Transcript 전자회로(7판)
1 Chapter 9 전력 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 2 목 표 A급, B급, AB급, C급 전력증폭기의 동작 해석 및 고찰 개 요 • 전력 증폭기는 대신호 증폭기로 소신호 증폭기보다 부하선상의 더 큰 신호동작에서 사용됨을 의미 • 전력 증폭기는 통신시스템의 송수신기의 최종 단에 적용 • 증폭기의 분류는 증폭기가 선형영역에서 동작하기 위한 입력주기의 비율에 근거 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 3 9-1. A급 증폭기 • A급 증폭기 – 입력신호에 대해 증폭된 신호가 선형영역이 되도록 바이어스 된 증폭기 • 부하에 전력을 제공하는 것이 목적인 대신호 증폭기 • 전력증폭기 – 열 방출을 고려(cooling fan, heat sink) 기본 A급 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 4 중앙에 위치한 Q 점 • A급 증폭기의 Q점은 교류 부하선의 중앙에 위치 • Q점을 중심으로(ICQ, VCEQ) • 컬렉터 전류 Ic : Ic(sat) ~ 0, 컬렉터-이미터 전압 Vce(cutoff) ~ 0 • Q점이 교류부하선의 중앙에 위치하지 못하면 출력신호는 제한 받음 Q점이 중앙에 위치할 때 최대 A급 신호 출력 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 5 Q점이 차단영역으로 접근 Q점이 포화영역으로 접근 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 6 전력 이득 • 전력증폭기는 부하에 전력을 전달 • 전력이득(Ap)은 부하에 전달된 전력과 입력전력간의 비 • 전력이득은 변수에 따라 여러 가지 공식으로 표현 가능 (전압값은 실효값으로) PL = V2L/RL , Pin = V2in/Rin Ap = PL/Pin , Ap = Av2(Rin/RL) • 입력신호가 없을 때의 TR의 전력소모는 동작점에서의 전압과 전류의 비 PDQ=ICQVCEQ 출력 전력 • 출력전력은 실효부하전류와 실효부하전압의 곱 Pout = V L(rms)IL(rms) • A급 증폭기의 최대 출력은 Pout(max) = 0.5VCEQICQ Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 7 효 율 • 효율은 교류출력전력과 직류입력전력의 비 • 평균 전력입력전류 ICC는 ICQ, 입력전압은 2VCEQ 직류 전력은 PDC=ICCVCC=2ICQVCEQ • 커패시터 결합 A급 증폭기의 최대효율은 25% effmax = Pout/PDC =0.5 ICQVCEQ/2 ICQVCEQ=0.25 • 변압기를 이용하여 효율을 증가시킬 수 있지만 전위의 일그러짐 현상과 비용, 크기 등에 결점 • A급 증폭기는 아주 작은 부하전력이 요구되는 응용분야에서 사용 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 8 9-2. B급과 AB급의 푸쉬풀 증폭기 • B급 증폭기 - 입력주기의 180°에서는 직선영역에서 나머지 180°에서는 차단되도록 바이어스된 증폭기 • AB급 증폭기 - 180°이상의 영역에서 동작되도록 바이어스된 증폭기 • 장점 – A급 증폭기보다 더 효율적이므로 주어진 입력 전력의 크기보다 더욱 큰 출력전력의 획득이 가능 • 단점 – 입력파형의 충실한 재현을 위한 회로구성이 복잡 • 전주기를 증폭시키기 위해 푸시풀 구성 도입 기본 B급 동작 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 9 B 급 동작 • 차단영역에서의 Q점 – B급 증폭기는 차단점(ICQ=0, VCEQ=VCE(cutoff))에서 바이어스 • 입력신호가 증폭기를 도통시킬 때 증폭기는 차단영역 이상 (0.7V)의 직선에서 동작 • 양의 반주기 동안만 동작하므로 전주기에 대해 동작이 가능하도록 Push-pull 동작이 필요 • Push-pull의 형태 : 변압기 결합, 상보형 트랜지스터 공통 컬렉터 B급 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 10 B 급 푸시풀 동작 • 변압기 결합 Push-pull 구성 – 입력변압기가 센터 탭 되어 입력 신호에 대해 다른 한쪽이 위상 반전되도록 하여 두 개의 신호가 발생됨으로써 입력신호의 양의 주기에서는 Q1이 음의 주기에서는 Q2가 동작하여 두 개의 신호가 출력변압기에 의해 결합되는 동작 변압기 결합의 푸시풀 회로 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 11 • 상보형 트랜지스터 Push-pull 구성 – 두개의 이미터 플로어를 결합한 형태로 npn TR(Q1)은 입력신호의 양의 주기에서 도통, 음의 주기에서는 pnp TR(Q2)가 음의 주기에서 도통되는 형태 • 직류 바이어스 전류가 인가되지 않음으로 입력신호에 의해 TR이 도통되는 특징을 갖는 가장 일반적인 Push-pull 회로 상보형 TR 푸시풀 회로의 동작 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 12 교차 일그러짐 교차 일그러짐(교차왜곡 ; crossover distortion) • B급 증폭기의 단점은 직류 베이스 전압이 0일 때 TR이 도통 하려면 입력신호 전압이 장벽전압(VBE) 보다 커야 되므로 일정 구간에서 출력이 나타나지 않는 구간이 존재하는 것 B급 증폭기의 교차 일그러짐 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 13 AB 급 동작을 위한 푸시풀 증폭기의 바이어스 • 교차 일그러짐의 해결은 TR의 VBE가 극복되도록 바이어싱 ⇒푸시풀 단에 입력신호가 없을 때에도 다소 동작상태에 있도록 바이어싱 • 전류미러(current mirror) : ⇒ 교차일그러짐 현상 제거(AB급 동작) ⇒ D1과 D2의 다이오드 특성과 TR의 베이스-이미터 접합부의 특성과 같으면 다이오드에서의 전류와 TR의 전류가 같아지는 현상 • 다이오드의 전압강하와 TR의 전압강하가 같으면 ICQ=(VCC-0.7V)/R1 교차 일그러짐을 제거하도록 바이어스된 푸시풀 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 14 • 열 폭주 현상(thermal runaway) – TR의 전압강하가 다이오드 에서의 전압강하가 일치하지 않거나 다이오드와 TR의 온도 평형이 맞지 않으면 컬렉터 전류는 온도 불안정에 따른 전위차 발생(베이스-이미터 전류 증가) • 변압기 결합증폭기에서도 교차 일그러짐 발생 변압기 결합 푸시풀 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 15 • 교류동작 – Q 점은 차단영역보다 다소 높게 위치 • 차단 전류는 Ic(sat) =VCC/RL • 직류 부하선은 VCEQ와 직류차단전류인 IC(sat)를 통과 • 포화전류 I C(sat)는 양쪽트랜지스터의 컬렉터-이미터가 단락되면서 만들어지는 전류 ⇒ 두 전원의 단락으로 최대 전류 발생(TR 파괴) 상보형 대칭 푸시풀 증폭기의 부하선 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 16 • 트랜지스터 Q1과 Q2는 서로 교차하면서 차단과 포화상태 양의 주기 – Q1의 이미터는 Q 점에서 0 ~ +VCC로 변화 음의 주기 – Q2의 이미터는 Q 점에서 0 ~ -VCC로 변화 출력은 VCC보다 약간 적음 ⇒ 신호의 왜곡 초래 • A급의 동작에서는 Q 점은 중앙에 위치, 무신호시에도 전류 흐름 • B급은 무신호시에는 아주 작은 전류가 흐르므로 전력소모는 거의 0 • B급 증폭기의 효율은 79% AB급 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 17 단전원 푸시풀 증폭기 • 두 개의 전원일 경우 출력이 0V 이지만 단일 전원이면 VCC/2 • 출력이 0V 가 아니기 때문에 입력과 출력에 대한 커패시터 결합은 소스와 부하저항으로부터 바이어스 전압을 제거 • 출력 전압은 0~VCC까지 변화 가능하나 현실적으로 불가능 단전원 푸시풀 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 18 B/AB급 전력 • 최대 출력 전력 Pout = 0.25VCCIc(sat) • 직류 입력 전력 PDC = VCCICC=VCC (Ic(sat)/π) • 효율 Efficiency = Pout/PDC B급(AB급은 약간 적음)의 최대 효율은 79%. • 입력저항 Rin=βac(r’e+RE) RE=RL이므로 Rin=βac(r’e+RL) Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 19 달링턴 AB급 증폭기 • 저저항 부하를 가진 응용에서 구동 증폭기에 대한 입력저항을 증가시켜 심각한 전압이득의 감소를 방지 AB급 달링턴 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 20 MOSFET 푸시풀 증폭기 MOSFET 푸시 풀 증폭기는 BJT에 비해 • 장점 – 바이어스회로가 간단하고 구동 조건 단순하며 추가되는 구동에 대해 병렬로 연결이 가능하며, 온도의 불안정에 대해 강점 • 단점 – TR에서의 전압강하가 필요할 때 정확한 값의 발생이 곤란하며, 정전기 방출에 대해 취약 MOSFET 푸시풀 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 21 9-3. C급 증폭기 • 180°미만에서도 도통이 될 수 있도록 한 증폭기 • 효율이 다른 증폭기에 비해 훨씬 높은데 이는 더 큰 출력 전류의 획득이 가능함을 의미 • 출력파형이 심하게 일그러지므로 고주파의 동조증폭기에서 한정적으로 응용 C급 증폭기의 동작 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 22 C급 동작 • C급 동작 – TR은 (-)VBB 전원에 의해 차단점 이하로 바이어스 • 교류 신호원 전압의 첨두값이 VBB+VBE보다 약간 크므로 입력 주기의 정(+)의 첨두값 부근에서 짧은 기간 동안만 TR이 도통 기본 C급 동작 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 23 전력 손실 • 전력손실 – TR이 짧은 기간 동안만 도통 되므로 전력손실이 적음 • 도통 기간의 전력손실은 PD(on) = VCE(sat)IC(sat) PD(avg) = (ton/T)(VCE(sat)IC(sat)) C급 파형 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 24 동조 동작 • C급 증폭기는 출력이 입력파형과 다르기 때문에 선형적 응용에서는 무의미 ⇒ 병렬공진회로(tank)를 이용 • 탱크회로의 공진주파수는 f r 1 /(2 • 최대 출력 전력 Pout = 0.5VCC2/RC • 효율은 거의 100% Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 동조된 C급 증폭기 LC ) 25 공진회로 동작 Electronic Device (Floyd )- Ch. 9 탱크회로의 진동