앰프

Amplifier
이 기사는 전자 증폭기에 관한 것이다.다른 용도는 증폭기(동음이의)를 참조하십시오.
1970년대 [1]가정용 컴포넌트 오디오 시스템에 사용된 2×50와트의 스테레오 오디오 앰프.
증폭이란 여기에 표시된 것처럼 시변 신호의 진폭(전압 또는 전류)을 주어진 계수만큼 증가시키는 것을 의미합니다.그래프에는 임의의 신호가 입력으로 적용된 이상적인 선형 증폭기의 t _ { i( )및 출력 (t) ( )이 표시됩니다.이 예에서 앰프의 전압 이득은 3입니다. 즉, 임의의 o ( ) i () { )= }(

증폭기, 전자 증폭기 또는 (비공식적으로) 전류는 신호의 전력(시간 가변 전압 또는 전류)을 증가시킬 수 있는 전자 장치입니다.전원 공급기의 전력을 사용하여 입력 단자에 인가되는 신호의 진폭을 증가시켜 출력 시 상대적으로 큰 진폭 신호를 생성하는 2포트 전자 회로입니다.증폭기가 제공하는 증폭량은 출력 전압, 전류 또는 입력 대비 전력의 비율로 측정됩니다.앰프는 [2][3][4]1보다 큰 전력 게인을 갖는 회로입니다.

앰프는 별도의 장치일 수도 있고 다른 장치 내에 포함된 전기 회로일 수도 있습니다.증폭은 현대 전자제품의 기본이며, 증폭기는 거의 모든 전자제품에 널리 사용되고 있습니다.증폭기는 다양한 방법으로 분류할 수 있습니다.하나는 증폭되는 전자 신호의 주파수에 의한 것입니다.예를 들어 오디오 앰프는 20kHz 미만의 오디오(사운드) 범위에서 신호를 증폭하고, RF 앰프는 20kHz~300GHz 범위의 무선 주파수 범위에서 주파수를 증폭하며, 서보 앰프 및 계측 앰프는 매우 낮은 주파수에서 직류까지 작동할 수 있습니다.증폭기는 신호 체인 내의 물리적 배치에 따라 분류할 수도 있습니다.예를 들어,[5] 프리앰프는 다른 신호 처리 단계보다 우선할 수 있습니다.증폭할 수 있는 최초의 실용적인 전기 장치는 1906년 리 드 포레스트에 의해 발명된 3극 진공관이었는데, 이것은 1912년경에 최초의 증폭기를 만들었다.오늘날 대부분의 증폭기는 트랜지스터를 사용합니다.

역사

진공관

증폭할 수 있는 최초의 실용적이고 눈에 띄는 장치는 1906년 리 드 포레스트에 의해 발명된 3극 진공관이었는데, 이것은 1912년경 최초의 증폭기로 이어졌다.트랜지스터가 진공관을 대체한 1960~1970년대까지 거의 모든 앰프에 진공관이 사용되었습니다.오늘날 대부분의 앰프는 트랜지스터를 사용하지만 일부 용도에서는 진공관이 계속 사용됩니다.

드포레스트의 1914년형 오디오 앰프 시제품.Audion(삼극) 진공 튜브의 전압 게인은 약 5로, 이 3단 앰프의 총 게인은 약 125였습니다.

1876년에 처음 특허를 받은 전화 형태의 오디오 통신 기술의 발달은 점점 더 먼 거리에 걸쳐 신호의 전송을 확장하기 위해 전기 신호의 진폭을 증가시킬 필요성을 만들었다.전신학에서, 이 문제는 신호 기록기와 송신기를 연속해서 작동시켜 릴레이를 형성함으로써 소산된 에너지를 보충하는 스테이션의 중간 장치로 해결되었습니다. 그래서 각 중간 스테이션의 로컬 에너지원이 다음 전송 레그에 전력을 공급합니다.쌍방향 전송, 즉 쌍방향 송수신을 위해, 양방향 중계 중계기가 C의 작업으로부터 개발되었습니다. 바리(Varley) 전보 전송.듀플렉스 전송은 전화에 필수적이었고 문제는 1904년까지 만족스럽게 해결되지 않았다.그때 미국 전화회사의 H.E. 슈리브는 탄소-입자간 송신기와 전기동적 수신기 [6]쌍으로 구성된 전화 중계기를 만드는 기존의 시도를 개선했다.슈리브 리피터는 보스턴과 매사추세츠주 에임즈버리 사이의 라인에서 처음 테스트되었으며, 보다 정교한 장치는 한동안 사용되었습니다.세기가 바뀐 후 음저항 수은 램프가 증폭될 수 있다는 것이 밝혀졌고, 리피터에서도 시도되었지만 거의 성공하지 [7]못했습니다.

1902년경부터 시작된 열전자 밸브의 개발은 신호를 증폭하는 완전히 전자적인 방법을 제공했다.이러한 장치의 첫 번째 실용적인 버전은 1906년 리 [8][9][10]드 포레스트에 의해 발명된 오디오 3극으로,[11] 1912년경 최초의 증폭기가 탄생했다.신호를 강화하기 위해 널리 사용된 유일한 이전 장치가 전신 시스템에 사용된 릴레이였기 때문에, 증폭 진공관은 처음에 전자 [12][13][14][15]릴레이라고 불렸습니다.증폭기 및 증폭기라는 용어는 (확대 또는 [16]확장하기 위해) 라틴어 증폭기에서 파생되었으며, 트라이오드가 널리 [16]보급된 1915년 경에 이 새로운 기능에 처음 사용되었다.

증폭된 진공관은 전기 기술에 혁명을 일으켜 새로운 전자 분야, 즉 능동형 [11]전기 장치의 기술을 창조했습니다.그것은 장거리 전화선, 공공 주소 시스템, 라디오 방송, 말하는 영화, 실용적인 오디오 녹음, 레이더, 텔레비전, 그리고 최초의 컴퓨터를 가능하게 했다.50년 동안 거의 모든 가전제품은 진공관을 사용했습니다.초기 튜브 앰프는 종종 양의 피드백(재생)을 가지고 있어 게인을 증가시킬 수 있지만 앰프를 불안정하게 만들고 진동하기 쉽습니다.증폭기의 수학적 이론의 대부분은 1920년대와 1940년대에 벨 전화 연구소에서 개발되었습니다.초기 증폭기의 왜곡 수준은 Harold Black이 음성 피드백을 개발하기 전인 1934년까지 대개 5% 정도로 높았습니다. 이는 낮은 이득을 희생하면서 왜곡 수준을 크게 줄일 수 있었습니다.증폭 이론의 다른 발전은 해리 나이키스트와 헨드릭 웨이드 [17]보드에 의해 이루어졌다.

진공관은 40년 동안 자기 증폭기, 앰피딘과 같은 특수 동력 장치를 제외하고 사실상 유일한 증폭 장치였다.전력 제어 회로는 20세기 후반까지 자기 증폭기를 사용했는데, 이 때 전력 반도체 소자는 보다 경제적이고 동작 속도가 빨라졌습니다.1950년대에 [18]트랜지스터가 더 작고 더 높은 품질의 증폭기를 제공하기 전까지 오래된 슈리브 전기 음향 카본 리피터는 청각 장애인을 위한 전화 가입자 세트의 조절식 증폭기에 사용되었다.

트랜지스터

상세 정보:트랜지스터, MOSFET, 오디오 파워앰프 및 RF 파워앰프의 이력

최초의 작동 트랜지스터는 1947년 벨 연구소에서 존 바딘과 월터 브래튼에 의해 발명된 점 접촉 트랜지스터로, 윌리엄 쇼클리는 후에 1948년에 양극 접합 트랜지스터(BJT)를 발명했다.Mohamed M에 의해 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)가 발명되었다. 1959년 벨 연구소에서 아탈라와 다원캉이 연구했죠점점 더 작은 크기로 축소할 수 있는 기능인 MOSFET 스케일링 덕분에 MOSFET는 가장 널리 사용되는 [19]앰프가 되었습니다.

1960년대와 1970년대에 부피가 큰 전자관을 트랜지스터로 대체하면서 전자제품에 혁명을 일으켰고, 1954년에 개발된 트랜지스터 라디오와 같은 많은 종류의 휴대용 전자기기가 가능해졌다.오늘날 진공관의 사용은 무선 송신기와 같은 일부 고출력 애플리케이션에서 제한됩니다.

1970년대 이후, 점점 더 많은 트랜지스터가 단일 칩에 연결되어 집적회로에서 보다 높은 규모의 집적(예: 소규모, 중간 규모 및 대규모 집적)을 실현했습니다.오늘날 시판되는 많은 앰프는 집적회로를 기반으로 합니다.

특수 목적을 위해 다른 활성 요소가 사용되었습니다.예를 들어 위성통신 초기에는 파라메트릭 증폭기를 사용했다.코어 회로는 로컬에서 생성된 RF 신호에 의해 캐패시턴스가 변경된 다이오드입니다.특정 조건 하에서 이 RF 신호는 지구 스테이션에서 수신된 극히 약한 위성 신호에 의해 변조된 에너지를 제공합니다.

20세기 후반 이후 디지털 전자제품의 발전은 디지털 스위칭을 사용하여 고정 진폭 신호의 펄스 형태를 변화시킴으로써 기존의 선형 이득 증폭기에 대한 새로운 대안을 제시했고, 결과적으로 Class-D 앰프와 같은 장치가 탄생했습니다.

이상적

종속 소스의 4가지 유형(왼쪽 제어 변수, 오른쪽 출력 변수)

원칙적으로 앰프는 입력 포트에 적용된 신호의 복제이지만 크기가 커지는 신호를 출력 포트에서 생성하는 전기적 2포트 네트워크입니다.

입력 포트는 출력을 포트 전체의 전압에 비례시키는 전류를 사용하지 않는 전압 입력 또는 출력이 포트를 통과하는 전류에 비례하는 전류 입력 중 하나로 이상화할 수 있습니다.출력 포트는 소스 저항이 0이고 출력 전압이 입력에 따라 달라지는 종속 전압 소스 또는 소스 저항이 무한하고 출력 전류가 입력에 따라 달라지는 종속 전류 소스로 이상화할 수 있습니다.이러한 선택지를 조합하면 4가지 유형의 이상적인 [5]증폭기가 생성됩니다.이상화된 형태에서는 그림과 같이 선형 분석에 사용되는 4가지 유형의 종속 선원에 의해 각각 표현된다. 즉, 다음과 같다.

입력 산출량 종속 소스 앰프 타입 게인 단위
I I 전류 제어 전류원(CCCS) 전류 증폭기 유닛리스
I V 전류 제어 전압원, CCVS 트랜스저항 증폭기 옴
V I 전압제어전류원(VCCS) 트랜스컨덕턴스 앰프 지멘스
V V 전압제어전압원(VCVS) 전압 증폭기 유닛리스

이상적인 형태의 각 증폭기 유형은 해당 종속 [20]소스의 저항과 동일한 이상적인 입력 및 출력 저항을 가집니다.

앰프 타입 종속 소스 입력 임피던스 출력 임피던스
현재의 CCCS 0 ∞
트랜스저항 CCVS 0 0
트랜스컨덕턴스 비디오 카드 ∞ ∞
전압 VCVS ∞ 0

실제 앰프에서는 이상적인 임피던스를 달성할 수 없지만, 이러한 이상적인 소자는 입력 및 출력에 임피던스(저항, 캐패시턴스 및 인덕턴스)를 추가하여 실제 앰프의 등가 회로를 구축하는 데 사용할 수 있습니다.특정 회로에 대해 실제 임피던스를 구하기 위해 종종 작은 신호 분석이 사용됩니다.입력 또는 출력 노드에 소량의 AC 테스트 전류x I이 인가되고, 모든 외부 소스가 AC 0으로 설정되며, 테스트 전류원에 걸친 해당 교류 전압x V는 해당 노드에서 보이는 임피던스를 Rx = V/[21]I로x 결정합니다.

입력 및 출력 시 전송선에 연결되도록 설계된 증폭기, 특히 RF 증폭기는 이 분류 방식에 적합하지 않습니다.전압 또는 전류를 개별적으로 처리하는 것이 아니라 전송선 임피던스에 일치하는 입력 또는 출력 임피던스와 이상적으로 결합됩니다. 즉, 전압과 전류의 비율이 일치합니다.실제 RF 앰프의 대부분은 이 이상에 가깝습니다.소정의 적절한 소스 및 부하 임피던스에 대해 RF 앰프는 전압 또는 전류 증폭으로 특징지을 수 있지만 기본적으로 전력을 [22]증폭하는 것입니다.

특성.

주요 기사:앰프 수치

앰프 속성은 다음을 포함하는 파라미터로 제공됩니다.

증폭기는 입력의 특성, 출력 및 [23]관련성에 따라 설명됩니다.모든 증폭기에는 게인, 즉 출력 신호의 일부 속성의 크기를 입력 신호의 속성과 관련짓는 곱셈 계수가 있습니다.게인은 출력 전압 대 입력 전압(전압 게인), 출력 전력 대 입력 전력(전압 게인) 또는 전류, 전압 및 전력의 일부 조합으로 지정할 수 있습니다.대부분의 경우, 다른 출력의 속성은 입력의 동일한 속성에 따라 달라지며, 게인은 단위가 없습니다(대부분 데시벨(dB)로 표시됨).

대부분의 앰프는 선형으로 설계되어 있습니다.즉, 정상적인 입력 레벨 및 출력 신호에 대해 일정한 게인을 제공합니다.증폭기의 게인이 선형적이지 않으면 출력 신호가 왜곡될 수 있습니다.그러나 변동 이득이 유용한 경우가 있다.특정 신호 처리 애플리케이션은 지수 이득 [5]증폭기를 사용합니다.

증폭기는 일반적으로 라디오 및 텔레비전 송신기와 수신기, 고충실도("hi-fi") 스테레오 장비, 마이크로컴퓨터 및 기타 디지털 장비, 기타 및 기타 악기 증폭기와 같은 특정 애플리케이션에서 잘 작동하도록 설계되었습니다.각 앰프는 진공관 또는 트랜지스터 등의 적어도 1개의 액티브 디바이스를 포함한다.

부정적인 피드백

네거티브 피드백은 대부분의 최신 앰프에서 대역폭과 왜곡을 개선하고 게인을 제어하기 위해 사용되는 기술입니다.부귀환 앰프에서는 출력의 일부가 피드백되어 입력에서 감산된 역위상으로 입력에 가산된다.주된 효과는 시스템의 전체적인 이득을 감소시키는 것입니다.단, 왜곡 등 증폭기에 의해 도입된 불필요한 신호도 피드백됩니다.원래 입력의 일부가 아니므로 입력에서 빼서 반대 위상으로 입력에 추가됩니다.이러한 방식으로 음의 피드백은 증폭기에 의해 발생하는 비선형성, 왜곡 및 기타 오류를 감소시킵니다.대량의 네거티브 피드백은 앰프의 응답 자체가 큰 게인을 갖는 한 거의 무관하게 될 정도로 오류를 줄일 수 있으며, 시스템의 출력 성능('폐쇄 루프 성능')은 피드백 루프의 구성요소에 의해 완전히 정의됩니다.이 기술은 특히 연산 증폭기(op-amp)에서 사용됩니다.

비피드백 앰프는 오디오 주파수 신호에 대해 약 1% 왜곡만 달성할 수 있습니다.네거티브 피드백에서는 일반적으로 왜곡을 0.001%까지 줄일 수 있습니다.노이즈, 크로스오버 왜곡도 실질적으로 해소할 수 있습니다.또한 음의 피드백은 온도 변화, 게인 단계의 성분 저하 또는 비선형 성분 저하를 보상하지만 피드백 루프의 성분 변화 또는 비선형성은 출력에 영향을 미칩니다.실제로 출력을 정의하는 피드백루프의 기능은 액티브필터 회로를 만드는 데 사용됩니다.

네거티브 피드백의 또 다른 장점은 증폭기의 대역폭을 확장한다는 것입니다.피드백 개념은 피드백 루프의 구성 요소를 기반으로 게인, 대역폭 및 기타 파라미터를 정밀하게 정의하기 위해 연산 증폭기에서 사용됩니다.

음의 피드백은 증폭기의 각 단계에서 적용되어 전원 전압 또는 디바이스 특성의 경미한 변화로부터 액티브 디바이스의 동작 포인트를 안정시킬 수 있습니다.

예를 들어, 트랜지스터 등의 디바이스의 입력과 출력 사이의 고유 캐패시턴스, 외부 배선의 캐패시턴스 커플링 등, 일부 피드백은 피할 수 없고 바람직하지 않은 경우가 많습니다.과도한 주파수 의존 양의 피드백은 기생 발진을 발생시키고 증폭기를 발진기로 만들 수 있습니다.

분류

액티브 디바이스

모든 앰프에는 어떤 형태의 액티브디바이스가 포함되어 있습니다.이것은 실제 증폭을 하는 디바이스입니다.액티브 디바이스는 진공 튜브, 단일 트랜지스터와 같은 개별 솔리드 스테이트 구성 요소 또는 op-amp와 같은 집적 회로의 일부일 수 있습니다.

트랜지스터 앰프(또는 솔리드 스테이트 앰프)는 오늘날 사용되는 가장 일반적인 유형의 앰프입니다.액티브 소자로 트랜지스터를 사용한다.앰프의 이득은 트랜지스터 자체의 특성과 앰프가 포함된 회로에 의해 결정됩니다.

트랜지스터 증폭기의 공통 액티브 디바이스는 양극 접합 트랜지스터(BJT)와 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)를 포함한다.

어플리케이션은 매우 다양하며, 일반적인 예로는 가정용 스테레오 또는 퍼블릭 어드레스 시스템의 오디오 앰프, 반도체 기기의 RF 고출력, RF 및 마이크로파 어플리케이션(예: 무선 송신기) 등이 있습니다.

트랜지스터 기반 증폭은 다양한 구성을 사용하여 실현할 수 있습니다. 예를 들어 바이폴라 접합 트랜지스터는 공통 베이스, 공통 컬렉터 또는 공통 이미터 증폭을 실현할 수 있습니다. MOSFET는 공통 게이트, 공통 소스 또는 공통 드레인 증폭을 실현할 수 있습니다.설정마다 특성이 다릅니다.

진공관 앰프(튜브 앰프 또는 밸브 앰프라고도 함)는 진공관을 활성 장치로 사용합니다.반도체 앰프는 저전력 애플리케이션에서는 밸브 앰프를 크게 대체했지만, 밸브 앰프는 레이더, 대책 장비 및 통신 장비 등 고전력 애플리케이션에서는 훨씬 비용 효율적입니다.많은 마이크로파 증폭기는 클라이스트론, 자이로트론, 이동파관 및 크로스필드 증폭기와 같이 특별히 설계된 밸브 증폭기이며, 이러한 마이크로파 밸브는 솔리드 스테이트 [24]장치보다 마이크로파 주파수에서 훨씬 더 큰 단일 장치 출력을 제공합니다.진공 튜브는 "튜브 사운드"를 선호하기 때문에 악기 앰프뿐만 아니라 일부 하이엔드 오디오 장비에서도 계속 사용됩니다.

자기증폭기는 한쪽 권선이 자기코어의 포화를 제어하고 다른 쪽 [25]권선의 임피던스를 변화시키기 위해 사용되는 변압기와 다소 유사한 장치이다.

반도체 앰프의 발달로 대부분 사용되지 않게 되었지만, 방사능의 영향을 받지 않기 때문에 HVDC 제어 및 원자력 제어 회로에서는 여전히 유용하다.

음의 저항은 터널 다이오드 [26][27]앰프와 같은 증폭기로 사용할 수 있습니다.

파워앰프

스마트폰에 탑재된 Skyworks Solutions의 파워앰프.

파워앰프는 주로 부하에 사용할 수 있는 전력을 증가시키기 위해 설계된 앰프입니다.실제로 앰프 전력 이득은 소스 및 부하 임피던스뿐만 아니라 고유 전압 및 전류 이득에 따라 달라집니다.Radio Frequency(RF; 무선주파수) 앰프 설계는 일반적으로 전력전달을 위한 임피던스를 최적화하고 오디오 및 계측 앰프 설계는 최소 부하와 최고의 신호 무결성을 위해 입력 및 출력 임피던스를 최적화합니다.게인이 20dB라고 하는 앰프는 전압 게인이 20dB이고 사용 가능한 전력 게인이 20dB(전력비율 100)를 훨씬 초과할 수 있지만, 예를 들어 입력이 600Ω 마이크로폰에서 출력되어 파워앰프용 47KΩ 입력 소켓에 연결되어 있는 경우 실제로는 훨씬 낮은 전력 게인을 제공합니다.일반적으로 파워앰프는 신호 체인(출력 단계)의 마지막 '앰프' 또는 실제 회로이며 전력 효율에 주의를 기울여야 하는 앰프 단계입니다.효율 고려 사항으로 인해 출력 트랜지스터 또는 튜브의 바이어싱에 따라 다양한 등급의 전력 증폭기가 제공됩니다. 아래의 전력 증폭기 클래스를 참조하십시오.

오디오 파워앰프는 일반적으로 스피커 구동에 사용됩니다.대부분의 경우 2개의 출력 채널이 있으며 각각에 동일한 전력을 공급합니다.RF 파워앰프는 무선 송신기 최종 단계에서 발견됩니다.서보 모터 컨트롤러: 제어 전압을 증폭하여 모터의 속도 또는 동력 시스템의 위치를 조정합니다.

연산 증폭기(op-amp)

LM741 범용 op-amp
주요 기사:연산증폭기 및 계측증폭기

op 앰프는 일반적으로 매우 높은 개방 루프 게인과 차동 입력을 갖는 증폭 회로입니다.Op Amp는 범용성으로 인해 회로에서 표준화된 "게인 블록"으로 널리 사용되고 있습니다.게인, 대역폭 및 기타 특성은 외부 회로를 통한 피드백에 의해 제어될 수 있습니다.오늘날 이 용어는 일반적으로 집적회로에 적용되지만 원래의 OP 설계는 밸브를 사용하였고 이후 설계는 이산 트랜지스터 회로를 사용했습니다.

완전 차동 증폭기는 연산 증폭기와 유사하지만 차동 출력도 있습니다.일반적으로 BJT 또는 FET를 사용하여 구성됩니다.

분산 증폭기

주요 기사:분산 증폭기

이들 앰프는 균형 잡힌 전송 라인을 사용하여 개별 1단 증폭기를 분리하며, 이 앰프의 출력은 동일한 전송 선로로 합산됩니다.전송 라인은 평형 전송 라인의 한쪽 끝과 한쪽 끝에만 입력이 있는 평형 타입이며 반대쪽 끝의 출력도 평형 전송 라인의 반대쪽입니다.각 스테이지의 게인은 캐스케이드 구성과 같이 다른 스테이지의 게인을 곱하는 것이 아니라 출력에 선형적으로 추가됩니다.이를 통해 동일한 게인 단계 요소에서도 실현 가능한 것보다 더 높은 대역폭을 확보할 수 있습니다.

스위치 모드 앰프

이러한 비선형 증폭기는 선형 암페어보다 효율성이 훨씬 높으며 전력 절약이 추가적인 복잡성을 정당화할 때 사용됩니다.클래스 D 앰프는 이러한 유형의 증폭의 주요 예입니다.

부저항 증폭기

부저항 증폭기는 트랜지스터 소스와 게이트 사이의 피드백을 사용하여 트랜지스터 소스의 용량성 임피던스를 게이트의 부저항으로 변환할 수 있는 재생 증폭기의 한 유형입니다.다른 유형의 앰프에 비해 이 "음성 저항 증폭기"는 매우 높은 게인을 달성하기 위해 적은 양의 전력만 필요로 하며 동시에 양호한 노이즈 수치를 유지합니다.

적용들

비디오 앰프

비디오 앰프는 비디오 신호를 처리하도록 설계되어 있으며, 비디오 신호가 SDTV, EDTV, HDTV 720p 또는 1080i/p 등에 대응하고 있는지에 따라 대역폭이 달라집니다.대역폭 자체의 사양은 사용되는 필터의 종류와 대역폭이 측정되는 포인트(-1dB 또는 -3dB 등)에 따라 달라집니다.허용 가능한 TV [29]이미지를 사용하려면 스텝 응답 및 오버슈트에 대한 특정 요건이 필요합니다.

마이크로파 앰프

이동파관증폭기(TWTA)는 낮은 마이크로파 주파수에서 고출력 증폭에 사용됩니다.이들은 일반적으로 광범위한 주파수 스펙트럼에 걸쳐 증폭될 수 있지만, 일반적으로 [30]카이스트론만큼 조정 가능하지 않습니다.

클라이스트론은 특수 선형 빔 진공 소자로, 밀리미터 및 밀리미터 미만의 파장을 고출력, 광범위하게 조정 가능한 증폭을 제공하도록 설계되었습니다.Klystron은 대규모 운용용으로 설계되어 있으며 대역폭이 TWTA보다 좁지만 기준 신호를 일관되게 증폭하여 출력의 진폭, 주파수 및 위상을 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있습니다.

이중확산금속산화물반도체(DMOS) FET, GaAs FET, SiGe 및 GaAs 헤테로 접합 바이폴라 트랜지스터/HBT, HEMT, IMPAT 다이오드 등의 실리콘 쇼트채널 MOSFET 등의 고체디바이스는 특히 낮은 전력레벨 및 마이크로파 상에서 사용된다.RF 단말기/휴대전화 및 액세스포인트(크기와 효율이 중요한 경우)실리콘 또는 실리콘 카바이드/SiC의 질화 갈륨(GaN) 또는 GaN과 같은 신소재가 HEMT 트랜지스터와 HEMT 트랜지스터에 등장하고 있으며, 출력 전력은 몇 W에서 몇 십 GHz까지 향상, 넓은 대역폭, 작동이 필요합니다.[31][32]

증폭기 사양 및 크기 요구사항에 따라 마이크로파 증폭기는 모듈로 통합되거나 개별 부품 또는 이들의 조합에 기반하여 일체형으로 통합될 수 있습니다.

메서는 비전자 마이크로파 앰프입니다.

악기 증폭기

악기 앰프는 연주 중에 기타와 같은 악기의 소리 수준을 높이는 데 사용되는 오디오 파워 앰프입니다.

앰프 스테이지 및 시스템 분류

공통 단말기

증폭기 분류의 한 세트는 입력 회로와 출력 회로 모두에 공통인 디바이스 단자에 기초하고 있습니다.바이폴라 접합 트랜지스터의 경우 공통 이미터, 공통 베이스 및 공통 컬렉터의 3가지 클래스가 있습니다.전계효과 트랜지스터의 경우 해당 구성은 공통 소스, 공통 게이트 및 공통 드레인이며 진공관, 공통 음극, 공통 그리드 및 공통 플레이트의 경우입니다.

공통 이미터(또는 공통 소스, 공통 캐소드 등)는 베이스와 이미터 사이에 인가되는 전압을 증폭하도록 구성되며, 콜렉터와 이미터 간에 취해진 출력 신호는 입력에 대해 반전됩니다.공통 수집기 배열은 베이스와 수집기 간에 입력 전압을 적용하고 이미터와 수집기 간에 출력 전압을 취합니다.이로 인해 음의 피드백이 발생하고 출력 전압이 입력 전압을 따르는 경향이 있습니다.이 배열은 입력이 높은 임피던스를 나타내며 전압 증폭이 1 미만이지만 신호 소스를 로드하지 않기 때문에 사용됩니다.따라서 Common-Collector 회선은 이미터 팔로어, 소스 팔로어 또는 캐소드 팔로어로 더 잘 알려져 있습니다.

일방적 또는 쌍방향

출력이 입력 측에 피드백을 나타내지 않는 증폭기를 '일방적'이라고 한다.일방 증폭기의 입력 임피던스는 로드와 무관하며 출력 임피던스는 신호 소스 [33]임피던스와 무관합니다.

피드백을 사용하여 출력의 일부를 입력에 다시 연결하는 증폭기가 쌍방향 증폭기입니다.양방향 앰프 입력 임피던스는 로드 및 신호 소스 임피던스에 따라 달라집니다.모든 증폭기는 어느 정도 양쪽이지만 대부분의 목적을 무시할 수 있을 정도로 피드백이 작은 작동 조건에서는 일방적인 것으로 모델링되어 분석을 단순화할 수 있습니다(예는 공통 기본 문서 참조).

반전 또는 비반전

증폭기를 분류하는 또 다른 방법은 입력 신호와 출력 신호의 위상 관계에 의한 것입니다.'반전' 증폭기는 입력 신호와 180도 다른 위상(즉, 오실로스코프에 보이는 입력의 극성 반전 또는 미러 이미지)을 출력합니다.'비반전' 증폭기는 입력 신호 파형의 위상을 유지합니다.이미터 팔로어는 비반전 증폭기의 일종으로 트랜지스터의 이미터 신호가 입력 신호를 따르고 있음을 나타냅니다(즉, 유니티 게인과 일치하지만 오프셋이 있을 수 있습니다).전압 팔로어도 유니티 게인을 가진 비반전형 증폭기이다.

이 설명은 앰프의 단일 단계 또는 전체 앰프 시스템에 적용될 수 있습니다.

기능.

다른 증폭기는 기능 또는 출력 특성에 따라 분류할 수 있습니다.이러한 기능 설명은 일반적으로 완전한 앰프 시스템 또는 하위 시스템에 적용되며 개별 단계에는 거의 적용되지 않습니다.

  • 서보 앰프는 원하는 레벨에서 출력을 능동적으로 제어하는 통합 피드백 루프를 나타냅니다.DC 서보는 오디오 또는 RF 신호의 급격한 변동이 발생하지 않는 DC 레벨까지의 주파수에서 사용을 나타냅니다.이는 기계식 액추에이터 또는 일정한 속도 또는 토크를 유지해야 하는 DC 모터와 같은 장치에 자주 사용됩니다.일부 AC 모터의 경우 AC 서보 앰프가 이를 수행할 수 있습니다.
  • 선형 증폭기는 다른 주파수 성분에 독립적으로 반응하며 고조파 왜곡 또는 상호 변조 왜곡을 생성하지 않습니다.어떤 증폭기도 완벽한 선형성을 제공할 수 없습니다(트랜지스터 또는 진공 튜브와 같은 증폭 장치는 제곱법칙과 같은 비선형 전력 법칙을 따르고 이러한 효과를 줄이기 위해 회로 기술에 의존하기 때문에 대부분의 선형 증폭기에도 일부 비선형성이 있습니다).
  • 비선형 증폭기는 상당한 왜곡을 발생시켜 고조파 함량을 변화시킵니다. 이것이 유용한 상황이 있습니다.의도적으로 비선형 전송 기능을 제공하는 증폭 회로에는 다음이 포함됩니다.
  • 광대역 증폭기는 광범위한 주파수 범위에 걸쳐 정확한 증폭률을 가지며 통신 시스템에서 릴레이 신호를 증폭하는 데 자주 사용됩니다.협대역 전류는 다른 주파수를 제외하고 특정 협대역 주파수를 증폭합니다.
  • RF증폭기는 전자 스펙트럼의 무선주파수 범위에서 신호를 증폭하여 수신기의 감도 [34]또는 송신기의 출력파워를 높이기 위해 자주 사용된다.
  • 오디오 앰프는 오디오 주파수를 증폭한다.이 범주는 소형 신호 증폭 및 구동 스피커에 최적화된 전력 전류로 세분되며, 때로는 여러 개의 전류로 나뉘어 별도의 채널 또는 브리지 가능한 채널로 분류되어 다양한 오디오 재생 요구 사항을 충족합니다.오디오 앰프에서 자주 사용되는 용어는 다음과 같습니다.
  • 이미터 팔로워를 포함하는 버퍼 앰프는 소스에서 너무 많은 전류를 소비하는 장치(아마도 다른 앰프 또는 조명 등 에너지 소모가 많은 부하)에 높은 임피던스 입력을 제공합니다.라인 드라이버는 긴 인터커넥트케이블 또는 간섭이 발생하기 쉬운 인터커넥트케이블을 공급하는 버퍼의 일종으로 트위스트 페어케이블을 통한 차동출력이 있을 수 있습니다.

단간 결합법

다음 항목도 참조하십시오.다단 증폭기

증폭기는 입력, 출력 또는 스테이지 간 신호의 결합 방법에 따라 분류되는 경우가 있습니다.여기에는 다음과 같은 종류가 있습니다.

저항 및 캐패시터 네트워크를 사용한 저항 용량(RC) 결합 증폭기
이 앰프는 캐패시터가 입력 신호의 DC 성분을 차단하기 때문에 DC 신호를 증폭할 수 없습니다.RC 커플링 앰프는 진공관 또는 이산 트랜지스터가 있는 회로에 매우 자주 사용되었습니다.집적회로 시절에는 칩 상의 트랜지스터 몇 개가 캐패시터보다 훨씬 저렴하고 작습니다.
인덕터와 캐패시터 네트워크를 사용한 유도 캐패시티브(LC) 커플링 앰프
이러한 종류의 증폭기는 선택적 무선 주파수 회로에서 가장 많이 사용됩니다.
변압기를 사용하여 임피던스를 일치시키거나 회로의 일부를 분리하는 변압기 커플링 앰프
변압기가 일종의 인덕터이기 때문에 LC 결합 증폭기와 변압기 결합 증폭기를 구별할 수 없는 경우가 많습니다.
임피던스 및 바이어스 일치 구성 요소를 사용하지 않는 직접 결합 증폭기
이러한 종류의 증폭기는 양극(출력) 전압이 수백 볼트 이상이고 그리드(입력) 전압이 몇 볼트 마이너스인 진공 튜브 시절에는 매우 드물었습니다.따라서 게인이 DC로 지정된 경우에만(예: 오실로스코프에서) 사용되었습니다.현대 전자제품의 맥락에서 개발자들은 가능한 한 직접 결합된 증폭기를 사용할 것을 권장합니다.FET와 CMOS 기술에서는 이론적으로 MOSFET 게이트가 전류를 통과시키지 않기 때문에 직접 결합이 우세합니다.따라서 입력 신호의 DC 성분이 자동으로 필터링됩니다.

주파수 범위

주파수 범위 및 기타 특성에 따라 증폭기는 다른 원리에 따라 설계됩니다.

DC까지의 주파수 범위는 이 속성이 필요한 경우에만 사용됩니다.직류 신호용 증폭기는 시간에 따른 구성요소의 성질의 작은 변화에 취약합니다.DC에 대한 증폭기의 성질에 부적절한 드리프트를 방지하기 위해 초퍼 안정화 증폭기와 같은 특수 방법이 사용됩니다. "DC 차단" 캐패시터를 추가하여 오디오 증폭기에서 DC 및 아음속 주파수를 제거할 수 있습니다.

지정된 주파수 범위에 따라 다른 설계 원칙을 사용해야 합니다.MHz 범위까지는 "분리" 특성만 고려하면 됩니다. 예를 들어, 단자에 입력 임피던스가 있습니다.

회로 내의 접속이 지정 주파수의 최대 파장의 1%보다 길어지면(예를 들어 100MHz에서는 파장이 3m이므로 임계 접속 길이는 약 3cm) 설계 특성이 급격히 변화합니다.예를 들어 PCB 트레이스의 특정 길이 및 폭을 선택 또는 임피던스 매칭 엔티티로 사용할 수 있습니다.수백 MHz 이상에서는 특히 인덕터를 비롯한 개별 요소를 사용하는 것이 어려워집니다.대부분의 경우 매우 밀접하게 정의된 모양의 PCB 트레이스가 대신 사용됩니다(스트라이프 기술).

증폭기에 의해 처리되는 주파수 범위는 대역폭(일반적으로 주파수가 지정된 대역폭에 도달했을 때 3dB 다운된 응답을 의미함) 또는 낮은 주파수와 높은 주파수 사이의 특정 데시벨 수 내에 있는 주파수 응답(예: "20Hz ~ 20kHz + 1dB" 또는 - 1dB)으로 지정할 수 있습니다..

파워앰프 클래스

주요 기사:파워앰프 클래스

파워앰프 회로(출력단)는 아날로그 설계의 경우 A, B, AB 및 C로 분류되며 스위칭 설계의 경우 D 및 E로 분류됩니다.파워앰프 클래스는 증폭 장치가 [35]전류를 통과하는 동안 각 입력 사이클(전류 각도)의 비율을 기반으로 합니다.전도각의 이미지는 사인파 신호를 증폭하는 것으로부터 파생됩니다.장치가 항상 켜져 있는 경우 전도 각도는 360°입니다.각 사이클의 절반만 켜져 있으면 각도는 180°가 됩니다.흐름의 각도는 증폭기 전력 효율과 밀접하게 관련되어 있습니다.

앰프 회로 예시

An electronic circuit diagram including resistors, capacitors, transistors and diodes
실용적인 앰프 회로

위에 표시된 실용적인 앰프 회로는 중출력 오디오 앰프의 기반이 될 수 있습니다.현대 앰프에서 볼 수 있는 전형적인(대부분 단순하지만) 설계를 특징으로 하며, 클래스 AB 푸시-풀 출력 단계를 갖추고 있으며, 전체적으로 부정적인 피드백을 사용합니다.바이폴라 트랜지스터가 표시되어 있지만, 이 설계는 FET 또는 밸브로도 실현 가능합니다.

입력 신호는 캐패시터 C1을 통해 트랜지스터 Q1의 베이스에 결합됩니다.콘덴서는 AC 신호가 통과할 수 있도록 하지만 저항 R1 및 R2에 의해 확립된 DC 바이어스 전압을 차단하여 이전 회로가 영향을 받지 않도록 합니다.Q1과 Q2는 롱테일 페어라고 알려진 배열로 차동 증폭기(두 입력 간의 차이에 일정한 정수를 곱하는 증폭기)를 형성합니다.이 배열은 출력에서 R7 및 R8을 통해 Q2로 공급되는 네거티브 피드백을 편리하게 사용할 수 있도록 하기 위해 사용됩니다.

차동 증폭기로의 음의 피드백을 통해 앰프는 입력을 실제 출력과 비교할 수 있습니다.Q1에서 증폭된 신호는 두 번째 단계인 Q3으로 직접 공급됩니다.Q3은 출력 단계인 Q4와 Q5에 대해 신호의 증폭과 DC 바이어스를 추가로 제공하는 공통 이미터 단계입니다.R6은 Q3의 부하를 제공합니다(더 나은 설계에서는 정전류 싱크 등 어떤 형태의 액티브 부하를 사용할 수 있습니다).현재까지는 모든 앰프가 클래스 A로 동작하고 있습니다.출력 쌍은 class-AB push-pull(보완 쌍이라고도 함)로 배열됩니다.전류 증폭의 대부분을 제공하고(낮은 대기 전류를 소비하는 동안), DC 차단 캐패시터 C2를 통해 연결된 부하를 직접 구동합니다.다이오드 D1 및 D2는 출력 쌍에 소량의 정전압 바이어스를 제공하며, 크로스오버 왜곡을 최소화하기 위해 이들을 전도 상태로 바이어스하기만 하면 됩니다.즉, 다이오드는 출력 스테이지를 클래스 AB 모드로 확실히 푸시합니다(출력 트랜지스터의 베이스 이미터 강하가 열 방산에 의해 감소한다고 가정).

이 설계는 심플하지만 DC에서 오디오 범위를 넘어 내부적으로 피드백이 작동하기 때문에 작동 지점을 자동으로 안정화하므로 실용적인 설계의 좋은 기초가 됩니다.추가적인 회로 소자는 아마도 불필요한 진동 가능성을 방지하기 위해 필요한 범위 이상의 주파수 응답을 롤오프하는 실제 설계에서 발견될 것입니다.또한 여기에 표시된 것처럼 다이오드가 출력 트랜지스터와 전기적 및 열적으로 일치하지 않으면 문제가 발생할 수 있습니다. 출력 트랜지스터가 너무 많이 켜지면 전원 공급 장치의 전체 전류가 제한되지 않으므로 다이오드가 쉽게 과열되어 스스로 파괴될 수 있습니다.

출력 장치를 안정화하는 데 도움이 되는 일반적인 솔루션은 일부 이미터 저항(일반적으로 1옴 정도)을 포함하는 것입니다.회로의 저항 및 캐패시터 값은 사용되는 구성 요소와 전류 용도에 따라 계산됩니다.

구현에 관한 주의사항

모든 실제 증폭기는 이상적인 증폭기의 불완전한 구현이다.실제 앰프의 중요한 한 가지 제한은 실제 앰프가 생성하는 출력이 궁극적으로 전원 공급기에서 사용할 수 있는 전력에 의해 제한된다는 것입니다.증폭기는 입력 신호가 증폭기가 재생하기에 너무 커지거나 장치의 동작 한계를 초과하면 출력을 포화시켜 클립한다.전원장치는 출력에 영향을 줄 수 있으므로 설계에서 고려해야 합니다.앰프의 출력은 입력 전력을 초과할 수 없습니다.

앰프 회로는 "개방 루프" 성능을 가집니다.이는 다양한 파라미터(게인, 슬루 레이트, 출력 임피던스, 왜곡, 대역폭, 신호 대 노이즈 비 등)로 설명됩니다.많은 최신 앰프는 음의 피드백 기법을 사용하여 게인을 원하는 값으로 유지하고 왜곡을 줄입니다.부루프 피드백은 출력 임피던스를 낮추고 스피커의 공진 주파수 부근에서 확성기 동작의 전기적 감쇠를 증가시키는 의도된 효과를 가진다.

정격 증폭기 전력 출력을 평가할 때는 인가 부하, 신호 유형(예: 음성 또는 음악), 필요한 전력 출력 지속 시간(예: 짧은 시간 또는 연속), 필요한 동적 범위(예: 녹음 또는 라이브 오디오)를 고려하는 것이 유용합니다.부하에 긴 케이블이 필요한 고출력 오디오 애플리케이션(예: 영화관 및 쇼핑 센터)에서는 전원 및 부하에 일치하는 변압기를 사용하여 라인 출력 전압으로 부하에 연결하는 것이 더 효율적일 수 있습니다.이것에 의해, 무거운 스피커 케이블이 장시간 접속되는 것을 피할 수 있습니다.

불안정성 또는 과열을 방지하려면 솔리드 스테이트 앰프가 적절히 장착되도록 주의해야 합니다.대부분은 정격 최소 부하 임피던스를 가지고 있습니다.

모든 증폭기는 전기적 손실을 통해 열을 발생시킵니다.앰프는 대류 또는 강제 공기 냉각을 통해 이 열을 방출해야 합니다.열은 전자 부품 수명을 줄이거나 손상시킬 수 있습니다.설계자와 설치자는 인접한 장비에 대한 난방 효과도 고려해야 합니다.

전원장치의 종류가 다르면 바이어스 방법도 다양해집니다.바이어스는 액티브디바이스가 특정 영역에서 동작하도록 설정되거나 출력신호의 DC성분이 전원에서 사용 가능한 최대전압 사이의 중간점으로 설정되는 기술입니다.대부분의 앰프는 각 단계에서 여러 장치를 사용합니다. 일반적으로 극성을 제외한 사양과 일치합니다.일치된 역극성 장치를 보완 쌍이라고 합니다.일반적으로 클래스 A 앰프는 전원장치가 양전압과 음전압을 모두 제공하도록 설정되어 있지 않은 한 1개의 디바이스만 사용합니다.이 경우 듀얼 디바이스 대칭 설계를 사용할 수 있습니다.Class-C 앰프는 정의상 단일 극성 공급 장치를 사용합니다.

증폭기는 종종 게인을 증가시키기 위해 캐스케이드 형태로 여러 단계를 가집니다.이러한 설계의 각 단계는 해당 단계의 필요에 따라 서로 다른 유형의 전류일 수 있습니다.예를 들어, 첫 번째 단계는 클래스 A 스테이지이며, 클래스 AB 푸시-풀의 두 번째 스테이지에 공급될 수 있습니다.이 스테이지에서는 클래스 G의 최종 출력 스테이지가 구동되며, 각 타입의 강점을 살리면서 그 약점을 최소화할 수단은 클래스 G의 최종 출력 스테이지입니다.

「 」를 참조해 주세요.

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외부 링크

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