Ch. 9 전력 증폭기 (Power Amplifier)

9-1 A급 증폭기 전력증폭기 소신호 증폭기 대신호 (large-signal) 증폭기 전력증폭기는 대신호 증폭기이다. 증폭기의 용도를 결정하는 기준 중 하나인 잡음, 이득, 전력 중에서 전력에 집중하여 만드는 증폭기 일반적으로 스피커나 송신안테나에 신호전력을 제공하기 위하여 통신장비의 수신기나 송신기의 최종단에 적용된다. 상당량의 열을 방출해야한다.  열방출이 용이하도록 면적이 큰 케이스 사용 소신호 증폭기 전체 교류 부하선의 일부분에서만 동작 대신호 (large-signal) 증폭기 출력신호가 교류부하선의 한계에 있거나 넘어가면 대 신호 형태를 갖음 증폭기가 선형영역에서 동작하기 위한 입력주기의 비율 A급, B급, C급, AB급

9-1 A급 증폭기 중앙에 위치한 Q점 입력주기의 전주기 (360°)에 대해서 선형영역에서 동작 Q점이 중앙에 있을 때 최대 A급 신호를 얻을 수 있다.

9-1 A급 증폭기 입력신호가 너무 큰 경우

9-1 A급 증폭기 Q점 중앙 이탈 차단영역 부근 – 차단에 의한 제한

9-1 A급 증폭기 Q점 중앙 이탈 포화영역 부근 – 포화에 의한 제한

9-1 A급 증폭기 대신호 부하선 동작 Ib Ic ICQ IBQ VCQ

9-1 A급 증폭기 직류 부하선 IC VCE VCE = VCC – ICRC – IERE = VCC – IC(RC+RE) IC = VCC/(RC+RE) – VCE/(RC+RE) VCE IC IC(sat) = VCC/(RC+RE) VCE(cut-off) = VCC when VCE = 0V when IC = 0A

9-1 A급 증폭기 교류 부하선 IC Rc = RC//RL VCE IC  : Q점  포화  : Q점  차단  IC = ICQ  VCE =ICRc = ICQRc Vce(cutoff) = VCEQ+ VCE = VCEQ+ ICQRc VCE = VCEQ  IC = VCE/Rc = VCEQ/Rc Ic(sat) = ICQ+ IC = ICQ+ VCEQ/Rc

9-1 A급 증폭기 부하선 VCC/(RC+RE) VCC ICQ+ VCEQ/Rc VCEQ+ ICQRc

9-1 A급 증폭기 전력 이득 무신호 전력 Ap = AvAi 전압분배 바이어스의 경우 CE,CC 증폭기에서 입력신호가 없을 때 BJT의 소비전력 동작점에서의 전압과 전류의 곱으로 나타난다. PDQ = ICQVCEQ

9-1 A급 증폭기 출력전력 VCEQ/Rc VCEQ Pout = IcVce = (컬렉터 전류의 실효값)(컬렉터-이미터 전압의 실효값) 실효값 = 첨두값/ =0.707 첨두값 포화영역근처의 Q점 VCEQ/Rc VCEQ

9-1 A급 증폭기 출력전력 차단영역근처의 Q점 중앙에 위치한 Q점 ICQ ICQRc ICQ VCEQ

9-1 A급 증폭기 전력증폭기의 효율 직류입력전력 (직류입력전력) = (직류전원전압)(전원으로부터 흐르는 전류) 교류 출력 전력과 직류 입력 전력의 비 ( ) 직류입력전력 (직류입력전력) = (직류전원전압)(전원으로부터 흐르는 전류) Q점이 중앙에 있을 때 직류입력전력: PDC = VCCICC = (2VCEQ)(ICQ) 증폭기 효율 : max = Pout/PDC = (0.5VCEQICQ)/(2VCEQICQ) = 0.5/2 = 1/4  25% 최대 효율이 25%를 넘지 못하며 실제는 보통 그보다 낮다 (약 10% 가량) A급 증폭기는 주로 아주 작은 부하전력이 요구되는 응용분야에만 사용된다.

9-1 A급 증폭기 Q. 그림의 A급증폭기의 전압과 전력이득을 구하고 전력증폭기 효율을 구하라 Ex.9-1,2 (단, ac(Q1)= ac(Q2)=200이고 ac(Q3)=50 ) Q. CE 증폭기 달링톤회로

9-1 A급 증폭기 A. CE Amp. 을 구하기 위해 IE 를 구한다.

9-1 A급 증폭기 A. 다링톤회로의 전압이득은 거의 1 전체증폭기 전력이득 : 앞의 수식에서

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 B급과 AB급 증폭기 B급 증폭기 AB급 증폭기 단점은 입력파형의 충실한 재생을 위한 회로구성이 복잡 B급 증폭기 입력주기의 180°에 대해 선형영역에서 동작 나머지 180°에서 차단 AB급 증폭기 180°보다 조금 많은 영역에서 동작되도록 바이어스 됨

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 B급 동작 차단영역 에서의 Q 점 차단점 ICQ=0, VCEQ=VCE(cutoff) 에 바이어스 되어 있다. Ex. 이미터 폴로어

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 B급 push-pull 동작 변압기 결합

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 상보형 트랜지스터 두개의 이미터 폴로어사용-npn, pnp형 사용

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 교차 일그러짐 (crossover distortion)

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 AB급 동작을 위한 푸시풀 증폭기의 바이어스 교차 일그러짐의 원인인 VBE가 극복되도록 바이어스 입력이 없을 때도 베이스에 0.7V의 바이어스 전압이 가해지도록 바이어스 전압분배 바이어스 온도변화에 따른 VBE 변화  안정된 바이어스 유지 어려움

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 AB급 동작을 위한 푸시풀 증폭기의 바이어스 전류미러 (current mirror) 다이오드 와 Tr의 B-E 전류특성이 갖음 다이오드 바이어스 (열적 안정화) D1 전압강하: VBE1 D2 전압강하: VBE2 입력 및 출력 결합 커패시터 없음 R1, R2는 A점의 직류전압이 0V가 되도록 조정 출력단의 직류전압 = 0V 교차 일그러짐 극복 Q1 : 베이스 입력이 없어도 VBE=0.7V 유지 Q2 : 베이스 입력이 없어도 VBE=-0.7V 유지

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 교류동작 AB급 증폭기에서 Q1 의 동작점은 차단 영역보다 다소 높게 위치함

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 Q. Ex.9-3 최대 첨두 출력전압과 전류를 구하라. A.

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 단전원 푸시풀 증폭기 다이오드 바이어스 (열적 안정화) D1 전압강하: VBE1 D2 전압강하: VBE2

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 직류등가회로 Q1 : 베이스 입력이 없어도 VBE=0.7V 유지

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 Q. Ex.9-4 최대 첨두 출력전압과 전류를 구하라. A.

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 최대 출력 전력 직류 입력 전력 효율 입력저항 ICC 는 반주기 신호에 대한 평균값 효율 입력저항 이미터 플로어와 동일 Rin = ac(r’e+RE) = ac(r’e+RL)

9-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기 Q. A. 최대 교류출력전력과 최대 직류입력전력을 구하고 입력저항을 구하라. 단, Q. Ex.9-5 A. Rin = ac(r’e+RL)=50(6+8)=700

9-3 C급 증폭기 기본 C급동작 180° 미만에서 도통될 수 있도록 바이어스 A급, B급, AB급에 비해 효율이 매우 높음  더욱 큰 출력을 얻을 수 있음 출력파형이 심하게 왜곡되므로 고주파 동조 증폭기등만 한정적으로 응용

9-3 C급 증폭기 기본 C급 동작

9-3 C급 증폭기 전력손실 입력주기의 짧은 기간 동안만 도통되므로 전력손실이 적다. 교류입력전압의주기 T : 펄스 사이의 시간 계산을 간단히 하기위해 이상적인 펄스신호로 가정 도통기간의 전력 손실 전체 주기에 대한 평균 전력손실

9-3 C급 증폭기 200kHz 신호에 의해 C급 증폭기 구동. 트랜지스터는 1 동안 도통되고 증폭기는 전체 부하선에 대해 동작. Ic(sat)=100mA 이고 Vce(sat)=0.2V 라면 평균 전력손실은? Q. Ex.9-7 A.

9-3 C급 증폭기 동조동작 C급 증폭기는 출력파형이 입력파형과 다르므로 선형성 응용에는 가치가 없다. 병렬 공진회로 (tank)를 갖는 C급 증폭기 이용 공진-주파수 선택적 특성을 갖는 현상 L,C값의 조절에 의해 특정 주파수 (공진주파수)에 대해 선택적 특성을 만들 수 있다 공진주파수 tank circuit

9-3 C급 증폭기 동조동작 커패시터가 도통(단락)될 때 입력 첨두에서 커패시터 C는 +Vcc로 충전

9-3 C급 증폭기 Tr 차단(개방) C 방전 L 충전 Tr 차단(개방) C 충전 L 방전

9-3 C급 증폭기 Tr 차단(개방) Tr 차단(개방) C 방전 C 방전 L 충전 L 충전 다른 사이클을 시작하기 우해 다시 도통 하기 직선 트랜지스터 차단 Tr 차단(개방) C 방전 L 충전

주파수 곱셈기 (frequency multiplier) 동조동작 탱크회로의 저항에 의해서 전압의 크기는 점점 작아진다 (에너지 손실) 기본 주파수에 동조되었을 때 (켈렉터 전류의 짧은 펄스에 의해 기본 주파수에서 진동은 유지) 두번째 고조파(harmonic)에서 동조되었을 때 주파수 곱셈기 (frequency multiplier)

9-3 C급 증폭기 동조동작 최대 출력 전력 Vout(pp) = 2Vcc 증폭기에 공급되는 전체 전력 PT = Pout + PD(avg) 효율 Pout >> PD(avg) 이면 효율은 100%에 근접

9-3 C급 증폭기 Q. Ex.9-7 에서 VCC=24V, RC=100 일때 효율을 구하라. Ex.9-8 A. 99.9%