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앰프

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증폭기는 여기로 연결됩니다. 다른 뜻에 대해서는 리피터 문서를 참고하십시오.
록 밴드에 대해서는 앰프 (음악 그룹) 문서를 참고하십시오.
음향기기에 대해서는 앰프 (음향기기) 문서를 참고하십시오.
1970년대 가정용 오디오 시스템에 사용된 채널당 50와트의 출력 전력을 가진 매킨토시 스테레오 오디오 앰프.[1]
증폭은 여기에 표시된 것처럼 시간 변화 신호의 진폭 (전압 또는 전류)을 주어진 계수만큼 증가시키는 것을 의미한다. 이 그래프는 입력으로 인가된 임의의 신호에 대한 이상적인 선형 증폭기의 입력 (파란색) 및 출력 전압 (빨간색)을 보여준다. 이 예에서 증폭기는 3의 전압 이득을 가진다. 즉, 언제든지 이다.

앰프(영어: amplifier, AMP) 또는 증폭기(增幅器)는 신호 (시간 변화 전압 또는 전류)의 크기를 증가시킬 수 있는 전자 장치이다. 이는 전원에서 전력을 사용하여 입력 단자에 인가된 신호의 진폭 (전압 또는 전류의 크기)을 증가시켜 출력에서 비례적으로 더 큰 진폭 신호를 생성하는 사단자 전자 회로이다. 증폭기가 제공하는 증폭량은 이득으로 측정된다. 이득은 출력 전압, 전류 또는 전력 대 입력의 비율이다. 증폭기는 전력 이득이 1보다 큰 회로로 정의된다.[2][3][4]

증폭기는 별도의 장비이거나 다른 장치 내에 포함된 전기 회로일 수 있다. 증폭은 현대 전자공학의 기본이며, 증폭기는 거의 모든 전자 장비에 널리 사용된다. 증폭기는 여러 가지 방법으로 분류할 수 있다. 한 가지 방법은 증폭되는 전자 신호의 주파수에 따라 분류하는 것이다. 예를 들어, 오디오 앰프는 20kHz 미만의 신호를 증폭하고, 무선 주파수 (RF) 증폭기는 20kHz에서 300GHz 사이의 주파수를 증폭하며, 서보 증폭기와 계측 증폭기는 직류까지 매우 낮은 주파수에서 작동할 수 있다. 증폭기는 또한 신호 연쇄에서의 물리적 배치에 따라 분류할 수 있다. 예를 들어, 프리 앰프는 다른 신호 처리 단계보다 앞에 올 수 있으며,[5] 전력 증폭기는 일반적으로 다른 증폭기 단계 다음에 사용되어 신호의 최종 사용을 위한 충분한 출력 전력을 제공한다. 증폭할 수 있는 최초의 실용적인 전기 장치는 1906년 리 디포리스트가 발명한 3극 진공관 진공관이었으며, 이는 1912년경 최초의 증폭기로 이어졌다. 오늘날 대부분의 증폭기는 트랜지스터를 사용한다.

역사

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진공관

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증폭할 수 있는 최초의 실용적인 장치는 1906년 리 디포리스트가 발명한 3극 진공관 진공관이었고, 이는 1912년경 최초의 증폭기로 이어졌다. 진공관은 1960년대에서 1970년대에 트랜지스터가 그 자리를 대체하기 전까지 거의 모든 증폭기에 사용되었다. 오늘날 대부분의 증폭기는 트랜지스터를 사용하지만, 진공관은 일부 응용 분야에서 계속 사용되고 있다.[6]

1914년 드포리스트의 오디오 증폭기 시제품. 오디온 (3극 진공관) 진공관은 약 5의 전압 이득을 가졌으며, 이 3단 증폭기는 총 약 125의 이득을 제공했다.

1876년에 처음 특허를 받은 전화 형태의 오디오 통신 기술 개발은 신호 전송을 점점 더 먼 거리로 확장하기 위해 전기 신호의 진폭을 증가시킬 필요성을 만들어냈다. 전보에서는 이 문제가 각 중간 스테이션에서 분산된 에너지를 신호 기록기와 송신기를 등지고 작동시켜 보충하는 중간 장치로 해결되어 릴레이를 형성함으로써 각 중간 스테이션의 지역 에너지원이 다음 전송 구간을 구동했다. 양방향 전송, 즉 양방향 송수신을 위해 C. F. 벌리의 전보 전송 작업부터 양방향 중계기가 개발되었다. 양방향 전송은 전화 통신에 필수적이었고, 미국전화전신회사의 H. E. Shreeve가 등진 탄소-알갱이 송신기와 전기역학적 수신기 쌍으로 구성된 전화 중계기를 구축하려는 기존 시도를 개선한 1904년까지는 문제가 만족스럽게 해결되지 않았다.[7] Shreeve 중계기는 매사추세츠주 보스턴과 에임스베리 간 노선에서 처음 테스트되었으며, 더 정교한 장치들이 한동안 서비스에 남아있었다. 세기가 바뀐 후, 음성 저항 수은등이 증폭될 수 있다는 것이 발견되었고, 중계기에서도 시도되었으나 큰 성공은 거두지 못했다.[8]

1902년경부터 시작된 열이온 밸브의 개발은 신호를 증폭하는 완전히 전자적인 방법을 제공했다. 이러한 장치의 첫 번째 실용적인 버전은 1906년 리 디포리스트가 발명한 오디온 3극 진공관이었고,[9][10][11] 이는 1912년경 최초의 증폭기로 이어졌다.[12] 이전에 신호를 강화하는 데 널리 사용되던 유일한 장치는 전보 시스템에 사용되는 릴레이였기 때문에 증폭 진공관은 처음에는 전자 릴레이라고 불렸다.[13][14][15][16] 라틴어 amplificare(확대하다 또는 확장하다)에서 파생된 증폭기 및 증폭이라는 용어는 1915년경 3극 진공관이 널리 보급되면서 이 새로운 기능에 처음 사용되었다.[17]

증폭 진공관은 전기 기술에 혁명을 일으켰다.[12] 이는 장거리 전화선, 전관방송, 라디오 방송, 유성 영화, 실용적인 오디오 녹음, 레이더, 텔레비전, 그리고 최초의 컴퓨터를 가능하게 했다. 50년 동안 거의 모든 가전 제품에 진공관이 사용되었다. 초기 진공관 증폭기는 종종 양성 피드백 (재생)을 가졌는데, 이는 이득을 증가시킬 수 있었지만 증폭기를 불안정하게 만들고 발진하기 쉽게 만들기도 했다. 증폭기의 수학적 이론의 대부분은 1920년대부터 1940년대까지 벨 연구소에서 개발되었다. 초기 증폭기의 왜곡 수준은 일반적으로 5% 정도 높았는데, 1934년 해럴드 스티븐 블랙이 음성 피드백을 개발하면서 왜곡 수준을 크게 줄일 수 있었지만 이득이 낮아지는 단점이 있었다. 증폭 이론의 다른 발전은 해리 나이퀴스트와 헨드리크 바더 보더에 의해 이루어졌다.[18]

진공관은 40년 동안 자기 증폭기 및 앰플리다인과 같은 특수 전력 장치를 제외하고는 사실상 유일한 증폭 장치였다. 전력 제어 회로는 20세기 후반에 전력 반도체 장치가 더 경제적이고 높은 작동 속도를 갖게 될 때까지 자기 증폭기를 사용했다. 구형 슈리브 전기음향 탄소 중계기는 1950년대에 트랜지스터가 더 작고 고품질의 증폭기를 제공할 때까지 청각 장애인을 위한 전화 가입자 장치에서 조절 가능한 증폭기로 사용되었다.[19]

트랜지스터

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최초의 작동 가능한 트랜지스터는 존 바딘과 월터 하우저 브래튼이 1947년 벨 연구소에서 발명한 점접촉 트랜지스터였고, 여기서 윌리엄 쇼클리는 1948년에 접합형 트랜지스터 (BJT)를 발명했다. 이어서 1959년 벨 연구소에서 마틴 아탈라와 강대원이 MOSFET을 발명했다. MOSFET 스케일링, 즉 점점 더 작은 크기로 축소할 수 있는 능력 덕분에 MOSFET은 이후 가장 널리 사용되는 증폭기가 되었다.[20]

1960년대와 1970년대에 부피가 큰 진공관을 트랜지스터로 교체하면서 전자공학에 혁명이 일어났고, 1954년에 개발된 트랜지스터 라디오와 같은 다양한 휴대용 전자 장치를 가능하게 했다. 오늘날 진공관의 사용은 송신기와 같은 일부 고전력 응용 분야와 일부 악기 및 고급 오디오 애호가 증폭기에만 국한되어 있다.

1970년대부터 점점 더 많은 트랜지스터가 단일 칩에 연결되어 집적 회로에서 더 높은 통합 규모 (소규모, 중규모 및 대규모 집적 회로와 같은)를 만들었다. 오늘날 상업적으로 이용 가능한 많은 증폭기는 집적 회로를 기반으로 한다.

특별한 목적을 위해 다른 능동 소자가 사용되었다. 예를 들어, 위성 통신 초기에는 파라메트릭 증폭기가 사용되었다. 핵심 회로는 커패시턴스가 국부적으로 생성된 RF 신호에 의해 변경되는 다이오드였다. 특정 조건에서 이 RF 신호는 지구국에서 수신된 극히 약한 위성 신호에 의해 변조된 에너지를 제공했다.

20세기 후반 이후 디지털 회로의 발전은 고정 진폭 신호의 펄스 모양을 변경하기 위해 디지털 스위칭을 사용하여 기존의 선형 이득 증폭기에 대한 새로운 대안을 제공했으며, 그 결과 클래스 D 증폭기와 같은 장치가 탄생했다.

작동 이론

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종속 전원의 네 가지 유형 – 왼쪽에는 제어 변수, 오른쪽에는 출력 변수

원칙적으로 증폭기는 입력 포트에 인가된 신호의 복제이지만 크기가 증가된 신호를 출력 포트에서 생성하는 전기 사단자 회로망이다.[21]

입력 포트는 전류를 취하지 않으며 포트 양단의 전압에 비례하는 전압 입력으로 이상화될 수 있다. 또는 포트 양단에 전압이 없으며 출력은 포트를 통한 전류에 비례하는 전류 입력으로 이상화될 수 있다. 출력 포트는 소스 저항이 0이고 출력 전압이 입력에 의존하는 종속 전압원으로 이상화될 수 있다. 또는 소스 저항이 무한하고 출력 전류가 입력에 의존하는 종속 전류원으로 이상화될 수 있다. 이러한 선택의 조합은 네 가지 유형의 이상적인 증폭기로 이어진다.[5] 이상적인 형태로 이들은 그림에 표시된 대로 선형 분석에 사용되는 네 가지 유형의 종속 전원 각각으로 표현된다. 즉, 다음과 같다.

입력 출력 종속 전원 증폭기 유형 이득 단위
I I 전류 제어 전류원, CCCS 전류 증폭기 단위 없음
I V 전류 제어 전압원, CCVS 전이 저항 증폭기 옴
V I 전압 제어 전류원, VCCS 상호 컨덕턴스 증폭기 지멘스
V V 전압 제어 전압원, VCVS 전압 증폭기 단위 없음

각 증폭기 유형은 이상적인 형태로 해당 종속 전원과 동일한 이상적인 입력 및 출력 저항을 갖는다.[22]

증폭기 유형 종속 전원 입력 임피던스 출력 임피던스
전류 CCCS 0 ∞
전이 저항 CCVS 0 0
상호 컨덕턴스 VCCS ∞ ∞
전압 VCVS ∞ 0

실제 증폭기에서는 이상적인 임피던스를 달성할 수 없지만, 이러한 이상적인 요소는 입력 및 출력에 임피던스(저항, 커패시턴스 및 인덕턴스)를 추가하여 실제 증폭기의 등가 회로를 구성하는 데 사용할 수 있다. 특정 회로의 경우, 실제 임피던스를 찾기 위해 종종 소신호 분석이 사용된다. 소신호 AC 테스트 전류 Ix는 입력 또는 출력 노드에 인가되고, 모든 외부 소스는 AC 제로로 설정되며, 테스트 전류원 양단의 해당 교류 전압 Vx는 해당 노드에서 보이는 임피던스를 R = Vx / Ix로 결정한다.[23]

입력 및 출력에서 전송선로에 연결하도록 설계된 증폭기, 특히 RF 증폭기는 이 분류 방식에 맞지 않는다. 이들은 전압 또는 전류를 개별적으로 다루기보다는, 이상적으로는 전송선로 임피던스에 맞춰진 입력 또는 출력 임피던스, 즉 전압 대 전류 비율을 일치시킨다. 많은 실제 RF 증폭기는 이 이상에 가깝다. 주어진 적절한 소스 및 부하 임피던스에 대해 RF 증폭기는 전압 또는 전류를 증폭하는 것으로 특징지을 수 있지만, 근본적으로 전력을 증폭한다.[24]

속성

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증폭기 속성은 다음 매개변수로 주어진다.

증폭기는 입력, 출력 및 이들의 관계 속성에 따라 설명된다.[25] 모든 증폭기는 입력 신호의 특정 속성 크기에 대한 출력 신호의 특정 속성 크기를 나타내는 곱셈 인자인 이득을 갖는다. 이득은 출력 전압 대 입력 전압 (전압 이득), 출력 전력 대 입력 전력 (전력 이득) 또는 전류, 전압 및 전력의 일부 조합으로 지정될 수 있다. 많은 경우 출력의 변화하는 속성은 입력의 동일한 속성에 의존하므로 이득은 무차원이다 (종종 데시벨 (dB)로 표현되지만).

대부분의 증폭기는 선형적으로 설계된다. 즉, 모든 정상적인 입력 레벨 및 출력 신호에 대해 일정한 이득을 제공한다. 증폭기의 이득이 선형적이지 않으면 출력 신호가 왜곡될 수 있다. 그러나 가변 이득이 유용한 경우도 있다. 특정 신호 처리 응용 프로그램은 지수 이득 증폭기를 사용한다.[5]

증폭기는 일반적으로 특정 응용 분야에서 잘 작동하도록 설계된다. 예를 들어, 라디오 및 텔레비전 송신기 및 수신기, Hi-Fi ("하이파이") 스테레오 장비, 마이크로컴퓨터 및 기타 디지털 장비, 기타 및 기타 악기 앰프 등이다. 모든 증폭기에는 진공관 또는 트랜지스터와 같은 최소 하나의 능동 소자가 포함되어 있다.

음성 되먹임

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음성 되먹임은 대부분의 현대 증폭기에서 대역폭을 늘리고, 왜곡을 줄이며, 이득을 제어하는 데 사용되는 기술이다. 음성 되먹임 증폭기에서는 출력의 일부가 피드백되어 반대 위상으로 입력에 추가되어 입력에서 차감된다. 주요 효과는 시스템의 전체 이득을 줄이는 것이다. 그러나 왜곡과 같이 증폭기가 도입하는 원치 않는 신호도 피드백된다. 이러한 신호는 원래 입력의 일부가 아니기 때문에 반대 위상으로 입력에 추가되어 입력에서 차감된다. 이러한 방식으로 음성 되먹임은 또한 증폭기가 도입하는 비선형성, 왜곡 및 기타 오류를 줄인다. 많은 양의 음성 되먹임은 오류를 증폭기 자체의 응답이 거의 무관해질 정도로 줄일 수 있으며, 이득이 크다면 시스템의 출력 성능 (폐루프 성능이라고도 함)은 피드백 루프의 구성 요소에 의해서만 결정된다. 이 기술은 특히 연산 증폭기 (OP 앰프)에 사용된다.

비피드백 증폭기는 오디오 주파수 신호에 대해 약 1%의 왜곡만 달성할 수 있다. 음성 되먹임을 사용하면 왜곡을 일반적으로 0.001%까지 줄일 수 있다. 노이즈, 심지어 교차 왜곡도 사실상 제거할 수 있다. 음성 되먹임은 또한 온도 변화, 이득 단계의 저하되거나 비선형 구성 요소를 보상하지만, 피드백 루프의 구성 요소에 변경 또는 비선형성이 있으면 출력에 영향을 미친다. 실제로 피드백 루프가 출력을 정의하는 능력은 능동 필터 회로를 만드는 데 사용된다.

음성 피드백의 또 다른 장점은 증폭기의 대역폭을 확장한다는 것이다. 피드백의 개념은 연산 증폭기에서 이득, 대역폭 및 기타 매개변수를 피드백 루프의 구성 요소에 전적으로 기반하여 정밀하게 정의하는 데 사용된다.

음성 피드백은 전원 공급 장치 전압 또는 장치 특성의 미세한 변화에 대해 능동 소자의 동작점을 안정화하기 위해 증폭기의 각 단계에 적용될 수 있다.

어떤 형태의 피드백, 즉 양성 또는 음성은 피할 수 없으며 종종 바람직하지 않다. 예를 들어, 트랜지스터와 같은 장치의 입력과 출력 사이의 고유 커패시턴스, 외부 배선의 용량성 결합과 같은 기생 소자에 의해 도입될 수 있다. 과도한 주파수 종속 양성 피드백은 기생 발진을 일으키고 증폭기를 발진기로 만들 수 있다.

범주

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능동 소자

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모든 증폭기에는 어떤 형태의 능동 소자가 포함되어 있다. 이것이 실제 증폭을 수행하는 장치이다. 능동 소자는 진공관, 단일 트랜지스터와 같은 개별 고체 부품 또는 OP 앰프와 같은 집적 회로의 일부일 수 있다.

트랜지스터 증폭기 (또는 솔리드 스테이트 증폭기)는 오늘날 가장 널리 사용되는 증폭기 유형이다. 트랜지스터가 능동 소자로 사용된다. 증폭기의 이득은 트랜지스터 자체의 특성과 회로 내부에 포함된 회로에 의해 결정된다.[26]

트랜지스터 증폭기에 사용되는 일반적인 능동 소자로는 접합형 트랜지스터 (BJT)와 MOSFET이 있다.

응용 분야는 무수히 많다. 몇 가지 일반적인 예로는 가정용 스테레오 또는 전관방송 시스템의 오디오 증폭기, 반도체 장비용 RF 고전력 발생, 무선 송신기와 같은 RF 및 마이크로웨이브 응용 분야가 있다.

트랜지스터 기반 증폭은 다양한 구성으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 접합형 트랜지스터는 공통 베이스, 공통 컬렉터 또는 공통 이미터 증폭을 실현할 수 있다. MOSFET은 공통 게이트, 공통 소스 또는 공통 드레인 증폭을 실현할 수 있다. 각 구성은 다른 특성을 갖는다.

진공관 증폭기 (튜브 증폭기 또는 밸브 증폭기라고도 함)는 진공관을 능동 소자로 사용한다. 반도체 증폭기가 저전력 응용 분야에서 진공관 증폭기를 대부분 대체했지만, 레이더, 대책 장비 및 통신 장비와 같은 고전력 응용 분야에서는 진공관 증폭기가 훨씬 더 비용 효율적일 수 있다. 많은 마이크로웨이브 증폭기는 속도변조관, 자이로트론, 진행파관 및 교차장 증폭기와 같은 특수 설계된 진공관 증폭기이며, 이러한 마이크로웨이브 진공관은 고체 소자보다 마이크로웨이브 주파수에서 훨씬 더 큰 단일 장치 전력 출력을 제공한다.[27] 진공관은 일부 고급 오디오 장비뿐만 아니라 "진공관 사운드"에 대한 선호 때문에 악기 증폭기에서도 계속 사용된다.

자기 증폭기는 한 권선이 자기 코어의 포화를 제어하고 다른 권선의 임피던스를 변경하는 데 사용되는 변압기와 다소 유사한 장치이다.[28] 반도체 증폭기의 개발로 인해 대부분 사용되지 않게 되었지만, HVDC 제어 및 핵 전력 제어 회로에서는 방사능에 영향을 받지 않기 때문에 여전히 유용하다.

부저항은 터널 다이오드 증폭기와 같은 증폭기로 사용될 수 있다.[29][30]

전력 증폭기

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스카이워크스 솔루션즈가 스마트폰에 탑재한 전력 증폭기.

전력 증폭기는 주로 부하에 공급되는 전력을 증가시키기 위해 설계된 증폭기이다. 실제로는 증폭기 전력 이득은 소스와 부하 임피던스뿐만 아니라 고유의 전압 및 전류 이득에도 의존한다. 무선주파수 (RF) 증폭기 설계는 일반적으로 전력 전달을 위해 임피던스를 최적화하는 반면, 오디오 및 계측 증폭기 설계는 일반적으로 최소 부하 및 최고 신호 무결성을 위해 입출력 임피던스를 최적화한다. 20dB의 이득을 갖는다고 하는 증폭기는 20dB의 전압 이득과 20dB (전력비 100)보다 훨씬 큰 가용 전력 이득을 가질 수 있지만, 예를 들어 입력이 600옴 마이크에서 오고 출력이 전력 증폭기용 47킬로옴 입력 소켓에 연결되는 경우 실제로는 훨씬 낮은 전력 이득을 제공할 수 있다. 일반적으로 전력 증폭기는 신호 체인에서 마지막 '증폭기' 또는 실제 회로(출력 단계)이며 전력 효율성에 주의를 기울여야 하는 증폭기 단계이다.

오디오 전력 증폭기는 일반적으로 스피커를 구동하는 데 사용된다. 이들은 종종 두 개의 출력 채널을 가지며 각 채널에 동일한 전력을 공급한다. RF 전력 증폭기는 무선 송신기 최종 단계에서 발견된다. 서보 모터 컨트롤러는 제어 전압을 증폭하여 모터의 속도 또는 전동 시스템의 위치를 조정한다.

전력 증폭기 회로(출력단)는 아날로그 회로 설계의 경우 A, B, AB, C 클래스로 분류되며, 스위칭 설계의 경우 D 및 E 클래스로 분류된다. 전력 증폭기 클래스는 증폭 장치가 전류를 통과시키는 각 입력 주기의 비율(전도 각도)을 기준으로 한다.[31] 전도 각도라는 용어는 사인파 신호를 증폭하는 것에서 유래한다. 장치가 항상 켜져 있으면 전도 각도는 360°이다. 각 주기 중 절반만 켜져 있으면 각도는 180°이다. 흐름 각도는 증폭기 전력 효율과 밀접하게 관련되어 있다.

연산 증폭기 (OP 앰프)

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LM741 범용 OP 앰프

연산 증폭기는 일반적으로 매우 높은 개방 루프 이득과 차동 입력을 갖는 증폭기 회로이다. OP 앰프는 다용도성 때문에 회로에서 표준화된 "이득 블록"으로 매우 널리 사용되었다. 이들의 이득, 대역폭 및 기타 특성은 외부 회로를 통한 피드백으로 제어할 수 있다. 오늘날 이 용어는 일반적으로 집적 회로에 적용되지만, 원래 연산 증폭기 설계는 진공관을 사용했으며, 이후 설계에서는 개별 트랜지스터 회로를 사용했다.

완전 차동 증폭기는 연산 증폭기와 유사하지만 차동 출력도 가지고 있다. 이들은 일반적으로 BJT 또는 FET를 사용하여 구성된다.

분포 증폭기

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이들은 평형 전송선로를 사용하여 개별 단일 스테이지 증폭기를 분리하며, 그 출력은 동일한 전송선로에 의해 합산된다. 전송선로는 한쪽 끝에 입력이 있고 평형 전송선로의 한쪽에만 있으며, 반대쪽 끝에 있는 출력도 평형 전송선로의 반대쪽에 있는 평형 유형이다. 각 스테이지의 이득은 캐스케이드 구성에서처럼 서로 곱해지는 것이 아니라 출력에 선형적으로 추가된다. 이는 동일한 이득 스테이지 요소를 사용하더라도 다른 방법으로는 달성할 수 없는 더 높은 대역폭을 가능하게 한다.

스위치드 모드 증폭기

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이러한 비선형 증폭기는 선형 증폭기보다 훨씬 높은 효율을 가지며, 전력 절약이 추가 복잡성을 정당화하는 경우에 사용된다. 클래스 D 증폭기가 이러한 유형의 증폭기의 주요 예이다.

부저항 증폭기

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부저항 증폭기는 트랜지스터의 소스와 게이트 사이의 피드백을 사용하여 트랜지스터의 소스에 있는 용량성 임피던스를 게이트에 있는 부저항으로 변환할 수 있는 일종의 재생 증폭기이다. 다른 유형의 증폭기와 비교할 때, 부저항 증폭기는 매우 높은 이득을 달성하기 위해 극히 적은 전력만 필요하며, 동시에 좋은 잡음 지수를 유지한다.

응용 분야

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비디오 증폭기

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비디오 증폭기는 비디오 신호를 처리하도록 설계되었으며, 비디오 신호가 SDTV, EDTV, HDTV 720p 또는 1080i/p 등인지에 따라 대역폭이 다양하다. 대역폭 사양 자체는 사용되는 필터 유형과 대역폭이 측정되는 지점 (예: −1 dB 또는 −3 dB)에 따라 달라진다. 허용 가능한 TV 이미지를 위해서는 스텝 응답 및 오버슈트에 대한 특정 요구 사항이 필요하다.[32]

마이크로웨이브 증폭기

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진행파관 증폭기 (TWTA)는 낮은 마이크로웨이브 주파수에서 고전력 증폭에 사용된다. 이들은 일반적으로 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 증폭할 수 있지만, 일반적으로 속도변조관만큼 튜닝이 쉽지 않다.[33]

속도변조관은 고전력을 제공하고 밀리미터 및 서브밀리미터파를 광범위하게 튜닝할 수 있도록 설계된 특수 선형 빔 진공 장치이다. 속도변조관은 대규모 작동을 위해 설계되었으며 TWTA보다 대역폭이 좁음에도 불구하고 참조 신호를 일관되게 증폭하여 출력의 진폭, 주파수 및 위상을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다.

반도체 소자는 이중확산 금속 산화물 반도체 (DMOS) FET와 같은 실리콘 쇼트 채널 MOSFET, GaAs FET, SiGe 및 GaAs HBT, HEMT, IMPATT 다이오드 등이 특히 낮은 마이크로파 주파수 및 와트 수준의 전력에서 휴대용 RF 단말기/스마트폰 및 액세스 포인트와 같이 크기 및 효율성이 중요한 응용 분야에 사용된다. 질화 갈륨 (GaN) 또는 실리콘 또는 SiC 상의 GaN과 같은 새로운 재료는 HEMT 트랜지스터 및 효율성 향상, 넓은 대역폭, 수 GHz에서 수십 GHz 범위의 작동, 수 와트에서 수백 와트의 출력 전력이 필요한 응용 분야에서 등장하고 있다.[34][35]

증폭기 사양 및 크기 요구 사항에 따라 마이크로웨이브 증폭기는 모놀리식 통합, 모듈로 통합 또는 개별 부품 기반으로 실현될 수 있으며 이들을 조합할 수도 있다.

메이저 (광학 기기)는 비전자 마이크로웨이브 증폭기이다.

악기 앰프

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악기 앰프는 공연 중 기타와 같은 악기의 소리 레벨을 높이는 데 사용되는 다양한 오디오 전력 증폭기이다. 앰프의 음색은 주로 EQ 및 디스토션을 적용하는 순서와 양에서 비롯된다.[36]

증폭기 단계 및 시스템 분류

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공통 단자

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증폭기 분류의 한 가지 방법은 입력 및 출력 회로 모두에 공통으로 사용되는 장치 단자를 기준으로 한다. 접합형 트랜지스터의 경우 세 가지 클래스는 공통 이미터, 공통 베이스, 공통 컬렉터이다. 장효과 트랜지스터의 경우 해당 구성은 공통 소스, 공통 게이트, 공통 드레인이다. 진공관의 경우 공통 캐소드, 공통 그리드, 공통 플레이트이다.

공통 이미터(또는 공통 소스, 공통 캐소드 등)는 베이스와 이미터 사이에 인가된 전압을 증폭하도록 가장 자주 구성되며, 컬렉터와 이미터 사이에 취해지는 출력 신호는 입력에 대해 반전된다. 공통 컬렉터 배열은 베이스와 컬렉터 사이에 입력 전압을 인가하고 이미터와 컬렉터 사이에 출력 전압을 취한다. 이는 음성 피드백을 유발하며 출력 전압은 입력 전압을 따르는 경향이 있다. 이 배열은 또한 입력이 높은 임피던스를 제공하고 신호 소스를 부하하지 않기 때문에 사용되지만, 전압 증폭은 1보다 작다. 따라서 공통 컬렉터 회로는 이미터 팔로워, 소스 팔로워 또는 캐소드 팔로워로 더 잘 알려져 있다.

단방향 또는 양방향

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출력이 입력 측에 피드백을 나타내지 않는 증폭기는 '단방향'으로 설명된다. 단방향 증폭기의 입력 임피던스는 부하와 독립적이며, 출력 임피던스는 신호 소스 임피던스와 독립적이다.[37]

출력의 일부를 입력으로 다시 연결하기 위해 피드백을 사용하는 증폭기는 양방향 증폭기이다. 양방향 증폭기의 입력 임피던스는 부하에 따라 달라지고, 출력 임피던스는 신호 소스 임피던스에 따라 달라진다. 모든 증폭기는 어느 정도 양방향적이지만, 대부분의 목적을 위해 피드백이 무시할 수 있을 만큼 작은 작동 조건에서는 단방향으로 모델링될 수 있어 분석을 단순화한다(공통 베이스 문서 참조).

반전 또는 비반전

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증폭기를 분류하는 또 다른 방법은 입력 신호와 출력 신호의 위상 관계에 따른다. '반전' 증폭기는 입력 신호와 180도 위상차(즉, 오실로스코프에서 볼 때 입력의 극성 반전 또는 거울상)를 가진 출력을 생성한다. '비반전' 증폭기는 입력 신호 파형의 위상을 유지한다. 이미터 팔로워는 비반전 증폭기의 한 종류로, 트랜지스터 이미터의 신호가 입력 신호를 따라가는(즉, 단일 이득으로 일치하지만 오프셋이 있을 수 있음) 것을 나타낸다. 전압 팔로워도 단일 이득을 갖는 비반전형 증폭기이다.

이 설명은 증폭기의 단일 단계 또는 전체 증폭기 시스템에 적용될 수 있다.

기능

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다른 증폭기는 기능 또는 출력 특성에 따라 분류될 수 있다. 이러한 기능 설명은 일반적으로 전체 증폭기 시스템 또는 서브 시스템에 적용되며 개별 단계에는 거의 적용되지 않는다.

  • 서보 증폭기는 출력을 원하는 수준으로 능동적으로 제어하는 통합 피드백 루프를 나타낸다. DC 서보는 오디오 또는 RF 신호의 급격한 변동이 발생하지 않는 DC 레벨까지의 주파수에서 사용을 나타낸다. 이는 종종 기계식 액추에이터 또는 일정한 속도나 돌림힘을 유지해야 하는 직류전동기와 같은 장치에 사용된다. AC 서보 증폭기는 일부 AC 모터에 대해 이를 수행할 수 있다.[38][39]
  • 선형 증폭기는 서로 다른 주파수 구성 요소에 독립적으로 반응하며, 고조파 왜곡이나 상호 변조 왜곡을 생성하지 않는다. 완벽한 선형성을 제공하는 증폭기는 없으며(가장 선형적인 증폭기도 일부 비선형성을 가지는데, 증폭 장치인 트랜지스터나 진공관은 제곱 법칙과 같은 비선형 전력 법칙을 따르고 이러한 효과를 줄이기 위한 회로 기술에 의존하기 때문이다),[40][41] 선형 증폭기에도 약간의 비선형성이 존재한다.
  • 비선형 증폭기는 상당한 왜곡을 생성하여 고조파 함량을 변화시킨다. 이러한 상황이 유용한 경우도 있다. 증폭기 회로는 의도적으로 비선형 전달 함수를 제공한다. 여기에는 다음이 포함된다.
  • 광대역 증폭기는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 정밀한 증폭 계수를 가지며, 통신 시스템에서 중계를 위해 신호를 증폭하는 데 자주 사용된다. 협대역 증폭기는 다른 주파수를 제외하고 특정 좁은 주파수 범위를 증폭한다.
  • RF 증폭기는 전자기 스펙트럼의 무선주파수 범위에서 신호를 증폭하며, 수신기의 감도를 높이거나 송신기의 출력 전력을 높이는 데 자주 사용된다.[42]
  • 오디오 증폭기는 오디오 주파수를 증폭한다. 이 범주는 소신호 증폭과 스피커 구동에 최적화된 전력 증폭기로 나뉘며, 때로는 다른 오디오 재생 요구 사항을 수용하기 위해 여러 증폭기가 별도의 채널로 또는 브리지 가능한 채널로 그룹화된다. 오디오 증폭기 내에서 자주 사용되는 용어는 다음과 같다.
  • 버퍼 증폭기는 이미터 팔로워를 포함할 수 있으며, 소스로부터 너무 많은 전류를 끌어낼 수 있는 장치 (아마도 다른 증폭기이거나 조명과 같은 에너지를 많이 소모하는 부하일 수 있음)에 높은 임피던스 입력을 제공한다. 라인 드라이버는 길거나 간섭이 심한 상호 연결 케이블에 신호를 공급하는 버퍼의 일종으로, 연선 케이블을 통해 차동 출력을 제공할 수도 있다.

단간 결합 방식

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증폭기는 때때로 입력, 출력 또는 단계 간의 신호 결합 방식에 따라 분류된다. 이러한 유형에는 다음이 포함된다.

저항-커패시터(RC) 결합 증폭기, 저항과 커패시터 네트워크 사용
설계상 이 증폭기는 커패시터가 입력 신호의 DC 구성 요소를 차단하므로 DC 신호를 증폭할 수 없다. RC 결합 증폭기는 진공관 또는 개별 트랜지스터가 있는 회로에서 매우 자주 사용되었다. 집적 회로 시대에는 칩의 트랜지스터 몇 개가 커패시터보다 훨씬 저렴하고 작다.
유도성-커패시터(LC) 결합 증폭기, 유도자와 커패시터 네트워크 사용
이 종류의 증폭기는 대부분 선택적 무선 주파수 회로에 사용된다.
변압기 결합 증폭기, 임피던스를 매칭하거나 회로 부품을 분리하기 위해 변압기 사용
종종 LC 결합 증폭기와 변압기 결합 증폭기는 변압기가 일종의 유도자이므로 구별할 수 없다.
직접 결합 증폭기, 임피던스 및 바이어스 매칭 구성 요소 없음
이 종류의 증폭기는 애노드(출력) 전압이 수백 볼트 이상이고 그리드(입력) 전압이 마이너스 몇 볼트였던 진공관 시대에는 매우 드물었다. 그래서 이득이 DC까지 지정된 경우에만 사용되었다(예: 오실로스코프). 현대 전자공학에서는 가능하면 직접 결합 증폭기를 사용하는 것이 권장된다. FET 및 CMOS 기술에서는 MOSFET의 게이트가 이론적으로 전류를 통과시키지 않으므로 직접 결합이 지배적이다. 따라서 입력 신호의 DC 구성 요소는 자동으로 필터링된다.

주파수 범위

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주파수 범위 및 기타 속성에 따라 증폭기는 다양한 원리에 따라 설계된다.

DC까지의 주파수 범위는 이 속성이 필요할 때만 사용된다. 직류 신호용 증폭기는 시간이 지남에 따라 구성 요소의 특성에서 발생하는 사소한 변화에 취약하다. 증폭기의 DC 특성에서 불쾌한 드리프트를 방지하기 위해 초퍼 안정화 증폭기와 같은 특별한 방법이 사용된다. 오디오 증폭기에서 DC 및 서브소닉 주파수를 제거하기 위해 "DC-차단" 커패시터를 추가할 수 있다.

지정된 주파수 범위에 따라 다른 설계 원리를 사용해야 한다. MHz 범위까지는 "개별" 속성만 고려하면 된다. 예를 들어, 단자는 입력 임피던스를 갖는다.

회로 내의 연결이 최고 지정 주파수 파장의 약 1%보다 길어지는 순간(예: 100MHz에서 파장은 3m이므로 임계 연결 길이는 약 3cm) 설계 속성이 근본적으로 바뀐다. 예를 들어, PCB 트레이스의 지정된 길이와 너비는 선택적 또는 임피던스 매칭 요소로 사용될 수 있다. 수백 MHz 이상에서는 개별 요소, 특히 유도자를 사용하기가 어려워진다. 대부분의 경우 매우 정밀하게 정의된 모양의 PCB 트레이스가 대신 사용된다(스트립라인 기술).

증폭기가 처리하는 주파수 범위는 대역폭 (일반적으로 주파수가 지정된 대역폭에 도달할 때 응답이 3 dB 감소함을 의미) 또는 하한 및 상한 주파수 사이에서 특정 데시벨 수 이내인 주파수 응답을 지정하여 (예: "20Hz ~ 20kHz, ±1dB") 지정할 수 있다.

증폭기 회로 예시

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저항, 커패시터, 트랜지스터 및 다이오드를 포함하는 전자 회로도
실용적인 증폭기 회로

위에 표시된 실용적인 증폭기 회로는 중간 전력 오디오 증폭기의 기본이 될 수 있다. 이 증폭기는 현대 증폭기에서 발견되는 일반적인 (그러나 상당히 단순화된) 설계를 특징으로 하며, 클래스-AB 푸시-풀 출력 단계와 일부 전체 음성 피드백을 사용한다. 바이폴라 트랜지스터가 표시되어 있지만, 이 설계는 FET 또는 진공관으로도 구현할 수 있다.

입력 신호는 커패시터 C1을 통해 트랜지스터 Q1의 베이스에 결합된다. 커패시터는 AC 신호를 통과시키지만, 저항기 R1과 R2에 의해 설정된 DC 바이어스 전압을 차단하여 이전 회로가 영향을 받지 않도록 한다. Q1과 Q2는 차동 증폭기 (두 입력 간의 차이를 어떤 상수로 곱하는 증폭기)를 형성하며, 이를 롱테일 페어라고 하는 배열이다. 이 배열은 출력에서 R7과 R8을 통해 Q2로 피드백되는 음성 피드백을 편리하게 사용할 수 있도록 한다.

차동 증폭기로 들어오는 음성 피드백은 증폭기가 입력을 실제 출력과 비교할 수 있게 한다. Q1에서 증폭된 신호는 두 번째 단인 Q3에 직접 공급되는데, Q3은 신호를 더 증폭하고 출력단인 Q4와 Q5에 DC 바이어스를 제공하는 공통 이미터 단이다. R6은 Q3에 부하를 제공한다 (더 나은 설계는 아마도 일정 전류 싱크와 같은 형태의 능동 부하를 여기에 사용할 것이다). 지금까지 증폭기 전체는 클래스 A로 작동하고 있다. 출력 페어는 클래스 AB 푸시-풀로 배열되어 있으며, 보완 페어라고도 불린다. 이들은 대부분의 전류 증폭을 제공하며 (낮은 대기 전류를 소모하면서) DC-차단 커패시터 C2를 통해 부하를 직접 구동한다. 다이오드 D1과 D2는 출력 페어에 약간의 일정 전압 바이어스를 제공하여 교차 왜곡이 최소화되도록 전도 상태로 바이어스한다. 즉, 다이오드는 출력단이 클래스 AB 모드로 견고하게 작동하도록 한다 (출력 트랜지스터의 베이스-이미터 전압 강하가 열 방출에 의해 감소된다고 가정).

이 설계는 간단하지만, 피드백이 DC에서 오디오 범위 이상까지 내부적으로 작동하므로 작동점을 자동으로 안정화시키기 때문에 실용적인 설계의 좋은 기반이 된다. 원치 않는 진동 가능성을 방지하기 위해 필요한 범위 이상으로 주파수 응답을 롤오프시키는 추가 회로 요소가 실제 설계에 포함될 것이다. 또한, 여기에 표시된 고정 다이오드 바이어스 사용은 다이오드가 출력 트랜지스터와 전기적으로나 열적으로 일치하지 않는 경우 문제를 일으킬 수 있다 – 출력 트랜지스터가 너무 많이 켜지면 과열되어 쉽게 파괴될 수 있는데, 이는 전원 공급 장치에서 오는 전체 전류가 이 단계에서 제한되지 않기 때문이다.

출력 장치를 안정화하는 데 도움이 되는 일반적인 해결책은 약 1옴 정도의 이미터 저항을 포함하는 것이다. 회로의 저항과 커패시터 값은 사용된 구성 요소와 앰프의 의도된 용도에 따라 계산된다.

구현 시 고려 사항

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모든 실제 증폭기는 이상적인 증폭기의 불완전한 구현이다. 실제 증폭기의 중요한 한계는 생성하는 출력이 궁극적으로 전원 공급 장치에서 사용할 수 있는 전력에 의해 제한된다는 것이다. 입력 신호가 증폭기가 재현하기에 너무 크거나 장치의 작동 한계를 초과하면 증폭기는 포화되어 출력을 클리핑한다. 전원 공급 장치는 출력에 영향을 미칠 수 있으므로 설계에서 고려해야 한다. 증폭기에서 나오는 전력 출력은 입력 전력을 초과할 수 없다.

증폭기 회로는 "개방 루프" 성능을 갖는다. 이는 다양한 매개변수(이득, 슬루율, 출력 온저항, 디스토션, 대역폭, 신호 대 잡음비 등)로 설명된다. 많은 현대 증폭기는 원하는 값으로 이득을 유지하고 왜곡을 줄이기 위해 음성 되먹임 기술을 사용한다. 음성 루프 피드백은 출력 임피던스를 낮추어 스피커 공명 주파수 및 그 근처에서 스피커 움직임의 전기적 댐핑을 증가시키는 의도된 효과를 갖는다.

정격 증폭기 전력 출력을 평가할 때는 인가된 부하, 신호 유형(예: 음성 또는 음악), 필요한 전력 출력 지속 시간(즉, 단시간 또는 연속), 필요한 동적 범위(예: 녹음 또는 라이브 오디오)를 고려하는 것이 유용하다. 부하까지 긴 케이블이 필요한 고전력 오디오 응용 분야(예: 영화관 및 쇼핑 센터)에서는 소스와 부하에 정합 변압기를 사용하여 라인 출력 전압으로 부하에 연결하는 것이 더 효율적일 수 있다. 이렇게 하면 무거운 스피커 케이블을 길게 사용하는 것을 피할 수 있다.

불안정성이나 과열을 방지하려면 솔리드 스테이트 증폭기가 적절하게 부하되는지 주의해야 한다. 대부분은 정격 최소 부하 임피던스를 가지고 있다.

모든 증폭기는 전기적 손실을 통해 열을 발생시킨다. 증폭기는 대류 또는 강제 공기 냉각을 통해 이 열을 발산해야 한다. 열은 전자 부품의 수명을 손상시키거나 단축시킬 수 있다. 설계자와 설치자는 인접 장비에 대한 열 영향도 고려해야 한다.

다양한 전원 공급 장치 유형은 여러 가지 다른 바이어스 방법을 초래한다. 바이어스는 능동 소자를 특정 영역에서 작동하도록 설정하거나, 출력 신호의 DC 구성 요소를 전원 공급 장치에서 사용할 수 있는 최대 전압 사이의 중간 지점으로 설정하는 기술이다. 대부분의 증폭기는 각 단계에서 여러 장치를 사용한다. 이들은 일반적으로 극성을 제외하고 사양에서 일치한다. 일치하는 반전 극성 장치를 상보형 쌍이라고 한다. 클래스-A 증폭기는 일반적으로 하나의 장치만 사용한다. 단, 전원 공급 장치가 양극 및 음극 전압을 모두 제공하도록 설정된 경우 이중 장치 대칭 설계가 사용될 수 있다. 클래스-C 증폭기는 정의상 단일 극성 공급 장치를 사용한다.

증폭기는 이득을 높이기 위해 종종 여러 단계를 직렬로 연결한다. 이러한 설계의 각 단계는 해당 단계의 요구 사항에 맞춰 다른 유형의 증폭기일 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 단계는 클래스-A 단계이고, 클래스-AB 푸시-풀 두 번째 단계에 공급되며, 이어서 클래스-G 최종 출력 단계를 구동하여 각 유형의 강점을 활용하면서 약점을 최소화할 수 있다.

특수 유형

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같이 보기

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각주

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  1. ↑ 데이터 시트의 복사본이 있는 HiFi-Wiki 웹페이지
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외부 링크

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