2. 전력 증폭 회로

(1) 간단한 전력 증폭 회로 (A급 싱글 전력 증폭 회로)

① 전력 증폭 회로(power amplifier) : 부하를 동작시키는데 필요한 전력을 공급하기 위한 증폭 회로.

[1] 회로의 동작

① 직류 회로와 교류 회로로 나누어 회로 동작을 생각해야 한다.

② 동작점(바이어스)과 교류부하선 : 가능한 한 큰 전력을 얻기 위해 다음 두가지 사항을 고려하여 동작점을 결정한다.

- 동작점은 교류 부하선을 2등분한다.
- 최대 정격값 이내에서 가능한 한 바이어스 전류를 큰 값으로 한다.

③ 직류 부하선 : 위의 그림에서 R_E를 무시하면 동작점(바이어스) K₀의 V_CE, I_C는 그림(b)와 같이 직류 부하선이 V_CE=E=20[V]인 점에서 I_C축에 평행으로 뻗는 직선이 되므로 V_CE는 20[V]가 된다. I_C는 이 직류 부하선상에서 최대 정격값을 넘지 않는 범위 내에서 가장 큰 값을 선정하여 100[mA]가 되도록 결정하면 된다.
④ 교류 부하선 : 최대 출력을 얻기 위해 직류 동작점을 지나며, 그 동작점에서 2등분 되는 직선이어야 하므로 교류 부하선은 그림(c)와 같은 직선이 되어야 한다. 교류 부하선 기울기에서 교류 부하 R'_L는 R'_L=40/0.2=200[Ω]이 가장 알맞는 것으로 된다. 스피커(부하) R_L=80[Ω]이므로 변성기에 의해 R_L의 값을 최적 교류 부하 R'_L=200[Ω]으로 변환해 준다.
⑤ 변성기의 성질

- 변성기 : 약한 전류의 회로에 삽입하는 변압기.
- 구조 : 출력 변성기는 그림과 같이 철심에 2개의 코일을 감은 것이다.

- 변성기에 그림과 같이 1차측에 V₁의 전압을 가하고 2차측에 R의 저항을 접속하면 전류 전압 관계는

(이상적인 변성기라면 V₁I₁=V₂I₂) 이 식으로부터
1차측에서 본 저항은
이 작용은 2차측에 임피던스를 접속했을 때에도 성립하므로 임피던스 변환 작용이라 한다.

[2] 특성

① 최대 출력과 손실

a. 이상적인 경우의 조건
- 변성기의 손실을 무시한다.
- R_E에 의한 손실을 무시한다.
- 동작점은 교류 부하선의 중심에 있다.
- i_c, V_CE는 교류 부하선의 전체 범위까지 이용된다.
- 이상적인 최대 출력 :
b. 손실 요인
- 변성기 : 권선의 저항 γ₁, γ₂ 와 누설 자속 Φ때문이다.
- 트랜지스터 : 포화 영역, 차단 영역 때문에 교류 부하선의 전 범위가 사용되지 못하기 때문이다.
- 바이어스 저항 R_E : 바이어스 안정을 위한 R_E에 전압 강하가 생겨, V_CE가 낮아지기 때문이다.

② 전원 효율 : 트랜지스터의 컬렉터 회로에 공급되는 직류 전력 P_DC와 이상적인 최대 출력 P_om과의 비

- A급 싱글 전력 증폭회로의 전원 효율 :
- 이상적인 최대 출력일 경우에도 50[%]의 효율밖에 얻지 못한다.

③ 트랜지스터의 최대 정격

- 컬렉터 손실 P_c : 컬렉터 손실 P_c는 입력 전압이 없을 때에 가 가해지므로 이 때 최대 출력이 된다.

- I_C와 V_CE : I_C, V_CE의 최대값은

[3] A급 싱글 전력 증폭 회로의 특징

① 전원 효율이 최대라도 50[%]밖에 되지 않는다.
② 이상적인 출력의 2배인 컬렉터 손실을 가지는 트랜지스터를 쓰지 않으면 안된다.
③ 이 회로는 비교적 작은 전력의 증폭 회로에만 사용된다.

(2) B급 푸시풀 전력 증폭 회로

① OTL(output transformerless) B급 푸시풀 증폭 회로 : 출력 변성기를 사용하지 않은 푸시풀 증폭 회로

[1] 회로 보는법과 신호의 흐름

① 이 회로는 무신호 입력일 때는 전류가 흐르지 않고 입력이 가해지면 그 반주기마다 TR₂, TR₃이 교대로 동작하여 부하인 스피커에 전력을 공급한다.
② 이와 같은 동작을 하는 회로를 B급 푸시풀 증폭 회로라 한다.
③ 이 회로는 대전력 증폭 회로에 가장 많이 사용되고 있다.

[2] B급 푸시풀 증폭 회로의 특성

① 최대 출력 전력 :
트랜지스터 특성의 전 범위에서 증폭이 이루어지므로 이상적인 최대 출력이 된다.
② 전원 효율 :
B급 푸시풀 전력 증폭기에서 최대 출력의 전원 효율은 78.5[%]로 된다.
③ 크로스오버 일그러짐

- 출력파형의 일그러짐 원인은 트랜지스터의 입력 특성(V_BE-I_B 특성)에 따라 입력 전압이 작을 때는 베이스 전류와 컬렉터 전류가 거의 흐르지 않기 때문이다.
- 이러한 일그러짐을 푸시풀 동작에서 트랜지스터가 교대로 동작할 때 생기므로 크로스오버(crossover)일그러짐이라 한다.
- 클로스오버일그러짐을 제거하려면 다이오드에 강하된 전압을 바이어스로 사용한다.
- 1개의 다이오드 전압 V_D는 1개의 트랜지스터에 필요한 V_BED와 같으며, 또한 온도 변화에 따라 트랜지스터에 필요한 V_BED가 변화해도 다이오드의 양단 전압 V_D도 함께 변화하므로 안정된 바이어스 회로로 된다.
④ 필요한 정격
- 컬렉터 전류 I_cm :
- 컬렉터-이미터 간의 전압 V_CEm : V_CEm>2E₁
⑤ 최대 컬렉터 손실 P_cm≒0.203P_om
트랜지스터의 컬렉터 손실은 P_cm>0.203P_om이면 좋은 것이다.
이 때 출력 전력은 m≒0.637이므로, P_o=m2P_om≒0.406P_om 결국, 최대 출력의 40.6[%]의 출력 일 때이다.

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