Chapter 9 전력 증폭기

목 표 개 요 전력 증폭기는 대신호 증폭기로 소신호 증폭기보다 부하선상의 더 큰 신호동작에서 사용됨을 의미 목 표 A급, B급, AB급, C급 전력증폭기의 동작 해석 및 고찰 개 요 전력 증폭기는 대신호 증폭기로 소신호 증폭기보다 부하선상의 더 큰 신호동작에서 사용됨을 의미 전력 증폭기는 통신시스템의 송수신기의 최종 단에 적용 증폭기의 분류는 증폭기가 선형영역에서 동작하기 위한 입력주기의 비율에 근거

9-1. A급 증폭기 A급 증폭기 – 입력신호에 대해 증폭된 신호가 선형영역이 되도록 바이어스 된 증폭기 부하에 전력을 제공하는 것이 목적인 대신호 증폭기 전력증폭기 – 열 방출을 고려(cooling fan, heat sink) Fig 9-1 amplifier 기본 A급 증폭기

A급 증폭기의 Q점은 교류 부하선의 중앙에 위치 Q점을 중심으로(ICQ, VCEQ) 컬렉터 전류 Ic : Ic(sat) ~ 0, 컬렉터-이미터 전압 Vce(cutoff) ~ 0 Q점이 교류부하선의 중앙에 위치하지 못하면 출력신호는 제한 받음 Fig 9-2 b AC load line Q점이 중앙에 위치할 때 최대 A급 신호 출력

Q점이 차단영역으로 접근 Fig 9-2 b AC load line Q점이 포화영역으로 접근

Ap = PL/Pin , Ap = Av2(Rin/RL) 전력 이득 전력증폭기는 부하에 전력을 전달 전력이득(Ap)은 부하에 전달된 전력과 입력전력간의 비 전력이득은 변수에 따라 여러 가지 공식으로 표현 가능 (전압값은 실효값으로) PL = V2L/RL , Pin = V2in/Rin Ap = PL/Pin , Ap = Av2(Rin/RL) 입력신호가 없을 때의 TR의 전력소모는 동작점에서의 전압과 전류의 비 PDQ=ICQVCEQ 출력 전력 출력전력은 실효부하전류와 실효부하전압의 곱 Pout = V L(rms)IL(rms) A급 증폭기의 최대 출력은 Pout(max) = 0.5VCEQICQ

effmax = Pout/PDC =0.5 ICQVCEQ/2 ICQVCEQ=0.25 효 율 효율은 교류출력전력과 직류입력전력의 비 평균 전력입력전류 ICC는 ICQ, 입력전압은 2VCEQ 직류 전력은 PDC=ICCVCC=2ICQVCEQ 커패시터 결합 A급 증폭기의 최대효율은 25% effmax = Pout/PDC =0.5 ICQVCEQ/2 ICQVCEQ=0.25 변압기를 이용하여 효율을 증가시킬 수 있지만 전위의 일그러짐 현상과 비용, 크기 등에 결점 A급 증폭기는 아주 작은 부하전력이 요구되는 응용분야에서 사용

9-2. B급과 AB급의 푸쉬풀 증폭기 B급 증폭기 - 입력주기의 180°에서는 직선영역에서 나머지 180°에서는 차단되도록 바이어스된 증폭기 AB급 증폭기 - 180°이상의 영역에서 동작되도록 바이어스된 증폭기 장점 – A급 증폭기보다 더 효율적이므로 주어진 입력 전력의 크기보다 더욱 큰 출력전력의 획득이 가능 단점 – 입력파형의 충실한 재현을 위한 회로구성이 복잡 전주기를 증폭시키기 위해 푸시풀 구성 도입 Fig 9-6 class B amp 기본 B급 동작

차단영역에서의 Q점 – B급 증폭기는 차단점(ICQ=0, VCEQ=VCE(cutoff))에서 바이어스 양의 반주기 동안만 동작하므로 전주기에 대해 동작이 가능하도록 Push-pull 동작이 필요 Push-pull의 형태 : 변압기 결합, 상보형 트랜지스터 Fig 9-7 com. coll. class B amp 공통 컬렉터 B급 증폭기

B 급 푸시풀 동작 변압기 결합 Push-pull 구성 – 입력변압기가 센터 탭 되어 입력 신호에 대해 다른 한쪽이 위상 반전되도록 하여 두 개의 신호가 발생됨으로써 입력신호의 양의 주기에서는 Q1이 음의 주기에서는 Q2가 동작하여 두 개의 신호가 출력변압기에 의해 결합되는 동작 Fig 9-8 transformer coupled push-pull 변압기 결합의 푸시풀 회로

직류 바이어스 전류가 인가되지 않음으로 입력신호에 의해 TR이 도통되는 특징을 갖는 가장 일반적인 Push-pull 회로 상보형 트랜지스터 Push-pull 구성 – 두개의 이미터 플로어를 결합한 형태로 npn TR(Q1)은 입력신호의 양의 주기에서 도통, 음의 주기에서는 pnp TR(Q2)가 음의 주기에서 도통되는 형태 직류 바이어스 전류가 인가되지 않음으로 입력신호에 의해 TR이 도통되는 특징을 갖는 가장 일반적인 Push-pull 회로 Fig 9-9a&b class B amp 상보형 TR 푸시풀 회로의 동작

교차 일그러짐(교차왜곡 ; crossover distortion) B급 증폭기의 단점은 직류 베이스 전압이 0일 때 TR이 도통 하려면 입력신호 전압이 장벽전압(VBE) 보다 커야 되므로 일정 구간에서 출력이 나타나지 않는 구간이 존재하는 것 Fig 9-10 crossover distortion B급 증폭기의 교차 일그러짐

교차 일그러짐을 제거하도록 바이어스된 푸시풀 증폭기 AB 급 동작을 위한 푸시풀 증폭기의 바이어스 교차 일그러짐의 해결은 TR의 VBE가 극복되도록 바이어싱 ⇒푸시풀 단에 입력신호가 없을 때에도 다소 동작상태에 있도록 바이어싱 전류미러(current mirror) : ⇒ 교차일그러짐 현상 제거(AB급 동작) ⇒ D1과 D2의 다이오드 특성과 TR의 베이스-이미터 접합부의 특성과 같으면 다이오드에서의 전류와 TR의 전류가 같아지는 현상 다이오드의 전압강하와 TR의 전압강하가 같으면 ICQ=(VCC-0.7V)/R1 Fig 9-11 push-pull 교차 일그러짐을 제거하도록 바이어스된 푸시풀 증폭기

열 폭주 현상(thermal runaway) – TR의 전압강하가 다이오드 에서의 전압강하가 일치하지 않거나 다이오드와 TR의 온도 평형이 맞지 않으면 컬렉터 전류는 온도 불안정에 따른 전위차 발생(베이스-이미터 전류 증가) 변압기 결합증폭기에서도 교차 일그러짐 발생 Fig 9-13 load line 변압기 결합 푸시풀 증폭기

교류동작 – Q 점은 차단영역보다 다소 높게 위치 차단 전류는 Ic(sat) =VCC/RL 직류 부하선은 VCEQ와 직류차단전류인 IC(sat)를 통과 포화전류 I C(sat)는 양쪽트랜지스터의 컬렉터-이미터가 단락되면서 만들어지는 전류 ⇒ 두 전원의 단락으로 최대 전류 발생(TR 파괴) Fig 9-13 load line 상보형 대칭 푸시풀 증폭기의 부하선

트랜지스터 Q1과 Q2는 서로 교차하면서 차단과 포화상태 양의 주기 – Q1의 이미터는 Q 점에서 0 ~ +VCC로 변화 A급의 동작에서는 Q 점은 중앙에 위치, 무신호시에도 전류 흐름 B급은 무신호시에는 아주 작은 전류가 흐르므로 전력소모는 거의 0 B급 증폭기의 효율은 79% Fig 9-13 load line AB급 증폭기

두 개의 전원일 경우 출력이 0V 이지만 단일 전원이면 VCC/2 단전원 푸시풀 증폭기 두 개의 전원일 경우 출력이 0V 이지만 단일 전원이면 VCC/2 출력이 0V 가 아니기 때문에 입력과 출력에 대한 커패시터 결합은 소스와 부하저항으로부터 바이어스 전압을 제거 출력 전압은 0~VCC까지 변화 가능하나 현실적으로 불가능 Fig 9-16 1 supply push-pull amp 단전원 푸시풀 증폭기

PDC = VCCICC=VCC (Ic(sat)/π) B/AB급 전력 최대 출력 전력 Pout = 0.25VCCIc(sat) 직류 입력 전력 PDC = VCCICC=VCC (Ic(sat)/π) 효율 Efficiency = Pout/PDC B급(AB급은 약간 적음)의 최대 효율은 79%. 입력저항 Rin=βac(r’e+RE) RE=RL이므로 Rin=βac(r’e+RL)

저저항 부하를 가진 응용에서 구동 증폭기에 대한 입력저항을 증가시켜 심각한 전압이득의 감소를 방지 달링턴 AB급 증폭기 저저항 부하를 가진 응용에서 구동 증폭기에 대한 입력저항을 증가시켜 심각한 전압이득의 감소를 방지 Fig 9-19 darlington push-pull amp AB급 달링턴 증폭기

장점 – 바이어스회로가 간단하고 구동 조건 단순하며 추가되는 구동에 대해 병렬로 연결이 가능하며, 온도의 불안정에 대해 강점 MOSFET 푸시풀 증폭기 MOSFET 푸시 풀 증폭기는 BJT에 비해 장점 – 바이어스회로가 간단하고 구동 조건 단순하며 추가되는 구동에 대해 병렬로 연결이 가능하며, 온도의 불안정에 대해 강점 단점 – TR에서의 전압강하가 필요할 때 정확한 값의 발생이 곤란하며, 정전기 방출에 대해 취약 MOSFET 푸시풀 증폭기

9-3. C급 증폭기 180°미만에서도 도통이 될 수 있도록 한 증폭기 효율이 다른 증폭기에 비해 훨씬 높은데 이는 더 큰 출력 전류의 획득이 가능함을 의미 출력파형이 심하게 일그러지므로 고주파의 동조증폭기에서 한정적으로 응용 Fig 9-22 basic class C amp C급 증폭기의 동작

C급 동작 – TR은 (-)VBB 전원에 의해 차단점 이하로 바이어스 교류 신호원 전압의 첨두값이 VBB+VBE보다 약간 크므로 입력 주기의 정(+)의 첨두값 부근에서 짧은 기간 동안만 TR이 도통 Fig 9-23a&b class c amp and input and output waveforms 기본 C급 동작

PD(on) = VCE(sat)IC(sat) PD(avg) = (ton/T)(VCE(sat)IC(sat)) 전력 손실 전력손실 – TR이 짧은 기간 동안만 도통 되므로 전력손실이 적음 도통 기간의 전력손실은 PD(on) = VCE(sat)IC(sat) PD(avg) = (ton/T)(VCE(sat)IC(sat)) Fig 9-24a&b class c pulses C급 파형

C급 증폭기는 출력이 입력파형과 다르기 때문에 선형적 응용에서는 무의미 ⇒ 병렬공진회로(tank)를 이용 동조 동작 C급 증폭기는 출력이 입력파형과 다르기 때문에 선형적 응용에서는 무의미 ⇒ 병렬공진회로(tank)를 이용 탱크회로의 공진주파수는 최대 출력 전력 Pout = 0.5VCC2/RC 효율은 거의 100% Fig 9-25a&b 동조된 C급 증폭기

Fig 9-25a&b 공진회로 동작 탱크회로의 진동