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클래스 B 증폭기

클래스 B 증폭기는 각 트랜지스터가 입력 파형의 반주기 동안에만 전도되도록 바이어스된 두 개 이상의 트랜지스터를 사용합니다.

열의 형태로 낭비되는 전력을 줄여 이전 클래스 A 앰프의 전체 전력 효율을 향상시키기 위해 출력단에 두 개의 트랜지스터를 갖춘 전력 증폭기 회로를 설계하는 것이 가능합니다. 이는 일반적으로 푸시풀 증폭기 구성 이라고도 알려진 클래스 B 증폭기 라고 불리는 것을 생성합니다 .

푸시풀 증폭기는 두 개의 "상보형" 또는 정합 트랜지스터를 사용합니다. 하나는 NPN 유형이고 다른 하나는 PNP 유형입니다. 두 전력 트랜지스터는 크기는 동일하지만 서로 위상이 반대인 동일한 입력 신호를 함께 수신합니다. . 이로 인해 하나의 트랜지스터가 입력 파형 사이클의 절반 또는 180o만 증폭하는 반면 다른 트랜지스터는 입력 파형 사이클의 나머지 절반 또는 나머지 180o 를 증폭하여 결과 "두 개의 절반"이 출력에서 ​​다시 합쳐집니다. 단말기.

그러면 이 유형의 증폭기 회로에 대한 전도각은 입력 신호의 180 ° 또는 50%에 불과합니다. 트랜지스터에 의한 교대로 반주기가 밀고 당기는 효과는 이러한 유형의 회로에 재미있는 "푸시-풀" 이름을 부여하지만 아래 표시된 것처럼 일반적으로 클래스 B 증폭기 로 알려져 있습니다.

클래스 B 푸시풀 변압기 증폭기 회로

 

위의 회로는 중앙 탭이 균형 잡힌 입력 변압기를 사용하는 표준 클래스 B 증폭기 회로를 보여줍니다. 이 변압기는 들어오는 파형 신호를 두 개의 동일한 절반으로 나누고 서로 180 도 위상이 다릅니다. 출력의 또 다른 중앙 탭 변압기는 부하에 증가된 전력을 제공하는 두 신호를 재결합하는 데 사용됩니다. 이러한 유형의 변압기 푸시풀 증폭기 회로에 사용되는 트랜지스터는 모두 이미터 단자가 함께 연결된 NPN 트랜지스터입니다.

여기서 부하 전류는 출력 전압과 전류를 0으로 감소시키는 신호 사이클 전반에 걸쳐 한 장치에서는 감소하고 다른 장치에서는 증가함에 따라 두 개의 전력 트랜지스터 장치 간에 공유됩니다. 결과적으로 출력 파형의 양쪽 절반이 이제 대기 전류의 0에서 두 배로 스윙하여 손실을 줄입니다. 이는 증폭기 효율을 약 70%로 거의 두 배로 높이는 효과가 있습니다.

입력 신호가 없다고 가정하면 각 트랜지스터는 정상적인 대기 콜렉터 전류를 전달하며 그 값은 차단 지점에 있는 베이스 바이어스에 의해 결정됩니다. 변압기가 정확히 중앙 태핑된 경우 두 컬렉터 전류는 반대 방향(이상적인 조건)으로 흐르고 변압기 코어의 자화가 없어 왜곡 가능성이 최소화됩니다.

드라이버 변압기 T1 의 2차측에 입력 신호가 존재할 때 트랜지스터 베이스 입력은 그림과 같이 서로 "역위상"이 됩니다. 따라서 TR1 베이스가 양극으로 전환되어 트랜지스터를 과도하게 구동하면 컬렉터 전류가 증가합니다. 그러나 동시에 TR2 의 베이스 전류 는 차단 단계까지 음으로 변하고 이 트랜지스터의 콜렉터 전류는 같은 양만큼 감소하며 그 반대도 마찬가지입니다. 따라서 음의 절반은 하나의 트랜지스터에 의해 증폭되고 양의 절반은 다른 트랜지스터에 의해 증폭되어 이러한 푸시-풀 효과를 제공합니다.

DC 조건과 달리 이러한 교류 전류는 가산 적이므로 2개의 출력 반주기가 결합되어 출력 변압기 1차 권선의 사인파를 재구성하고 부하 전체에 나타납니다.

클래스 B 증폭기 작동은 트랜지스터가 차단 시 바이어스되므로 DC 바이어스가 0이므로 각 트랜지스터는 입력 신호가 베이스 이미터 전압보다 클 때만 전도됩니다. 따라서 입력이 0이면 출력이 0이고 전력이 소비되지 않습니다. 이는 클래스 B 증폭기의 실제 Q 포인트가 아래와 같이 부하 라인의 Vce 부분에 있음을 의미합니다.

클래스 B 출력 특성 곡선

클래스 B 증폭기는 정지 상태(예: 입력 신호 없음)에 있을 때 트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않는다는 점에서 클래스 A 증폭기에 비해 큰 이점을 갖습니다. 따라서 출력 트랜지스터나 변압기에서 전력이 소비되지 않습니다. 입력 신호가 없는 경우에도 상당한 베이스 바이어스를 필요로 하여 많은 열을 발산하는 클래스 A 증폭기 스테이지와 달리 신호가 존재하지 않습니다.

따라서 증폭기의 전체 변환 효율(  )은 동등한 클래스 A  보다 크며 효율은 최대 70%에 달하므로 거의 모든 최신 유형의 푸시풀 증폭기가 이 클래스 B 모드에서 작동됩니다.

무변압기 푸시풀 증폭기

위의 클래스 B 증폭기 회로의 주요 단점 중 하나는 설계 시 밸런스드 센터 탭 트랜스포머를 사용하므로 구성 비용이 많이 든다는 것입니다. 그러나 설계에 변압기를 사용하지 않는 상보 대칭 클래스 B 증폭기라는 또 다른 유형의 클래스 B 증폭기가 있으므로 전력 트랜지스터의 상보 또는 일치 쌍을 대신 사용하여 변압기가 없습니다.

변압기가 필요하지 않기 때문에 동일한 출력량에 대해 증폭기 회로가 훨씬 작아지고 출력 신호의 품질에 영향을 미치는 표유 자기 효과나 변압기 왜곡이 없습니다. "무변압기" 클래스 B 증폭기 회로의 예가 아래에 나와 있습니다.

무변압기 출력단

 

위의 클래스 B 증폭기 회로는 파형의 각 절반에 대해 무료 트랜지스터를 사용하며 클래스 B 증폭기는 클래스 A 유형보다 훨씬 높은 이득을 갖지만 클래스 B 유형 푸시풀 증폭기의 주요 단점 중 하나는 일반적으로 크로스오버 왜곡(Crossover Distortion) 으로 알려진 효과입니다 .

바이폴라 트랜지스터가 전도를 시작하려면 약 0.7V(베이스에서 이미터까지 측정)가 필요하다는 것을 트랜지스터에 대한 튜토리얼에서 기억하기를 바랍니다. 순수 클래스 B 증폭기에서 출력 트랜지스터는 "ON" 작동 상태로 "사전 바이어스"되지 않습니다.

이는 이 0.7V 창 아래로 떨어지는 출력 파형의 일부가 두 트랜지스터 사이의 전환(한 트랜지스터에서 다른 트랜지스터로 전환할 때)으로 정확하게 재현되지 않고 트랜지스터가 전도를 중지하거나 시작하지 않음을 의미합니다. 특별히 일치하는 쌍이라 할지라도 정확히 제로 교차점에 있습니다.

파형의 각 절반(양수 및 음수)에 대한 출력 트랜지스터는 각각 전도되지 않는 0.7V 영역을 갖습니다. 결과적으로 두 트랜지스터가 정확히 동시에 "OFF"됩니다.

클래스 B 증폭기에서 크로스오버 왜곡을 제거하는 간단한 방법은 두 개의 작은 전압 소스를 회로에 추가하여 차단 지점보다 약간 높은 지점에서 두 트랜지스터를 바이어스하는 것입니다. 그러면 일반적으로 클래스 AB 증폭기 회로 라고 불리는 것이 제공됩니다 . 그러나 증폭기 회로에 추가 전압 소스를 추가하는 것은 실용적이지 않으므로 PN 접합을 사용하여 실리콘 다이오드 형태로 추가 바이어스를 제공합니다.

클래스 AB 증폭기

실리콘 바이폴라 트랜지스터가 전도를 시작하려면 베이스 이미터 전압이 0.7v보다 커야 한다는 것을 알고 있으므로 트랜지스터의 베이스 단자에 연결된 두 개의 전압 분배기 바이어싱 저항을 두 개의 실리콘 다이오드로 교체해야 합니다 . 이제 트랜지스터에 적용되는 바이어싱 전압은 이러한 다이오드의 순방향 전압 강하와 동일해집니다. 이 두 다이오드는 일반적으로 바이어싱 다이오드 또는 보상 다이오드 라고 하며 일치하는 트랜지스터의 특성에 맞게 선택됩니다. 아래 회로는 다이오드 바이어스를 보여줍니다.

클래스 AB 증폭기

클래스 AB 증폭기 회로는 클래스 A와 클래스 B 구성을 절충한 것입니다. 이 매우 작은 다이오드 바이어싱 전압으로 인해 입력 신호가 없을 때에도 두 트랜지스터가 약간 전도됩니다. 입력 신호 파형은 트랜지스터가 활성 영역에서 정상적으로 작동하도록 하여 순수 클래스 B 증폭기 설계에 존재하는 크로스오버 왜곡을 제거합니다.

입력 신호가 없을 때 작은 콜렉터 전류가 흐르지만 클래스 A 앰프 구성보다 훨씬 적습니다. 이는 트랜지스터가 파형의 절반 주기 이상 동안 "ON" 상태가 되지만 입력 신호의 180 ° ~ 360 ° 또는 50% ~ 100% 사이의 전도 각도를 제공하는 전체 사이클보다 훨씬 적은 기간 동안 "ON"이 된다는 것을 의미합니다. 사용된 추가 바이어싱의 양. 트랜지스터의 베이스 단자에 존재하는 다이오드 바이어싱 전압의 양은 추가 다이오드를 직렬로 추가함으로써 여러 배로 증가될 수 있습니다.

클래스 B 증폭기는 오디오 전력 증폭기 및 PA 시스템과 같은 고전력 애플리케이션의 경우 클래스 A 설계보다 훨씬 선호됩니다. 클래스 A 증폭기 회로와 마찬가지로 클래스 B 푸시풀 증폭기의 전류 이득( A i )을 크게 높이는 한 가지 방법은 출력 회로에 단일 트랜지스터 대신 달링턴 트랜지스터 쌍을 사용하는 것입니다.

증폭기에 대한 다음 튜토리얼에서는 클래스 B 증폭기 회로의 교차 왜곡 효과와 그 효과를 줄이는 방법을 자세히 살펴보겠습니다.