AC 신호원과 직렬로 배터리를 삽입하지 않고도 증폭기 입력 신호에 필요한 DC 바이어스 전압을 생성하는 과제를 해결하기 위해, DC 전원에 연결된 전압 분배기를 사용했습니다 . 이 전압 분배기를 AC 입력 신호와 함께 사용하기 위해, 고역 통과 필터 역할을 하는 커패시터를 통해 신호원을 분배기에 "결합"했습니다 . 이러한 필터링을 통해 AC 신호원의 낮은 임피던스는 전압 분배기 하단 저항에서 강하된 DC 전압을 "단락"시킬 수 없었습니다. 간단한 해결책이지만, 단점도 없지 않았습니다.
가장 분명한 것은 고역 통과 필터 커패시터를 사용하여 신호원을 증폭기에 결합하면 증폭기는 교류 신호만 증폭할 수 있다는 것입니다. 입력에 인가되는 안정적인 직류 전압은 전압 분배기 바이어스 전압이 입력원에서 차단되는 것과 마찬가지로 결합 커패시터에 의해 차단됩니다. 또한, 용량성 리액턴스는 주파수에 따라 달라지므로 저주파 교류 신호는 고주파 신호만큼 증폭되지 않습니다. 비정현파 신호는 커패시터가 신호의 각 구성 고조파에 대해 다르게 반응하기 때문에 왜곡되는 경향이 있습니다.
이에 대한 극단적인 예로는 아래 그림의 저주파 사각파 신호를 들 수 있습니다.
용량성 결합 저주파 사각파는 왜곡을 보입니다.
그런데, 아래 그림과 같이 오실로스코프 입력이 "AC 커플링" 모드로 설정된 경우에도 같은 문제가 발생합니다.
이 모드에서는 측정된 전압 신호와 직렬로 커플링 커패시터를 삽입하여 신호와 결합된 DC 전압으로 인해 표시되는 파형의 수직 오프셋을 제거합니다. 측정된 신호의 AC 성분이 상당히 높은 주파수이고 커패시터가 신호에 거의 임피던스를 제공하지 않는 경우에는 이 방법이 효과적입니다. 그러나 신호의 주파수가 낮거나 넓은 주파수 범위에 걸쳐 상당한 고조파가 포함된 경우, 오실로스코프의 파형 표시가 정확하지 않습니다.
저주파 신호는 아래 그림과 같이 오실로스코프를 "DC 커플링"으로 설정하여 볼 수 있습니다.
DC 결합을 사용하면 오실로스코프가 신호 발생기에서 나오는 사각파의 모양을 정확하게 표시합니다.
저주파: AC 결합의 경우, 결합 커패시터의 고역 통과 필터링으로 인해 사각파의 모양이 왜곡되어 실제 신호를 정확하게 표현하지 못하게 됩니다.
직접 결합
용량성 결합의 한계(위 그림 참조)가 허용될 수 없는 애플리케이션에서는 직접 결합이라는 또 다른 해결책을 사용할 수 있습니다 . 직접 결합은 저항을 대신하여 커패시터나 기타 주파수 의존성 결합 부품을 사용하지 않습니다. 아래 그림은 직접 결합 증폭기 회로를 보여줍니다.
직접 결합 증폭기: 스피커에 직접 결합.
입력 신호를 필터링하는 커패시터가 없으므로 이러한 결합 방식은 주파수 의존성을 나타내지 않습니다. DC 및 AC 신호는 모두 트랜지스터에 의해 동일한 이득으로 증폭됩니다(트랜지스터 자체가 특정 주파수를 다른 주파수보다 더 잘 증폭하는 경향이 있을 수 있지만, 이는 완전히 다른 주제입니다!).
직접 결합이 AC 신호뿐만 아니라 DC 신호에도 작동한다면, 왜 어떤 애플리케이션에든 용량성 결합을 사용해야 할까요? 한 가지 이유는 증폭될 신호에 자연스럽게 존재하는 원치 않는 DC 바이어스 전압을 피하기 위해서일 수 있습니다. 일부 AC 신호는 소스에서 직접 공급되는 제어되지 않는 DC 전압에 중첩될 수 있으며, 제어되지 않는 DC 전압은 안정적인 트랜지스터 바이어스를 불가능하게 만듭니다. 커플링 커패시터가 제공하는 고역 통과 필터링은 바이어스 문제를 방지하는 데 효과적입니다.
직접 결합 대신 용량성 결합을 사용하는 또 다른 이유는 신호 감쇠가 상대적으로 적기 때문입니다. 저항을 통한 직접 결합은 입력 신호를 감쇠시켜 트랜지스터의 베이스에 도달하는 신호의 일부만 감소시키는 단점이 있습니다. 많은 애플리케이션에서 신호 레벨이 트랜지스터를 "과구동"하여 차단 및 포화 상태로 만드는 것을 방지하기 위해 어느 정도 감쇠가 필요하므로, 결합 네트워크에 내재된 감쇠는 어쨌든 유용합니다. 그러나 일부 애플리케이션에서는 최대 전압 이득을 위해 입력 연결에서 트랜지스터의 베이스까지 신호 손실이 없어야 하며 , 바이어스를 위한 전압 분배기를 사용하는 직접 결합 방식만으로는 충분하지 않습니다.
지금까지 입력 신호를 증폭기에 결합하는 몇 가지 방법을 살펴보았지만 , 증폭기의 출력을 부하에 결합하는 문제는 다루지 않았습니다. 입력 결합을 설명하기 위해 사용된 예제 회로는 출력 결합과 관련된 문제를 설명하는 데 도움이 될 것입니다.
예시 회로에서 부하는 스피커입니다. 대부분의 스피커는 전자기적으로 설계되었습니다. 즉, 강력한 영구 자석장 내에 매달린 가벼운 전자석 코일에서 발생하는 힘을 이용하여 얇은 종이 또는 플라스틱 콘을 움직여 공기 중에 진동을 발생시키고, 우리 귀는 이를 소리로 인식합니다. 한쪽 극성의 전압을 인가하면 콘이 바깥쪽으로 움직이고, 반대 극성의 전압을 인가하면 콘이 안쪽으로 움직입니다. 콘의 자유로운 움직임을 최대한 활용하려면 스피커는 진정한 (바이어스가 없는) AC 전압을 받아야 합니다. 스피커 코일에 인가된 DC 바이어스는 콘을 자연스러운 중심 위치에서 오프셋시켜, 인가된 AC 전압으로 인해 콘이 과도한 움직임 없이 유지할 수 있는 왕복 운동을 제한합니다. 그러나 예시 회로에서는 스피커가 단방향으로만 전류를 전도할 수 있는 트랜지스터와 직렬로 연결되어 있기 때문에 스피커에 단 극성의 가변 전압만 인가합니다. 이는 고출력 오디오 증폭기에서는 허용되지 않습니다.
스피커를 컬렉터 전류의 DC 바이어스로부터 어떻게든 분리하여 AC 전압만 받도록 해야 합니다. 이를 위한 한 가지 방법은 아래 그림과 같이 트랜지스터 컬렉터 회로를 변압기를 통해 스피커에 연결하는 것입니다.
변압기 결합은 DC를 부하(스피커)로부터 분리합니다.
변압기의 2차측(스피커 측)에 유도되는 전압은 콜렉터 전류의 변화 에만 기인합니다 . 변압기의 상호 인덕턴스는 권선 전류의 변화 에만 작용하기 때문입니다 . 다시 말해, 콜렉터 전류 신호의 AC 부분만 2차측에 결합되어 스피커에 전원을 공급합니다. 스피커는 DC 바이어스 없이 단자에서 실제 교류 전류를 "볼" 수 있습니다.
변압기 출력 커플링은 작동하며, 맞춤형 권선비로 트랜지스터 회로와 스피커 코일 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다는 추가적인 이점이 있습니다. 그러나 변압기는 특히 고전력 애플리케이션의 경우 크고 무거운 경향이 있습니다. 또한 오디오 애플리케이션에서 거의 항상 필요한 광범위한 주파수 신호를 처리하도록 변압기를 설계하는 것은 어렵습니다. 설상가상으로, 1차 권선을 통과하는 DC 전류는 코어의 한 극성에서만 자화를 증가시켜 변압기 코어가 한 AC 극성 사이클에서 다른 사이클보다 더 쉽게 포화되는 경향이 있습니다. 이 문제는 스피커를 트랜지스터에 직렬로 직접 연결하는 경우와 유사합니다. DC 바이어스 전류는 시스템이 왜곡 없이 처리할 수 있는 출력 신호 진폭을 제한하는 경향이 있습니다. 그러나 일반적으로 변압기는 스피커보다 훨씬 더 많은 DC 바이어스 전류를 문제없이 처리하도록 설계할 수 있으므로 대부분의 경우 변압기 커플링은 여전히 실행 가능한 솔루션입니다. 변압기 커플링 의 예로 Q4와 스피커 사이의 커플링 변압기 ( Regency TR1, 9장)를 참조하십시오.
출력 신호의 DC 바이어스로부터 스피커를 분리하는 또 다른 방법은 회로를 약간 변경하고 입력 신호를 증폭기에 결합하는 것과 비슷한 방식으로 결합 커패시터를 사용하는 것입니다(아래 그림 참조).
커패시터 결합은 DC를 부하로부터 분리합니다.
위 그림의 회로는 트랜지스터 컬렉터가 저항을 통해 배터리에 연결된 일반적인 공통 이미터 증폭기와 유사합니다. 커패시터는 고역 통과 필터 역할을 하여 대부분의 AC 전압을 스피커로 전달하는 동시에 모든 DC 전압을 차단합니다. 다시 말해, 이 커플링 커패시터의 값은 예상 신호 주파수에서 임피던스가 임의로 낮아지도록 선택됩니다.
변압기 나 커패시터를 통해 증폭기 출력에서 DC 전압을 차단하는 것은 증폭기를 부하에 연결할 때뿐만 아니라 한 증폭기를 다른 증폭기에 연결할 때도 유용합니다. "단계식" 증폭기는 아래 그림과 같이 단일 트랜지스터를 사용하는 것보다 더 높은 전력 이득을 얻기 위해 종종 사용됩니다.
커패시터 결합 3단계 공통 에미터 증폭기.
각 단을 다음 단에 직접 연결하는 것은 가능하지만(커패시터 대신 저항을 통해), 이 경우 전체 증폭기가 첫 번째 단의 DC 바이어스 전압 변화에 매우 민감해집니다. 첫 번째 단의 DC 전압이 마지막 단까지 AC 신호와 함께 증폭되기 때문입니다. 즉, 첫 번째 단의 바이어스는 두 번째 단의 바이어스에 영향을 미치고, 이런 식으로 계속됩니다. 그러나 위 그림과 같이 단들이 용량성 결합된 경우, 한 단의 바이어스는 다음 단의 바이어스에 영향을 미치지 않습니다. DC 전압이 다음 단으로 전달되는 것이 차단되기 때문입니다.
증폭기 단 간의 변압기 결합도 가능하지만, 앞서 언급한 변압기 고유의 몇 가지 문제로 인해 발생 빈도는 낮습니다. 이 규칙의 주목할 만한 예외는 소형 결합 변압기를 사용하는 무선 주파수 증폭기(아래 그림)입니다. 이 증폭기는 공심(포화 효과에 대한 면역성을 제공)을 가지고 있으며, 공진 회로의 일부로 원치 않는 고조파가 다음 단으로 전달되는 것을 차단합니다. 공진 회로를 사용할 때는 신호 주파수가 일정하게 유지된다고 가정하는데, 이는 무선 회로의 일반적인 특성입니다. 또한, LC 탱크 회로 의 "플라이휠" 효과 덕분 에 고효율을 위한 클래스 C 동작이 가능합니다.
3단계 튜닝된 RF 증폭기는 변압기 결합을 보여줍니다.
트랜지스터 Q1, Q2, Q3, Q4 사이의 변압기 결합에 주목하십시오( Regency TR1, 9장 ). 점선 상자 안의 세 개의 중간 주파수(IF) 변압기는 IF 신호를 다음 트랜지스터 IF 증폭기의 컬렉터에서 베이스로 결합합니다. 하지만 중간 주파수 증폭기는 안테나 RF 입력과는 다른 주파수를 사용하는 RF 증폭기입니다.
이 모든 것을 말씀드렸지만, 다단 트랜지스터 증폭기 회로 내에서 직접 결합을 사용할 수 있다는 점을 언급해야 합니다. 증폭기가 DC 신호를 처리해야 하는 경우, 이것이 유일한 대안 입니다 .
전자공학에서 집적 회로가 널리 사용되는 추세는 변압기나 커패시터 결합 대신 직접 결합을 사용하도록 장려했습니다. 쉽게 제조할 수 있는 집적 회로 부품은 트랜지스터뿐입니다. 중간 품질의 저항도 생산할 수 있습니다. 하지만 트랜지스터가 선호됩니다. 수십 pF의 집적 커패시터만 가능합니다. 큰 커패시터는 적분할 수 없습니다. 필요한 경우 외부 부품을 사용할 수 있습니다. 변압기도 마찬가지입니다. 집적 트랜지스터는 저렴하므로 문제가 되는 커패시터와 변압기를 가능한 한 많은 트랜지스터로 대체합니다. 가능한 한 많은 직접 결합 이득을 외부 결합 부품 사이의 IC에 설계합니다. 외부 커패시터와 변압기가 사용되지만 가능하면 설계에서 제외합니다. 결과적으로 현대 IC 라디오( 9장의 "IC 라디오" 참조)는 원래의 4트랜지스터 라디오인 Regency TR1( 9장 ) 과는 전혀 다릅니다 .
개별 트랜지스터조차도 변압기에 비해 저렴합니다. 부피가 큰 오디오 변압기는 트랜지스터로 대체할 수 있습니다. 예를 들어, 공통 컬렉터(이미터 팔로워) 구성은 스피커와 같은 낮은 출력 임피던스를 임피던스 매칭할 수 있습니다. 또한, 대용량 커플링 커패시터를 트랜지스터 회로로 대체할 수도 있습니다.
우리는 여전히 변압기 결합 오디오 증폭기를 이용한 텍스트를 예시로 들고 싶습니다. 회로는 간단하고, 부품 수도 적습니다. 게다가, 이것들은 좋은 입문 회로이고 이해하기 쉽습니다.
아래 그림(a)의 회로는 변압기 결합 푸시풀 오디오 증폭기를 단순화한 것입니다. 푸시풀 방식에서 트랜지스터 쌍은 입력 신호의 양(+) 및 음(-) 부분을 교대로 증폭합니다. 두 트랜지스터 모두 신호가 없는 입력에서는 도통하지 않습니다. 양의 입력 신호는 변압기 2차측 상단에서 양(+)이 되어 상단 트랜지스터를 도통시킵니다. 음의 입력은 2차측 하단에서 양의 신호를 발생시켜 하단 트랜지스터를 도통시킵니다. 따라서 트랜지스터는 신호의 절반을 번갈아 증폭합니다. 아래 그림 (a)의 두 트랜지스터 모두 0.7Vpeak 미만의 입력에서는 도통하지 않습니다. 실제 회로에서는 2차측 중앙 탭을 접지 대신 0.7V(또는 그 이상) 저항 분배기에 연결하여 두 트랜지스터를 진정한 클래스 B로 바이어스합니다.
(a) 변압기 결합 푸시풀 증폭기. (b) 직접 결합 보완 쌍 증폭기는 변압기를 트랜지스터로 대체합니다.
위 그림(b)의 회로는 변압기 기능을 트랜지스터로 대체한 최신 버전입니다. 트랜지스터 Q1과 Q2는 공통 이미터 증폭기로, 베이스에서 컬렉터로 신호를 이득을 가지고 반전합니다. 트랜지스터 Q3과 Q4는 NPN 및 PNP 트랜지스터가 파형의 교대로 절반(각각 양(+) 및 음(-))을 증폭하기 때문에 상보쌍으로 알려져 있습니다. (a)에서 베이스를 병렬로 연결하면 입력 변압기 없이 위상 분할이 가능합니다. 스피커는 Q3과 Q4의 이미터 부하입니다. NPN 및 PNP 트랜지스터의 이미터를 병렬로 연결하면 (a)에서 중앙 탭 출력 변압기가 필요 없습니다. 이미터 팔로워의 낮은 출력 임피던스는 스피커의 낮은 8Ω 임피던스를 이전 공통 이미터 단에 매칭하는 역할을 합니다. 따라서 저렴한 트랜지스터가 변압기를 대체합니다. 전체 회로는 "직접 결합 상보 대칭 3W 오디오 증폭기", C h 9 를 참조하십시오.
검토:
- 용량성 결합은 증폭기 입력단에서 고역 통과 필터처럼 작용합니다. 이는 낮은 신호 주파수에서 증폭기의 전압 이득을 감소시키는 경향이 있습니다. 용량성 결합 증폭기는 DC 입력 신호에 거의 반응하지 않습니다.
- 직렬 커패시터 대신 직렬 저항을 직접 결합하면 주파수에 따라 달라지는 이득 문제를 피할 수 있지만, 입력 신호를 감쇠시켜 모든 신호 주파수에 대한 증폭기 이득을 줄이는 단점이 있습니다.
- 변압기와 커패시터는 증폭기의 출력을 부하에 연결하여 DC 전압이 부하에 도달하지 않도록 하는 데 사용될 수 있습니다.
- 다단 증폭기는 종종 단계 간의 용량성 결합을 활용하여 한 단계의 바이어스가 다른 단계의 바이어스에 영향을 미치는 문제를 제거합니다.