮은 왜곡과 함께 클래스 B 구성의 고효율 출력을 갖춘 증폭기를 생성하는 한 가지 방법은 이전 두 클래스를 결합하여 새로운 유형의 증폭기 회로를 생성하는 증폭기 회로를 만드는 것입니다. 클래스 AB 증폭기 .

실제로 별도의 앰프 클래스는 아니지만 클래스 AB 앰프에는 클래스 A 앰프와 클래스 B 앰프의 장점을 결합하는 동시에 두 앰프와 관련된 저효율 및 왜곡 문제를 최소화하는 출력단이 있습니다.

위에서 말했듯이 클래스 AB 증폭기는 클래스 A와 클래스 B의 조합입니다. 작은 전력 출력의 경우 두 출력 장치가 모두 작동하고 증폭기는 클래스 A 증폭기로 작동합니다. 증폭기가 클래스 B로 바이어스되고 큰 전류 출력에 대해 바이어스가 더 증가되면 클래스 AB 모드로 들어갑니다. 즉, 클래스 AB 구성은 다른 두 클래스의 특성을 공유하며 증폭기 출력단의 두 트랜지스터를 사전 바이어스하여 달성됩니다.

각 출력 트랜지스터는 부하 전류 출력의 양과 증폭기 출력단이 클래스 AB 증폭기로 작동할 수 있도록 하는 사전 바이어스 배열에 따라 180o에서 360o 사이의 시간을 전도 합니다 .

먼저 다양한 증폭기 작동 클래스에 대한 출력 신호를 비교해 보겠습니다.

다양한 증폭기 클래스 비교

그러면 증폭기 클래스는 항상 다음과 같이 정의됩니다.

• 클래스 A:  – 증폭기 단일 출력 트랜지스터는 입력 파형 주기의 전체 360 ° 에 대해 전도됩니다.
• 클래스 B: – 증폭기 2개의 출력 트랜지스터는 입력 파형의  1/2, 즉 180o에 대해서만 전도됩니다 .
• 클래스 AB:  – 증폭기의 두 출력 트랜지스터는 입력 파형의 180o ~360o 사이 에서 전도됩니다.

클래스 A 증폭기 작동

 

클래스 A 증폭기 작동의 경우 스위칭 트랜지스터 Q-포인트는 트랜지스터의 출력 특성 부하 라인 중심 근처와 선형 영역 내에 위치합니다. 이를 통해 트랜지스터는 전체 360 도 동안 전도할 수 있으므로 출력 신호는 입력 신호의 전체 주기에 걸쳐 달라집니다.

클래스 A의 가장 큰 장점은 출력 신호가 항상 입력 신호를 정확하게 재현하여 왜곡을 줄인다는 것입니다. 그러나 로드 라인 중앙의 트랜지스터를 바이어스하려면 증폭할 입력 신호가 없더라도 스위칭 트랜지스터를 통해 흐르는 적절한 DC 대기 전류가 항상 있어야 하기 때문에 효율성이 떨어집니다.

클래스 B 증폭기 작동

 

클래스 B 증폭기 작동의 경우 차단 지점에 있는 각 트랜지스터의 Q 지점(바이어싱 지점)과 함께 2개의 무료 스위칭 트랜지스터가 사용됩니다.

이를 통해 하나의 트랜지스터가 입력 파형의 절반에 걸쳐 신호를 증폭하고 다른 트랜지스터는 나머지 절반을 증폭할 수 있습니다. 증폭된 두 반쪽은 부하에서 함께 결합되어 하나의 전체 파형 사이클을 생성합니다. 이 NPN-PNP 상보 쌍은 푸시풀 구성이라고도 합니다.

컷오프 바이어싱으로 인해 입력 신호가 없을 때 정지 전류는 0이므로 트랜지스터가 정지 상태에 있을 때 전력이 낭비되거나 낭비되지 않으며 클래스 A에 비해 클래스 B 증폭기의 전체 효율이 증가합니다. .

 

그러나 클래스 B 증폭기는 입력 사이클의 절반 동안만 출력 전류가 각 트랜지스터를 통해 흐르도록 바이어스되므로 출력 신호가 왜곡되므로 출력 파형은 입력 파형의 정확한 복제가 아닙니다. 이 왜곡은 입력 신호의 모든 제로 크로싱에서 발생하며 두 트랜지스터가 서로 "ON"으로 전환될 때 일반적으로 크로스오버 왜곡이라고 불리는 현상을 생성합니다.

이 왜곡 문제는 트랜지스터의 바이어싱 지점을 컷오프 약간 위에 위치시킴으로써 쉽게 극복할 수 있습니다. 차단점보다 약간 높지만 클래스 A 증폭기의 중앙 Q점보다 훨씬 아래에 트랜지스터를 바이어스함으로써 클래스 AB 증폭기 회로를 만들 수 있습니다. 클래스 AB 증폭기의 기본 목적은 기본 클래스 B 구성을 유지하는 동시에 각 스위칭 트랜지스터를 임계값보다 약간 높게 바이어싱하여 선형성을 개선하는 것입니다.

바이어스 A 클래스 AB 증폭기

그럼 어떻게 해야 할까요? 클래스 AB 증폭기는 입력 신호가 없을 때에도 두 스위칭 트랜지스터를 약간의 전도로 바이어싱하여 표준 클래스 B 푸시풀 스테이지에서 만들 수 있습니다. 이러한 작은 바이어스 배열은 입력 사이클의 50% 이상, 100% 미만의 입력 파형의 매우 작은 부분 동안 두 트랜지스터가 동시에 작동하도록 보장합니다.

클래스 B 증폭기에서 크로스오버 왜곡 효과를 생성하는 0.6~0.7V(1개의 순방향 다이오드 전압 강하) 불감대는 적절한 바이어싱을 사용하면 크게 줄어듭니다. 트랜지스터 장치의 사전 바이어싱은 사전 설정된 전압 바이어스, 전압 분배기 네트워크 또는 직렬 연결된 다이오드 배열을 사용하여 다양한 방법으로 달성할 수 있습니다.

클래스 AB 증폭기 전압 바이어싱

여기서 트랜지스터의 바이어싱은 TR1 및 TR2 의 베이스에 인가되는 적절한 고정 바이어스 전압을 사용하여 달성됩니다 . 그런 다음 두 트랜지스터가 모두 전도되고 TR1을 통해 흐르는 작은 대기 콜렉터 전류가 TR2를 통해 부하 로 흐르는 작은 대기 콜렉터 전류와 결합되는 영역이 있습니다 .

입력 신호가 양으로 변하면 TR1 베이스의 전압이 증가하여 TR1 소싱 전류를 통해 부하 R L 로 흐르는 콜렉터 전류가 증가하는 비슷한 양의 양의 출력이 생성됩니다 . 그러나 두 베이스 사이의 전압은 고정되고 일정하기 때문에 TR1 전도가 증가하면 양의 반주기 동안 TR2 전도가 동일하고 반대 방향으로 감소합니다 .

결과적으로 트랜지스터 TR2는 결국 꺼지고 순방향 바이어스된 트랜지스터 TR1은 모든 전류 이득을 부하에 공급합니다. 마찬가지로 입력 전압의 음의 절반에 대해서는 반대 현상이 발생합니다. 즉, TR2는 부하 전류를 싱킹하는 반면 입력 신호가 음수로 커짐에 따라 TR1은 꺼집니다.

그런 다음 입력 전압 V IN 이 0일 때 두 트랜지스터 모두 전압 바이어스로 인해 약간 전도되지만 입력 전압이 더 양 또는 음이 되면서 두 트랜지스터 중 하나가 부하 소싱 또는 싱킹을 더 많이 수행한다는 것을 알 수 있습니다. 현재의.

두 트랜지스터 사이의 스위칭은 거의 즉각적이고 매끄러우므로 클래스 B 구성에 영향을 미치는 크로스오버 왜곡이 크게 감소됩니다. 그러나 잘못된 바이어싱은 두 트랜지스터가 전환될 때 급격한 교차 왜곡 스파이크를 유발할 수 있습니다.

고정 바이어스 전압을 사용하면 각 트랜지스터가 입력 사이클의 절반 이상 동안 전도할 수 있습니다(클래스 AB 작동). 그러나 증폭기 출력단 설계 내에 추가 배터리를 포함하는 것은 그다지 실용적이지 않습니다.

트랜지스터 차단 근처에 안정적인 Q 포인트를 설정하기 위해 두 개의 고정 바이어싱 전압을 생성하는 매우 간단하고 쉬운 방법 중 하나는 단일 전원에 저항성 전압 분배기 네트워크를 사용하는 것입니다.

증폭기 저항 바이어싱

전류가 저항기를 통과할 때 옴의 법칙에 정의된 대로 저항기 전체에 전압 강하가 발생합니다. 따라서 공급 전압에 걸쳐 두 개 이상의 저항기를 직렬로 배치함으로써 우리가 선택한 값으로 고정 전압 세트를 생성하는 전압 분배기 네트워크를 만들 수 있습니다.

기본 회로는 트랜지스터 TR1 과 TR2가 입력 파형의 반대 반주기 동안 전도된다는 점에서 위의 전압 바이어스 회로와 유사합니다. 즉, V IN in 이 양수 이면 TR1이 전도되고, V IN 이 음수 이면 TR2 가 전도된다.

4개의 저항 R1 ~ R4 는 필요한 저항 바이어싱을 제공하기 위해 공급 전압 Vcc 에 걸쳐 연결됩니다. 두 개의 저항기 R1 과 R4 는 저항성 네트워크의 전압 강하가 TR1 의 베이스를 약 0.6으로 가져오도록 VBE 의 올바른 값이 약 0.6V로 설정되어 컷오프보다 약간 높은 Q점을 설정하도록 선택됩니다. V, TR2 의 V는 약 –0.6V입니다.

그런 다음 바이어스 저항 R2 및 R3 의 총 전압 강하는 약 1.2V이며, 이는 각 트랜지스터를 완전히 켜는 데 필요한 값 바로 아래입니다. 컷오프 바로 위에서 트랜지스터를 바이어싱함으로써 대기 콜렉터 전류 I CQ 의 값은 0이 되어야 합니다.

또한 두 스위칭 트랜지스터가 전원 전체에 걸쳐 직렬로 효과적으로 연결되므로 각 트랜지스터 의 VCEQ 전압 강하는 대략 Vcc 의 절반이 됩니다 .

클래스 AB 증폭기의 저항 바이어싱은 이론적으로 작동하지만 트랜지스터 컬렉터 전류는 기본 바이어싱 전압 V BE 의 변화에 ​​매우 민감합니다 . 또한 두 개의 무료 트랜지스터의 차단 지점이 동일하지 않을 수 있으므로 전압 분배기 네트워크 내에서 올바른 저항기 조합을 찾는 것이 어려울 수 있습니다. 이를 극복하는 한 가지 방법은 조정 가능한 저항을 사용하여 그림과 같이 올바른 Q 포인트를 설정하는 것입니다.

조정 가능한 증폭기 바이어싱

조정 가능한 저항기 또는 전위차계를 사용하여 두 트랜지스터를 전도 직전으로 바이어스할 수 있습니다. 그런 다음 트랜지스터 TR1 및 TR2 는 R B1 -VR1-R B2를 통해 바이어스되어 출력이 균형을 이루고 대기 전류가 부하로 흐르지 않도록 합니다.

커패시터 C1 및 C2 를 통해 적용되는 입력 신호는 바이어스 전압에 중첩되고 두 트랜지스터의 베이스에 적용됩니다. 각 베이스에 적용되는 두 신호는 모두 V IN 에서 발생한 것과 동일한 주파수와 진폭을 가집니다 .

이 조정 가능한 바이어싱 배열의 장점은 기본 증폭기 회로에서 전위차계를 조정하여 보상할 수 있으므로 전기적 특성이 밀접하게 일치하는 보완 트랜지스터를 사용하지 않아도 되고 전압 분배기 네트워크 내에서 정확한 저항 비율을 사용할 필요가 없다는 점입니다.

저항기는 정격 전력으로 인해 전력을 열로 변환하는 수동 장치이므로 고정식이든 조정식이든 클래스 AB 증폭기의 저항성 바이어싱은 온도 변화에 매우 민감할 수 있습니다. 바이어싱 저항기(또는 트랜지스터)의 작동 온도가 조금이라도 변경되면 해당 값에 영향을 미쳐 각 트랜지스터의 대기 콜렉터 전류에 바람직하지 않은 변화가 발생할 수 있습니다. 이 온도 관련 문제를 극복하는 한 가지 방법은 저항기를 다이오드로 교체하여 다이오드 바이어싱을 사용하는 것입니다.

증폭기 다이오드 바이어싱

바이어싱 저항기를 사용해도 온도 문제가 해결되지 않을 수 있지만 베이스 이미터 전압( V BE )의 온도 관련 변동을 보상하는 한 가지 방법은 그림과 같이 증폭기 바이어싱 배열 내에서 한 쌍의 일반 순방향 바이어스 다이오드를 사용하는 것입니다. .

작은 정전류가 R1-D1-D2-R2 의 직렬 회로를 통해 흐르며 입력 양쪽에서 대칭적인 전압 강하를 생성합니다. 입력 신호 전압이 적용되지 않은 경우 두 다이오드 사이의 지점은 0V입니다. 전류가 체인을 통해 흐르면 스위칭 트랜지스터의 베이스-이미터 접합에 적용되는 다이오드 전체에 약 0.7V 의 순방향 바이어스 전압 강하가 발생합니다.

따라서 다이오드 양단의 전압 강하는 트랜지스터 TR1 의 베이스를 약 0.7V로 바이어스하고, 트랜지스터 TR2 의 베이스를 약 -0.7V로 바이어스합니다. 따라서 두 개의 실리콘 다이오드는 두 베이스 사이에 컷오프 이상으로 바이어싱되는 약 1.4V의 일정한 전압 강하를 제공합니다.

회로의 온도가 상승함에 따라 트랜지스터 옆에 위치한 다이오드의 온도도 상승합니다. 따라서 다이오드의 PN 접합 양단의 전압은 트랜지스터 베이스 전류의 일부를 전환하여 트랜지스터 콜렉터 전류를 안정화하면서 감소합니다.

다이오드의 전기적 특성이 트랜지스터의 베이스-에미터 접합의 특성과 밀접하게 일치하면 다이오드에 흐르는 전류와 트랜지스터에 흐르는 전류가 동일해 전류 미러가 생성됩니다. 이 전류 미러의 효과는 필요한 클래스 AB 작동을 생성하는 온도 변화를 보상하여 교차 왜곡을 제거합니다.

실제로 다이오드 바이어싱은 널리 사용되는 LM386 오디오 전력 증폭기 IC와 같이 다이오드와 스위칭 트랜지스터가 동일한 칩에 제조되므로 현대 집적 회로 증폭기에서 쉽게 수행됩니다. 즉, 둘 다 넓은 온도 변화에 걸쳐 동일한 특성 곡선을 가지며 대기 전류의 열적 안정화를 제공합니다.

클래스 AB 증폭기 출력단의 바이어싱은 일반적으로 특정 증폭기 애플리케이션에 맞게 조정됩니다. 증폭기 대기 전류는 클래스 B 작동에서와 같이 전력 소비를 최소화하기 위해 0으로 조정되거나, 진정한 클래스 AB 증폭기 작동을 생성하는 교차 왜곡을 최소화하는 매우 작은 대기 전류가 흐르도록 조정됩니다.

위의 클래스 AB 바이어싱 예에서 입력 신호는 커패시터를 사용하여 스위칭 트랜지스터 베이스에 직접 연결됩니다. 그러나 그림과 같이 간단한 공통 이미터 드라이버 스테이지를 추가하면 클래스 AB 증폭기의 출력 스테이지를 조금 더 향상시킬 수 있습니다.

클래스 AB 증폭기 드라이버 스테이지

트랜지스터 TR3은 다이오드를 통해 흐르는 필수 DC 바이어싱 전류를 설정하는 전류원 역할을 합니다. 이는 대기 출력 전압을 Vcc/2 로 설정합니다 . 입력 신호는 TR3 의 베이스를 구동하므로 TR2가 꺼진 동안 입력 사이클의 양의 절반은 TR1을 구동하고 입력 사이클의 음의 절반은 TR1 이 꺼진 동안 TR2를 구동하여 TR1 및 TR2 의 베이스를 구동하는 증폭기 스테이지 역할 을 합니다. 꺼져, 전과 똑같아.

대부분의 전자 회로와 마찬가지로 기본 증폭기 출력 회로에 많은 변형과 수정이 이루어질 수 있으므로 전력 증폭기 출력단을 설계하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.

전력 증폭기의 역할은 합리적인 수준의 효율성으로 연결된 부하에 상당한 수준의 출력 전력(전류 및 전압 모두)을 전달하는 것입니다. 이는 클래스 A 또는 클래스 B의 두 가지 기본 작동 모드 중 하나에서 트랜지스터를 작동하여 달성할 수 있습니다.

합리적인 수준의 효율성으로 증폭기를 작동하는 한 가지 방법은 보완적인 NPN 및 PNP 트랜지스터를 기반으로 하는 대칭형 클래스 B 출력단을 사용하는 것입니다. 적절한 수준의 순방향 바이어스를 사용하면 각 사이클의 짧은 기간 동안 두 트랜지스터가 모두 차단되어 발생하는 교차 왜곡을 줄일 수 있으며 위에서 본 것처럼 이러한 회로는 클래스 AB로 알려져 있습니다. 증폭기.

그런 다음 모든 것을 종합하면 이제 그림과 같이 약 20Hz ~ 20kHz의 주파수 응답으로 약 1W를 16Ω으로 생성하는 간단한 클래스 AB 전력 증폭기 회로를 설계할 수 있습니다.

클래스 AB 증폭기

증폭기 요약

여기서는 클래스 AB 증폭기가 출력 전류가 입력 파형의 전체 주기 미만이지만 반 주기 이상 흐르도록 바이어스되어 있음을 확인했습니다. 클래스 AB 증폭기의 구현은 두 개의 스위칭 트랜지스터를 보완 출력 단계의 일부로 사용하고 각 트랜지스터는 부하에서 결합되기 전에 입력 파형의 반대 반주기에서 전도된다는 점에서 표준 클래스 B 구성과 매우 유사합니다.

따라서 두 스위칭 트랜지스터가 매우 짧은 기간 동안 동시에 전류를 전도하도록 허용함으로써 제로 크로스오버 기간 동안의 출력 파형을 실질적으로 평활화하여 클래스 B 증폭기 설계와 관련된 크로스오버 왜곡을 줄일 수 있습니다. 그러면 전도각은 180 ° 보다 크고 360 ° 보다 훨씬 작습니다 .

또한 클래스 AB 증폭기 구성은 클래스 A 증폭기보다 더 효율적이지만 컷오프 바로 위에서 트랜지스터를 바이어스하는 데 필요한 대기 전류가 작기 때문에 클래스 B의 구성보다 약간 덜 효율적이라는 것을 확인했습니다. 그러나 잘못된 바이어스를 사용하면 크로스오버 왜곡 스파이크가 발생하여 상태가 더 나빠질 수 있습니다.

그럼에도 불구하고, 클래스 AB 증폭기는 클래스 A 증폭기 설계와 유사하게 크로스오버 왜곡이 낮고 선형성이 높기 때문에 합리적으로 우수한 효율성과 고품질 출력이 결합되어 가장 선호되는 오디오 전력 증폭기 설계 중 하나입니다.