증폭기란 무엇인지 싹싹김치 알아보자! 최강AMP

앰프 소개

증폭기는 입력에 적용되는 신호의 크기를 증가시키는 데 사용되는 전자 장치 또는 회로입니다.

증폭기는 입력 신호의 버전을 생성하고 증가시키는 회로를 설명하는 데 사용되는 일반적인 용어입니다. 그러나 이 증폭기 튜토리얼 소개에서 볼 수 있듯이 모든 증폭기 회로가 회로 구성 및 작동 모드에 따라 분류되는 것과 동일하지는 않습니다.

"전자 제품"에서 소신호 증폭기는 예를 들어 사진 장치와 같은 센서 의 상대적으로 작은 입력 신호를 훨씬 더 큰 출력 신호로 증폭하여 릴레이, 램프 또는 릴레이를 구동할 수 있기 때문에 일반적으로 사용되는 장치입니다. 예를 들어 확성기.

연산 증폭기 및 소신호 증폭기부터 대신호 및 전력 증폭기에 이르기까지 증폭기로 분류되는 다양한 형태의 전자 회로가 있습니다. 증폭기의 분류는 크거나 작은 신호의 크기, 물리적 구성, 입력 신호를 처리하는 방법, 즉 입력 신호와 부하에 흐르는 전류 간의 관계에 따라 달라집니다.

증폭기 의 유형이나 분류는 다음 표에 나와 있습니다.

 

증폭기 소개 – 분류 증폭기

신호 유형	구성 유형	분류	작동 빈도
소신호	공통 이미터	클래스 A 증폭기	직류(DC)
큰 신호	공통 베이스	클래스 B 증폭기	오디오 주파수(AF)
	공통 수집가	클래스 AB 증폭기	무선 주파수(RF)
		클래스 C 증폭기	VHF, UHF 및 SHF 주파수

증폭기는 양극성 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터 또는 연산 증폭기와 같은 증폭 장치를 포함하는 간단한 상자 또는 블록으로 생각할 수 있습니다. 여기에는 2개의 입력 단자와 2개의 출력 단자(접지는 공통)가 있으며 출력 신호는 훨씬 더 큽니다. 입력 신호보다 "증폭"되었습니다.

이상적인 신호 증폭기는 세 가지 주요 특성, 즉  입력 저항 (R IN ), 출력 저항  (R OUT ) 및 일반적으로 이득 ( A )으로 알려진 증폭을 갖습니다. 증폭기 회로가 아무리 복잡하더라도 일반 증폭기 모델을 사용하여 이 세 가지 속성의 관계를 보여줄 수 있습니다.

이상적인 증폭기 모델

입력 신호와 출력 신호 사이의 증폭된 차이를 증폭기의 이득 이라고 합니다 . 게인은 기본적으로 증폭기가 입력 신호를 "증폭"하는 정도를 측정한 것입니다. 예를 들어 입력 신호가 1V이고 출력이 50V인 경우 증폭기의 이득은 "50"이 됩니다. 즉, 입력 신호가 50배 증가했습니다. 이러한 증가를 게인( Gain) 이라고 합니다 .

증폭기 게인은 단순히 출력을 입력으로 나눈 비율입니다. 게인에는 비율 단위가 없지만 전자 공학에서는 일반적으로 증폭을 의미하는 "A" 기호가 제공됩니다. 그런 다음 증폭기의 이득은 "출력 신호를 입력 신호로 나눈 값"으로 간단히 계산됩니다.

증폭기 이득

증폭기 이득의 도입은 출력에서 ​​측정된 신호와 입력에서 측정된 신호 사이에 존재하는 관계라고 할 수 있습니다. 측정할 수 있는 증폭기 이득에는 세 가지 종류가 있으며 측정 되는 양에 따라 전압 이득 ( Av ), 전류 이득 ( Ai ) 및 전력 이득 ( Ap )이 있으며 이러한 다양한 이득 유형의 예는 아래에 나와 있습니다. .

입력 신호의 증폭기 이득

전압 증폭기 이득

전류 증폭기 이득

전력 증폭기 이득

전력 이득의 경우 출력에서 ​​얻은 전력을 입력에서 얻은 전력으로 나눌 수도 있습니다. 또한 증폭기의 이득을 계산할 때 아래 첨자 v , i 및 p 는 사용되는 신호 이득 유형을 나타내는 데 사용됩니다.

증폭기의 전력 이득(Ap) 또는 전력 레벨은 데시벨 ( dB )로 표시될 수도 있습니다. Bel(B)은 단위가 없는 로그 단위(기본 10)입니다. 벨은 측정 단위가 너무 크기 때문에 1데시벨이 벨의 1/10(1/10)이 되는 대신 데시벨 이라는 접두어 가 붙습니다. 데시벨 또는 dB 단위로 증폭기 이득을 계산하려면 다음 식을 사용할 수 있습니다.

 

•   전압 이득(dB): a v   = 20*log(Av)
•   dB 단위의 전류 이득: a i   = 20*log(Ai)
•   전력 이득(dB): a p   = 10*log(Ap)

증폭기의 DC 전력 이득은 출력 대 입력 비율의 상용 로그의 10배와 동일하며, 전압 및 전류 이득은 비율의 상용 로그의 20배입니다. 그러나 로그 스케일로 인해 20dB는 10dB의 두 배 전력이 아닙니다.

또한 dB의 양수 값은 증폭기 내 이득을 나타내고 dB 의 음수 값은 손실을 나타냅니다. 예를 들어, +3dB의 증폭기 이득은 증폭기 출력 신호가 "2배"(x2)되었음을 나타내는 반면, -3dB의 증폭기 이득은 신호가 "2배"(x0.5), 즉 손실이 있음을 나타냅니다. .

증폭기의 -3dB 지점을 반전력점(half-power point) 이라고 하며 , 최대 출력 값에서 0dB를 취하여 최대 값에서 -3dB 내려간 것입니다.

앰프 예제 No1 소개

10mV에서 1mA의 입력 신호와 1V에서 10mA의 해당 출력 신호를 갖는 증폭기의 전압, 전류 및 전력 이득을 결정합니다. 또한 세 가지 이득을 모두 데시벨(dB)로 표현하십시오.

다양한 앰프 이득:

데시벨(dB)로 표시되는 증폭기 이득:

그러면 증폭기의 전압 이득(Av)은 100, 전류 이득(Ai)은 10, 전력 이득(Ap)은 1,000입니다.

일반적으로 증폭기는 전력 또는 전압 이득에 따라 두 가지 유형으로 세분될 수 있습니다. 한 가지 유형은 전치 증폭기, 계측 증폭기 등을 포함하는 소신호 증폭기 라고 합니다. 소신호 증폭기는 센서 또는 오디오 신호에서 불과 몇 마이크로볼트(μV)의 매우 작은 신호 전압 레벨을 증폭하도록 설계되었습니다.

다른 유형은 오디오 전력 증폭기 또는 전력 스위칭 증폭기와 같은 대형 신호 증폭기 라고 합니다. 대신호 증폭기는 라우드스피커를 구동하는 것처럼 큰 입력 전압 신호를 증폭하거나 무거운 부하 전류를 전환하도록 설계되었습니다.

전력 증폭기의 증폭기 소개

소 신호 증폭기는 일반적으로 작은 입력 전압을 훨씬 더 큰 출력 전압으로 변환하기 때문에 "전압" 증폭기라고 합니다. 때로는 모터를 구동하거나 스피커에 전원을 공급하기 위해 증폭기 회로가 필요하며 높은 스위칭 전류가 필요한 이러한 유형의 애플리케이션에는 전력 증폭기가 필요합니다.

이름에서 알 수 있듯이 "전력 증폭기"(대신호 증폭기라고도 함)의 주요 역할은 부하에 전력을 전달하는 것이며 위에서 알 수 있듯이 부하에 적용되는 전압과 전류의 곱입니다. 출력 신호 전력이 입력 신호 전력보다 큰 부하. 즉, 전력 증폭기는 입력 신호의 전력을 증폭하므로 이러한 유형의 증폭기 회로는 스피커를 구동하기 위해 오디오 증폭기 출력단에 사용됩니다.

전력 증폭기는 전원 공급 장치에서 가져온 DC 전력을 부하에 전달되는 AC 전압 신호로 변환하는 기본 원리에 따라 작동합니다. 증폭은 높지만 DC 전원 공급 장치 입력에서 AC 전압 신호 출력으로의 변환 효율은 일반적으로 낮습니다.

완벽하거나 이상적인 증폭기는 100%의 효율 등급을 제공하거나 적어도 "IN" 전력이 "OUT" 전력과 같을 것입니다. 그러나 실제로는 전력의 일부가 열의 형태로 손실되고, 증폭 과정에서 앰프 자체가 전력을 소비하기 때문에 이런 일은 결코 일어날 수 없습니다. 그러면 증폭기의 효율은 다음과 같이 주어진다.

증폭기 효율

이상적인 증폭기

게인 (전압 게인을 의미 )과 관련하여 위의 논의를 통해 이상적인 증폭기의 특성을 지정할 수 있습니다 .

• 증폭기 이득( A )은 입력 신호의 다양한 값에 대해 일정하게 유지되어야 합니다.
• 게인은 주파수의 영향을 받지 않습니다. 모든 주파수의 신호는 정확히 같은 양으로 증폭되어야 합니다.
• 증폭기 이득은 출력 신호에 잡음을 추가해서는 안 됩니다. 입력 신호에 이미 존재하는 노이즈를 제거해야 합니다.
• 증폭기 이득은 온도 변화에 영향을 받지 않아 온도 안정성이 양호합니다.
• 증폭기의 이득은 오랜 기간 동안 안정적으로 유지되어야 합니다.

전자 증폭기 수업

증폭기를 전압 증폭기 또는 전력 증폭기로 분류하는 것은 입력 신호에 대해 출력 회로에 전류가 흐르는 시간을 측정하여 입력 신호와 출력 신호의 특성을 비교함으로써 이루어집니다.

우리는 Common Emitter Transistor 튜토리얼 에서 트랜지스터가 "활성 영역" 내에서 작동하려면 어떤 형태의 "베이스 바이어싱"이 필요하다는 것을 보았습니다. 입력 신호에 추가된 이 작은 베이스 바이어스 전압을 통해 트랜지스터는 신호 손실 없이 출력에서 ​​전체 입력 파형을 재현할 수 있었습니다.

그러나 이 기본 바이어스 전압의 위치를 ​​변경하면 전체 파형 재생을 위한 증폭 모드가 아닌 다른 증폭 모드에서 증폭기를 작동하는 것이 가능합니다. 기본 바이어스 전압 증폭기를 도입하면 분류에 따라 분류된 다양한 작동 범위와 작동 모드를 얻을 수 있습니다. 이러한 다양한 작동 모드는 증폭기 클래스(Amplifier Class) 로 더 잘 알려져 있습니다 .

오디오 전력 증폭기는 회로 구성 및 작동 모드에 따라 알파벳 순서로 분류됩니다. 증폭기는 클래스 "A", 클래스 "B", 클래스 "C", 클래스 "AB" 등과 같은 다양한 작동 클래스로 지정됩니다. 이러한 다양한 증폭기 클래스는 거의 선형 출력에 가깝지만 효율이 낮고 비효율적입니다. 선형 출력이지만 효율성이 높습니다.

증폭 회로의 사용에 따라 작동 유형이 결정되는 작동 유형 중 어느 하나의 작동 등급이 다른 등급보다 "좋거나" "나쁘다"는 것은 없습니다. 다양한 유형 또는 클래스의 증폭기에 대한 일반적인 최대 변환 효율이 있으며 가장 일반적으로 사용되는 것은 다음과 같습니다.

• 클래스 A 증폭기   – 40% 미만의 낮은 효율을 갖지만 신호 재생성과 선형성은 양호합니다.
• 클래스 B 증폭기   – 증폭 장치는 입력 신호의 절반에 대해서만 전도하고 전력을 사용하기 때문에 이론적 최대 효율이 약 70%인 클래스 A 증폭기보다 두 배 더 효율적입니다.
• 클래스 AB 증폭기   - 클래스 A와 클래스 B 사이의 효율 등급을 갖지만 클래스 A 증폭기보다 신호 재생이 더 나쁩니다.
• 클래스 C 증폭기   - 가장 효율적인 증폭기 클래스이지만 입력 신호의 작은 부분만 증폭되므로 왜곡이 매우 높으므로 출력 신호는 입력 신호와 거의 유사하지 않습니다. 클래스 C 증폭기는 신호 재생이 최악입니다.

앰프 소개 - 클래스 A 앰프

클래스 A 증폭기의 기본 구성은 증폭기 회로에 대한 좋은 소개를 제공합니다. 클래스 A 증폭기 작동은 트랜지스터가 활성 영역 내에서 완벽하게 바이어스되므로 전체 입력 신호 파형이 증폭기 출력 단자에서 충실하게 재현되는 곳입니다. 이는 스위칭 트랜지스터가 차단 또는 포화 영역으로 구동되지 않음을 의미합니다. 그 결과 AC 입력 신호는 아래와 같이 증폭기의 상한과 하한 신호 제한 사이에서 완벽하게 "중앙에 위치"하게 됩니다.

클래스 A 증폭기 출력 파형

클래스 A 증폭기 구성은 출력 파형의 양쪽 절반에 대해 동일한 스위칭 트랜지스터를 사용하며 중앙 바이어스 배열로 인해 출력 트랜지스터에는 전류가 없더라도 항상 일정한 DC 바이어스 전류( I CQ )가 흐릅니다. 입력 신호가 있습니다. 즉, 출력 트랜지스터는 결코 "OFF" 상태가 되지 않으며 영구적인 유휴 상태에 있습니다.

이로 인해 클래스 A 유형의 작동은 DC 공급 전력을 부하에 전달되는 AC 신호 전력으로 변환하는 것이 일반적으로 매우 낮기 때문에 다소 비효율적입니다.

이 중앙 바이어스 지점으로 인해 클래스 A 증폭기의 출력 트랜지스터는 입력 신호가 없는 경우에도 매우 뜨거워질 수 있으므로 일종의 방열판이 필요합니다. 트랜지스터의 콜렉터를 통해 흐르는 DC 바이어싱 전류( ICQ ) 는 콜렉터 부하를 통해 흐르는 전류와 동일합니다. 따라서 Class-A 증폭기는 대부분의 DC 전력이 열로 변환되므로 매우 비효율적입니다.

증폭기 소개 - 클래스 B 증폭기

출력 전력단에 단일 트랜지스터를 사용하는 위의 클래스 A 증폭기 작동 모드와 달리 클래스 B 증폭기는 두 개의 보완 트랜지스터(NPN 및 PNP 또는 NMOS 및 PMOS)를 사용하여 각 절반을 증폭합니다. 출력 파형.

한 트랜지스터는 신호 파형의 절반에만 전도되고 다른 트랜지스터는 신호 파형의 반대쪽 절반에 대해 전도됩니다. 이는 각 트랜지스터가 활성 영역에서 절반의 시간을 보내고 차단 영역에서 절반의 시간을 소비하여 입력 신호의 50%만 증폭한다는 의미입니다.

클래스 B 작동에는 클래스 A 증폭기와 달리 직접적인 DC 바이어스 전압이 없지만 대신 트랜지스터는 입력 신호가 베이스 이미터 전압( V BE )보다 클 때만 전도되며 실리콘 트랜지스터의 경우 이는 약 0.7v입니다. 따라서 입력 신호가 0이면 출력도 0입니다. 입력 신호의 절반만 증폭기 출력에 제공되므로 아래와 같이 이전 Class-A 구성에 비해 증폭기 효율이 향상됩니다.

클래스 B 증폭기 출력 파형

클래스 B 증폭기에서는 트랜지스터를 바이어스하는 데 DC 전압이 사용되지 않으므로 출력 트랜지스터가 파형의 각 절반(양 및 음 모두)을 전도하기 시작하려면 베이스 이미 터 전압 V BE 가 다음보다 커야 합니다. 표준 바이폴라 트랜지스터가 전도를 시작하는 데 필요한 0.7v 순방향 전압 강하.

따라서 이 0.7v 창 아래에 있는 출력 파형의 하단 부분은 정확하게 재현되지 않습니다. 이로 인해 V BE  > 0.7V가 되면 다른 트랜지스터가 다시 "ON"이 될 때까지 한 트랜지스터가 "OFF" 상태가 되므로 출력 파형 영역이 왜곡됩니다 . 결과적으로 0 전압 교차점에서 출력 파형의 작은 부분이 왜곡될 수 있습니다. 이러한 유형의 왜곡을 크로스오버 왜곡 이라고 하며 이 섹션의 뒷부분에서 설명합니다.

증폭기 소개 - 클래스 AB 증폭기

클래스 AB 증폭기는 위의 클래스 A와 클래스 B 구성을 절충한 것입니다. 클래스 AB 작동은 여전히 ​​출력 단계에서 2개의 상보형 트랜지스터를 사용하지만 입력 신호가 없을 때 차단 영역 가까이에서 바이어스하기 위해 각 트랜지스터의 베이스에 매우 작은 바이어싱 전압이 적용됩니다.

입력 신호는 트랜지스터가 활성 영역 내에서 정상적으로 작동하도록 하여 클래스 B 구성에 항상 존재하는 교차 왜곡을 제거합니다. 입력 신호가 없을 때 작은 바이어스 콜렉터 전류( ICQ )가 트랜지스터를 통해 흐르지만 일반적으로 클래스 A 증폭기 구성의 전류보다 훨씬 적습니다.

따라서 각 트랜지스터는 입력 파형의 절반이 조금 넘는 주기 동안 "ON" 상태로 전도됩니다. 클래스 AB 증폭기 구성의 작은 바이어싱은 위의 순수 클래스 A 구성에 비해 증폭기 회로의 효율성과 선형성을 모두 향상시킵니다.

클래스 AB 증폭기 출력 파형

증폭기에 대한 소개로서, 증폭기 회로를 설계할 때 증폭기의 동작 클래스는 입력 신호의 최대 진폭뿐만 아니라 동작에 필요한 트랜지스터 바이어싱의 양을 결정하므로 매우 중요합니다.

증폭기 분류는 출력 트랜지스터가 전도하는 입력 신호 부분을 고려할 뿐만 아니라 스위칭 트랜지스터가 소비하고 낭비되는 열의 형태로 방산하는 전력량과 효율성을 모두 결정합니다. 여기서는 다음 표에서 가장 일반적인 유형의 증폭기 분류를 비교할 수 있습니다.

전력 증폭기 클래스

수업	ㅏ	비	씨	AB
전도 각도	360 도	180 도	90 도 미만	180 ~ 360o
Q 포인트 의 위치	하중선의 중심점	정확히 X축 에	X축 아래	X축과 중앙 부하선 사이
전반적인 효율성	나쁨 25~30%	70~80% 더 좋음	80% 이상	A보다 우수 하지만 B보다 낮음 50~70%
신호 왜곡	올바르게 편향된 경우 없음	X축 교차점 에서	많은 양	소량

잘못 설계된 증폭기, 특히 클래스 "A" 유형의 증폭기에는 더 큰 전력 트랜지스터, 더 비싼 방열판, 냉각 팬이 필요할 수도 있고 심지어 증폭기에 필요한 추가 낭비 전력을 전달하는 데 필요한 전원 공급 장치 크기의 증가도 필요할 수 있습니다. 트랜지스터, 저항기 또는 기타 구성 요소에서 열로 변환된 전력은 모든 전자 회로를 비효율적으로 만들고 장치의 조기 고장을 초래합니다.

그렇다면 효율성 등급이 70% 이상 높은 클래스 B 증폭기 에 비해 효율성이 40% 미만인 경우 클래스 A 증폭기를 사용하는 이유는 무엇입니까? 기본적으로 클래스 A 증폭기는 훨씬 더 선형적인 출력을 제공합니다. 즉, 많은 양의 DC 전력을 소비하더라도 더 큰 주파수 응답에 대한 선형성을 갖습니다.

이 증폭기 소개 튜토리얼에서는 각각 고유한 장점과 단점이 있는 다양한 유형의 증폭기 회로가 있음을 확인했습니다. 증폭기에 대한 다음 튜토리얼에서는 가장 일반적으로 연결되는 유형의 트랜지스터 증폭기 회로인 공통 이미터 증폭기를 살펴보겠습니다. 대부분의 트랜지스터 증폭기는 전압, 전류 및 전력의 이득이 크고 입출력 특성이 우수하기 때문에 공통 이미터 또는 CE 유형 회로입니다.