제 12 장 증폭기 (amplifiers)

2007 년 1 학기 전기전자공학개론

제 제 12 12 장 장 증폭기증폭기(Amplifiers)(Amplifiers)

12.1 BJT 증폭기 12.2 FET 증폭기12.3 부하결합12.4 다단 증폭기12.5 동조 증폭기12.6 전력 증폭기12.7 연산 증폭기Lee De Forest


신호의 증폭신호의 증폭주어진 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 전기량증폭 : 입력된 전압이나 전류를 일정한 비율로 변환( 크게 / 작게 ) 시키는 과정


소신호 증폭의 사례소신호 증폭의 사례

1. 음향신호의 증폭 : 오디오 시스템음압 전압신호 : 마이크 (A 단위의 미세전류 )전압신호 전류신호 : 전류증폭기전류신호 기계적인 진동 : 스피커 (A 단위의 강전류 )

2. 응력신호의 증폭 : 스트레인 게이지 스트레인 게이지 : 물체의 탄성변형 검출

응력과 변형률의 관계 : E

변형량으로부터 응력 , 힘 , 토크 등을 측정


증폭기의 기본 특성증폭기의 기본 특성

입력신호의 증폭실제 증폭기 : 입력저항과 출력저항이 존재입력저항 Ri : 클수록 입력신호의 왜곡이 없다

출력저항 Ro : 작을수록 증폭된 신호의 선형성이 보장된다 .

증폭률 A : 원하는 증폭비로 조절할 수 있다 .

이상적인 증폭기 : 왜곡없이 입력신호를 증폭 Vout=AxVin

Vin

+

-

Iin

Vin

+

-

+

-AxVin

Vout

+

-Amplyfy

Iout

Vin

+

-

Iin +

-AxVin

Vout

+

-Amplyfy

Ri

RO

Common Reference Potential

Vout

Vin0 Vin

Vout

트랜지스터 /FET 를 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 .


쌍극성 트랜지스터쌍극성 트랜지스터이미터 공통 증폭기이미터 공통 증폭기 : 컬렉터는 부하와 연결되고 이미터는 접지와 연결된 형태의 증폭기실제적으로 완전한 쌍극성 트랜지스터 증폭기

전압분배 바이어스 회로 - 왜곡 없이 소신호를 증폭하기 위한 최적의 Q 점 확보신호는 베이스로 입력 , 부하는 컬렉터에 접속결합 커패시터 Cin : 부하를 연결할 때 발생하는 Q 점의 변동을 막는 역할이미터 안정화 저항 RE : 바이어스의 안정화 , 그러나 교류신호에 대해 이득을 저하시키는 작용을 함측로 커패시터 Cby : 교류 신호에 대해 RE 를 단락시킨 것과 같은 역할

모든 커패시터와 직류 전원은 교류에 대해서는 단락회로교류에 대해서는 단락회로와 같이 작용한다 .

R L

Q

V CC

R 1

R 2

R C

R S

+- v s

+v o-

C in

C out

R E C by

부하입력신호원


교류신호에 대한 이미터 공통 증폭기의 작동교류신호에 대한 이미터 공통 증폭기의 작동교류신호이므로 모든 커패시터를 단락으로 가정

R L

R 1

+-

+v o-v s R 2

R SQ

C in단락

C E단락

C o ut단락

전압원 V CC 단락

R C

is

ioR C+

-

+v o-v s R 1

R S

R LR 2

R B rC

Q

is

io

교류신호

회로의 간략화

ib

v s

R S

+-

r r o R Lib

C

E

B

E

ic +v o-

R B

Q

is

io

R C

rC

교류 등가회로

ib

v s

R S

+-

r R Lib

C

E

B

E

ic +v o-

Q

is

io

R C

rC

간략화 된 교류 등가회로

LCCB RRrRRR ||,|| 21

CoSB rrRR ,


교류신호에 대한 이미터 공통 증폭기교류신호에 대한 이미터 공통 증폭기전압이득 : 간략화 된 교류 등가회로를 기준으로 해석

B-E 루프에서 KVL 에 의해 C-E 루프에서 출력전압 vo 는 옴의 법칙에 의해

따라서 전압이득 Av 는

전류이득 : Ai=io/is 로 정의된다등가회로에서

전류분배에 의해

그러므로 전류이득 Ai 는

입력 임피던스와 출력 임피던스입력단은 B-E, 출력단은 C-E입력 임피던스 (Zi=r) : 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

bSs irRv )(

CbCCo ririv

rR

r

irR

ir

v

vA

S

C

bS

bC

S

oV )(

sbCbs iiiii ,

LC

Cs

LC

CCo RR

Ri

RR

Rii

LC

Ci RR

RA


다른 유형의 트랜지스터 증폭기다른 유형의 트랜지스터 증폭기컬렉터 공통 증폭기

베이스 공통 증폭기

이 두 유형의 증폭기는 이미터 공통 증폭기와는 달리 증폭이 아닌 특수한 목적으로 사용된다 .

Q

V CC

R 1

R 2

R C

R S

+- v s

+v o-

C in

C out

R E

C by

부하

입력신호원

R L

R L

Q

V CC

R 1

R 2

R C

v s

+v o-

C in

C out

R E

C by

부하입력

신호원

R S

+-


인덕터를 통한 부하 결합인덕터를 통한 부하 결합이미터 공통 증폭기의 작동특성 분석 : 컬렉터 저항 RC 의 영향

전압이득 의 측면에서 RC 가 클수록 유리

전류이득 의 측면에서 RC 가 클수록 이득이 –에 근접

인덕터를 사용한 부하결합 - 교류에 대한 RC 의 부하효과를 없애 전압이득을 극대화RFC(radio frequency choke) RFC 의 권선저항이 매우 낮으므로 직류에 대해서는 거의 단락기능 , 매우 높은 리액턴스를 갖으므로 교류에 대해서는 거의 개방기능

전압이득은 위 식에서 RC 가 무한대이므로

전류이득은 RC 대신 무한대를 대입하므로

ibvs

RS

+-

r RLib

C

E

B

E

ic +vo-

Q

is

io

RFC

리액턴스가 매우 크므로개방 회로와 같다 .

R L

Q

V CC

R 1

R 2

+- v s

+v o-

C in ¡æ¡Ä

R EC by ¡æ¡Ä

C out ¡æ¡Ä

R S

RFC

rR

rA

S

CV

LC

Ci RR

RA

rR

RA

S

LV

iA


변압기를 이용한 부하결합변압기를 이용한 부하결합부하저항이 매우 작은 경우 , 인덕터를 사용하여도 더 이상 이득을 증가시킬 수 없다변압기 T 를 통하여 부하결합 - 변압기로는 직류가 전달되지 못하므로 부하 RL 은 직류 바이어스 회로에 영향을 끼치지 않으면서 증폭기와 교류적으로만 결합된다 .

저항 RL 과 양단 전압 vo 및 전류 io 를 일차측으로 환산트랜스의 일차측과 이차측의 권선비 Tr=N1/N2

변환된 임피던스

전압이득

전류이득

Tr을 1 보다 충분히 크게 하면 전압이득과 전류이득을 증가시킬 수 있다

V CC

R 1

R 2

+- v s

+v o-

C in ¡æ¡Ä

C by ¡æ¡Ä

R S

R L

R E

N 1 :N 2

Q

T

ib

v s

R S

+-

r R Lib

C

E

B

E

ic +v o-

Q

N 1 :N 2

T io

roooroLrL TiivTvRTR /,, ''2'

rR

RT

rR

R

v

vA

S

Lr

S

L

s

ov

''''

S

oi i

iA

''

rR

RT

T

A

v

Tv

v

vA

S

Lr

r

v

S

ro

S

ov

'' /

rirS

or

S

oi TAT

i

iT

i

iA '

'


FET FET 증폭기증폭기소스공통 증폭기 - 입력 신호원은 게이트에 입력되며 , 부하는 결합 커패시터를 통헤 드레인에 접속된다 .전압이득

입력신호 , 출력전압

전압이득

입력임피던스 , 출력 임피던스

FET 증폭기는 입력 임피던스와 출력 임피던스 모두가 클수록 이득이 커진다FET 증폭기의 이득은 트랜지스터 증폭기에 비하여 낮지만 전류의 전도에 한가지만의 캐리어를 사용하기 때문에 두 가지 캐리어를 사용하는 쌍극성 트랜지스터에 비하여 잡음이 작다

sgs vv LDDDsmDgsmo RRrrvgrvgv ||,

Dmsov rgvvA /

Gi RZ DDdso RRrZ ||

GD

S

R SS

R G

V DD

C by

C in

C out

+-

v s

R D

v o

+

-

R S

R L입력신호원

부하

S

G

D

S

R G

R D+-

v s

R Lv o

+

-

R S

S

G

g m v gs

v gs

D

+

-

S

R G R D

+-

v s

R S

v o

+

-

R Lrds

rD

id

전체회로회로의 간략화 교류회로

교류등가회로


다단 증폭기다단 증폭기증폭기 하나로는 충분한 이득을 얻을 수 없는 경우 두 개 이상의 증폭단을 직렬로 결합하여 전체 이득을 높일 수 있다RC 결합 -앞 단의 직류성분이 다음 단으로 입력되지 않아 Q 점의 변동이 없다

인덕터 결합 , 변압기 결합

Q 2

V CC

R 3

R 4

R C 2

R E 2

R S

+- v s

+v o-

C in

C

C by

R L

Q

R 1

R 2

R C 1

R E 1C by

C out

전원선

접지선

G 1

R G 1

V DD

C by

C in

C

+-

v s

R D 1

v o

+

-

R SD 1

S 1

Q 1

G 2

R G 2 C by

C out

R D 2

R L

D 2

S 2

Q 2

R S 1 R S 2

전원선

접지선

Q 2

V CC

R 3

R 4 R E 2

R S

+- v s

+v o-

C in

C

C by

R L

Q

R 1

R 2 R E 1C by

C out

전원선

접지선

RFC 1 RFC 2

Q1

V CC

9V

+-

vs

Cin

T1455

Q2

R1

68

C1

0.05

RS

R4

18

R3

1.2

T2455

T3455

RL

신호입력

출력

C2

0.05 C3

0.05

C4

0.05 R2

680Ω R5

680Ω


동조 증폭기동조 증폭기광대역 증폭기 (wideband amplifier)- 넓은 주파수 대역에 걸쳐 일정한 이득을 내는 증폭기협대역 증폭기 (narrowband amplifier)

특정한 주파수 대역의 신호만을 선별하여 증폭동조 증폭기 (tuned amplifier) 라고도 함병렬공진 회로와 결합하여 사용

RLC 병렬공진회로

L C ZR

R

fHfL fo

0.707 R

B

f0

Z

병렬공진회로의 복소 임피던스

)1

1(111

1

2LCRCj

R

CjLjR

Z

공진주파수 - 분모의 허수부가 0 이 되는 주파수

LCo

1


동조증폭기동조증폭기이미터 공통 증폭기의 컬렉터 저항 RC 를 RLC 병렬공진회로로 대체하면 증폭률은 병렬공진회로의 임피던스 Z에 대하여 다음과 같이 주어진다

rR

Z

V

VA

ss

ov

rR

Z

V

VA

ss

ov

rR

RA

sv

(max)

최대

+-

+V o-V s R 2

R SQ

R CCL

Z C

R 1

R B

R L

Q

V CC

R 1

R 2

R S

+-

v s

+v o-

C in

C out

R E

L CR C

R L

C by

Z C 교류회로LC RRR ||

공진회로의 저항

중심 주파수

최대 전압이득

선택도

대역폭

LC RRR ||

LCfo 2

1

L

RCRQ

oo

rR

RA

sv

(max)

Q

fB o

B

f0

A v (max)

A v

0.707 A v (max)

fo=1

2 LC


변압기 결합 동조증폭기변압기 결합 동조증폭기부하저항값이 낮은 경우

등가저항 R(=RC||RL) 이 낮아져 증폭률을 높일 수 없다

변압기를 통하여 부하를 결합하면 권선비 조절을 통해 원하는 R값을 얻을 수 있다

LC RNNRR 221 )/(||

Q

V CC

R 1

R 2

R S

+-

v s

+v o-

C in

R E

LC

C by

R CR L

T

N 1 :N 2

I b

R S

+-

r I b

C

E

B

E

I c

Q

V sLC

+V o-

R C R L

N 1 :N 2

(N 1 /N 2)2R L


전력 증폭기전력 증폭기 -A-A 급 증폭기급 증폭기대신호 (large signal)

작동기의 구동에는 다량의 전력이 소모된다증폭시스템의 최종단은 거의 항상 전력증폭기가 담당일반증폭기에 비해 다량의 열 발생전력증폭기에서는 이득보다 증폭기의 효율이 매우 중요

출력교류전력%효율 = 총 공급된 직류전력

A 급 증폭기하나의 트랜지스터가 교류 신호 전체를 증폭Q 점의 위치변동이 신호의 왜곡을 초래하므로 주의필요오디오 증폭기의 전형적인 형태정해진 작동영역 내에서 교류파형 전체를 증폭해야 하므로 효율이 30% 이하이다

Q

VCC+12.5V

RB5.6

+- vs

Cin

T

RS

교류입력

10-Ω스피커

50

+vo-

Zp50Ω

Zs10Ω

iC (min) =0

iB (min) =0

IBQ ICQ

¡¿

¡¿ o

¡¿

iC (max)

iB (max)


전력증폭기전력증폭기 -B-B 급 증폭기급 증폭기B 급 푸쉬 -풀 증폭기

두 개의 트랜지스터를 사용하여 양의 교류 사이클과 음의 교류 사이클을 분리하여 증폭전력효율을 크게 높일 수 있다 .두 트랜지스터 모두 베이스 - 이미터 간에는 바이어스 전압이 없다

출력변압기

T 2

+-

A 1

C 1

B 1

교류입력

1

2

1

2

1

2

+-

Q 1

Q 2

10-§Ù스피커

Z s10§Ù

100§Ù

100§Ù

입력변압기

T 1

V CC12.5V

출력신호

1

2

T 2C 1+- V CC

출력 신호

1

1

Q 1

Q 2

C 2

A 1

B 1

A 2

B 2 1

T 2C 1

+-V CC

출력 신호

2

2

Q 1

Q 2

C 2

A 1

B 1

A 2

B 22


전력증폭기전력증폭기 -AB-AB 급 증폭기급 증폭기교차왜곡 -B 급 증폭기는 turn on 전압때문에 0 점 교차시 신호의 왜곡이 발생한다

AB 급 동작각 트랜지스터를 도통 직전의 상태로 바이어스 전압을 걸어주면 교류전압이 실리는 순간 바로 도통이 될 수 있어 교차왜곡의 제거가 가능하다AB 급 증폭기는 신호가 없는 상태에서도 약간의 전류가 흐르므로 B 급 증폭기에 비해 약간의 효율이 떨어진다 ( 약 70%)트랜지스터 라디오 수신기에서 사용

t

출력변압기

T 2

+-

A 1

C 1

B 1

교류입력

1

2

1

2

1

2

+-

Q 1

Q 2

10-§Ù스피커

10§Ù

50§Ù

50§Ù

입력변압기

T 1

V CC12.5V

R E 1

R E 2

R 2

R 1


연산 증폭기연산 증폭기 (Operational Amplifier)(Operational Amplifier)1960 년대 IC 의 집적기술을 이용하여 이상적인 증폭기 특성에 가깝도록 집적화한 증폭기연산 ( 신호의 처리 ) 을 위해 사용하는 차동 증폭기차동 증폭기구성 : 2 개의 입력단자 (Vp,Vn), 하나의 출력단자 , VCC 와 VEE 의 전원입력

Q 2Q 1

Q 4

Q 6

Q 7

Q 9

Q 10

Q 8

3 2

R 32§Ú

R 52§Ú

D 1

D 2

R 85.8§Ú

R 112.9§Ú

R 75.8§Ú

Q 3

Q 5

R 44§Ú

R 171.5§Ú

R 161.5§Ú

R 151§Ú

R 1 85.9§Ú

8

7

6

11

12

R 110 §Ú

R 410§Ú

R 24.1§Ú

R 97.5§Ú

R 1 27.5§Ú

5

9V out

4-V EE

+V CC10

비반전입력단

반전입력단

R 6

1

출력

-

1

3

2

9V out

+

)(0 np VVAV

Vp

Vn

IC 칩의 다리 번호 부여 원칙칩의 포면에는 오목한 반원형 홈이 있다 .

홈을 좌측으로 위치시킨 후 왼쪽 아래에 위치한 다리가 1 번반시계 방향으로 돌면서 번호증가


연산증폭기의 특징연산증폭기의 특징특징

A = 105 이상의 전압이득 거의 무한대인 주파수 대역 : 1MHz typically입력 임피던스 : 내부로 유입되는 전류 0출력 임피던스 0 : 신호의 왜곡없이 출력

Golden Rule 출력전압은 두 입력간의 전위차를 0 으로 만든다회로 내부로 유입되는 전류는 0 이다 .

741 OP 앰프가장 일반적인 범용 OP 앰프칩 내에 하나의 앰프 내장양 전원 사용 (+15V/-15V)

2904 단전원 OP 앰프단전원 (5V/0V) 으로 작동 , 한 칩 내에 두 개의 연산증폭기 내장

연산증폭기는 사용목적에 따라 다양한 유형( 단전원 / 고정밀 / 고이득 / 고속 / 저소비전력 /저드리프트 등 ) 존재


반전증폭기반전증폭기OP 앰프의 기본회로신호의 반전 / 증폭증폭비 조절 가능Rule 1 : VA = VB = 0 V

Rule 2 : OP 앰프내로 흘러 들어가는 전류는 0I1 = I2I1 = Vin/R1, I2 = (0-Vout)/R2

Vin/R1 = -Vout/R2

그러므로 , Vou /Vin =- R2 /R1

실제 회로 제작시 유의사항R1 ( 입력저항 ) : 1k - 10k 사사

R2 ( 이득저항 ) :

원하는 이득이 확실할 경우 : 계산원하는 이득이 가변일 경우 : 포텐시오미터 사용

RL( 부하저항 ) : 10k 출력전압의 요동 방지

주의사항 : OP 앰프 주변에서는 1M 이하의 저항만 사용 !

R 1

v s

-

+

v -

v+

+-

R L

+v o-

R 2

v s

-

+

v -

v+=0

+-

R L

+v o-

R 1

R 2i


비반전비반전 // 합산 증폭기합산 증폭기비반전 증폭기

반전 증폭기에서 부수적으로 도출된 회로증폭비는 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

합산증폭기여러 신호의 합산 및 평균반전 합산회로R1=R2=R3=R4=4RF : 평균연산

Rx : 내부전압 보정용 저항

Rx = R1//R2//R3//R4 //Rf4개 저항의 병렬합

R 1

v s

-

+

v -

v+

+-

R L

+v o-

R 2

4

4

3

3

2

2

1

1

4321 )(

R

V

R

V

R

V

R

VR

iiiiV

f

out


기타 연산회로기타 연산회로차동증폭기

두 입력신호의 차이를 증폭

합산 -차동 복합회로합산회로와 차동회로의 복합등배증폭의 경우에 적용가능

전압추종기입력전압과 출력전압이 동일전압신호의 임피던스를 높이는 역할입력신호와 출력신호간의 상호 영향 차단

R A

R A

R B

-

+

v -

v+ R L

+v o-

R B

+-

+-v 1

v 2

i1

i2

+ vB -

)( 12 vvR

Rv

A

Bo

R

R

-

+RL

+vo-

RR

R

R

V1

V2

V3

V4

)()( 2143 vvvvVo

R S

v s

-

+

v -

v+

+-

R L

+v o-


노이즈 트리거노이즈 트리거 (Schmitt trigger)(Schmitt trigger)


펄스폭 변조기펄스폭 변조기 (PWM)(PWM)


정류기정류기 (Rectifier)(Rectifier)반파정류

전파정류


Peak detectorPeak detector


미분미분 // 적분기적분기

입력신호의 미분반전 미분연산작동 주파수 f=1/(2RC)설계순서

최저 주파수 f 선택C < 1F 인 C 선정저항 R 계산

입력신호의 적분반전 적분연산작동 한계 주파수 f=1/(2RC)설계순서

최고 주파수 f 선택C < 1F 인 C 선정저항 R 계산


필터회로필터회로연산증폭기를 사용하여 주파수에 선택적으로 작동하는 회로를 설계할 수 있다 .

저역통과필터 (LPF) : 저주파 신호만을 통과시킨다 .고역통과필터 (HPF) : 고주파 신호만을 통과시킨다 .대역통과필터 (BPF) : 특정 주파수 대역의 신호만을 통과시킨다대역저지필터 (BRF) : 특정 주파수 대역의 신호만을 걸러낸다 .

다양한 종류의 필터 회로들이 실용화 되어 있다 .Bessel Filter, Butterworth Filter, Chebyshev Filter신호의 선형성은 Butterworth Filter 가 가장 양호하다 .


11차 차 Butterworth Butterworth 저역통과필터저역통과필터

차단주파수 fH 이상의 주파수를 갖는 신호성분을 걸러내는 저역통과필터

1차 Butterworth : 차단특성은 decade 당 -20dB설계순서

차단주파수 fH를 선정한다

1 F 이하의 범위에서 커패시터를 선정한다 (0.1 F 정도면 적당하다 )R 값을 fH 식으로부터 계산한다

통과대역에서의 이득 AF 를 계산하여 결정한다 .


11 차 차 Butterworth Butterworth 고역통과필터고역통과필터

차단주파수 fL 이하의 주파수를 갖는 신호성분을 걸러내는 고역통과필터

1차 Butterworth : 차단특성은 decade 당 -20dB설계순서

차단주파수 fL 을 선정한다

1 F 이하의 범위에서 커패시터를 선정한다 (0.1 F 정도면 적당하다 )R 값을 fL 식으로부터 계산한다

통과대역에서의 이득 AF 를 계산하여 결정한다 .


대역통과대역통과 (( 저지저지 ) ) 필터필터

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 .


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제 12 장 증폭기 (amplifiers)

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