선형증폭기

Linear amplifier
단측대역 송신기의 선형성 시험

선형 증폭기는 출력이 입력에 비례하지만 부하로 더 많은 전력을 공급할 수 있는 전자 회로다. 이 용어는 보통 무선주파수(RF) 파워앰프의 한 종류를 말하며, 그 중 일부는 킬로와트로 측정된 출력 전력을 가지고 있으며, 아마추어 무선에서 사용된다. 다른 유형의 선형 증폭기는 오디오 및 실험실 장비에 사용된다. 선형성은 앰프가 입력의 정확한 복사본인 신호를 생성할 수 있는 능력을 말한다. 선형 증폭기는 서로 다른 주파수 성분에 독립적으로 반응하며 고조파 왜곡이나 상호변조 왜곡을 발생시키지 않는 경향이 있다. 그러나 트랜지스터나 진공관 같은 증폭 장치는 비선형 전력 법칙을 따르고 그러한 영향을 줄이기 위해 회로 기법에 의존하기 때문에 어떤 앰프도 완벽한 선형성을 제공할 수 없다. 구현 비용, 효율성 및 신호 정확도 사이의 다양한 절충을 제공하는 다양한 앰프 클래스가 있다.

설명

선형성은 증폭기가 일반적으로 증가된 전력 수준에서 입력의 정확한 복사본인 신호를 생성할 수 있는 능력을 말한다. 로드 임피던스, 공급 전압, 입력 기준 전류 및 출력 기능은 앰프의 효율에 영향을 미칠 수 있다.[1]

클래스-A 증폭기는 단일 종단 위상과 푸시 풀 위상 모두에서 선형이 양호하도록 설계할 수 있다. 등급 AB1, AB2 및 B의 증폭기는 튜닝된 탱크 회로를 채용할 때 또는 두 개의 활성 요소(튜브, 트랜지스터)를 사용하여 RF 사이클의 양극 및 음극 부분을 각각 증폭하는 푸시풀 토폴로지에서만 선형일 수 있다. 클래스-C 증폭기는 어떤 위상에서도 선형적이지 않다.

앰프 클래스

구현 비용, 효율성 및 신호 정확도 사이의 다양한 절충을 제공하는 다양한 앰프 클래스가 있다. RF 애플리케이션에서 이들의 용도는 아래에 간략히 열거되어 있다.

  • 클래스 A 증폭기는 매우 비효율적이며, 결코 50% 이상의 효율을 가질 수 없다. 반도체 또는 진공관은 RF 사이클 전체에 걸쳐 작동한다. 진공관에 대한 평균 양극 전류는 양극 전류 대 격자 바이어스 전위 곡선의 선형 섹션의 중간으로 설정되어야 한다.
  • 클래스 B 증폭기는 60~65% 효율적일 수 있다. 반도체나 진공관은 사이클의 절반까지 작동하지만 큰 구동력이 필요하다.
  • AB1 등급은 A 등급보다 그리드가 더 부정적인 편향이다.
  • 등급 AB2는 그리드가 AB1보다 더 부정적인 편향인 경우가 많으며, 입력 신호의 크기가 더 큰 경우도 많다. 드라이브가 그리드를 양극으로 만들 수 있으면 그리드 전류가 증가한다.
  • 클래스-C 증폭기는 전도 범위가 약 120°로 약 75% 효율적일 수 있지만 매우 비선형적이다. 이러한 모드는 FM, CW 또는 RTTY와 같은 비AM 모드에만 사용할 수 있다. 반도체 또는 진공관은 RF 사이클의 절반 미만으로 작동한다. 효율성의 증가는 주어진 진공관이 클래스 A나 AB에서 할 수 있는 것보다 더 많은 RF 전력을 전달할 수 있게 할 수 있다. 예를 들어 144MHz로 작동하는 2개의 4CX250B 테트로드는 클래스 A에서 400와트를 전달할 수 있지만, 클래스 C로 편중되면 과열 우려 없이 1,000와트를 전달할 수 있다. 더 많은 그리드 전류가 필요할 것이다.
  • 클래스-D 증폭기는 스위칭 기술을 사용하여 고효율의 실현을 달성하며, 종종 90%를 초과하므로 다른 앰프 타입에 비해 작동에 필요한 전력이 적다. 앰프를 구동하는 데 사용되는 디지털 열차 때문에, 많은 사람들은 클래스-D 앰프를 선형 증폭기로 생각하지 않지만, 많은 오디오 및 라디오 제조업체들은 그것의 디자인을 선형 응용에 통합했다.

A급 파워앰프(PA)가 선형성 면에서 최고지만 AB, C, 도허티 앰프 등 다른 증폭기급에 비해 효율이 다소 떨어진다. 그러나 효율이 높아지면 비선형성이 높아지고 PA 출력이 왜곡되어 시스템 성능 요건을 충족하지 못하는 경우가 많다. 따라서 클래스-AB 파워앰프 또는 기타 변형은 피드백, 피드포워드 또는 아날로그 또는 디지털 선점(DDD)과 같은 어떤 적절한 형태의 선형화 방식과 함께 사용된다. DDD 파워앰프 시스템에서는 증폭기의 전달 특성을 PA 출력을 샘플링하여 모델링하고 역특성은 DSP 프로세서에서 계산한다. 디지털 베이스밴드 신호는 PA 비선형 전송특성의 역행으로 곱하여 RF 주파수로 상향 변환하여 PA 입력에 적용한다. PA 응답의 신중한 설계로 DPD 엔진은 PA 출력 왜곡을 교정하고 더 높은 효율성을 달성할 수 있다.

디지털 신호 처리 기법이 발전함에 따라, 현재 RF 파워앰프 서브시스템에 디지털 선점(DDD)이 널리 사용되고 있다. DPD가 제대로 작동하려면 파워앰프 특성이 최적이어야 하며 PA 성능을 최적화하기 위해 회로 기법을 이용할 수 있어야 한다.[2]

아마추어 라디오

파워 트라이오드 Eimac 3CX1500A7

아마추어 무선에서 사용되는 1~2킬로와트 선형 증폭기는 여전히 진공관(밸브)을 사용하며 RF 전력 증폭(10~13dB)의 10~20배를 제공할 수 있다. 예를 들어, 100와트로 입력을 구동하는 송신기는 안테나로 2,000와트(2 kW) 출력까지 증폭된다. 솔리드 스테이트 선형 증폭기는 500와트 범위에서 더 흔하게 발생하며 25와트 이하로 구동될 수 있다.[3]

대형 진공관 선형 증폭기는 대량의 전기 에너지를 무선 주파수 에너지로 변환하기 위해 일반적으로 매우 높은 전압 전력 공급으로 공급되는 하나 이상의 진공관에 의존한다. 선형 증폭기는 A급 또는 AB급 바이어싱으로 작동해야 하므로 상대적으로 효율성이 떨어진다. C등급은 효율이 월등히 높은 반면, C등급 앰프는 선형적이지 않으며, 일정한 봉투 신호의 증폭에만 적합하다. 그러한 신호는 FM, FSK, MFSK, CW(Morse code)를 포함한다.[4][5]

방송 라디오 방송국

최대 50kW의 전문 AM 라디오 방송 송신기의 출력 단계는 선형이어야 하며, 현재는 대개 솔리드 스테이트 기술을 사용하여 구성된다. 대형 진공관은 500kW에서 최대 2MW까지 국제 장·중·단파 방송 송신기에 여전히 사용된다.

참고 항목

참조

  1. ^ Whitaker, Jerry C. (2002). The RF transmission systems handbook. CRC Press. ISBN 978-0-8493-0973-1.
  2. ^ Khanifar, Ahmad. "RF Power Amplifier Design for Digital Predistortion". www.linamptech.com.
  3. ^ Mike Dennison; John Fielding (2007). Radio Communication Handbook. Radio Society of Great Britain. ISBN 978-1-905086-33-7.
  4. ^ H. Ward Silver (2006). The ARRL Ham Radio License Manual: All You Need to Become an Amateur Radio Operator. Technician. Level 1. American Radio Relay League. pp. 5–. ISBN 978-0-87259-963-5.
  5. ^ The Radio Amateur's Handbook. American Radio Relay League. 1980. pp. 6–25.