ch 7ch. 7 power amplifierpower...

Ch 7Ch. 7 Power AmplifierPower Amplifier

Vin VoutA0 0Av0 0

Yun SeopYu7-1 A급 증폭기

전력증폭기

전력증폭기는 대신호 증폭기이다.

증폭기의 용도를 결정하는 기준 중 하나인 잡음 이득 전력 중에서 전력에증폭기의 용도를 결정하는 기준 중 하나인 잡음, 이득, 전력 중에서 전력에집중하여 만드는 증폭기

일반적으로 스피커나 송신안테나에 신호전력을 제공하기 위하여 통신장비의수신기나 송신기의 최종단에 적용된다.

상당량의 열을 방출해야한다. 열방출이 용이하도록 면적이 큰 케이스 사용

소신호 증폭기

전체 교류 부하선의 일부분에서만 동작전체 류 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

2

A급, B급, C급, AB급


중앙에 위치한 Q점

입력주기의 전주기 (360°)에 대해서 선형영역에서 동작

Q점이 중앙에 있을 때 최대 A급 신호를 얻을 수 있다Q점이 중앙에 있을 때 최대 A급 신호를 얻을 수 있다.

3


입력신호가 너무 큰 경우

4


Q점 중앙 이탈

차단영역 부근 – 차단에 의한 제한

5


Q점 중앙 이탈

포화영역 부근 – 포화에 의한 제한

6


대신호 부하선 동작

0ICQ

VCQ

Ic0

Ib

IBQ

7


직류 부하선

VCE = VCC – ICRC – IERE

V I (R R )= VCC – IC(RC+RE)

IC = VCC/(RC+RE) – VCE/(RC+RE)

IC

VCEIC(sat) =VCC/(RC+RE) IB

IE

VCE(cut-off) = VCCwhen VCE = 0V

8when IC = 0A


교류 부하선Rc = RC//RL

ΔIC

ΔV

ΔIC

ΔVCE

IeIb

ΔV

C

ΔI

e

ΔVCE ΔVCEΔIC

: Q점 포화 : Q점 차단

ΔV V ΔI = IΔVCE = VCEQ

ΔIC = ΔVCE /Rc = VCEQ/Rc

I = I + ΔI = I + V /R

ΔIC = ICQ

ΔVCE =ΔIC Rc = ICQRc

V ( t ff) = VCEQ+ ΔVCE = VCEQ+ ICQR

9

Ic(sat) = ICQ+ ΔIC = ICQ+ VCEQ/Rc Vce(cutoff) VCEQ+ ΔVCE VCEQ+ ICQRc


부하선

ICQ+ VCEQ/Rc

VCC/(RC+RE)

VCC

10VCEQ+ ICQRc


전력 이득

Ap = AvAi

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛== in2

vin

2

2L

2in

2LL

P RRA

RR

VV

RV

RV

PPA

전압분배 바이어스의 경우

⎟⎠

⎜⎝

⎟⎠

⎜⎝

⎟⎠

⎜⎝

⎟⎠

⎜⎝ LLininLin RRVRRP

in(base)21in R||R||RR =

CE,CC 증폭기에서

in(base)21in ||||

eacin(base) RβR =

무신호 전력

입력신호가 없을 때 BJT의 소비전력입력신 가 없을 때 BJT의 비전력

동작점에서의 전압과 전류의 곱으로 나타난다.

PDQ = ICQVCEQ

11


출력전력

Pout = IcVce = (컬렉터 전류의 실효값)(컬렉터-이미터 전압의 실효값)

실효값 = 첨두값/ =0.707 첨두값2

포화영역근처의 Q점

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

== CEQC

CEQVR

V

VIP V /R

⎞⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

⎝

==

2

cecout

V1

22VIP VCEQ/Rc

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

C

2CEQ

RV

21

VCEQ

12

VCEQ


출력전력

중앙에 위치한 Q점차단영역근처의 Q점

RIRIIP C

2CQCCQCQ

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ VIVI

P CEQCQCEQCQ⎟⎟⎞

⎜⎜⎛⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

중앙에 위치한 Q점

222Pout =⎟⎟

⎠⎜⎜⎝⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=222

Pout =⎟⎟⎠

⎜⎜⎝⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=

ICQICQ

13

VCEQICQRc


전력증폭기의 효율

교류 출력 전력과 직류 입력 전력의 비 (η )

직류입력전력

(직류입력전력) = (직류전원전압)(전원으로부터 흐르는 전류)

Q점이 중앙에 있을 때

직류입력전력: PDC = VCCICC = (2VCEQ)(ICQ) DC CC CC ( CEQ)( CQ)

증폭기 효율 : ηmax = Pout/PDC

= (0.5VCEQICQ)/(2VCEQICQ) (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.

14


그림의 A급증폭기의 전압과 전력이득을 구하고전력증폭기 효율을 구하라

(단 β (Q1)= β (Q2)=200이고 β (Q3)=50 )

Ex.7-1 유사문제 Q.

(단, βac(Q1)= βac(Q2)=200이고 βac(Q3)=50 )

CE 증폭기 달링톤회로CE 증폭기 달링톤회로

15


CE Amp. [ ][ ]

80kΩ0||15kΩ||(5 1kΩ||1 0kΩ16Ω6||16Ω(200)(50)(||15kΩ||5.1kΩ||1.0kΩ

)R||(Rββ||R||R||RR LE3ac(Q3)ac(Q2)43Cc1

=

=

=A.

784Ω3.63kΩ||1.0kΩ80kΩ0||15kΩ||(5.1kΩ||1.0kΩ

==

=

( ) ⎞⎛

'e(Q1)r 을 구하기 위해 IE 를 구한다.

( )( )

( )200(377Ω0||5 1kΩ

V)R(Rβ||RR

)R(Rβ||RV CC

E2E1ac(Q1)21

E2E1ac(Q1)2B

⎟⎞

⎜⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

++

+= 15.3

4.3Ω47Ω784Ω

r'RRA

e(Q1)E1

c1v1 −=

+=

+−=

( )( )

0 7V2 89V0 7VV2.89V

15V200(377Ω0||5.1kΩ20kΩ

200(377Ω0||5.1kΩ

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

|||| '

4.3Ω25mV25mVr

5.81mA377Ω

0.7V2.89VRR

0.7VVI

'e(Q1)

E2E1

BE

===

=−

=+

−=

2.9kΩ4.3Ω.200(47Ω||5.1kΩ||20kΩ

)r(Rβ||R||RR 'e(Q1)E1ac(Q1)21in(tot)1

=

+=

+=

16

4.3Ω5.81mAI

rE

e(Q1)


다링톤회로의 전압이득은 거의 1A.

1≈v2A

전체증폭기

15.315.3)(1)(AAA v2v1v(tot) −=−==

전력이득 : 앞의 수식에서

⎞⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

L

in2v

L

in2

in

2L

in

2in

L

2L

in

LP R

RARR

VV

RV

RV

PPA

42,42916Ω

2.9kΩ15.3)(R

RAA 2

L

in(tot)12v(tot)P =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

17

L ⎠⎝⎠⎝

Yun SeopYu7-2 B급 과 AB급 push-pull 증폭기

B급과 AB급 증폭기

A급 보다 더욱 효율적이므로 더욱 큰 출력전력을 얻을 수 있다.

단점은 입력파형의 충실한 재생을 위한 회로구성이 복잡단점은 입력파형의 충실한 재생을 위한 회로구성이 복잡

B급 증폭기B급 증폭기

입력주기의 180°에 대해 선형영역에서 동작

나머지 180°에서 차단

AB급 증폭기

은 역180°보다 조금 많은 영역에서 동작되도록 바이어스 됨

18


B급 동작

차단영역 에서의 Q 점

차단점 I 0 V V 에 바이어스 되어 있다차단점 ICQ=0, VCEQ=VCE(cutoff) 에 바이어스 되어 있다.

Ex. 이미터 폴로어

19


B급 push-pull 동작

전주기를 증폭시키기 위해서는 나머지 음의 반주기에도 동작하는 B급증폭기가 필요 푸시풀(push pull)동작증폭기가 필요 푸시풀(push-pull)동작

변압기 결합

20


상보형 트랜지스터

두개의 이미터 폴로어사용-npn, pnp형 사용

21


교차 일그러짐 (crossover distortion)

22


AB급 동작을 위한 푸시풀 증폭기의 바이어스

교차 일그러짐의 원인인 VBE가 극복되도록 바이어스

입력이 없을 때도 베이스에 0 7V의 바이어스 전압이 가해지도록입력이 없을 때도 베이스에 0.7V의 바이어스 전압이 가해지도록바이어스

전압분배 바이어스

온도변화에 따른 VBE 변화 안정된 바이어스 유지 어려움

23


AB급 동작을 위한 푸시풀 증폭기의 바이어스

전류미러 (current mirror)

다이오드 와 T 의 B E 전류특성이 갖음다이오드 와 Tr의 B-E 전류특성이 갖음

다이오드 바이어스 (열적 안정화)

D1 전압강하: VBE1D1 전압강하: VBE1

D2 전압강하: VBE2

입력 및 출력 결합 커패시터 없음

R1, R2는 A점의 직류전압이

0V가 되도록 조정

출력단의 직류전압 = 0V

교차 일그러짐 극복

Q 베이스 입력이 없어도Q1 : 베이스 입력이 없어도

VBE=0.7V 유지

Q2 : 베이스 입력이 없어도

24

Q2 : 베이스 입력이 없어도

VBE=-0.7V 유지


교류동작

AB급 증폭기에서 Q1 의 동작점은 차단 영역보다 다소 높게 위치함

L

CCc(sat) R

VI =

CCV

25


최대 첨두 출력전압과 전류를구하라.

Ex.7-3Q.

A.

20VVVV CCCEQout(peak) =≈≈

133mA150Ω20V

RVII

L

CCc(sat)out(peak) ==≈≈

150 Ω

26


단전원 푸시풀 증폭기(single-supply push-pull amplifier)

다이오드 바이어스 (열적 안정화)

D 전압강하 VD1 전압강하: VBE1

D2 전압강하: VBE2

27


직류등가회로

Q1 : 베이스 입력이 없어도 VBE=0.7V 유지

Q2 베이스 입력이 없어도 VBE 0 7V 유지Q2 : 베이스 입력이 없어도 VBE=-0.7V 유지

28


최대 첨두 출력전압과 전류를 구하라.Ex.7-4Q.

A.

10V2

VVV CCCEQout(peak) =≈≈

200mA50Ω10V

RV

II

2

L

CEQc(sat)out(peak)

CEQout(peak)

==≈≈L

50 Ω

29


최대 출력 전력c(sat)CEQ

out(rms)out(rms)out 2I

2V

VIP ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

직류 입력 전력c(sat)CCc(sat)

CCc(sat)CEQ I0.25VI2

V21

2IV

22

===

⎠⎝⎠⎝

직류 입력 전력ICC 는 반주기 신호에 대한 평균값

( t)IICC

c(sat)CCCCDC V

πI

VIP ==π

II c(sat)

CC =

효율79%0.79

4π

πVI

4IV

PPη CCc(sat)c(sat)CC

DC

outmax ⇒====

입력저항이미터 플로어와 동일

30

Rin = βac(r’e+RE) = βac(r’e+RL)


최대 교류출력전력과 최대 직류입력전력을 구하고 입력저항을구하라.

단6Ωr50,β '

eac ==Ex.7-5

Q.

단,

AA.

10V2

VVV CCCEQout(peak) =≈≈

1.25A8Ω10V

RV

IIL

CEQc(sat)out(peak) ==≈≈

6.25W)(20V)1.25(1.25AI0.25VP c(sat)CCout ===

7 96WV)(1.25A)(20VIP CCc(sat) 7.96W

πV)(1.25A)(20

πP CCc(sat)DC ===

R = β (r’ +R )=50(6+8)=700Ω

31

Rin = βac(r e+RL)=50(6+8)=700Ω

Yun SeopYu7-3 C급 증폭기

기본 C급동작

180° 미만에서 도통될 수 있도록 바이어스

A급 B급 AB급에 비해 효율이 매우 높음 더욱 큰 출력을 얻을 수A급, B급, AB급에 비해 효율이 매우 높음 더욱 큰 출력을 얻을 수있음

출력파형이 심하게 왜곡되므로 고주파 동조 증폭기등만 한정적으로 응용

32


기본 C급 동작

33


전력손실

입력주기의 짧은 기간 동안만 도통되므로 전력손실이 적다.

교류입력전압의주기 T 펄스 사이의 시간교류입력전압의주기 T : 펄스 사이의 시간

계산을 간단히 하기위해 이상적인 펄스신호로 가정

도통기간의 전력 손실 IVP통기간의 전력 손실

전체 주기에 대한 평균 전력손실ONON IVtPtP ⎟

⎞⎜⎛=⎟

⎞⎜⎛=

C(sat)CE(sat)D(on) IVP =

C(sat)CE(sat)D(on)D(avg) IVT

PT

P ⎟⎠

⎜⎝

=⎟⎠

⎜⎝

=

34


200kHz 신 호 에 의 해 C 급 증 폭 기 구 동 .트랜지스터는 1 sec동안 도통되고 증폭기는 전체Ex 7 7

Q.트랜지스터는 1μsec동안 도통되고 증폭기는 전체부 하 선 에 대 해 동 작 . Ic(sat)=100mA 이 고Vce(sat)=0.2V 라면 평균 전력손실은?

Ex.7-7

A. sec 5μ200kHz

1T ==

4mWA)(0.2V)(0.2)(100mIVT

tP C(sat)CE(sat)ON

D(avg) ==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

35


동조동작 (tuned operation)

C급 증폭기는 출력파형이 입력파형과 다르므로 선형성 응용에는 가치가 없다.

병렬 공진회로 (t k)를 갖는 C급 증폭기 이용병렬 공진회로 (tank)를 갖는 C급 증폭기 이용

공진-주파수 선택적 특성을 갖는 현상

L,C값의 조절에 의해 특정 주파수 (공진주파수)에 대해 선택적 특성을L,C값의 절에 의해 특정 주파수 (공진주파수)에 대해 선택적 특성을만들 수 있다

2r LC2π

1f = 공진주파수

tank circuit

36


동조동작

커패시터가 도통(단락)될 때 입력 첨두에서 커패시터 C는 +Vcc로 충전

37


Tr 차단(개방)C 방전

Tr 차단(개방)C 충전

L 충전C 충전L 방전

38


T 차단(개방) Tr 차단(개방)Tr 차단(개방)C 방전L 충전

차단(개방)C 방전L 충전다른 사이클을 시작하기 우해 다시

39

도통 하기 직선 트랜지스터 차단


동조동작탱크회로의 저항에 의해서 전압의크기는 점점 작아진다 (에너지 손실)

기본 주파수에 동조되었을 때기본 주파수에 동조되었을 때(켈렉터 전류의 짧은 펄스에 의해기본 주파수에서 진동은 유지)

두번째 고조파(harmonic)에서동조되었을 때동조되었을 때

주파수 곱셈기 (frequency multiplier)

40


동조동작

최대 출력 전력

V 2VCCVV =Vout(pp) = 2Vcc

( ) 2CC

2CC

2out(rms)

out

out(rms)

R0.5V

R2V

RV

P

2V

===

=

ccc RRR

단, Rc = Rp||RL Rp : LC tank 회로 기생 저항RL : 부하저항

증폭기에 공급되는 전체 전력

L

PT = Pout + PD(avg)

효율

1PP

PηD(avg)out

out ≅+

= Pout >> PD(avg) 이면

효율은 100%에 근접

41


Ex.7-7 에서 VCC=24V, RC=100Ω 일때 효율을 구하라.Ex 7 8

Q.Ex.7-8

A.2.88W

1000.5(24V)

R0.5VP

2

c

2CC

out =Ω

==c

0 9992.88WPη out 0.9994mW2.88WPP

ηD(avg)out

out =+

=+

=

99.9%99.9%

42

Yun SeopYu

Homework

All Examples

Selected Problems(P.377-380): 1 2 10 11 12380): 1, 2, 10, 11, 12, 13, 19

43

Yun SeopYu

44

Yun SeopYu

ch 7ch. 7 power amplifierpower...

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