증폭 회로

증폭 회로는 신호의 세기(전력)를 높이기 위해 쓰이는 전기 회로이다. 증폭 회로를 통과한 출력 신호는 원래 입력신호와 모양이 같다.

증폭의 특성 요소

증폭기의 질은 다음과 같은 요소에 의해 특성화된다:

• 이득(증폭도, Gain), 입력과 출력의 크기 비.
• 대역폭(Bandwidth), 처리 가능한 주파수 범위
• 효율(Efficiency), 전체 증폭을 위해 사용한 전력 소모량 대 출력에 나타난 전력량의 비.
• 선형성(Linearity), 입력 신호에 대해 출력에 나타난 신호 왜곡의 정도.
• 잡음(Noise), 증폭회로에서 원하지 않게 추가되는 불필요한 신호.
• 출력 범위(Output dynamic range), 출력에서 유용한 가장 작은 신호 레벨의 정도와 가장 큰 신호 레벨의 비.
• 슬로우 비(Slew rate), 출력의 신호가 변화하는 최대 비. (시간적 변화에서).
• 스텝 응답(step response)에서의 상승 시간(Rise time), 설정 시간(settling time) 그리고 과도반응(overshoot) 등의 특성.
• 증폭기에서 신호 피드백에 의한 신호 발진을 피하기 위한 안정도(Stability)

증폭회로의 선형성이 깨지면 특정 전압에서 신호 왜곡이 올 수 있다. 신호 측면에서 전압의 크기는 설계된 양 끝단에 잘 나타난다.

잡음은 신호의 크기에 따라 영향을 받는다. 전압이 상당히 낮으면 증폭과정에서 잡음이 끼어들 가능성이 높다. 따라서 회로 설계 뿐만 아니라 PCB 설계 등에서 영향을 받지 않도록 고려할 상황이 발생하기도 한다.

신호 형태에 따른 회로의 분류

증폭 시, 이득(gain)은 입력된 신호의 전압과 출력된 전압의 비인 전압 이득(Voltage gain)과 입출력의 전력 측면에서 따지는 전력 이득(power gain)으로 정의된다. 때로는 전류의 이득도 생각할 수 있다. 이때 사용하는 단위는 데시벨(decibels, dB)을 많이 사용한다.

증폭기의 유형은 다음과 같은 네 가지로 분류할 수 있다:^[1]

• 전압 증폭기(voltage amplifier) – 가장 일반적인 증폭의 경우로, 신호가 전압의 변화로 정보화된 입력에 대해 더 높은 전압 신호를 얻는다. 입력 임피던스는 높고 출력 임피던스는 작다.
• 전류 증폭기(current amplifier) – 신호가 전류로 크기로 변화하는 신호를 입력하여, 출력을 전류의 크기로 변화하는 신호로 처리하는 증폭기이다. 입력 임피던스는 작고 출력 임피던스는 높다.
• 트랜스컨덕턴스 증폭기(transconductance amplifier) – 입력되는 전압으로 규정된 신호를 전류 신호의 크기로 출력한다.
• 트랜스레지스턴스 증폭기(transresistance amplifier) – 전류 입력에 대응하는 전압 신호를 출력한다. 다른 말로는 트랜스임피던스(transimpedance amplifier) 또는 전류-전압 변환기(current-to-voltage converter)라고도 한다.

증폭 회로의 분류

증폭 회로는 처리하는 입출력 신호와 증폭 방식, 사용 용도 등에 따라 다양한 구성을 갖는데, 대체로 세 가지 범주로 구분한다.

• 소신호 증폭기 (Small Signal Amplifier)
• 저주파 전력 증폭기
• 전력 증폭기 (Power Amplifier)

실제 증폭 회로를 만들때는 제작 비용, 소모 전력량, 사용 부품, 증폭 효율, 출력 부하, 품질 등 여러 요소를 따져 절충점을 찾는 노력이 필요하다.

공통 단자에 따른 분류

증폭 회로에 쓰인 능동 부품 (주로 트랜지스터)의 어느 단자가 접지되었는지에 따라 다음과 같이 나눈다.

(능동 부품으로 바이폴라 트랜지스터를 사용할 경우)

• 공통 이미터
• 공통 콜렉터
• 공통 베이스

각각의 증폭 회로는 사용용도에 차이가 있다. 또한 능동 부품으로 진공관이나 전계효과 트랜지스터를 사용할 경우 다른 명칭을 사용한다.

기능에 따른 분류

• 서보 증폭기 : 증폭기 자체에 되먹임 루프를 가지고 있어서 입력의 변화에 상관없이 출력을 일정하게 유지한다. 회전 속도가 일정해야 하는 전동기 등에 쓰인다.
• 선형 증폭기 : 주파수와 무관하게 일정한 증폭비율을 갖는 증폭기를 뜻한다. 증폭 비율이 주파수에 따라 달라지는 경우(특정한 주파수의 신호에 쓰이는 증폭기)는 비선형 증폭기이다.
• 전파 증폭기 : 전파 신호 (높은 주파수의 전자기파)를 증폭하는 증폭기.
• 음성 증폭기 : 음성 신호를 증폭하는 증폭기, 특히 스피커를 구동하는 데 많이 쓰인다.
• 연산 증폭기 : 저전력 증폭기의 특별한 경우로, 입력 신호의 연산 과정을 통해 특정한 출력을 얻는 회로에 쓰여 연산 증폭기라고 부른다.

전압, 전류, 전력 증폭기

전압만을 증폭하거나 (전압 증폭기) 전류만 증폭하는 경우 (전류 증폭기), 또 전류와 전압을 모두 증폭하는 경우 (전력 증폭기)에 따라 증폭기를 분류한다.

증폭 회로의 구현

증폭 회로는 보통 트랜지스터나 진공관으로 만든다. 다만 마이크로파 혹은 초고주파 신호를 증폭하기 위한 증폭기는 다른 부품을 이용하기도 한다. 여기서 트랜지스터에는 BJT, 전계효과 트랜지스터, HBT, HEMT 등이 있다.

증폭 회로의 등급

아날로그 증폭 회로의 경우 A, B, AB, C 등급으로 구분하고, 이는 입력신호의 전체 위상(360도) 중 어느 부분을 증폭할 수 있느냐에 따라 구분한다.

• A 클래스 : 입력신호를 전부 증폭한다. (0-360도 위상 전부를 증폭할 수 있다)
• AB 클래스 : 증폭가능한 입력신호의 위상이 0-180도(B 클래스)보다는 넓지만 0-360도(A 클래스)에는 이르지 않는다.
• B 클래스 : 입력신호 주기의 절반만 증폭한다 (위상 0-180도의 범위 안에 있는 입력신호만 증폭한다.)
• C 클래스 : 증폭 가능한 입력 신호의 위상 범위가 0-180도(B 클래스)보다 좁다. 매우 좁은 범위의 신호만을 증폭할 수 있다.

이에 대한 자세한 내용은 아래에 설명된 그림을 통해 쉽게 알 수 있다. 단 이 그림에는 바이어스 회로 등이 간결한 설명을 위해 생략되어있다.

A 클래스

A 클래스 증폭기

입력 신호를 손실 없이 전부 증폭할 수 있지만 증폭기의 효율이 낮다. 보통 소신호 증폭기, 고급 오디오용 증폭기에 많이 사용한다.

B 클래스

B 클래스 증폭기

B 클래스 증폭기는 전체 입력 신호 주기의 절반만을 증폭한다. 이 형식의 증폭기는 나머지 절반의 주기는 증폭하지 않고 버린다. 따라서 출력 신호의 변형 (distortion)이 크다. 하지만 A 클래스의 증폭기에 비해 증폭 효율이 매우 높다는 장점이 있다.

B 클래스 Push-Pull 증폭기

보통 B 클래스 증폭기는 쌍으로 연결해 쓰는 경우가 많다. 이를 push-pull 구성이라 부르는데, 서로 반대 위상의 신호 증폭기 두 개를 병렬로 연결해 사용하면, 한쪽의 B 클래스 증폭기가 증폭하지 못한 신호에 대해 다른쪽의 B 클래스 증폭기가 동작하므로 증폭 효율도 높이고 A 클래스 증폭기와 비슷한 출력을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 단 증폭기 두 개가 서로 별개로 동작하면서 생기는 약간의 출력 신호의 잡음(crossover distortion)에 대한 문제가 있을 수 있다. B 클래스 대신 AB 클래스 증폭기를 사용하면 이런 문제를 줄일 수 있다.

반전 되먹임

출력 신호와 입력 신호의 차를 구해 이를 입력 단자에 연결하면 (반전 되먹임 방식) 전체적인 증폭 이득은 줄어들지만 대신 잡음을 줄이는 효과를 얻을 수 있다. 또한 선형성을 증가시켜 주파수 특성이 좋아진다.

C 클래스

1. C급은 반 사이클의 시간보다 더 짧은 시간만 전류가 흐르므로 출력파형은 큰 왜곡을 동반하고 효율이 높아 보통 고주파 전력 증폭에 널리 사용된다.
2. C급 증폭기의 특징

• C급 증폭 회로는 반주기 동안에만 동작하며, 동작점은 역할성 영역이다.
• 일그러짐이 매우 크다.
• 효율은 78.5% 이상이다

D 클래스

D 클래스 증폭기는 스위칭 전력 증폭기로 효율이 매우 뛰어나며, 입력 신호 모양과 유사한 아날로그 증폭기 출력과 달리 0 혹은 1의 일정한 크기의 출력을 나타낸다. 아날로그 신호의 변복조기, 직류 전동기의 제어나 파형 발생기 등에 사용되며, 높은 효율과 싼 가격으로 인해 고출력 서브 우퍼의 증폭기로도 사용되고 있다.

같이 보기

• 앰프
• 트랜지스터
• 연산 증폭기

각주

1. Patronis, Gene (1987). 〈Amplifiers〉. Glen Ballou. 《Handbook for Sound Engineers: The New Audio Cyclopedia》. Howard W. Sams & Co. 493쪽. ISBN 0-672-21983-2.

외부 링크

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