클래스 A 증폭기 뿌셔보자. 싹싹김치:)

클래스 A 증폭기

공통 이미터 증폭기는 매우 큰 전압 이득을 가질 수 있기 때문에 가장 일반적으로 사용되는 증폭기 유형입니다.

공통 이미터 클래스 A 증폭기는 단지 몇 밀리볼트의 상대적으로 작은 입력 신호 전압에서 큰 출력 전압 스윙을 생성하도록 설계되었으며 이전 튜토리얼에서 본 것처럼 주로 "소신호 증폭기"로 사용됩니다.

그러나 스피커와 같은 큰 저항 부하를 구동하거나 로봇의 모터를 구동하기 위해 증폭기가 필요한 경우도 있으며, 높은 스위칭 전류가 필요한 이러한 유형의 애플리케이션에는 전력 증폭기가 필요합니다.

"대신호 증폭기"라고도 알려진 전력 증폭기의 주요 기능은 전압과 전류의 곱인 전력을 부하에 전달하는 것입니다. 기본적으로 전력 증폭기는 전압 증폭기이기도 합니다. 차이점은 출력에 연결된 부하 저항이 상대적으로 낮다는 것입니다. 예를 들어 4Ω 또는 8Ω의 스피커는 트랜지스터의 컬렉터를 통해 높은 전류가 흐르게 됩니다.

이러한 높은 부하 전류로 인해 2N3055와 같은 전력 증폭기 출력단에 사용되는 출력 트랜지스터는 BC107과 같은 소신호 증폭기에 사용되는 일반 트랜지스터보다 더 높은 전압 및 전력 정격을 가져야 합니다.

 

우리는 최대 AC 전력을 부하에 전달하는 동시에 공급 장치에서 가능한 최소 DC 전력을 소비하는 데 관심이 있으므로 주로 증폭기의 "변환 효율"에 관심을 갖습니다.

그러나 전력 증폭기, 특히 클래스 A 증폭기의 주요 단점 중 하나는 큰 전류로 인해 상당한 양의 전력이 열의 형태로 손실됨을 의미하므로 전체 변환 효율이 매우 낮다는 것입니다. 증폭기의 효율 백분율은 아래 표시된 것처럼 부하에서 소비되는 rms 출력 전력을 공급 소스에서 가져온 총 DC 전력으로 나눈 값으로 정의됩니다.

전력 증폭기 효율

• 어디:
• θ%   – 증폭기의 효율입니다.
• Pout   – 부하에 전달되는 증폭기 출력 전력입니다.
• Pdc   – 공급 장치에서 가져온 DC 전력입니다.

전력 증폭기의 경우 증폭기 전원 공급 장치가 출력 신호에 최대의 연속 전력을 제공하도록 잘 설계되는 것이 매우 중요합니다.

클래스 A 증폭기

가장 일반적으로 사용되는 전력 증폭기 구성 유형은 클래스 A 증폭기 입니다 . 클래스 A 증폭기는 앞에서 설명한 것처럼 표준 공통 이미터 회로 구성에서 단일 스위칭 트랜지스터를 사용하여 반전된 출력을 생성하는 가장 간단한 형태의 전력 증폭기입니다. 트랜지스터는 항상 "ON"으로 바이어스되어 입력 신호 파형의 완전한 한 주기 동안 전도되어 출력 신호의 왜곡을 최소화하고 진폭을 최대화합니다.

이는 클래스 A 증폭기 구성이 이상적인 작동 모드임을 의미합니다. 사이클의 음의 절반 동안에도 출력 파형에 대한 크로스오버 또는 스위치 오프 왜곡이 없기 때문입니다. 클래스 A 전력 증폭기 출력단은 단일 전력 트랜지스터 또는 함께 연결된 트랜지스터 쌍을 사용하여 높은 부하 전류를 공유할 수 있습니다. 아래 클래스 A 증폭기 회로를 고려하십시오 .

단일 스테이지 클래스 A 증폭기 회로

 

이것은 클래스 A 전력 증폭기 회로의 가장 간단한 유형입니다. 출력단에 단일 종단 트랜지스터를 사용하며 저항성 부하가 컬렉터 단자에 직접 연결됩니다. 트랜지스터가 "ON"으로 전환되면 컬렉터를 통해 출력 전류를 싱크하여 이미터 저항 전체에 불가피한 전압 강하를 발생시켜 네거티브 출력 기능을 제한합니다.

이러한 유형의 회로 효율은 매우 낮으며(30% 미만) DC 전원 공급 장치의 큰 드레인에 대해 작은 전력 출력을 제공합니다. 클래스 A 증폭기 스테이지는 입력 신호가 적용되지 않는 경우에도 동일한 부하 전류를 전달하므로 출력 트랜지스터에 큰 방열판이 필요합니다.

그러나 회로의 전류 처리 용량을 늘리는 동시에 더 큰 전력 이득을 얻는 또 다른 간단한 방법은 단일 출력 트랜지스터를 달링턴 트랜지스터 로 교체하는 것입니다 . 이러한 유형의 장치는 기본적으로 단일 패키지 내에 두 개의 트랜지스터, 즉 작은 "파일럿" 트랜지스터 하나와 더 큰 "스위칭" 트랜지스터로 구성됩니다. 이러한 장치의 가장 큰 장점은 입력 임피던스가 적절하게 크고 출력 임피던스가 상대적으로 낮기 때문에 전력 손실이 줄어들고 이에 따라 스위칭 장치 내의 열이 발생한다는 것입니다.

달링턴 트랜지스터 구성

 

 

Darlington 장치의 전체 전류 이득 베타(β) 또는 hfe 값은 트랜지스터의 두 개별 이득을 곱한 결과이며 단일 트랜지스터 회로에 비해 높은 콜렉터 전류와 함께 매우 높은 β 값이 가능합니다.

클래스 A 증폭기 의 전체 전력 효율을 향상시키기 위해 변압기 결합 증폭기 라고 불리는 회로를 형성하기 위해 컬렉터 회로에 직접 연결된 변압기를 사용하여 회로를 설계하는 것이 가능합니다 . 트랜스포머는 트랜스포머의 권선비( n )를 이용하여 부하의 임피던스와 증폭기 출력의 임피던스를 일치시켜 증폭기의 효율을 향상시키며, 이에 대한 예는 아래와 같습니다.

변압기 결합 증폭기 회로

 

컬렉터 전류 Ic가 베이스 전류의 변화로 인해 베이스 바이어스 전압에 의해 설정된 정지 Q점 아래로 감소함에 따라 변압기 코어의 자속이 붕괴되어 변압기 1차 권선에 유도 EMF가 발생합니다. 이로 인해 순간 컬렉터 전압이 공급 전압 2Vcc 의 두 배 값으로 상승하여 컬렉터 전압이 최소일 때 최대 컬렉터 전류가 Ic 의 두 배가 됩니다. 그러면 이러한 유형의 클래스 A 증폭기 구성의 효율성은 다음과 같이 계산될 수 있습니다.

RMS 컬렉터 전압은 다음과 같이 지정됩니다.

RMS 컬렉터 전류는 다음과 같이 지정됩니다.

따라서 부하에 전달되는 rms 전력(Pac)은 다음과 같이 지정됩니다.

공급 장치에서 끌어오는 평균 전력(Pdc)은 다음과 같이 계산됩니다.

따라서 변압기 결합 클래스 A 증폭기의 효율은 다음과 같이 주어진다.

출력 변압기는 부하의 임피던스를 증폭기 출력 임피던스의 임피던스와 일치시켜 증폭기의 효율성을 향상시킵니다. 적절한 권선비를 갖춘 출력 또는 신호 변압기를 사용하면 대부분의 상용 클래스 A 유형 전력 증폭기가 이러한 유형으로 구성되어 있어 클래스 A 증폭기 효율이 40%에 도달할 수 있습니다.

그러나 변압기는 권선과 코어로 인해 유도 장치이므로 증폭기 스위칭 회로에 유도성 부품을 사용하지 않는 것이 가장 좋습니다. 생성된 역기전력이 적절한 보호 없이 트랜지스터를 손상시킬 수 있기 때문입니다.

또한 이러한 유형의 변압기 결합 클래스 A 증폭기 회로의 또 다른 큰 단점은 필요한 오디오 변압기의 추가 비용과 크기입니다.

증폭기에 부여되는 "클래스" 유형 또는 분류는 실제로 트랜지스터가 전도하는 입력 파형 사이클의 360 ° 부분인 전도 각도에 따라 달라집니다. 클래스 A 증폭기에서 전도각은 전체 360 ° 또는 입력 신호의 100%인 반면, 다른 증폭기 클래스에서는 트랜지스터가 더 작은 전도각 동안 전도됩니다.

출력단에 두 개의 상보형 트랜지스터를 사용하여 한 트랜지스터는 NPN 또는 N 채널 유형이고 다른 트랜지스터는 PNP 또는 P 채널인 방식으로 클래스 A 증폭기 보다 더 큰 전력 출력 및 효율을 얻을 수 있습니다 ( 보완) 유형은 "푸시-풀" 구성으로 연결됩니다.

이러한 유형의 전력 증폭기 구성은 일반적으로 클래스 B 증폭기 라고 하며 다음 튜토리얼에서 살펴볼 또 다른 유형의 오디오 증폭기 회로입니다.