앰프
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1. 개요
앰프는 입력 신호의 크기를 키워 출력하는 장치이다. 1906년 리 드 포레스트가 삼극관 진공관을 발명하면서 실용적인 증폭 기술이 시작되었고, 1960~70년대 트랜지스터의 등장으로 소형화되었다. 앰프는 진공관, 트랜지스터, 집적 회로 등 다양한 능동 소자를 사용하며, 이득, 대역폭, 효율, 선형성, 잡음, 출력 범위, 슬루율, 안정성 등 여러 특성에 따라 분류된다. 전압 증폭기, 전류 증폭기, 트랜스컨덕턴스 증폭기, 트랜스레지스턴스 증폭기 등 다양한 유형이 있으며, 오디오, RF, 서보 등 다양한 분야에서 활용된다. 음의 피드백 기술은 증폭기의 성능 향상에 기여한다.
증폭기의 역사는 여러 단계로 발전했다. 1906년 리 드 포레스트가 삼극관(진공관)을 발명하면서 최초의 실용적인 증폭 장치가 등장했고, 1912년경 최초의 증폭기가 만들어졌다.
2. 역사
증폭 기술은 전화와 전신 기술의 발전과 관련이 깊다. 초기에는 전신 신호를 멀리 보내기 위해 중계기가 사용되었고, 전화 통신에서는 양방향 통신을 위한 중계기 개발이 중요했다. 1904년 미국 전화전신회사의 H. E. 슈리브는 탄소 마이크로폰과 수신기를 결합한 전화 중계기를 개발해 이 문제를 해결했다.
진공관은 증폭기 발전에 큰 영향을 미쳤다. 초기에는 '전자 중계기'라고 불렸으며, 1915년경부터 '증폭기'라는 용어가 사용되기 시작했다. 진공관은 장거리 전화, 라디오 방송, 유성 영화, 음향 녹음, 레이더, 텔레비전, 초기 컴퓨터 등 다양한 분야에 활용되었다. 1934년 해롤드 스티븐 블랙은 음의 피드백을 개발하여 증폭기의 왜곡을 줄였다.
이후 트랜지스터가 발명되면서 1960~70년대를 거치며 진공관은 대부분 트랜지스터로 대체되기 시작했다. 1947년 벨 연구소에서 존 바딘과 월터 브래튼이 점 접촉 트랜지스터를, 1948년 윌리엄 쇼클리가 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)를 발명했다. 1959년에는 모하메드 아탈라와 다원 칸이 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 발명하여 증폭기 기술 발전에 기여했다.
1970년대 이후에는 집적 회로 기술이 발전하면서 증폭기는 더욱 소형화되고 다양한 기능을 갖추게 되었다. 또한, 디지털 전자공학의 발전으로 Class-D 증폭기와 같은 새로운 형태의 증폭기가 등장했다.
2. 1. 진공관 시대
최초로 실용적인 증폭 장치는 1906년 리 드 포레스트가 발명한 삼극관(진공관)이었으며, 이는 1912년경 최초의 증폭기로 이어졌다.[8][9][10][16] 진공관은 1960년대~1970년대에 트랜지스터로 대체될 때까지 거의 모든 증폭기에 사용되었다. 오늘날 대부분의 증폭기는 트랜지스터를 사용하지만, 진공관은 일부 응용 분야에서 계속 사용되고 있다.
1876년 최초로 특허를 받은 전화의 형태로 오디오 통신 기술이 발전하면서, 점점 더 먼 거리로 신호 전송을 확장하기 위해 전기 신호의 진폭을 증가시킬 필요성이 생겼다. 전신에서는 각 중간국에 있는 중간 장치를 사용하여 신호 기록기와 송신기를 백투백으로 작동시켜 소모된 에너지를 보충함으로써 이 문제를 해결했는데, 이는 중계기를 형성하여 각 중간국에 있는 지역 에너지원이 다음 전송 구간에 전력을 공급하게 했다.
양방향 전송, 즉 양방향으로 송수신하는 경우, C. F. 바를리의 전신 전송 관련 연구를 시작으로 양방향 중계기가 개발되었다. 양방향 전송은 전화에 필수적이었으며, 이 문제는 미국 전화전신회사의 H. E. 슈리브가 탄소 입자 송신기와 정전형 수신기 쌍을 백투백으로 구성된 전화 중계기를 만드는 기존 시도를 개선한 1904년까지 만족스럽게 해결되지 않았다.[6] 슈리브 중계기는 처음 보스턴과 매사추세츠주 에임즈버리 간 회선에서 테스트되었으며, 더욱 정교한 장치가 한동안 서비스를 유지했다. 20세기 초에는 음극 저항 수은등이 증폭될 수 있다는 것이 밝혀졌고, 중계기에도 사용되었지만 성공적이지 못했다.[7]
1902년경부터 시작된 열전자관의 개발은 신호를 증폭하는 완전히 전자적인 방법을 제공했다. 이러한 장치의 최초 실용적인 버전은 1906년 리 드 포레스트가 발명한 오디온 삼극관이었다.[8][9][10][16] 이전에 신호를 증폭하는 데 널리 사용된 유일한 장치는 전신 시스템에 사용된 중계기였기 때문에, 증폭 진공관은 처음에 '전자 중계기'라고 불렸다.[11][12][13][14] 라틴어 "amplificare"(확대하거나 확장하다)에서 파생된[15] "증폭기"와 "증폭"이라는 용어는 삼극관이 널리 보급된 1915년경 이 새로운 기능에 대해 처음 사용되었다.[15]
증폭 진공관은 전기 기술에 혁명을 일으켰다.[16] 장거리 전화선, 확성 장치, 라디오 방송, 유성 영화, 실용적인 음향 녹음, 레이더, 텔레비전 및 최초의 컴퓨터를 가능하게 했다. 50년 동안 거의 모든 소비자 전자 제품에 진공관이 사용되었다. 초기 진공관 증폭기는 종종 양의 피드백(재생)을 사용했는데, 이는 이득을 증가시킬 수 있었지만 증폭기를 불안정하게 만들고 발진되기 쉽게 만들 수도 있었다. 증폭기의 많은 수학적 이론은 1920년대부터 1940년대까지 벨 전화 연구소에서 개발되었다. 초기 증폭기의 왜곡 수준은 1934년 해롤드 스티븐 블랙이 음의 피드백을 개발할 때까지 일반적으로 5% 정도로 높았다. 이를 통해 이득이 감소하는 대신 왜곡 수준을 크게 줄일 수 있었다. 해리 나이퀴스트와 헨드릭 와이드 보드가 증폭 이론에 대한 다른 발전을 이루었다.[17]
진공관은 자기 증폭기와 앰플리다인과 같은 특수 전력 장치를 제외하고 40년 동안 거의 유일한 증폭 장치였다. 전력 제어 회로는 20세기 후반에 전력 반도체 장치가 더 경제적이고 작동 속도가 빨라질 때까지 자기 증폭기를 사용했다. 1950년대 트랜지스터가 더 작고 고품질의 증폭기를 제공할 때까지 오래된 슈리브 전기 음향 탄소 중계기는 청각 장애인을 위한 전화 가입자 장치의 조정 가능한 증폭기에 사용되었다.[18]
2. 2. 트랜지스터 시대
최초로 작동하는 트랜지스터는 1947년 벨 연구소에서 존 바딘과 월터 브래튼이 발명한 점 접촉 트랜지스터였다. 이후 윌리엄 쇼클리는 1948년 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)를 발명하였다. 1959년에는 벨 연구소의 모하메드 아탈라와 다원 칸이 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 발명하였다. MOSFET 축소 기술, 즉 점점 더 작은 크기로 축소할 수 있는 능력 덕분에 MOSFET은 이후 가장 널리 사용되는 증폭기가 되었다.[19]
1960년대와 1970년대에 부피가 큰 진공관을 트랜지스터로 대체하면서 전자공학 분야에 혁명이 일어났고, 1954년에 개발된 트랜지스터 라디오와 같은 다양한 휴대용 전자 기기가 가능해졌다. 오늘날 진공관의 사용은 무선 송신기와 같은 일부 고출력 응용 분야와 일부 악기 및 하이엔드 오디오파일 증폭기에 제한되어 있다.
1970년대부터 점점 더 많은 트랜지스터가 단일 칩에 연결되어 집적 회로에서 더 높은 수준의 집적도(소규모, 중규모 및 대규모 집적 회로)를 만들었다. 오늘날 시판되는 많은 증폭기는 집적 회로를 기반으로 한다.
특수한 목적을 위해 다른 능동 소자가 사용되었다. 예를 들어, 초기 위성 통신에서는 파라메트릭 증폭기가 사용되었다. 핵심 회로는 용량이 국부적으로 생성된 RF 신호에 의해 변경되는 다이오드였다. 특정 조건에서 이 RF 신호는 지구국에서 수신된 매우 약한 위성 신호에 의해 변조된 에너지를 제공했다.
20세기 후반 이후 디지털 전자공학의 발전은 고정 진폭 신호의 펄스 형태를 변경하기 위해 디지털 스위칭을 사용하여 기존의 선형 이득 증폭기에 대한 새로운 대안을 제공하여 Class-D 증폭기와 같은 장치를 만들었다.
3. 증폭기의 특성
증폭기는 입력 포트에 들어온 신호를 크기만 키워서 출력 포트에 생성하는 2단자 망 전기 회로이다.
입력 포트는 전류를 소모하지 않는 전압 입력, 또는 포트 양단의 전압이 없는 전류 입력으로 이상화할 수 있다. 출력 포트는 소스 저항이 0이고 출력 전압이 입력에 의존하는 종속 전압원이거나, 소스 저항이 무한대이고 출력 전류가 입력에 의존하는 종속 전류원으로 이상화할 수 있다. 이러한 조합은 네 가지 유형의 이상적인 증폭기를 만든다.[5]
| 입력 | 출력 | 종속 전원 | 증폭기 유형 | 이득 단위 |
|---|---|---|---|---|
| I | I | 전류 제어 전류원(CCCS) | 전류 증폭기 | 단위 없음 |
| I | V | 전류 제어 전압원(CCVS) | 트랜스임피던스 증폭기 | 옴 |
| V | I | 전압 제어 전류원(VCCS) | 트랜스컨덕턴스 증폭기 | 지멘스 |
| V | V | 전압 제어 전압원(VCVS) | 전압 증폭기 | 단위 없음 |
각 유형의 이상적인 증폭기는 해당 종속 전원과 동일한 이상적인 입력 및 출력 저항을 갖는다.[20]
| 증폭기 유형 | 종속 전원 | 입력 임피던스 | 출력 임피던스 |
|---|---|---|---|
| 전류 | CCCS | 0 | ∞ |
| 트랜스임피던스 | CCVS | 0 | 0 |
| 트랜스컨덕턴스 | VCCS | ∞ | ∞ |
| 전압 | VCVS | ∞ | 0 |
실제 증폭기에서는 이상적인 임피던스를 달성할 수 없지만, 이러한 이상적인 요소를 사용하여 실제 증폭기의 등가 회로를 구성할 수 있다. 입력 및 출력에 임피던스(저항, 커패시턴스 및 인덕턴스)를 추가하는 것이다. 특정 회로의 실제 임피던스는 소신호 분석을 통해 구할 수 있다. 소신호 AC 시험 전류 ''Ix''를 입력 또는 출력 노드에 인가하고 모든 외부 소스를 AC 0으로 설정하면, 시험 전류원 양단의 해당 교류 전압 ''Vx''는 해당 노드에서 보이는 임피던스를 ''R = Vx / Ix''로 결정한다.[21]
전송선에 연결하도록 설계된 증폭기, 특히 RF 증폭기는 위에서 설명한 분류 방식과는 다르다. 전압이나 전류를 개별적으로 다루는 대신, 입력 또는 출력 임피던스를 전송선 임피던스와 일치시키는 것, 즉 전압과 전류의 ''비율''을 맞추는 것이 중요하다. 많은 실제 RF 증폭기가 이러한 이상적인 수준에 근접한다. 주어진 적절한 소스 및 부하 임피던스에 대해 RF 증폭기는 전압이나 전류를 증폭하는 것으로 특징 지을 수 있지만, 근본적으로는 전력을 증폭한다.[22]
증폭기의 특성은 다음과 같은 매개변수로 나타낼 수 있다.[23]
- 이득: 출력 신호와 입력 신호 크기의 비율.
- 대역폭: 유용한 주파수 범위의 폭.
- 효율: 출력 전력과 총 소비 전력의 비율.
- 선형성: 입력 진폭에 관계없이 입력과 출력 진폭 간의 비율이 얼마나 일정한가.
- 잡음: 출력에 섞인 원치 않는 잡음의 정도.
- 출력 다이내믹 레인지: 가장 크고 가장 작은 유용한 출력 레벨의 비율.
- 슬루율: 출력의 최대 변화율.
- 상승 시간, 정착 시간, 링잉, 오버슈트는 계단 응답을 특징짓는다.
- 안정성: 자기 진동을 피할 수 있는 능력.
모든 증폭기는 이득을 가지며, 이는 출력 신호 특성과 입력 신호 특성의 크기 관계를 나타내는 곱셈 인자이다. 이득은 출력 전압과 입력 전압의 비율(전압 이득), 출력 전력과 입력 전력의 비율(전력 이득), 또는 전류, 전압, 전력의 조합으로 지정될 수 있다. 출력의 변하는 특성은 입력의 동일한 특성에 의존하므로 이득은 무차원(종종 데시벨(dB)로 표현됨)이다.
대부분의 증폭기는 선형으로 설계된다. 즉, 어떤 일반적인 입력 레벨과 출력 신호에 대해서도 일정한 이득을 제공한다. 증폭기의 이득이 선형적이지 않으면 출력 신호가 왜곡될 수 있다. 그러나 가변 이득이 유용한 경우도 있다. 특정 신호 처리 응용 프로그램에서는 지수 이득 증폭기를 사용한다.[5]
증폭기는 일반적으로 특정 응용 분야에서 잘 작동하도록 설계된다. 예를 들어, 라디오 및 텔레비전 송신기 및 수신기, 하이파이("하이파이") 스테레오 장비, 마이크로컴퓨터 및 기타 디지털 장비, 기타 및 기타 악기 증폭기 등이 있다. 모든 증폭기에는 진공관 또는 트랜지스터와 같이 적어도 하나의 능동 소자가 포함되어 있다.
실제 증폭기는 이상적인 증폭기의 불완전한 구현체이다. 실제 증폭기의 중요한 한계는 출력이 궁극적으로 전원 공급 장치에서 얻을 수 있는 전력에 의해 제한된다는 것이다. 입력 신호가 증폭기가 재현하기에 너무 크거나 장치의 작동 한계를 초과하면 증폭기는 포화되어 출력이 잘린다. 전원 공급 장치가 출력에 영향을 미칠 수 있으므로 설계 시 고려해야 한다. 증폭기의 전력 출력은 입력 전력을 초과할 수 없다.
증폭기 회로는 "개방 루프" 성능을 가지고 있다. 이는 다양한 매개변수(이득, 슬루율, 출력 임피던스, 왜곡, 대역폭, 신호대잡음비 등)로 설명된다. 많은 현대 증폭기는 원하는 값으로 이득을 유지하고 왜곡을 줄이기 위해 음의 피드백 기술을 사용한다. 음의 루프 피드백은 출력 임피던스를 낮추어 스피커의 공진 주파수 부근에서 스피커의 동작에 대한 전기적 감쇠를 증가시키는 효과가 있다.
정격 증폭기 출력 전력을 평가할 때는 적용된 부하, 신호 유형(예: 음성 또는 음악), 필요한 전력 출력 지속 시간(단시간 또는 연속), 필요한 다이내믹 레인지(녹음된 오디오 또는 라이브 오디오)를 고려하는 것이 유용하다. 부하에 긴 케이블이 필요한 고출력 오디오 애플리케이션(예: 영화관 및 쇼핑센터)에서는 정합 트랜스포머를 소스와 부하에 사용하여 라인 출력 전압에서 부하에 연결하는 것이 더 효율적일 수 있다. 이렇게 하면 무거운 스피커 케이블의 긴 배선을 피할 수 있다.
불안정성이나 과열을 방지하려면 고체 증폭기가 적절히 부하되는지 확인해야 한다. 대부분은 정격 최소 부하 임피던스를 가지고 있다.
모든 증폭기는 전기적 손실을 통해 열을 발생한다. 증폭기는 대류 또는 강제 공기 냉각을 통해 이 열을 방출해야 한다. 열은 전자 부품의 수명을 손상시키거나 단축시킬 수 있다. 설계자와 설치자는 인접 장비에 대한 열 효과도 고려해야 한다.
다양한 전원 공급 장치 유형은 여러 가지 다른 바이어스 방법을 초래한다. 바이어스는 능동 소자를 특정 영역에서 작동하도록 설정하거나 출력 신호의 DC 성분을 전원 공급 장치에서 사용 가능한 최대 전압 사이의 중간점으로 설정하는 기술이다. 대부분의 증폭기는 각 단계에서 여러 개의 소자를 사용한다. 이러한 소자는 일반적으로 극성을 제외하고는 사양이 일치한다. 일치하는 반전 극성 소자를 상보적 쌍이라고 한다. A 클래스 증폭기는 일반적으로 전원 공급 장치가 양극 및 음극 전압 모두를 제공하도록 설정되어 있지 않는 한 하나의 소자만 사용한다. 이 경우 듀얼 소자 대칭 설계를 사용할 수 있다. C 클래스 증폭기는 정의상 단일 극성 전원 공급 장치를 사용한다.
증폭기는 종종 이득을 높이기 위해 여러 단계를 직렬로 연결한다. 이러한 설계의 각 단계는 해당 단계의 요구 사항에 맞는 다른 유형의 증폭기일 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 단계는 A 클래스 단계일 수 있으며, 이는 AB 클래스 푸시풀 두 번째 단계에 공급되고, 이는 각 유형의 강점을 활용하면서 약점을 최소화하는 G 클래스 최종 출력 단계를 구동한다.
4. 증폭기의 종류
증폭기는 입력 신호와 출력 신호의 관계에 따라 다음과 같이 네 가지로 분류할 수 있다.[36]
- 전압 증폭기(voltage amplifier): 가장 일반적인 형태로, 입력된 전압 신호를 더 높은 전압 신호로 증폭한다. 입력 임피던스는 높고 출력 임피던스는 낮다.
- 전류 증폭기(current amplifier): 입력된 전류 신호를 더 큰 전류 신호로 증폭한다. 입력 임피던스는 낮고 출력 임피던스는 높다.
- 트랜스컨덕턴스 증폭기(transconductance amplifier): 입력 전압에 따라 출력 전류를 변화시킨다.
- 트랜스레지스턴스 증폭기(transresistance amplifier): 입력 전류에 따라 출력 전압을 변화시킨다. 트랜스임피던스 증폭기 또는 전류-전압 변환기라고도 한다.
전기 기타는 현의 진동을 전기 신호로 바꾸어 앰프를 통해 출력하므로 앰프가 필수적이다. 초창기 전기 기타용 앰프는 일반 오디오 앰프와 유사했으나, 연주 기법이 발달하면서 현재는 일반 오디오 앰프와는 다른 특성을 가진다. 전기 기타용 앰프는 신호 왜곡을 최소화하는 대신, 인위적으로 과도한 입력 신호를 만들어 왜곡된 소리(overdrive)를 생성하는 데 특화되어 있다.
전기 기타용 앰프는 프리앰프(pre-amp)와 파워앰프(power-amp)로 구성된다. 프리앰프는 기타 픽업의 미약한 전기 신호를 증폭하고, 파워앰프는 증폭된 신호를 스피커 임피던스에 맞춰 다시 증폭한다. 특히 프리앰프에서 입력 신호를 과도하게 증폭하여 왜곡된 소리를 만들며, 프리앰프의 특성이 앰프 음색과 특성을 결정한다.
전기 기타용 앰프는 증폭 소자에 따라 진공관식과 트랜지스터식으로 나뉘며, 최근에는 특정 앰프 소리를 흉내 내는 시뮬레이션 앰프도 많이 사용된다.
분산 증폭기는 개별 증폭기를 분리하기 위해 균형 전송선을 사용하며, 각 증폭기의 출력은 동일한 전송선에 의해 합산된다. 각 단의 이득은 서로 곱해지는 것이 아니라 선형적으로 더해져 더 높은 대역폭을 얻을 수 있다.
비선형 증폭기는 선형 증폭기보다 효율이 높으며, 전력 절약이 중요한 경우에 사용된다. D급 증폭기가 대표적인 예이다.
음전압 증폭기는 트랜지스터의 소스와 게이트 사이의 피드백을 사용하여 트랜지스터 소스의 용량성 임피던스를 게이트의 음의 저항으로 변환하는 재생 증폭기의 일종이다. 매우 높은 이득을 얻는 데 적은 전력이 필요하며, 잡음 지수가 우수하다.
4. 1. 증폭 형태 (입출력 신호)
증폭기의 이득(gain)은 입력된 신호의 전압과 출력된 전압의 '''비'''인 전압 이득(voltage gain)과 입출력의 전력 측면에서 따지는 전력 이득(power gain)으로 정의된다. 때로는 전류의 이득도 생각할 수 있으며, 이때 사용하는 단위는 데시벨(dB)을 많이 사용한다.[36]증폭기는 다음과 같이 네 가지로 분류할 수 있다.[36]
| 증폭기 유형 | 종속 전원 | 이득 단위 |
|---|---|---|
| 전압 증폭기(voltage amplifier) | 전압 제어 전압원(VCVS) | 단위 없음 |
| 전류 증폭기(current amplifier) | 전류 제어 전류원(CCCS) | 단위 없음 |
| 트랜스컨덕턴스 증폭기(transconductance amplifier) | 전압 제어 전류원(VCCS) | 지멘스 |
| 트랜스레지스턴스 증폭기(transresistance amplifier) | 전류 제어 전압원(CCVS) | 옴 |
- 전압 증폭기(voltage amplifier): 가장 일반적인 증폭의 경우로, 신호가 전압의 변화로 정보화된 입력에 대해 더 높은 전압 신호를 얻는다. 입력 임피던스는 높고 출력 임피던스는 작다.
- 전류 증폭기(current amplifier): 신호가 전류로 크기로 변화하는 신호를 입력하여, 출력을 전류의 크기로 변화하는 신호로 처리하는 증폭기이다. 입력 임피던스는 작고 출력 임피던스는 높다.
- 트랜스컨덕턴스 증폭기(transconductance amplifier): 입력되는 전압으로 규정된 신호를 전류 신호의 크기로 출력한다.
- 트랜스레지스턴스 증폭기(transresistance amplifier): 전류 입력에 대응하는 전압 신호를 출력한다. 다른 말로는 트랜스레지스턴스(transimpedance amplifier) 또는 전류-전압 변환기(current-to-voltage converter)라고도 한다.
이상적인 형태의 각 유형의 증폭기는 해당 종속 전원과 동일한 이상적인 입력 및 출력 저항을 갖는다.[20]
| 증폭기 유형 | 종속 전원 | 입력 임피던스 | 출력 임피던스 |
|---|---|---|---|
| 전류 | CCCS | 0 | ∞ |
| 트랜스임피던스 | CCVS | 0 | 0 |
| 트랜스컨덕턴스 | VCCS | ∞ | ∞ |
| 전압 | VCVS | ∞ | 0 |
실제 증폭기에서는 이상적인 임피던스를 달성할 수 없지만, 이러한 이상적인 요소를 사용하여 입력 및 출력에 임피던스(저항, 커패시턴스 및 인덕턴스)를 추가하여 실제 증폭기의 등가 회로를 구성할 수 있다.
4. 2. 능동 소자
모든 증폭기는 어떤 형태의 능동 소자를 포함한다. 이것은 실제 증폭을 수행하는 소자이다. 능동 소자는 진공관, 단일 트랜지스터와 같은 개별 반도체 소자 또는 연산 증폭기와 같이 집적 회로의 일부일 수 있다.트랜지스터 증폭기(또는 반도체 증폭기)는 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 증폭기 유형이다. 트랜지스터는 능동 소자로 사용된다. 증폭기의 이득은 트랜지스터 자체의 특성과 그 트랜지스터가 포함된 회로에 의해 결정된다. 트랜지스터 증폭기의 일반적인 능동 소자에는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)와 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)가 있다. 응용 분야는 매우 많다. 일반적인 예로는 가정용 스테레오 또는 공중 안내 방송 시스템의 오디오 증폭기, 반도체 장비를 위한 고출력 RF 발생, 라디오 송신기와 같은 RF 및 마이크로파 응용 분야가 있다. 트랜지스터 기반 증폭은 다양한 구성을 사용하여 구현할 수 있다. 예를 들어, 바이폴라 접합 트랜지스터는 공통 베이스, 공통 콜렉터 또는 공통 이미터 증폭을 구현할 수 있으며, MOSFET은 공통 게이트, 공통 소스 또는 공통 드레인 증폭을 구현할 수 있다. 각 구성은 서로 다른 특성을 가지고 있다.
진공관 증폭기(튜브 증폭기 또는 진공관 증폭기라고도 함)는 능동 소자로 진공관을 사용한다. 반도체 증폭기가 저전력 응용 분야에서 진공관 증폭기를 대체했지만, 진공관 증폭기는 레이더, 대응 장비 및 통신 장비와 같은 고전력 응용 분야에서 훨씬 더 비용 효율적일 수 있다. 많은 마이크로파 증폭기는 클라이스트론, 자이로트론, 여행파관, 교차장 증폭기와 같은 특수 설계된 진공관 증폭기이며, 이러한 마이크로파 진공관은 반도체 소자보다 마이크로파 주파수에서 훨씬 더 큰 단일 소자 출력 전력을 제공한다.[24] "진공관 사운드"에 대한 선호도 때문에 진공관은 일부 하이엔드 오디오 장비와 악기 증폭기에서 계속 사용되고 있다.
자기 증폭기는 하나의 권선이 자기 코어의 포화를 제어하고 따라서 다른 권선의 임피던스를 변경하는 변압기와 다소 유사한 장치이다.[25] 반도체 증폭기의 개발로 인해 대부분 사용되지 않게 되었지만, 방사능의 영향을 받지 않기 때문에 HVDC 제어 및 원자력 발전 제어 회로에 여전히 유용하다.
음의 저항은 터널 다이오드 증폭기와 같이 증폭기로 사용할 수 있다.[26][27]
4. 3. 전력 증폭기 등급 (효율 및 선형성)
전력 증폭기 회로(출력단)는 아날로그 설계에서 A, B, AB, C 등급으로, 스위칭 설계에서 D, E 등급으로 분류된다.[35] 아날로그 설계에서 전력 증폭기 등급은 증폭 소자가 전류를 흘리는 각 입력 사이클의 비율(전도각)에 따라 결정된다.[35] 전도각은 사인파 신호를 증폭하는 과정에서 유래한다. 소자가 항상 켜져 있으면 전도각은 360°이고, 각 사이클의 절반 동안만 켜져 있으면 전도각은 180°이다. 전류 흐름 각도는 증폭기의 전력 효율과 밀접한 관련이 있다.4. 4. 기능
전기 기타는 현의 진동을 전기 신호로 변환하여 앰프를 통해 소리를 출력하는 악기이므로 앰프 사용이 필수적이다. 초창기 전기 기타용 앰프는 일반 오디오 앰프와 유사했지만, 연주 기법 발달에 따라 현재는 다른 특성을 가진다.전기 기타용 앰프는 일반 오디오 앰프가 신호 증폭 시 왜곡을 최소화하는 데 초점을 맞추는 반면, 인위적으로 과도한 입력 신호를 만들어 왜곡된 소리(overdrive)를 생성하는 데 특화되어 있다.
전기 기타용 앰프는 구조적으로 프리앰프(pre-amp)와 파워앰프(power-amp)로 나뉜다. 프리앰프는 기타 픽업의 미약한 전기 신호를 증폭하고, 파워앰프는 증폭된 신호를 스피커 임피던스에 맞춰 다시 증폭한다. 프리앰프에서 입력 신호를 과도하게 증폭하여 왜곡된 소리를 만들며, 프리앰프의 특성이 앰프 음색과 특성을 결정한다.
전기 기타용 앰프는 증폭 소자에 따라 진공관식과 트랜지스터식으로 나뉘며, 최근에는 특정 앰프 소리를 전자적으로 흉내 내는 시뮬레이션 앰프도 많이 사용된다.
4. 5. 결합 방식 (다단 증폭기)
증폭기는 입력, 출력 또는 단 간의 신호 결합 방식에 따라 분류되기도 한다. 이러한 유형에는 다음과 같은 것들이 있다.- '''저항-커패시터(RC) 결합 증폭기''': 저항과 커패시터 네트워크를 사용한다. 설계상 이러한 증폭기는 커패시터가 입력 신호의 DC(직류) 성분을 차단하기 때문에 DC 신호를 증폭할 수 없다. RC 결합 증폭기는 진공관 또는 개별 트랜지스터 회로에서 매우 자주 사용되었다. 집적 회로 시대에는 칩에 몇 개 더 많은 트랜지스터를 사용하는 것이 커패시터보다 훨씬 저렴하고 작다.
- '''유도-커패시터(LC) 결합 증폭기''': 인덕터와 커패시터 네트워크를 사용한다. 이러한 종류의 증폭기는 선택적인 무선 주파수 회로에서 가장 자주 사용된다.
- '''변압기 결합 증폭기''': 임피던스를 정합하거나 회로의 일부를 분리하기 위해 변압기를 사용한다. LC 결합 및 변압기 결합 증폭기는 변압기가 일종의 인덕터이기 때문에 구별하기 어려운 경우가 많다.
- '''직결 증폭기''': 임피던스 및 바이어스 정합 부품을 사용하지 않는다. 이 등급의 증폭기는 진공관 시대에 양극(출력) 전압이 수백 볼트 이상이고 그리드(입력) 전압이 몇 볼트 미만이었을 때 매우 드물었다. 따라서 오실로스코프와 같이 이득이 DC까지 지정된 경우에만 사용되었다. 현대 전자공학에서는 가능하면 직결 증폭기를 사용하는 것이 좋다. FET 및 CMOS 기술에서는 MOSFET의 게이트가 이론적으로 자체를 통해 전류를 통과시키지 않기 때문에 직결이 주로 사용된다. 따라서 입력 신호의 DC 성분이 자동으로 필터링된다.
4. 6. 주파수 범위
영상 증폭기는 영상 신호를 처리하도록 설계되며, SDTV, EDTV, HDTV 720p 또는 1080i/p 등 영상 신호의 종류에 따라 다양한 대역폭을 갖는다. 대역폭 사양은 어떤 종류의 필터를 사용하는지, 그리고 어느 지점(예: −1dB 또는 −3dB)에서 대역폭을 측정하는지에 따라 달라진다. 허용 가능한 TV 이미지를 위해서는 단계 응답 및 과도 응답에 대한 특정 요구 사항이 필요하다.[28]여행파관 증폭기(TWTAs)는 저주파 마이크로파의 고출력 증폭에 사용된다. 일반적으로 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 증폭할 수 있지만, 클라이스트론만큼 조정 가능하지는 않다.[29]
클라이스트론은 고출력, 광대역 조정 가능한 밀리미터파 및 서브밀리미터파 증폭을 제공하도록 설계된 특수한 선형 빔 진공 장치이다. 클라이스트론은 대규모 운용을 위해 설계되었으며, TWTAs보다 대역폭이 좁지만, 기준 신호를 일관되게 증폭하여 진폭, 주파수 및 위상을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다.
고체 소자는 실리콘 쇼트 채널 MOSFET(예: 이중 확산 금속-산화물-반도체(DMOS) FET), GaAs FET, SiGe 및 GaAs 이종접합 바이폴라 트랜지스터/HBT, HEMT, IMPATT 다이오드 등이 있으며, 특히 휴대용 RF 단말기/휴대전화 및 액세스 포인트와 같이 크기와 효율이 중요한 응용 분야에서 와트 단위의 저주파수 및 저출력 마이크로파에 사용된다. 질화갈륨( GaN) 또는 실리콘 또는 탄화규소/SiC상의 GaN과 같은 새로운 재료는 HEMT 트랜지스터 및 향상된 효율, 넓은 대역폭, 몇 GHz에서 수십 GHz까지의 동작, 몇 와트에서 수백 와트의 출력 전력이 필요한 응용 분야에서 등장하고 있다.[30][31]
증폭기 사양 및 크기 요구 사항에 따라 마이크로파 증폭기는 단일 칩으로 통합되거나, 모듈로 통합되거나, 또는 개별 부품 또는 이들의 조합을 기반으로 구현될 수 있다.
메이저는 비전자식 마이크로파 증폭기이다.
증폭기는 주파수 범위 및 기타 특성에 따라 서로 다른 원리를 적용하여 설계된다.
직류(DC)까지의 주파수 범위는 이러한 특성이 필요할 때만 사용된다. 직류 신호용 증폭기는 시간에 따른 부품 특성의 미세한 변화에 취약하다. 직류 증폭기의 특성 변화(드리프트)를 방지하기 위해 초퍼 안정화 증폭기와 같은 특수한 방법이 사용된다. 오디오 증폭기에서 직류 및 저주파수를 제거하기 위해 "직류 차단" 커패시터를 추가할 수 있다.
명시된 주파수 범위에 따라 서로 다른 설계 원리를 사용해야 한다. MHz 범위까지는 "분리된" 특성만 고려하면 된다. 예를 들어, 단자는 입력 임피던스를 갖는다.
회로 내의 연결이 최고 명시 주파수의 파장의 약 1%보다 길어지면(예: 100MHz에서 파장은 3m이므로 중요한 연결 길이는 약 3cm임) 설계 특성이 근본적으로 바뀐다. 예를 들어, PCB 트레이스의 지정된 길이와 너비를 선택적 또는 임피던스 정합 요소로 사용할 수 있다.
수백 MHz 이상에서는 특히 인덕터와 같은 분리된 소자를 사용하기 어렵다. 대부분의 경우, 매우 정확하게 정의된 형태의 PCB 트레이스가 대신 사용된다(스트립라인 기술).
증폭기가 처리하는 주파수 범위는 대역폭(일반적으로 주파수가 지정된 대역폭에 도달할 때 3 dB 감소하는 응답을 의미함)으로 지정하거나, 하한 주파수와 상한 주파수 사이에서 특정 데시벨 수 이내의 '''주파수 응답'''을 지정하여 명시할 수 있다(예: "20Hz~20kHz ±1dB").
5. 특수 증폭기
- 전하 전달 증폭기
- CMOS 증폭기
- 전류 감지 증폭기
- 분포 증폭기
- 도허티 증폭기
- 이중 동조 증폭기
- 충실한 증폭기
- 중간 출력 증폭기
- 저잡음 증폭기
- 음의 귀환 증폭기
- 광 증폭기
- 프로그래머블 이득 증폭기
- 동조 증폭기
- 진공관 증폭기
6. 음의 피드백 (Negative Feedback)
음의 피드백(Negative feedback)은 대부분의 현대 증폭기에서 대역폭을 증가시키고, 왜곡을 줄이며, 이득을 제어하는 데 사용되는 기법이다. 음수 귀환 증폭기에서는 출력의 일부가 입력으로 되돌아가 반대 위상으로 더해져 입력을 감소시킨다. 주된 효과는 시스템의 전체 이득을 줄이는 것이다. 그러나 왜곡과 같은 증폭기에서 발생하는 원치 않는 신호도 되돌아온다. 이러한 신호는 원래 입력의 일부가 아니므로 반대 위상으로 입력에 더해져 입력에서 빼진다. 이러한 방식으로 음의 피드백은 비선형성, 왜곡 및 증폭기에서 발생하는 기타 오류도 줄인다.[17] 많은 양의 음의 피드백은 오류를 줄여 증폭기 자체의 응답이 거의 무관해질 수 있도록 하며(이득이 클 경우), 시스템의 출력 성능("폐루프 성능"(closed loop performance))은 귀환 루프의 구성 요소에 의해서만 완전히 결정된다. 이 기법은 특히 연산 증폭기(op-amps)에 사용된다.
귀환이 없는 증폭기는 오디오 주파수 신호에 대해 약 1%의 왜곡만 달성할 수 있다. 음의 피드백을 사용하면 왜곡을 일반적으로 0.001%까지 줄일 수 있다. 크로스오버 왜곡을 포함한 잡음도 사실상 제거할 수 있다. 음의 피드백은 또한 온도 변화와 이득 단계의 성능 저하 또는 비선형 구성 요소를 보상하지만, 귀환 루프의 구성 요소의 변화나 비선형성은 출력에 영향을 미친다. 실제로 출력을 정의하는 귀환 루프의 기능을 사용하여 능동 필터(active filter circuits)를 제작한다.
음의 피드백의 또 다른 장점은 증폭기의 대역폭을 확장한다는 것이다. 귀환 개념은 연산 증폭기에서 귀환 루프의 구성 요소에 따라 이득, 대역폭 및 기타 매개변수를 정확하게 정의하는 데 사용된다.
음의 피드백은 증폭기의 각 단계에 적용되어 전원 전압 또는 소자 특성의 미세한 변화에 대해 능동 소자의 동작점(operating point)을 안정화할 수 있다.
양 또는 음의 피드백의 일부는 불가피하며 종종 바람직하지 않다. 예를 들어, 트랜지스터와 같은 소자의 입력과 출력 사이의 고유한 정전 용량 및 외부 배선의 용량성 결합과 같은 기생 요소에 의해 발생한다. 과도한 주파수 의존성 양의 피드백은 기생 발진(parasitic oscillation)을 발생시켜 증폭기를 발진기(oscillator)로 만들 수 있다.
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