전자회로5장

Report
CHAPTER 05
차동증폭기와 전력증폭기
Differential Amplifiers and Power Amplifiers
신경욱 교수
금오공과대학교
2013. 1. 31
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5장 차동증폭기와 전력증폭기
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5장 차동증폭기와 전력증폭기
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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
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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
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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
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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  가 항상 흐르므로 이에 의한 DC 전력
소비가 커서 전력효율이 낮음
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5.1.1 동작점에 따른 증폭기 분류
B급 바이어스 증폭기
 트랜지스터의 차단점( = 이 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  = 이므로 DC 전력소비가 이론적으로 0이 되어
A급 증폭기보다 전력효율이 높음
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5.1.1 동작점에 따른 증폭기 분류
AB급 바이어스 증폭기
 B급 바이어스 증폭기의 동작점을 A급 바이어스 쪽으로 약간 이동시킨 증폭기
 B급 푸시풀 증폭기의  전압강하에 의한 출력파형 왜곡을 없애기 위함
 전력효율이 B급 증폭기보다는 작고, A급 증폭기보다는 큼
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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
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5.1.1 동작점에 따른 증폭기 분류
동작점에 따른 증폭기 분류
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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 ( )
• 베이스가 개방된 상태( = )에서 컬렉터-이미터 전압이 항복전압  에 도달하면
컬렉터 전류가 급격히 증가하는 항복현상이 발생함
• 전력증폭기용 BJT는 수 십~수 백V 정도, 소신호 BJT는 수 십 V 정도임
• () ; 트랜지스터가 항복상태를 유지하기 위해 필요한 최소 전압
 컬렉터-베이스 항복 전압 (), 이미터-베이스 항복 전압 ()
 최대 컬렉터 전류 (, )
 최대 소비전력 (,)
• 소신호 BJT; 수 W 이하, 전력증폭기용 BJT; 수 십 ~ 수 백W 이상
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5.1.2 트랜지스터의 정격
트랜지스터의 정격
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5.1.2 트랜지스터의 정격
안전동작 영역(SOA:Safe Operation Area)
 트랜지스터가 안전하게 동작할 수 있는 영역
 컬렉터 정격전류 , , C-E 항복유지전압 , , 최대 정격전력 , ,2차
항복(second breakdown) 등에 의해 결정됨
 안전동작 영역에서 차단영역과 포화영역을 제외한 나머지 영역에서 동작하도
록 설계되어야 함
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5.1.2 트랜지스터의 정격
[예제 5-1]
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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
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5.1.3 차동증폭기의 구조 및 동작 원리
BJT 차동증폭기
 이미터 결합 차동쌍(Q1,Q2) : 특성이 정합(matched)되고, 정전류원 IEE에 의해
선형영역으로 바이어스됨
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5.1.3 차동증폭기의 구조 및 동작 원리
BJT 차동증폭기
 공통모드(common-mode) 입력이 인가되는 경우
 이미터 전류;
 컬렉터 전압;  =  ≫ 이라고 하면  ≈ ,  ≈ 이므로
 컬렉터 전압의 차;
→ 이상적인 차동증폭기에 공통모드 전압이 인가( = )되는 경우,
차동증폭기의 출력은 0이 됨
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5.1.3 차동증폭기의 구조 및 동작 원리
BJT 차동증폭기
 차동모드(differential-mode) 입력이 인가되는 경우
 입력전압;  =  /,  = − /
 차동모드 입력;  =  − 
 컬렉터 전류;  =


+ ∆,  =


− ∆
 컬렉터 전압;
 출력전압;
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5.1.4 차동증폭기의 입출력 전달특성
차동증폭기의 입출력 전달특성
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5.1.4 차동증폭기의 입출력 전달특성
차동증폭기의 동작특성
  = (즉, y축과의 교점)
• 두 트랜지스터의 컬렉터 전류는 동일하며,  =  =
 
가

됨
 컬렉터 전류  과 
• 상보적(complementary)인 관계를 가지며, 한쪽이 증가하면 다른 쪽은 감소함
 작은 차동 입력전압(즉, − <  <  )범위
• 차동쌍의컬렉터 전류는 선형을 유지
• 차동증폭기의 이득은  = 인 점에서의 기울기(즉, 전달컨덕턴스)에 비례함
 큰 차동 입력전압(즉, | | ≫  ) 범위
• 두 트랜지스터 중 하나는 차단되고 다른 하나는 도통됨
• 바이어스 전류  는 도통된 트랜지스터를 통해 흐름
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5.1.4 차동증폭기의 입출력 전달특성
차동증폭기의 동작특성
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5.1.5 차동증폭기의 특성 파라미터
차동증폭기의 특성 파라미터
 차동모드이득
 차동모드 입력전압  에 대한 출력전압 , 의 비(ratio)
 공통모드 이득
 공통모드 입력전압 에 대한 출력전압 , 의 비(ratio)
 공통모드 제거비
 차동모드 이득과 공통모드 이득의 비(ratio)
 공통모드 입력은 출력되지 않도록 억제하고, 차동모드 입력만 증폭하여 출력
되도록 하는 성능을 나타냄
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5.1.5 차동증폭기의 특성 파라미터
차동증폭기의 특성
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