증폭기 회로 이해

일반적으로 증폭기는 지정된 구성 요소 정격에 따라 적용된 저전력 입력 신호를 고전력 출력 신호로 부스트하도록 설계된 회로로 정의 할 수 있습니다.

기본 기능은 동일하지만 앰프는 설계 및 구성에 따라 다른 범주로 분류 될 수 있습니다.

논리 입력 증폭을위한 회로

다음과 같은 입력 감지 장치에서 낮은 신호 로직을 작동하고 증폭하도록 구성된 단일 트랜지스터 증폭기를 접했을 수 있습니다. LDR, 포토 다이오드 , IR 장치. 이러한 증폭기의 출력은 플립 플롭 또는 센서 장치의 신호에 응답하여 릴레이 ON / OFF.

음악이나 오디오 입력을 사전 증폭하거나 LED 램프를 작동하는 데 사용되는 작은 증폭기도 보셨을 것입니다.
이 모든 것 작은 증폭기 소 신호 증폭기로 분류됩니다.

증폭기의 유형

주로 음악 주파수를 증폭하기 위해 증폭기 회로가 통합되어 공급 된 작은 음악 입력이 일반적으로 100 배에서 1000 배까지 여러 배로 증폭되고 스피커를 통해 재생됩니다.

이러한 회로는 전력 또는 전력 등급에 따라 소형 opamp 기반의 소형 신호 증폭기에서 전력 증폭기라고도하는 대형 신호 증폭기에 이르기까지 다양한 설계를 가질 수 있습니다. 이러한 증폭기는 작동 원리, 회로 단계 및 방식에 따라 기술적으로 분류됩니다. 증폭 기능을 처리하도록 구성 될 수 있습니다.

다음 표는 기술 사양 및 작동 원리에 따라 앰프의 분류 세부 정보를 제공합니다.

기본 증폭기 설계에서 바이폴라 트랜지스터 또는 BJT, 전계 효과 트랜지스터 (FET) 또는 연산 증폭기의 네트워크가있는 몇 단계가 대부분 포함되어 있습니다.

이러한 증폭기 블록 또는 모듈은 입력 신호를 공급하기위한 두 개의 단자와 연결된 라우드 스피커를 통해 증폭 된 신호를 획득하기위한 출력에 또 다른 한 쌍의 단자가있는 것으로 볼 수 있습니다.

이 두 단자 중 하나는 접지 단자이며 입력 및 출력 단계에서 공통 라인으로 볼 수 있습니다.

증폭기의 세 가지 속성

이상적인 앰프가 가져야하는 세 가지 중요한 속성은 다음과 같습니다.

• 입력 저항 (Rin)
• 출력 저항 (라우트)
• 증폭기의 증폭 범위 인 이득 (A).

이상적인 증폭기 작동 이해

출력과 입력 사이에서 증폭 된 신호의 차이를 증폭기의 이득이라고합니다. 증폭기가 출력 단자를 통해 입력 신호를 증폭 할 수있는 크기 또는 양입니다.

예를 들어, 증폭기가 1V의 입력 신호를 50V의 증폭 된 신호로 처리하도록 등급이 지정되면 증폭기의 이득이 50이라고 말할 수 있습니다.
낮은 입력 신호를 더 높은 출력 신호로 향상시키는 것을 이득 증폭기의. 또는 입력 신호가 50 배 증가하는 것으로 이해 될 수 있습니다.

이득 비율 따라서 증폭기의 이득은 기본적으로 신호 레벨의 출력 및 입력 값의 비율이거나 단순히 출력 전력을 입력 전력으로 나눈 값이며 증폭기의 증폭 전력을 의미하는 문자 'A'에 기인합니다.

증폭기 이득의 유형 다양한 유형의 증폭기 이득은 다음과 같이 분류 될 수 있습니다.

1. 전압 이득 (꺼짐)
2. 전류 이득 (Ai)
3. 전력 이득 (Ap)

증폭기 이득 계산을위한 공식 예 위의 세 가지 유형의 이득에 따라이를 계산하는 공식은 다음 예에서 배울 수 있습니다.

1. 전압 이득 (Av) = 출력 전압 / 입력 전압 = Vout / Vin
2. 전류 이득 (Ai) = 출력 전류 / 입력 전류 = Iout / Iin
3. 전력 이득 (Ap) = Av.x.A 나는

전력 이득을 계산하려면 다음 공식을 사용할 수도 있습니다.
전력 이득 (Ap) = 출력 전력 / 입력 전력 = Aout / Ain

아래 첨자는 p, v, i 전력 계산에 사용되는 것은 작업중인 특정 유형의 신호 이득을 식별하기 위해 할당됩니다.

데시벨 표현

증폭기의 전력 이득을 표현하는 또 다른 방법은 데시벨 또는 (dB)입니다.
측정 또는 수량 Bel (B)는 측정 단위가없는 로그 단위 (밑수 10)입니다.
그러나 데시벨은 실제 사용하기에는 너무 큰 단위 일 수 있으므로 증폭기 계산에 낮은 버전 데시벨 (dB)을 사용합니다.
다음은 데시벨 단위의 증폭기 이득 측정에 사용할 수있는 몇 가지 공식입니다.

1. dB 단위의 전압 이득 : 꺼짐 = 20 * 로그 (꺼짐)
2. dB 단위의 전류 이득 : ai = 20 * log (Ai)
3. 전력 이득 (dB) : ap = 10 * log (Ap)

dB 측정에 대한 몇 가지 사실
증폭기의 DC 전력 이득은 출력 / 입력 비율의 공통 로그의 10 배인 반면 전류 및 전압의 이득은 비율의 공통 로그의 20 배라는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

이는 로그 스케일이 포함되어 있기 때문에 로그 스케일의 비선형 측정 특성으로 인해 20dB 이득이 10dB의 두 배로 간주 될 수 없음을 의미합니다.

이득이 dB로 측정 될 때 양수 값은 증폭기의 이득을 나타내고 음수 dB 값은 증폭기 이득의 손실을 나타냅니다.

예를 들어 + 3dB 게인이 식별되면 특정 앰프 출력의 2 배 또는 x2 게인을 나타냅니다.

반대로 결과가 -3dB이면 증폭기의 이득 손실이 50 %이거나 이득 손실의 x0.5 측정 값이 있음을 나타냅니다. 이것은 증폭기에서 가능한 최대 출력 인 0dB와 관련하여 달성 가능한 최대 전력보다 -3dB 낮은 것을 의미하는 하프 파워 포인트라고도합니다.

증폭기 계산

다음 사양으로 증폭기의 전압, 전류 및 전력 이득을 계산합니다 : 입력 신호 = 10mV @ 1mA 출력 신호 = 1V @ 10mA. 추가로 데시벨 (dB) 값을 사용하여 증폭기의 이득을 찾습니다.

해결책:

위에서 배운 공식을 적용하여 입력 출력 사양에 따라 증폭기와 관련된 다양한 유형의 이득을 평가할 수 있습니다.

전압 이득 (Av) = 출력 전압 / 입력 전압 = Vout / Vin = 1/11 = 100
전류 이득 (Ai) = 출력 전류 / 입력 전류 = Iout / Iin = 10/1 = 10
전력 이득 (Ap) = Av. x A 나는 = 100 x 10 = 1000

데시벨로 결과를 얻으려면 다음과 같이 해당 공식을 적용합니다.

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

증폭기 세분화

소 신호 증폭기 : 증폭기의 전력 및 전압 이득 사양과 관련하여 두 가지 다양한 범주로 세분화 할 수 있습니다.

첫 번째 유형은 소 신호 증폭기라고합니다. 이러한 소 신호 증폭기는 일반적으로 전치 증폭기 단계, 계측 증폭기 등에 사용됩니다.

이러한 유형의 증폭기는 센서 장치 또는 작은 오디오 신호 입력과 같은 일부 마이크로 볼트 범위 내에서 입력에서 미세한 신호 레벨을 처리하기 위해 만들어졌습니다.

대형 신호 증폭기 : 두 번째 유형의 증폭기는 대형 신호 증폭기로 명명되며 이름에서 알 수 있듯이 이러한 증폭기는 거대한 증폭 범위를 달성하기 위해 전력 증폭기 애플리케이션에 사용됩니다. 이러한 증폭기에서 입력 신호의 크기는 상대적으로 크기 때문에이를 재생하고 강력한 스피커로 구동하기 위해 실질적으로 증폭 될 수 있습니다.

전력 증폭기의 작동 원리

소 신호 증폭기는 작은 입력 전압을 처리하도록 설계되었으므로이를 소 신호 증폭기라고합니다. 그러나 증폭기가 모터 작동이나 서브 우퍼 작동과 같이 출력에서 ​​높은 스위칭 전류 애플리케이션과 함께 작동해야하는 경우 전력 증폭기가 불가 피해집니다.

가장 널리 사용되는 파워 앰프는 대형 라우드 스피커를 구동하고 거대한 음악 레벨 증폭 및 볼륨 출력을 달성하기위한 오디오 앰프로 사용됩니다.

전력 증폭기는 작동을 위해 외부 DC 전력이 필요하며,이 DC 전력은 출력에서 ​​의도 한 고전력 증폭을 달성하는 데 사용됩니다. DC 전원은 일반적으로 변압기 또는 SMPS 기반 장치를 통한 고전류 고전압 전원 공급 장치를 통해 유도됩니다.

전력 증폭기는 낮은 입력 신호를 높은 출력 신호로 증폭 할 수 있지만 실제로 절차는 그다지 효율적이지 않습니다. 이 과정에서 상당한 양의 DC 전력이 열 방출의 형태로 낭비되기 때문입니다.

이상적인 증폭기는 소비 전력과 거의 동일한 출력을 생성하여 100 %의 효율성을 제공합니다. 그러나 실제로 이것은 열 형태의 전력 장치에서 내재 된 DC 전력 손실로 인해 상당히 멀어 보이고 실현 가능하지 않을 수 있습니다.

증폭기의 효율성 위의 고려 사항에서 증폭기의 효율성을 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

효율 = 증폭기 전력 출력 / 증폭기 DC 소비 = Pout / Pin

이상적인 증폭기

위의 논의를 참조하여 이상적인 증폭기의 주요 특성에 대해 간략히 설명 할 수 있습니다. 구체적으로 아래에 설명되어 있습니다.

이상적인 증폭기의 이득 (A)은 다양한 입력 신호에 관계없이 일정해야합니다.

1. 게인은 입력 신호의 주파수에 관계없이 일정하게 유지되므로 출력 증폭에 영향을주지 않습니다.
2. 앰프의 출력은 증폭 과정에서 어떤 종류의 노이즈도 발생하지 않습니다. 반대로 입력 소스를 통해 유입되는 모든 노이즈를 제거하는 노이즈 감소 기능이 통합되어 있습니다.
3. 주변 온도 또는 대기 온도의 변화에 ​​영향을받지 않습니다.
4. 장시간 사용하면 앰프의 성능에 거의 영향을 미치지 않거나 전혀 영향을 미치지 않으며 일관성을 유지합니다.

전자 증폭기 분류

전압 증폭기 든 전력 증폭기 든 입력 및 출력 신호 특성에 따라 분류됩니다. 이는 입력 신호 신호에 대한 전류 흐름과 출력에 도달하는 데 필요한 시간을 분석하여 수행됩니다.

회로 구성에 따라 전력 증폭기를 알파벳 순서로 분류 할 수 있습니다. 다음과 같은 다양한 운영 등급이 지정됩니다.

클래스 'A'
클래스 'B'
클래스 'C'
클래스 'AB'등.

이것들은 거의 선형적인 출력 응답에서 다소 낮은 효율에서 고효율의 비선형 출력 응답에 이르는 속성을 가질 수 있습니다.

이러한 종류의 증폭기는 각각 요구 사항에 따라 고유 한 응용 영역이 있기 때문에 서로 더 나쁘거나 더 나은 것으로 구별 할 수 없습니다.

이들 각각에 대해 최적의 전환 효율성을 찾을 수 있으며 인기는 다음 순서로 식별 할 수 있습니다.

클래스 'A'증폭기 : 효율은 일반적으로 40 % 미만으로 낮지 만 개선 된 선형 신호 출력을 보여줄 수 있습니다.

클래스 'B'앰프 : 앰프의 활성 장치 만 전력을 소비하여 전력 사용량이 50 %에 불과하기 때문에 효율 비율은 클래스 A의 두 배, 사실상 약 70 % 일 수 있습니다.

클래스 'AB'앰프 :이 범주의 앰프는 클래스 A와 클래스 B 사이의 효율 수준을 갖지만 신호 재생은 클래스 A에 비해 열악합니다.

클래스 'C'증폭기 : 전력 소비 측면에서 매우 효율적인 것으로 간주되지만 신호 재생은 왜곡이 많고 최악이며 입력 신호 특성의 복제가 매우 불량합니다.

클래스 A 앰프의 작동 방식 :

클래스 A 증폭기에는 활성 영역 내에 이상적으로 바이어스 된 트랜지스터가있어 입력 신호가 출력에서 ​​정확하게 증폭 될 수 있습니다.

이 완벽한 바이어스 기능으로 인해 트랜지스터는 차단 또는 포화 영역을 향해 드리프트되지 않으므로 다음과 같이 신호 증폭이 올바르게 최적화되고 신호의 지정된 상한과 하한 사이의 중앙에 배치됩니다. 영상:

클래스 A 구성에서는 동일한 트랜지스터 세트가 출력 파형의 두 절반에 걸쳐 적용됩니다. 그리고 사용하는 바이어스의 종류에 따라 출력 전력 트랜지스터는 입력 신호의 적용 여부에 관계없이 항상 스위치 ON 위치에서 렌더링됩니다.

이로 인해 A 급 증폭기는 전력 소비 측면에서 효율성이 극히 낮습니다. 장치 소실을 통한 과도한 낭비로 인해 출력으로의 실제 전력 전달이 방해되기 때문입니다.

위에서 설명한 상황에서 클래스 증폭기는 입력 신호가없는 경우에도 항상 과열 된 출력 전력 트랜지스터를 갖는 것을 볼 수 있습니다.

입력 신호가없는 경우에도 전원 공급 장치의 DC (Ic)는 파워 트랜지스터를 통해 흐르도록 허용되며 이는 입력 신호가있을 때 스피커를 통해 흐르는 전류와 동일 할 수 있습니다. 이로 인해 연속적인 '핫'트랜지스터가 발생하고 전력이 낭비됩니다.

클래스 B 증폭기 작동

단일 전력 트랜지스터에 의존하는 클래스 A 증폭기 구성과 달리 클래스 B는 회로의 각 절반 섹션에 걸쳐 한 쌍의 보완 BJT를 사용합니다. 이는 NPN / PNP 또는 N- 채널 MOSFET / P- 채널 MOSFET의 형태 일 수 있습니다.

여기서 트랜지스터 중 하나는 입력 신호의 절반 파형 사이클에 응답하여 전도 할 수 있고 다른 트랜지스터는 파형의 다른 절반 사이클을 처리합니다.

이렇게하면 쌍의 각 트랜지스터가 활성 영역 내에서 절반 시간 동안 전도되고 차단 영역에서 절반 시간 동안 전도되므로 신호 증폭에 50 % 만 관여 할 수 있습니다.

클래스 A 증폭기와 달리 클래스 B 증폭기에서 전력 트랜지스터는 직접 DC로 바이어스되지 않습니다. 대신 구성은 입력 신호가 실리콘 BJT의 경우 약 0.6V가 될 수있는 기본 이미 터 전압보다 높을 때만 전도되도록합니다.

이는 입력 신호가 없을 때 BJT가 차단 된 상태로 유지되고 출력 전류가 0임을 의미합니다. 이로 인해 입력 신호의 50 %만이 어떤 경우에도 출력에 입력 될 수 있으므로 이러한 증폭기의 효율성이 훨씬 향상됩니다. 결과는 다음 다이어그램에서 확인할 수 있습니다.

클래스 B 증폭기에서 전력 트랜지스터를 바이어스하는 데 DC가 직접 관여하지 않기 때문에 각 1/2 +/- 파형 사이클에 대한 응답으로 전도를 시작하려면베이스 / 이미 터에 대해 필수적이됩니다. Vbe 0.6V (BJT의 표준 기본 바이어스 값)보다 높은 전위 획득

위의 사실로 인해 출력 파형이 0.6V 마크 미만인 동안에는 증폭 및 재현 할 수 없음을 의미합니다.

이로 인해 BJT 중 하나가 꺼지고 다른 하나가 다시 켜질 때까지 기다리는 동안 출력 파형에 대한 왜곡 된 영역이 발생합니다.

이로 인해 한 트랜지스터에서 다른 트랜지스터로의 전환이 상보 적 쌍에서 발생할 때 정확히 교차 기간 또는 제로 교차 근처의 전환 기간 동안 파형의 작은 부분이 약간의 왜곡을 받게됩니다.

클래스 AB 증폭기 작동

클래스 AB 증폭기는 클래스 A 및 클래스 B 회로 설계의 혼합 f 특성을 사용하여 제작되었으므로 클래스 AB라는 이름이 붙습니다.

클래스 AB 설계는 한 쌍의 보완 BJT 와도 작동하지만 출력 단계에서는 입력 신호가 없을 때 전력 BJT의 바이어스가 차단 임계 값 가까이에서 제어되도록합니다.

이 상황에서 입력 신호가 감지 되 자마자 트랜지스터는 활성 영역에서 정상적으로 작동하지 않으므로 일반적으로 클래스 B 구성에서 흔히 발생하는 교차 왜곡의 가능성을 억제합니다. 그러나 BJT에 약간의 컬렉터 전류가 전도 될 수 있으며, 그 양은 클래스 A 설계에 비해 무시할 수있는 것으로 간주 될 수 있습니다.

클래스 AB 유형의 증폭기는 클래스 A 대응에 비해 훨씬 향상된 효율과 선형 응답을 보여줍니다.

클래스 AB 증폭기 출력 파형

증폭기 클래스는 증폭 프로세스를 구현하기 위해 입력 신호의 진폭을 통해 트랜지스터가 바이어스되는 방식에 따라 달라지는 중요한 매개 변수입니다.

이는 트랜지스터가 전도하는 데 사용되는 입력 신호 파형의 크기와 출력을 전달하는 데 실제로 사용되거나 손실을 통해 낭비되는 전력의 양에 의해 결정되는 효율 계수에 따라 달라집니다.

이러한 요소와 관련하여 최종적으로 다음 표에 나와있는 것처럼 다양한 앰프 클래스 간의 차이점을 보여주는 비교 보고서를 작성할 수 있습니다.

그런 다음 다음 표에서 가장 일반적인 유형의 증폭기 분류를 비교할 수 있습니다.

전력 증폭기 등급

마지막 생각들

예를 들어 클래스 A 증폭기 설계와 같이 증폭기가 올바르게 설계되지 않은 경우 작동을위한 냉각 팬과 함께 전원 장치에 상당한 히트 싱크가 필요할 수 있습니다. 이러한 설계는 또한 열로 낭비되는 엄청난 양의 전력을 보상하기 위해 더 큰 전원 공급 장치 입력이 필요합니다. 이러한 모든 단점은 이러한 증폭기를 매우 비효율적으로 만들 수 있으며, 이는 차례로 장치의 점진적인 성능 저하와 결국 고장을 일으킬 수 있습니다.

따라서 클래스 A 증폭기의 40 %에 비해 약 70 %의 더 높은 효율로 설계된 클래스 B 증폭기를 사용하는 것이 좋습니다. 클래스 A 증폭기는 상당한 전력 낭비가 발생하지만 증폭 및 더 넓은 주파수 응답으로 더 선형적인 응답을 약속 할 수 있습니다.