7.1 A급 증폭기
- 좁은 범위의 입력 신호의 변화로 교류부하선의 일부에서만 동작하는 증폭기
⇒ 소신호 증폭기(small signal amplifier)
- 출력신호가 교류부하선의 차단 및 포화 영역 사이에서 크게 스윙하는 증폭기
⇒ 대신호 증폭기(large signal amplifier)
- 그림 7.1과 같이 대신호나 소신호의 입력 신호가 항상 선형영역에서 동작
⇒ A급 증폭기(A class amplifier)
- A급 전력증폭기는 부하에 전력을 공급하는 역할을 하는 대신호 증폭기
⇒ 열 방출 문제가 발생, 케이스를 통해 주변의 공기로 열 방출
0 0
그림 7.1 기본 A급 증폭기의 동작 (반전)
- 그림 9.2(a)와 같이 직류(DC)부하선과 교류(AC)부하선은 동작점 에서 교차
(a)
0
교류부하선
(b)
0
교류부하선
직류부하선
그림 7.2 교류부하선 상의 중앙에 위치한 Q점과 최대 A급 신호출력
- 그림 7.2(b)와 같이 점이 교류부하선의 중앙에 있을 때 최대 A급 신호 발생
⇒ 는 를 중심으로 포화 전류값 과 차단 전류값 0까지 변화
⇒ 는 를 중심으로 차단값 에서 포화값 0까지 변화
⇒ 의 최대 진폭은 , 의 최대 진폭은 에 의해 결정 - 그림 7.3(a)는 점이 교류부하선의 중앙에서 이탈하여 차단점 근처에 위치
⇒ 출력신호의 변화는 차단영역에 의해서 제한
- 그림 7.3(b)와 같이 입력신호가 더 커지면 출력신호가 차단에 의해서 절단
(a) 차단에 의해 제한된 와
0
(b) 입력의 증가로 차단에 의한 절단 차단에
의한 절단
0
차단에 의한 절단
그림 7.3 차단영역 부근의 Q점
- 그림 7.4(a)는 점이 교류부하선의 중앙에서 이탈하여 포화점 근처에 위치
⇒ 출력신호의 변화는 포화영역에 의해서 제한
- 그림 7.4(b)와 같이 입력신호가 더 커지면 출력신호가 포화에 의해서 절단
(a) 포화에 의해 제한된 와 (b) 입력의 증가로 포화에 의한 절단 0
0
절단
절단
그림 7.4 포화영역 부근의 Q점
◉ 전력이득(Power Gain)
- 전력이득 는 입력전력에 대한 부하에서의 출력전력의 비로 식 (7.1)로 정의
⇒ 은 증폭기의 입력전력이고, 은 부하에 전달된 출력전력
⇒ 전압이득의 관계식을 적용하면 전력이득은 식 (7.2)로 표시
(7.1)
,
,
,
(7.2)- 전압분배 바이어스된 공통 이미터(CE)와 공통 컬렉터(CC) 증폭기 회로의 경우
⇒ 베이스에서 본 입력저항 과 총 입력저항
≃,
- 공통 컬렉터(CC) 증폭기의 입력저항 5kΩ, 부하저항 100Ω인 경우
⇒ 공통 컬렉터 증폭기의 전압이득은 ≃1
×
×
◉ 직류 무신호 전력(DC Quiescent Power)
- 입력신호가 없을 때의 트랜지스터의 소비전력은 점에서의 전압과 전류의 곱
⇒ 트랜지스터를 A급 증폭기로 사용할 때의 최대 전력
(7.3)
◉ 출력전력(Output Power)
- 출력전력은 부하전류의 실효값과 부하전압의 실효값을 곱한 값으로 표시
⇒ 점이 교류부하선 상의 중앙에 있을 때 최대 교류신호 발생
⇒ CE 증폭기에서 최대 첨두전압 폭 max, 첨두전류 폭 max
⇒ 출력전압의 실효값 , 출력전류의 실효값
max , max
max
,
max
max
max
(7.4)
◉ 효율(Efficiency)
- 직류 입력전력은 직류 전원전압과 전원으로부터 흐르는 전류의 곱으로 표시
⇒ 점 중앙에 위치, 전원전류 , 전원전압
- 증폭기의 효율은 직류 입력전력 에 대한 교류 출력전력 의 비로 정의
⇒ 공통 이미터 A급 전력 증폭기의 최대 효율
: 전력 효율
max
max
- A급 전력 증폭기의 최대 효율은 25%이므로 소신호 전력 응용에 제한적 사용
7.2 B급 및 AB급 푸시풀 증폭기
◉ B급 동작
- 입력의 양의 반주기 동안 선형 동작, 음의 반주기 동안 차단되도록 바이어스
⇒ B급 증폭기(B class amplifier)
- 그림 7.6은 입력의 변화에 따른 출력 파형의 관계를 나타내는 B급 동작을 표시
0
0
그림 7.6 기본적인 B급 증폭기의 동작 (비반전)
- 그림 7.7은 공통 컬렉터 증폭기(이미터 폴로어) 회로로 B급 증폭기를 구성
⇒ 동작점 가 직류부하선의 차단점에 위치하도록 바이어스
⇒ 증폭기는 차단영역 이상의 선형영역에서만 동작
⇒ 출력은 입력의 완전한 재현이 불가
+
트랜지스터 도통
트랜지스터 차단 0
+0.7
0
그림 7.7 공통 컬렉터 B급 증폭기
◉ B급 푸시풀 동작
- 그림 7.7의 회로에 음의 반주기 동안 동작하는 B급 증폭기를 추가한 회로
⇒ 변압기 결합형 회로, npn-pnp 쌍을 사용한 상보 대칭형 회로
⇒ B급 푸시풀 증폭기(B class push-pull amplifier)
- 그림 7.8은 입력과 출력 측에 변압기를 사용한 변압기 결합형 푸시풀 회로
⇒ 입력의 양의 반주기에 의 BE는 순방향, 의 BE는 역방향
⇒ 입력의 음의 반주기에 은 BE는 역방향, 는 BE는 순방향
⇒ 은 양의 반주기 동안만 ON, 는 음의 반주기 동안만 ON
npn
입력 변압기 출력 변압기
npn
그림 7.8 변압기 결합에 의해 구성된 B급 푸시풀 회로
- 그림 7.9는 2개의 이미터 폴로어를 사용한 상보형 B급 푸시풀 증폭기 회로
⇒ npn형과 pnp형 트랜지스터가 입력 주기에 따라 번갈아 동작
⇒ 0이므로 트랜지스터는 신호 전압에 의해서만 동작
⇒ 은 양의 반주기 동안 ON, 음의 반주기 동안 OFF
⇒ 는 음의 반주기 동안 ON, 양의 반주기 동안 OFF
+
-
ON
OFF
0
0
(a) 양()의 반주기 (b) 음()의 반주기
+
-
OFF
ON
0
0
그림 7.9 상보형 B급 푸시풀 동작
- 그림 7.10에서와 같이 0일 경우, 이어야 트랜지스터가 도통
⇒ 입력 신호의 교번 기간 동안 트랜지스터가 동작하지 않고 차단
⇒ -≤≤일 때 출력 파형의 교차 왜곡이 발생
-
ON
OFF 0
OFF
ON
OFF (교차 왜곡)
그림 7.10 B급 푸시풀 증폭기에서의 교차 왜곡
◉ AB급 푸시풀 동작
- 0일 때 트랜지스터가 로 바이어스되어 0일 때 도통 상태
⇒ B급 푸시풀 증폭기에서 발생하는 교차 왜곡 현상을 제거
⇒ AB급 푸시풀 증폭기(AB class push-pull amplifier)
- 그림 7.11은 전압분배 바이어스와 다이오드로 구성된 AB급 푸시풀 증폭기
⇒ 이고, 과 가 과 의 B-E 접합부 특성과 일치
⇒ , 이므로 : 전류 미러 효과
+
-
npn
pnp
A
그림 7.11 교차 왜곡을 제거하도록 바이어스된 푸시풀 증폭기
- 다이오드 전류 와 는 이나 에 옴의 법칙을 적용하여 계산 가능
,
- 그림 7.11에서 ≠이거나 다이오드와 트랜지스터의 열평형 상태가 상이
⇒ 온도 불안정에 따른 전위차가 발생하므로 열평형 상태 유지 필요 - 그림 7.12의 변압기 결합형 증폭기에서 입력측 변압기의 2차측에 0.7V를 인가
⇒ 변압기 결합형 B급 푸시풀 증폭기에서의 교차 왜곡 제거 가능
npn
npn +
0.7V
그림 7.12 변압기 결합형 푸시풀 증폭기에서의 교차 왜곡 제거
- 그림 7.13은 그림 7.11의 AB급 푸시풀 증폭기에서 에 대한 부하선을 표시
⇒ 교류 차단 전압은 와 에 의해 결정
⇒ 교류 포화 전류 는 식 (7.5)에 의해 결정
≃
(7.5)
교류부하선 직류부하선
,
∞
그림 7.13 상보 대칭형 푸시풀 증폭기의 부하선
- 그림 7.14(a)의 AB급 증폭기의 에 대한 교류부하선을 그림 7.14(b)에 표시
⇒ 교류부하선의 상측 끝에서 는 최소, 출력전류 는 최대
+
-
A
입력신호의 양의 반주기 동안 ON
(a) AB급 증폭기 회로
교류부하선
(b) 에 대한 교류부하선 그림 7.14 AB급 증폭기 회로에서 Q1에 대한 교류부하선
【예제 7.3】그림 7.15에서 출력전압과 전류에 대한 이상적인 최대 첨두값을 결정하라.
430Ω
430Ω +20V
-20V
16Ω
그림 7.15 예제 7.3의 회로
≃ V
≃
A
■
◉ 단일 공급전원 푸시풀 증폭기
- 그림 7.16과 같이 상보 대칭형 푸시풀 증폭기는 단일 전압원으로 구동 가능
⇒ 최대 이미터 출력전압은
이므로
+
그림 7.16 단일 전원 푸시풀 증폭기
【예제 7.4】그림 7.17에서 출력전압과 전류에 대한 이상적인 최대 첨두값을 결정하라.
470Ω +20V
22F
22F
470Ω
470F
50Ω
그림 7.17 예제 7.4의 회로
≃
V
mA
■
◉ B/AB급 전력
•최대 출력전력
- 출력전압의 최대 첨두값은 이고, 출력전류의 최대 첨두값은
,
,
,
(7.6)
•직류 입력전력
- 직류 입력전력은 직류 전원전압과 전원으로부터 흐르는 전류의 곱으로 표시
⇒ 각 트랜지스터는 반주기동안 전류를 흘리며 평균값은
,
•효율(Efficiency)
- A급 증폭기에 비해서 B급 및 AB급 증폭기가 효율이 높다는 것이 장점
⇒ 증폭기의 효율은 직류 입력전력에 대한 교류 출력전력의 비
,
max
max (7.7)
◉ 입력저항
- B급/AB급에서 상보적인 구조를 갖는 증폭기는 효과적인 2개의 이미터 폴로어
⇒ 입력저항은 6장의 이미터 폴로어의 입력저항과 동일
′ ′ (7.8)
【예제 7.5】그림 7.18에서 증폭기의 최대 교류 출력전력과 최대 직류 입력전력을 구하라.
+20V
1000F
8Ω
470Ω
22F
22F
470Ω
그림 7.18 예제 7.5의 회로
≃
V : 출력전압의 첨두값
≃
A : 출력전류의 첨두값
× × W : 최대 교류 출력전력
× × W : 최대 직류 입력전력
max
: 최대 전력효율
■
7.3 C급 증폭기
- 트랜지스터가 입력신호의 짧은 기간 동안만 도통, 대부분 차단영역에서 동작
⇒ A급/B급/AB급 증폭기보다 효율이 훨씬 좋고 큰 출력전압 발생
⇒ 출력 파형에 왜곡이 심하므로 고주파 동조 응용에 제한적 사용
⇒ C급 증폭기(C class amplifier)
- 그림 7.21(a)는 저항 부하를 갖는 공통 이미터 C급 증폭기의 기본 구조를 표시
⇒ 베이스 단에 -를 인가하여 차단점 이하로 바이어스 상태
- 그림 7.21(b)와 같이 트랜지스터가 첨두값 근처의 매우 짧은 기간 동안만 도통
⇒ 트랜지스터는 의 범위에서만 도통 상태
- 그림 7.21(c)와 같이 최대 컬렉터 전류는 , 최소 컬렉터 전압은
(a) 기본적인 C급 증폭기 회로
0
0
트랜지스터 ON
(b) 입력전압과 출력전류 파형
(c) 부하선 동작
+
-
그림 7.21 기본적인 C급 증폭기의 동작
◉ 전력손실
- 입력 주기의 짧은 기간 동안만 도통되므로 트랜지스터의 전력손실은 극소
⇒ 그림 7.22(a)는 컬렉터 전류의 펄스를 표시
0
0
0
0
(a) 컬렉터 전류 펄스 (b) 이상적인 C급 파형 그림 7.22 C급 증폭기의 파형
- 그림 7.22(b)는 컬렉터 전류와 컬렉터 전압의 이상적인 펄스 파형을 표시
⇒ 트랜지스터 도통 기간 동안 전류는 , 전압은
⇒ 트랜지스터 도통 기간의 전력손실과 평균 전력손실 계산
【예제 7.7】200kHz 신호에 의하여 C급 증폭기가 구동되고 있다. 트랜지스터는 1s동안 도통되고, 증폭기는 전체 부하선에 대하여 동작한다. 만일 100mA이
고 0.2V라면 평균 전력손실은 얼마인가?
×
× s s
× × mW
■
◉ 동조 동작
- 그림 7.23(a)는 병렬 공진회로(tank circuit)를 갖는 C급 증폭기 회로를 표시 - 그림 7.23(b)에서와 같이 각 입력주기 마다 컬렉터 전류의 짧은 펄스를 발생
⇒ 탱크회로의 진동을 유지시켜 정현파 출력전압 생성
(a) 기본회로 (b) 출력 파형
-
+
그림 7.23 동조된 C급 증폭기
◉ 최대 출력전력
- 탱크회로 양단의 첨두간 전압은 약 2이고 최대 출력전력은 식 (7.9)로 표시
⇒ 는 탱크회로의 코일저항과 부하저항의 등가 병렬 합성저항
,
(7.9)
- 증폭기에 공급되는 총 전력 와 효율은 각각 아래 식과 식 (7.10)으로 표시
⇒ ≫ 이면, C급 증폭기의 효율은 거의 1(100%)에 근접
(7.10)
【예제 7.8】예제 7.7의 C급 증폭기에서 24V, 100Ω일 때, 효율을 결정하라.
mW, V, Ω
×
W
■
