제 12 장 증폭기 (Amplifiers)

제 12 장 증폭기(Amplifiers) 12.1 BJT 증폭기 12.2 FET 증폭기 12.3 부하결합 12.4 다단 증폭기 12.5 동조 증폭기 12.6 전력 증폭기 12.7 연산 증폭기 Lee De Forest 전기전자공학개론

신호의 증폭 • 주어진 신호가 시스템 내에서 역할을 수행하기에 미약할 경우 원하는 크기로 신호를 증폭하여야 한다. • 증폭기는 전압, 전류 및 전력신호를 증대 시키는 전자 장비로서, 각종 계측기, 무선통신이나 방송 및 각종 오디오 장비 등에 주로 사용된다. 증폭기는 신호 증폭기와 전력 증폭기로 분류된다. • 신호증폭기들은 주로 무선 수신기에 사용되지만, 음향 중계기, 오디오 테이프 플레이어, CD 플레이어 등에도 사용된다. 신호증폭기는 수 나노볼트(10-9V) 정도의 매우 약한 입력신호를 취급하도록 설계되었다. • 전력증폭기는 무선 송신기, 방송송신기, 하이파이 오디오장비 및 모터나 각종 액츄에이터 등에서 사용된다 • 신호 : 전압이나 전류 등 전기량 • 증폭 : 입력된 전압이나 전류를 일정한 비율로 변환(크게/작게)시키는 과정 전기전자공학개론

소신호 증폭의 사례 • 음향신호의 증폭 : 오디오 시스템 음압 전압신호 : 마이크(mA 단위의 미세전류) 전압신호 전류신호 : 전류증폭기 전류신호 기계적인 진동 : 스피커 (A 단위의 강전류) • 응력신호의 증폭 : 스트레인 게이지 스트레인게이지 : 물체의탄성변형검출 응력과변형률의관계: s = eE 변형량으로부터응력, 힘, 토크등을측정 전기전자공학개론

+ + Iin + + + + RO Iin Vout + Vout Vin Vout AxVin Ri Vin Vin Vout - AxVin Amplyfy - - - Vin Amplyfy Vin - - - 0 Common Reference Potential 증폭기의 기본 특성 • 이상적인 증폭기 : 왜곡없이 입력신호를 증폭 Vout=AxVin • 입력신호의 증폭실제 증폭기 : 입력저항과 출력저항이 존재 • 입력저항 Ri : 클수록 입력신호의 왜곡이 없다 • 출력저항 Ro : 작을수록 증폭된 신호의 선형성이 보장된다. • 증폭률 A : 원하는 증폭비로 조절할 수 있다. Iout • 트랜지스터/FET를 이용한 증폭기 –전류증폭을 통한 작동기 구동과 스위칭 용으로 주로 사용되나, 비선형적인 증폭특성 때문에 현대에는 신호증폭 용으로의 사용은 줄고있다 • OP 앰프 증폭기 –뛰어난 선형성과 넓은 밴드폭 등의 장점이 있어 소신호 증폭용으로 널리 사용되고 있다. 전기전자공학개론

쌍극성 트랜지스터 • 이미터 공통 증폭기: 컬렉터는 부하와 연결되고 이미터는 접지와 연결된 형태의 증폭기 • 실제적으로 완전한 쌍극성 트랜지스터 증폭기 • 전압분배 바이어스 회로-왜곡 없이 소신호를 증폭하기 위한 최적의 Q점 확보 • 신호는 베이스로 입력, 부하는 컬렉터에 접속 • 결합 커패시터 Cin : 부하를 연결할 때 발생하는 Q 점의 변동을 막는 역할 • 이미터 안정화 저항 RE : 바이어스의 안정화, 그러나 교류신호에 대해 이득을 저하시키는 작용을 함 • 측로 커패시터 Cby : 교류 신호에 대해 RE를 단락시킨 것과 같은 역할 • 모든 커패시터와 직류 전원은 교류에 대해서는 단락회로와 같이 작용한다. 전기전자공학개론

교류신호에 대한 이미터 공통 증폭기의 작동 • 교류신호이므로 모든 커패시터를 단락으로 가정 회로의 간략화 교류신호 교류 등가회로 간략화 된 교류 등가회로 전기전자공학개론

교류신호에 대한 이미터 공통 증폭기 • 전압이득 : 간략화 된 교류 등가회로를 기준으로 해석 • B-E 루프에서 KVL에 의해 • C-E 루프에서 출력전압 vo는 옴의 법칙에 의해 • 따라서 전압이득 Av는 • 전류이득 : Ai=io/is로 정의된다 • 등가회로에서 • 전류분배에 의해 • 그러므로 전류이득 Ai는 • 입력 임피던스와 출력 임피던스 • 입력단은 B-E, 출력단은 C-E • 입력 임피던스(Zi=rp) : 신호원의 저항을 제외하고 입력단에 연결된 총저항 • 출력 임피던스(Zo=RC) : 부하저항을 제외하고 출력단에 연결된 총 저항 • 쌍극성 트랜지스터 증폭기는 입력 임피던스는 작을수록, 출력 임피던스는 클수록 좋다 전기전자공학개론

다른 유형의 트랜지스터 증폭기 • 컬렉터 공통 증폭기 • 베이스 공통 증폭기 • 이 두 유형의 증폭기는 이미터 공통 증폭기와는 달리 증폭이 아닌 특수한 목적으로 사용된다. 전기전자공학개론

Q 리액턴스가 매우 크므로 개방 회로와 같다. R B C S i i i o + b c + b v i r R v i RFC p s - b L o s - E E 인덕터를 통한 부하 결합 • 이미터 공통 증폭기의 작동특성 분석 : 컬렉터 저항 RC의 영향 • 전압이득 의 측면에서 RC가 클수록 유리 • 전류이득 의 측면에서 RC가 클수록 이득이 –b에 근접 • 인덕터를 사용한 부하결합-교류에 대한 RC의 부하효과를 없애 전압이득을 극대화 • RFC(radio frequency choke) RFC의 권선저항이 매우 낮으므로 직류에 대해서는 거의 단락기능, 매우 높은 리액턴스를 갖으므로 교류에 대해서는 거의 개방기능 • 전압이득은 위 식에서 RC가 무한대이므로 • 전류이득은 RC대신 무한대를 대입하므로 전기전자공학개론

변압기를 이용한 부하결합 • 부하저항이 매우 작은 경우, 인덕터를 사용하여도 더 이상 이득을 증가시킬 수 없다 • 변압기 T를 통하여 부하결합-변압기로는 직류가 전달되지 못하므로 부하 RL은 직류 바이어스 회로에 영향을 끼치지 않으면서 증폭기와 교류적으로만 결합된다. • 저항 RL과 양단 전압 vo및 전류 io를 일차측으로 환산 • 트랜스의 일차측과 이차측의 권선비 Tr=N1/N2 • 변환된 임피던스 • 전압이득 • 전류이득 • Tr을 1보다 충분히 크게 하면 전압이득과 전류이득을 증가시킬 수 있다 전기전자공학개론

FET 증폭기 • 소스공통 증폭기-입력 신호원은 게이트에 입력되며, 부하는 결합 커패시터를 통헤 드레인에 접속된다. • 전압이득 • 입력신호 , 출력전압 • 전압이득 • 입력임피던스 , 출력 임피던스 • FET증폭기는 입력 임피던스와 출력 임피던스 모두가 클수록 이득이 커진다 • FET 증폭기의 이득은 트랜지스터 증폭기에 비하여 낮지만 전류의 전도에 한가지만의 캐리어를 사용하기 때문에 두 가지 캐리어를 사용하는 쌍극성 트랜지스터에 비하여 잡음이 작다 회로의 간략화 교류회로 전체회로 교류등가회로 전기전자공학개론

L R 출 력 9V CC V 455㎑ T3 0.05㎌ 4 C 680Ω 5 R 2 Q 1.2㏀ 18㏀ 4 3 R R 455㎑ T2 0.05㎌ 3 C 0.05㎌ 2 C 1 Q 680Ω 2 R 68㏀ 1 R 0.05㎌ 1 C 455㎑ T1 신호 입력 v s S R in C - + 다단 증폭기 • 증폭기 하나로는 충분한 이득을 얻을 수 없는 경우 두 개 이상의 증폭단을 직렬로 결합하여 전체 이득을 높일 수 있다 • RC결합-앞 단의 직류성분이 다음 단으로 입력되지 않아 Q 점의 변동이 없다 • 인덕터 결합, 변압기 결합 전기전자공학개론

동조 증폭기 • 광대역 증폭기(wideband amplifier)-넓은 주파수 대역에 걸쳐 일정한 이득을 내는 증폭기 • 협대역 증폭기(narrowband amplifier) • 특정한 주파수 대역의 신호만을 선별하여 증폭 • 동조 증폭기(tuned amplifier)라고도 함 • 병렬공진 회로와 결합하여 사용 • RLC 병렬공진회로 병렬공진회로의 복소 임피던스 공진주파수-분모의 허수부가 0이 되는 주파수 전기전자공학개론

동조증폭기 • 이미터 공통 증폭기의 컬렉터 저항 RC를 RLC 병렬공진회로로 대체하면 증폭률은 병렬공진회로의 임피던스 Z에 대하여 다음과 같이 주어진다 최대 교류회로 공진회로의 저항 중심 주파수 최대 전압이득 선택도 대역폭 전기전자공학개론

변압기 결합 동조증폭기 • 부하저항값이 낮은 경우 • 등가저항 R(=RC||RL)이 낮아져 증폭률을 높일 수 없다 • 변압기를 통하여 부하를 결합하면 권선비 조절을 통해 원하는 R값을 얻을 수 있다 전기전자공학개론

V CC +12.5V T R + B 10-Ω Z Z 5.6㏀ v p s o 스피커 50Ω 10Ω - C R in S Q 50㎌ + 교류 v 입력 - s 전력 증폭기-A급 증폭기 • 대신호(large signal) • 작동기의 구동에는 다량의 전력이 소모된다 • 증폭시스템의 최종단은 거의 항상 전력증폭기가 담당 • 일반증폭기에 비해 다량의 열 발생 • 전력증폭기에서는 이득보다 증폭기의 효율이 매우 중요 출력교류전력 %효율= 총 공급된 직류전력 • A급 증폭기 • 하나의 트랜지스터가 교류 신호 전체를 증폭 • Q 점의 위치변동이 신호의 왜곡을 초래하므로 주의필요 • 오디오 증폭기의 전형적인 형태 • 정해진 작동영역 내에서 교류파형 전체를 증폭해야 하므로 효율이 30% 이하이다 전기전자공학개론

전력증폭기-B급 증폭기 • B급 푸쉬-풀 증폭기 • 두 개의 트랜지스터를 사용하여 양의 교류 사이클과 음의 교류 사이클을 분리하여 증폭 • 전력효율을 크게 높일 수 있다. • 두 트랜지스터 모두 베이스-이미터 간에는 바이어스 전압이 없다 전기전자공학개론

전력증폭기-AB급 증폭기 • 교차왜곡-B급 증폭기는 turn on 전압때문에 0점 교차시 신호의 왜곡이 발생한다 • AB급 동작 • 각 트랜지스터를 도통 직전의 상태로 바이어스 전압을 걸어주면 교류전압이 실리는 순간 바로 도통이 될 수 있어 교차왜곡의 제거가 가능하다 • AB급 증폭기는 신호가 없는 상태에서도 약간의 전류가 흐르므로 B급 증폭기에 비해 약간의 효율이 떨어진다(약 70%) • 트랜지스터 라디오 수신기에서 사용 전기전자공학개론

연산 증폭기(Operational Amplifier) • 1960년대 IC의 집적기술을 이용하여 이상적인 증폭기 특성에 가깝도록 집적화한 증폭기 • 연산(신호의 처리)을 위해 사용하는 차동 증폭기 • 구성 : 2 개의 입력단자(Vp,Vn), 하나의 출력단자, VCC와 VEE의 전원입력 • IC 칩의 다리 번호 부여 원칙 • 칩의 포면에는 오목한 반원형 홈이 있다. • 홈을 좌측으로 위치시킨 후 왼쪽 아래에 위치한 다리가 1 번 • 반시계 방향으로 돌면서 번호증가 Vn Vp 전기전자공학개론

연산증폭기의 특징 • 특징 • A = 105이상의 전압이득 • 거의 무한대인 주파수 대역 : 1MHz typically • 입력 임피던스 : 내부로 유입되는 전류 0 • 출력 임피던스 0 : 신호의 왜곡없이 출력 • Golden Rule • 출력전압은 두 입력간의 전위차를 0 으로 만든다 • 회로 내부로 유입되는 전류는 0 이다. • 741 OP앰프 • 가장 일반적인 범용 OP 앰프 • 칩 내에 하나의 앰프 내장 • 양 전원 사용(+15V/-15V) • 2904 단전원 OP 앰프 • 단전원(5V/0V)으로 작동, 한 칩 내에 두 개의 연산증폭기 내장 • 연산증폭기는 사용목적에 따라 다양한 유형 (단전원/고정밀/고이득/고속/저소비전력/ 저드리프트 등)존재 전기전자공학개론

반전증폭기 • OP 앰프의 기본회로 • 신호의 반전/증폭 • 증폭비 조절 가능 • Rule 1 : VA = VB = 0 V • Rule 2 : OP앰프내로 흘러 들어가는 전류는 0 • I1 = I2 • I1 = Vin/R1, I2 = (0-Vout)/R2 • Vin/R1 = -Vout/R2 • 그러므로, Vou /Vin =- R2 /R1 • 실제 회로 제작시 유의사항 • R1 (입력저항) : 1k - 10kW 사용 • R2 (이득저항) : • 원하는 이득이 확실할 경우 : 계산 • 원하는 이득이 가변일 경우 : 포텐시오미터 사용 • RL(부하저항) : 10kW,출력전압의 요동 방지 • 주의사항 : OP 앰프 주변에서는 • 1MW이하의 저항만 사용! 전기전자공학개론

비반전/합산 증폭기 • 비반전 증폭기 • 반전 증폭기에서 부수적으로 도출된 회로 • 증폭비는 1 이상 (신호의 감축은 불가능) • Rule 1 : VA = Vin • Rule 2 : VA = R1/(R1+R2) Vout = Vin 그러므로, Vout /Vin = (1+R2/R1) • 항상 1 보다 큰 증폭비 • 합산증폭기 • 여러 신호의 합산 및 평균 • 반전 합산회로 • R1=R2=R3=R4=4RF : 평균연산 • Rx : 내부전압 보정용 저항 Rx = R1//R2//R3//R4 //Rf 4개 저항의 병렬합 전기전자공학개론

R R V1 R V2 - R + V3 + v R o L - R R V4 기타 연산회로 • 차동증폭기 • 두 입력신호의 차이를 증폭 • 합산-차동 복합회로 • 합산회로와 차동회로의 복합 • 등배증폭의 경우에 적용가능 • 전압추종기 • 입력전압과 출력전압이 동일 • 전압신호의 임피던스를 높이는 역할 • 입력신호와 출력신호간의 상호 영향 차단 전기전자공학개론

노이즈 트리거(Schmitt trigger) 전기전자공학개론

펄스폭 변조기(PWM) 전기전자공학개론

정류기(Rectifier) 반파정류 전파정류 전기전자공학개론

Peak detector 전기전자공학개론

미분/적분기 • 입력신호의 미분 • 반전 미분연산 • 작동 주파수 f=1/(2pRC) • 설계순서 • 최저 주파수 f 선택 • C < 1mF 인 C 선정 • 저항 R 계산 • 입력신호의 적분 • 반전 적분연산 • 작동 한계 주파수 f=1/(2pRC) • 설계순서 • 최고 주파수 f 선택 • C < 1mF 인 C 선정 • 저항 R 계산 전기전자공학개론

필터회로 • 연산증폭기를 사용하여 주파수에 선택적으로 작동하는 회로를 설계할 수 있다. • 저역통과필터(LPF) : 저주파 신호만을 통과시킨다. • 고역통과필터(HPF) : 고주파 신호만을 통과시킨다. • 대역통과필터(BPF) : 특정 주파수 대역의 신호만을 통과시킨다 • 대역저지필터(BRF) : 특정 주파수 대역의 신호만을 걸러낸다. • 다양한 종류의 필터 회로들이 실용화 되어 있다. • Bessel Filter, Butterworth Filter, Chebyshev Filter • 신호의 선형성은 Butterworth Filter 가 가장 양호하다. 전기전자공학개론

1차 Butterworth 저역통과필터 • 차단주파수 fH이상의 주파수를 갖는 신호성분을 걸러내는 저역통과필터 • 1차 Butterworth : 차단특성은 decade당 -20dB • 설계순서 • 차단주파수 fH를 선정한다 • 1 mF 이하의 범위에서 커패시터를 선정한다(0.1 mF 정도면 적당하다) • R 값을 fH식으로부터 계산한다 • 통과대역에서의 이득 AF를 계산하여 결정한다. 전기전자공학개론

1차 Butterworth 고역통과필터 • 차단주파수 fL이하의 주파수를 갖는 신호성분을 걸러내는 고역통과필터 • 1차 Butterworth : 차단특성은 decade당 -20dB • 설계순서 • 차단주파수 fL을 선정한다 • 1 mF 이하의 범위에서 커패시터를 선정한다(0.1 mF 정도면 적당하다) • R 값을 fL식으로부터 계산한다 • 통과대역에서의 이득 AF를 계산하여 결정한다. 전기전자공학개론

대역통과(저지) 필터 • 고역통과 필터와 저역통과 필터를 직렬로 연결하여 대역통과 필터를 만들 수 있다. • fL=200Hz, fH=2kHz 인 대역통과 필터를 설계한다. • 설계순서는 앞서의 각 필터의 설계순서와 동일하다. 전기전자공학개론

리포트 • 홈페이지에 게시된 12장 연습문제를 풀어오세요 전기전자공학개론

제 12 장 증폭기 (Amplifiers)