Transcript 전자회로5장
CHAPTER 05 차동증폭기와 전력증폭기 Differential Amplifiers and Power Amplifiers 신경욱 교수 금오공과대학교 2013. 1. 31 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 1/89 5장 차동증폭기와 전력증폭기 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 2/89 5.1 기초 다지기 5.1.1 동작점에 따른 증폭기 분류 5.1.2 트랜지스터의 정격 5.1.3 차동증폭기의 구조 및 동작원리 5.1.4 차동증폭기의 입출력 전달 특성 5.1.5 차동증폭기의 특성 파라미터 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 3/89 5.1 기초 다지기 3단 증폭기의 예 입력단; 차동증폭기(differential amplifier) 신호원에서 입력되는 두 신호의 차이를 증폭 이득단; 입력단의 출력을 증폭하여 이득을 제공 출력단; 스피커, 모터 등의 부하를 구동하는 전력증폭기 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 4/89 5.1.1 동작점에 따른 증폭기 분류 증폭기의 분류 소신호(small-signal) 증폭기 동작점을 중심으로 진폭이 작게 변하는 신호(수 ~ 수백 mV)를 증폭함 트랜지스터의 선형 동작영역 중앙 근처에 동작점을 설정함 입-출력 신호의 선형성(linearity)이 중요함 대신호(large-signal) 증폭기 진폭이 큰 신호를 증폭함 트랜지스터의 비선형 특성에 의해 증폭기 출력이 왜곡될 수 있으므로, 큰 동적 범위(dynamic range)에서 선형성이 유지될 수 있도록 소신호 증폭기와는 다 른 바이어스 방법이 필요함 전력변환 효율, 정격전력, 안전동작 영역, 전력소비에 의한 발열문제 등이 중요 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 5/89 5.1.1 동작점에 따른 증폭기 분류 A급 바이어스 증폭기 컬렉터 전류의 선형영역 중앙 근처에 동작점이 설정됨 입력전류의 전체 주기가 왜곡 없이 증폭되어 컬렉터 전류로 나오므로 선형성 이 잘 유지됨 입력전류에 무관하게 바이어스 전류 𝑰𝑪𝑸 가 항상 흐르므로 이에 의한 DC 전력 소비가 커서 전력효율이 낮음 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 6/89 5.1.1 동작점에 따른 증폭기 분류 B급 바이어스 증폭기 트랜지스터의 차단점(𝑰𝑪𝑸 = 𝟎이 되는 지점)에 동작점이 설정됨 입력전류의 양(+)의 반 주기만 증폭되어 컬렉터 전류로 나오며, 음(-)의 반 주 기는 컬렉터 전류가 흐르지 않아 출력파형의 왜곡이 심함 차단되는 반 주기의 신호를 얻기 위해 상보형 푸시풀(complementary pushpull) 구조를 이용하여 전체 주기의 신호를 얻을 수 있음 바이어스 전류가 𝑰𝑪𝑸 = 𝟎이므로 DC 전력소비가 이론적으로 0이 되어 A급 증폭기보다 전력효율이 높음 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 7/89 5.1.1 동작점에 따른 증폭기 분류 AB급 바이어스 증폭기 B급 바이어스 증폭기의 동작점을 A급 바이어스 쪽으로 약간 이동시킨 증폭기 B급 푸시풀 증폭기의 𝑽𝑩𝑬 전압강하에 의한 출력파형 왜곡을 없애기 위함 전력효율이 B급 증폭기보다는 작고, A급 증폭기보다는 큼 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 8/89 5.1.1 동작점에 따른 증폭기 분류 C급 바이어스 증폭기 트랜지스터의 차단점 이하에 동작점이 설정됨 입력신호의 반 주기 이하의 일부만 출력으로 나오고, 나머지 반 주기 이상이 차단되어 출력파형의 왜곡이 가장 심함 왜곡을 갖는 정현파는 고조파(harmonics) 성분을 포함하고 있음 출력에 LC 동조회로를 이용하면 고조파가 제거된 기본파 성분을 얻을 수 있음 컬렉터 전류의 평균치가 가장 작으므로, 전력효율이 가장 큼 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 9/89 5.1.1 동작점에 따른 증폭기 분류 동작점에 따른 증폭기 분류 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 10/89 5.1.2 트랜지스터의 정격 트랜지스터의 정격 트랜지스터가 동작할 수 있는 전압, 전류 및 전력소비의 한계치 정격값이 초과되면 소자의 정상 동작이 보장되지 않거나 소자가 치명적인 손상을 받을 수 있으므로, 회로설계 시에 고려되어야 함 BJT의 정격 파라미터 컬렉터-이미터 항복 전압 (𝑽𝑪𝑬𝑶 ) • 베이스가 개방된 상태(𝑰𝑩 = 𝟎)에서 컬렉터-이미터 전압이 항복전압 𝑽𝑪𝑬𝑶 에 도달하면 컬렉터 전류가 급격히 증가하는 항복현상이 발생함 • 전력증폭기용 BJT는 수 십~수 백V 정도, 소신호 BJT는 수 십 V 정도임 • 𝑽𝑪𝑬𝑶(𝒔𝒖𝒔) ; 트랜지스터가 항복상태를 유지하기 위해 필요한 최소 전압 컬렉터-베이스 항복 전압 (𝑽𝑪𝑩𝑶), 이미터-베이스 항복 전압 (𝑽𝑬𝑩𝑶) 최대 컬렉터 전류 (𝑰𝑪,𝒎𝒂𝒙 ) 최대 소비전력 (𝑷𝑫,𝒎𝒂𝒙) • 소신호 BJT; 수 W 이하, 전력증폭기용 BJT; 수 십 ~ 수 백W 이상 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 11/89 5.1.2 트랜지스터의 정격 트랜지스터의 정격 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 12/89 5.1.2 트랜지스터의 정격 안전동작 영역(SOA：Safe Operation Area) 트랜지스터가 안전하게 동작할 수 있는 영역 컬렉터 정격전류 𝑰𝑪,𝒎𝒂𝒙 , C-E 항복유지전압 𝑽𝑪𝑬𝑶,𝒔𝒖𝒔 , 최대 정격전력 𝑷𝑫,𝒎𝒂𝒙 ,2차 항복(second breakdown) 등에 의해 결정됨 안전동작 영역에서 차단영역과 포화영역을 제외한 나머지 영역에서 동작하도 록 설계되어야 함 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 13/89 5.1.2 트랜지스터의 정격 [예제 5-1] 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 14/89 5.1.3 차동증폭기의 구조 및 동작 원리 차동증폭기 두 입력신호의 차(difference)를 증폭함 각종 아날로그 IC(연산증폭기와 비교기 IC)의 입력단으로 사용됨 두 개의 입력단자와 한 개 또는 두 개의 출력단자를 가짐 이미터 결합 차동쌍(emitter-coupled differential pair) 또는 소오스 결합 차 동쌍(source-coupled differential pair), 정전류원(constant-current source), 능동부하(active load) 등의 블록으로 구성됨 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 15/89 5.1.3 차동증폭기의 구조 및 동작 원리 BJT 차동증폭기 이미터 결합 차동쌍(Q1,Q2) : 특성이 정합(matched)되고, 정전류원 IEE에 의해 선형영역으로 바이어스됨 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 16/89 5.1.3 차동증폭기의 구조 및 동작 원리 BJT 차동증폭기 공통모드(common-mode) 입력이 인가되는 경우 이미터 전류; 컬렉터 전압; 𝜷𝒐𝟏 = 𝜷𝒐𝟐 ≫ 𝟏이라고 하면 𝒊𝑬𝟏 ≈ 𝒊𝑪𝟏, 𝒊𝑬𝟐 ≈ 𝒊𝑪𝟐이므로 컬렉터 전압의 차; → 이상적인 차동증폭기에 공통모드 전압이 인가(𝒗𝒅 = 𝟎)되는 경우, 차동증폭기의 출력은 0이 됨 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 17/89 5.1.3 차동증폭기의 구조 및 동작 원리 BJT 차동증폭기 차동모드(differential-mode) 입력이 인가되는 경우 입력전압; 𝒗𝑺𝟏 = 𝒗𝒅 /𝟐, 𝒗𝑺𝟐 = −𝒗𝒅 /𝟐 차동모드 입력; 𝒗𝒅 = 𝒗𝑺𝟏 − 𝒗𝑺𝟐 컬렉터 전류; 𝒊𝑪𝟏 = 𝑰𝑬𝑬 𝟐 + ∆𝑰, 𝒊𝑪𝟐 = 𝑰𝑬𝑬 𝟐 − ∆𝑰 컬렉터 전압; 출력전압; 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 18/89 5.1.4 차동증폭기의 입출력 전달특성 차동증폭기의 입출력 전달특성 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 19/89 5.1.4 차동증폭기의 입출력 전달특성 차동증폭기의 동작특성 𝒗𝒅 = 𝟎(즉, y축과의 교점) • 두 트랜지스터의 컬렉터 전류는 동일하며, 𝒊𝑪𝟏 = 𝒊𝑪𝟐 = 𝜶𝑭 𝑰𝑬𝑬 가 𝟐 됨 컬렉터 전류 𝒊𝑪𝟏 과 𝒊𝑪𝟐 • 상보적(complementary)인 관계를 가지며, 한쪽이 증가하면 다른 쪽은 감소함 작은 차동 입력전압(즉, −𝟐𝑽𝑻 < 𝒗𝒅 < 𝟐𝑽𝑻 )범위 • 차동쌍의컬렉터 전류는 선형을 유지 • 차동증폭기의 이득은 𝒗𝒅 = 𝟎인 점에서의 기울기(즉, 전달컨덕턴스)에 비례함 큰 차동 입력전압(즉, |𝒗𝒅 | ≫ 𝟐𝑽𝑻 ) 범위 • 두 트랜지스터 중 하나는 차단되고 다른 하나는 도통됨 • 바이어스 전류 𝑰𝑬𝑬 는 도통된 트랜지스터를 통해 흐름 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 20/89 5.1.4 차동증폭기의 입출력 전달특성 차동증폭기의 동작특성 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 21/89 5.1.5 차동증폭기의 특성 파라미터 차동증폭기의 특성 파라미터 차동모드이득 차동모드 입력전압 𝒗𝒅 에 대한 출력전압 𝒗𝒐,𝒅𝒎 의 비(ratio) 공통모드 이득 공통모드 입력전압 𝒗𝒄𝒎에 대한 출력전압 𝒗𝒐,𝒄𝒎 의 비(ratio) 공통모드 제거비 차동모드 이득과 공통모드 이득의 비(ratio) 공통모드 입력은 출력되지 않도록 억제하고, 차동모드 입력만 증폭하여 출력 되도록 하는 성능을 나타냄 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 22/89 5.1.5 차동증폭기의 특성 파라미터 차동증폭기의 특성 한빛아카데미 5장 차동증폭기와 전력증폭기 23/89