증폭 회로
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1. 개요
증폭 회로는 입력 신호를 받아 그 크기를 키워 출력하는 전자 회로이다. 증폭기의 성능은 이득, 대역폭, 효율, 선형성, 잡음, 출력 범위, 슬로우 비, 안정도 등의 요소에 의해 특징지어진다. 증폭 회로는 처리하는 신호의 종류, 증폭 방식, 사용 목적에 따라 다양하게 분류되며, 전압, 전류, 전력을 증폭하는 전압 증폭기, 전류 증폭기, 전력 증폭기로 나뉜다. 또한 A급, B급, AB급, C급 등과 같은 증폭 회로의 등급은 바이어스 방식에 따라 구분된다. 증폭 회로는 트랜지스터나 진공관과 같은 능동 소자를 사용하여 구성되며, 바이어스 방식, 결합 방식, 부가 회로 등을 통해 회로의 특성을 개선한다. 다단 증폭기는 여러 단의 증폭기를 직렬로 연결하여 사용하며, 각 단의 증폭기 설계와 신호 레벨 배분을 통해 성능을 최적화한다.
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2. 증폭의 특성
증폭기는 이득(증폭도, Gain), 대역폭(Bandwidth), 효율(Efficiency), 선형성(Linearity), 잡음(Noise), 출력 범위(Output dynamic range), 슬루율(Slew rate), 스텝 응답(step response)의 특성, 안정도(Stability) 등의 요소로 특성화된다.[3]
바이폴라 트랜지스터에서는 입력 전류의 작은 변화가, 전계 효과 트랜지스터(FET)나 진공관에서는 입력 전압의 작은 변화가 출력 전류의 큰 변화를 가져온다. 이를 통해 신호의 전력을 증대시키는 것이 전력 증폭이다. 전압 증폭은 전력 부하를 구동하는 신호의 전압을 증가시키는 경우를, 전류 증폭은 전류를 증가시키는 경우를 말한다. 트랜스는 전압·전류를 변환하지만 신호의 전력은 증대시키지 않으므로 전력 증폭이 되지 않는다. 전력 증폭에서는 신호의 에너지가 증대하지만, 증폭 소자 자체가 신호의 전기 에너지를 생성하는 것이 아니라, 약한 입력 신호의 에너지를 이용하여 외부 전원의 전기 에너지 흐름을 제어하여 큰 출력 신호를 만들어내는 것이다.[3]
입출력 요구 사양에 따라 한 단으로 필요한 증폭이 얻어지는 경우도 있지만, 그렇지 않은 경우도 있다. 다단 구성에서는 먼저 전압 증폭이나 전류 증폭을 수행하고, 최종 단의 전력 증폭 단에서 출력을 얻는다.[3]
2. 1. 주요 특성 요소
- '''이득(증폭도, Gain)''': 입력 신호와 출력 신호 크기의 비율이다.[3]
- '''대역폭(Bandwidth)''': 증폭기가 처리할 수 있는 주파수 범위이다.
- '''효율(Efficiency)''': 증폭을 위해 사용된 전력 소모량 대 출력에 나타난 전력량의 비율이다.
- '''선형성(Linearity)''': 입력 신호에 대해 출력에 나타난 신호 왜곡의 정도이다.
- '''잡음(Noise)''': 증폭회로에서 원하지 않게 추가되는 불필요한 신호이다.
- '''출력 범위(Output dynamic range)''': 출력에서 유용한 가장 작은 신호 레벨과 가장 큰 신호 레벨의 비율이다.
- '''슬로우 비(Slew rate)''': 출력 신호가 변화하는 최대 비율(시간적 변화)이다.
- '''스텝 응답(step response)'''에서의 '''상승 시간(Rise time)''', '''설정 시간(settling time)''' 그리고 '''과도반응(overshoot)''' 등의 특성.
- '''안정도(Stability)''': 증폭기에서 신호 피드백에 의한 신호 발진을 피하기 위한 특성이다.
증폭 회로의 선형성이 깨지면 특정 전압에서 신호 왜곡이 발생할 수 있다. 잡음은 신호의 크기에 따라 영향을 받는데, 전압이 낮으면 증폭 과정에서 잡음이 끼어들 가능성이 높다.
아날로그 증폭 회로는 A, B, AB, C 등급으로 구분되며, 이는 입력 신호의 전체 위상(360도) 중 어느 부분을 증폭할 수 있느냐에 따라 달라진다.
- A 클래스: 입력 신호를 전부 증폭한다. (0-360도 위상 전부를 증폭)
- AB 클래스: 증폭 가능한 입력 신호의 위상이 0-180도(B 클래스)보다는 넓지만 0-360도(A 클래스)에는 미치지 못한다.
- B 클래스: 입력 신호 주기의 절반만 증폭한다. (위상 0-180도 범위의 신호만 증폭)
- C 클래스: 증폭 가능한 입력 신호의 위상 범위가 0-180도(B 클래스)보다 좁다.
증폭 회로의 제원으로는 '''증폭률'''( '''증폭도''' 또는 '''이득'''이라고도 한다)이 있으며, (출력) ÷ (입력) 값으로 정의된다. 증폭률에는 전력 증폭률, 전압 증폭률, 전류 증폭률 등이 있다. 증폭률은 "몇 배"와 같이 표현(진수)하거나, 로그(데시벨[dB])로 표현할 수 있다.
그 외 증폭 회로의 제원으로는 입력 임피던스, 출력 임피던스, 주파수 특성(f 특성), 효율(소비 전력과 출력 전력의 비), 왜율, NF, P1dB, IP3(en:Third-order intercept point) 등이 있다.
3. 증폭 회로의 분류
증폭 회로는 처리하는 입출력 신호, 증폭 방식, 사용 용도 등에 따라 다양하게 구성되며, 크게 세 가지 범주로 나눌 수 있다.
- 소신호 증폭기 (Small Signal Amplifier)
- 저주파 전력 증폭기
- 전력 증폭기 (Power Amplifier)
증폭 회로를 실제로 제작할 때는 제작 비용, 소모 전력량, 사용 부품, 증폭 효율, 출력 부하, 품질 등 다양한 요소를 고려하여 최적의 설계를 찾아야 한다.[17]
3. 1. 신호 형태에 따른 분류
증폭기는 증폭하는 신호의 종류에 따라 다음과 같이 네 가지로 분류할 수 있다.[17]| 종류 | 설명 | 입출력 임피던스 |
|---|---|---|
| 전압 증폭기 | 가장 일반적인 형태로, 전압 변화를 증폭한다. | 입력 임피던스는 높고 출력 임피던스는 낮다. |
| 전류 증폭기 | 전류의 크기 변화를 증폭한다. | 입력 임피던스는 작고 출력 임피던스는 높다. |
| 트랜스컨덕턴스 증폭기 | 입력된 전압 신호를 전류 신호로 변환하여 증폭한다. | |
| 트랜스레지스턴스 증폭기 | 전류 신호를 전압 신호로 변환하여 증폭한다. 트랜스임피던스 증폭기 또는 전류-전압 변환기라고도 한다. |
전압 증폭기, 전류 증폭기, 전력 증폭기는 각각 전압, 전류, 전력을 증폭한다.
3. 2. 공통 단자에 따른 분류 (트랜지스터 사용 시)
진공관, 트랜지스터, FET를 증폭 회로에 사용하는 경우, 3개의 전극을 입력, 출력, 공통선(접지)에 어떻게 분배하느냐에 따라 증폭 회로의 특성이 크게 달라진다. 트랜지스터에서는 접지하는 전극을 기준으로 '''에미터 접지 회로(Common emitter), '''콜렉터 접지 회로(Common collector), '''베이스 접지 회로(Common base)의 3가지 종류가 있다. 진공관은 이미터・콜렉터・베이스를 각각 캐소드・플레이트・그리드, FET는 소스・드레인・게이트로 바꿔 생각한다. 각 회로는 다음 표와 같은 특징이 있다.| 접지 방식 | 전압 증폭률 | 전류 증폭률 | 주파수 특성 | 입력 임피던스 | 출력 임피던스 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 에미터 접지 | 높음 | — | — | 나쁨 | — | 높음 |
| 콜렉터 접지 | 1배 | 높음 | 좋음 | — | 낮음 | |
| 베이스 접지 | 중간 | — | 좋음 | — | 높음 |
주: 설계에 따라 달라지는 항목은 —으로 표시함
| 에미터 접지 회로 |
 |
| 콜렉터 접지 회로 |
 |
| 베이스 접지 회로 |
 |
3. 3. 기능에 따른 분류
- 서보 증폭기: 증폭기 자체에 되먹임 루프를 가지고 있어서 입력의 변화에 상관없이 출력을 일정하게 유지한다. 회전 속도가 일정해야 하는 전동기 등에 쓰인다.
- 선형 증폭기: 주파수와 무관하게 일정한 증폭 비율을 갖는 증폭기를 뜻한다. 증폭 비율이 주파수에 따라 달라지는 경우(특정한 주파수의 신호에 쓰이는 증폭기)는 비선형 증폭기이다.
- 전파 증폭기: 전파 신호 (높은 주파수의 전자기파)를 증폭하는 증폭기이다.
- 음성 증폭기: 음성 신호를 증폭하는 증폭기. 특히 스피커를 구동하는 데 많이 쓰인다.
- 연산 증폭기: 저전력 증폭기의 특별한 경우로, 입력 신호의 연산 과정을 통해 특정한 출력을 얻는 회로에 쓰여 연산 증폭기라고 부른다.
3. 4. 전압, 전류, 전력 증폭기
증폭에서 이득(gain)은 입력 신호와 출력 신호 전압의 비율인 전압 이득(Voltage gain)과 전력 비율인 전력 이득(power gain)으로 정의된다. 전류의 이득도 고려할 수 있으며, 데시벨(dB) 단위를 사용한다.[17]증폭기는 입출력 신호와 증폭 방식에 따라 다음과 같이 분류된다.
- 전압 증폭기(voltage amplifier): 일반적인 형태로, 입력보다 높은 전압을 출력한다. 입력 임피던스는 높고 출력 임피던스는 낮다.
- 전류 증폭기(current amplifier): 입력보다 큰 전류를 출력한다. 입력 임피던스는 낮고 출력 임피던스는 높다.
- 트랜스컨덕턴스 증폭기(transconductance amplifier): 입력 전압에 따라 출력 전류가 변한다.
- 트랜스레지스턴스 증폭기(transresistance amplifier): 입력 전류에 따라 출력 전압이 변한다. 트랜스임피던스(transimpedance amplifier) 또는 전류-전압 변환기(current-to-voltage converter)라고도 한다.
바이폴라 트랜지스터는 입력 전류의 작은 변화, 전계 효과 트랜지스터(FET)나 진공관은 입력 전압의 작은 변화로 출력 전류의 큰 변화를 유도하여 신호 전력을 증폭한다. 전압 증폭은 전력 부하 구동 신호 전압을, 전류 증폭은 전류를 증가시킨다. 트랜스는 전압·전류를 변환하지만 전력 증폭은 아니다. 전력 증폭은 신호 에너지를 증대시키는데, 이는 증폭 소자가 직접 전기 에너지를 생성하는 것이 아니라, 외부 전원의 에너지 흐름을 제어하여 큰 출력 신호를 생성하는 것이다.
3. 5. 증폭 회로의 등급 (아날로그 증폭 회로)
아날로그 증폭 회로는 입력 신호의 위상(360도) 중 어느 부분을 증폭할 수 있는지에 따라 A, B, AB, C 등급으로 나뉜다.- A급: 입력 신호를 전부 증폭한다. (0-360도 위상) 왜곡이 가장 적지만, 항상 일정한 바이어스 전류가 흘러 전력 소비가 크고 효율은 최대 50%이다.[6]
- AB급: 증폭 가능한 입력 신호 위상이 B급(0-180도)보다는 넓지만 A급(0-360도)보다는 좁다. B급의 효율과 A급의 낮은 왜곡 특성을 결합한 형태이다.
- B급: 입력 신호 주기의 절반만 증폭한다. (0-180도 위상) 효율은 최대 78.5%[7]로 A급보다 높지만, 오디오 앰프 등에서는 크로스오버 왜곡 및 노칭 왜곡이 발생할 수 있다.[8] 진공관 앰프에서는 그리드 전압이 양의 영역까지 이용하는 B2급, AB2급과 구분하기 위해 일반적인 음의 전압 범위에 머무르는 것을 B1급, AB1급이라고 부른다.
- C급: 증폭 가능한 입력 신호 위상 범위가 B급(0-180도)보다 좁다. 매우 좁은 범위의 신호만 증폭하며, 주로 고주파 증폭 회로나 진폭 변조기에 사용된다.
D급은 증폭 소자의 동작점(바이어스)에 의한 분류가 아니라, 펄스폭 변조나 펄스 밀도 변조를 이용한 스위칭 회로로 전력 증폭을 하는 디지털 앰프 방식이다. 최대 90% 이상의 고효율을 가지며, 휴대용 오디오 기기 등에서 배터리 작동 시간을 늘리는 데 기여한다.
E급 증폭기는 공진 회로에 타이밍을 맞춰 스위칭 회로로 구동하여 전력 증폭을 하는 방식으로, D급보다 효율이 높다. 듀티비는 일정하고, PWM은 불가능하며, 협대역 증폭기이다.
4. 증폭 회로의 구성 방식
증폭 회로는 주로 트랜지스터나 진공관을 사용하여 구현한다. 사용되는 트랜지스터에는 BJT, 전계효과 트랜지스터, HBT, HEMT 등이 있다.[1]
4. 1. 바이어스 방식
바이폴라 트랜지스터나 진공관 등의 전자 부품은 입력 신호에 따라 선형적으로 증폭 작용을 하지 않기 때문에, 입력 신호에 일정한 전압이나 전류를 더하여 동작점을 조정하는 것을 바이어스라고 한다. 바이어스를 거는 방식에는 다음과 같은 방식이 있다.
- '''고정 바이어스'''는 항상 일정한 바이어스 전압 또는 전류를 입력에 걸어주는 방식이다.[5] 전압을 걸어주는 경우, 정밀한 전압 조정과 입력 신호 기준 전압을 높여야 하는 문제가 있어 실용적이지 않다. 오른쪽 회로도와 같이 바이어스 저항을 사용하는 방식이 일반적이지만, 입력 임피던스가 낮아지고 하이패스 필터가 구성되는 부작용이 있다. 바이어스 저항 값은 옴의 법칙을 이용하여 계산할 수 있다.
- '''자기 바이어스'''는 출력에서 피드백을 걸어주는 형태의 바이어스 방식이다. 반전 증폭 회로이므로 음의 귀환이 걸린다. 컬렉터 전류가 증가하면 컬렉터 전위가 낮아져 바이어스 저항에 걸리는 전압이 낮아지고, 베이스 전류가 감소하여 컬렉터 전류가 감소하는 방식으로 동작한다.
- '''전류 귀환 바이어스'''는 에미터에 저항(에미터 저항)을 추가하는 방식이다.[5] 음의 귀환 특성이 있어 온도 안정성이 높고, 증폭률이 저항의 비율로 결정되며, hFE의 차이에 영향을 받지 않고 설계할 수 있다는 장점이 있다. 컬렉터 전류가 증가하면 에미터 전류와 전압이 증가하고, 베이스-에미터 간 전압이 낮아져 베이스 전류와 컬렉터 전류가 감소하는 방식으로 동작한다. 전압 증폭률은 거의 RL/Re (RL: 부하 저항, Re: 에미터 저항)가 된다.
4. 2. 대표적인 구성 방식
- 단일(Single)
단일 증폭 소자로 신호를 증폭하는 회로로, 가장 기본적인 증폭 회로이다. 푸시풀에 대해 사용되는 역어이다. 정·부 대칭의 증폭을 하려면 A급 증폭 회로여야 한다.[9]
- 푸시풀(Push-Pull)
Double-Ended Push-Pull영어 - 출력단이 2개이기 때문에 후술하는 SEPP 방식에 대응하여 이 이름이 붙었다(역어). 이전에는 단순히 "푸시풀: PP"이라고 불렀다.[9]
두 개의 증폭 소자를 정(+)부(-) 대칭으로 연결하여 각각 한쪽 극성의 신호만을 증폭하는 방식이 푸시풀이다. 기본적으로 바이어스는 B급이지만 A급 동작시키는 경우도 있다.[9] 회로도 상에서 각 극의 트랜지스터가 세로로 겹쳐서 표기되는 곳에서 토템폴이라고도 불린다. 디지털 회로의 CMOS도 일종의 푸시풀이다.[9]
서로 반대 위상의 신호 증폭기 두 개를 병렬로 연결해 사용하면, 한쪽의 B 클래스 증폭기가 증폭하지 못한 신호에 대해 다른쪽의 B 클래스 증폭기가 동작하므로 증폭 효율도 높이고 A 클래스 증폭기와 비슷한 출력을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 단, 증폭기 두 개가 서로 별개로 동작하면서 생기는 약간의 출력 신호 잡음(crossover distortion)에 대한 문제가 있을 수 있다. B 클래스 대신 AB 클래스 증폭기를 사용하면 이런 문제를 줄일 수 있다.
출력을 상호 역극성으로 하여 트랜스로 출력을 얻는 기본적인 구성으로, 일반적으로 B급 동작을 기본으로 한다.[9] 입력측은 상호 역극성으로 여기(勵起)한다. 역극성 여기를 하기 위해서는 그림에 나타낸 입력 트랜스 방식 외에 위상 반전 증폭기 방식이 있다.[9] 입력 트랜스의 2차측 중간탭에서 바이어스 전류를 공급하고(실리콘 트랜지스터라면 약 0.6V 전후의 전압이 된다. 구조나 로트에 따라 미묘하게 다르다) 트랜스 양단에서 정상측과 역상측을 꺼낸다.[9] 트랜지스터는 에미터를 공통으로 한 에미터 접지가 되어 있으며, 각각의 컬렉터가 출력이 된다.[9] 입력 신호가 정측인 경우와 역측인 경우에 따라 각각 한쪽 트랜지스터와 회로가 작동하고, 출력 트랜스 1차측의 중간탭에서 트랜스의 어느 한쪽 방향으로 전류가 흐른다.[9]
Single-Ended Push-Pull영어 - 출력단이 하나이기 때문에 이러한 이름이 붙었다.[9]
SEPP(Single-Ended Push-Pull영어)의 기원은 오디오 앰프의 특성 악화 요인인 트랜스포머를 제거하고 스피커를 직접 구동하는 OTL(Output Transformer Less영어) 앰프이다. 여러 개의 스위칭 진공관을 병렬로 연결하여 최적 부하 임피던스를 낮추고, 임피던스가 100Ω~300Ω로 높은 스피커를 부하로 연결하여 사용하였다. 그러나 스피커 가동 부분의 질량이 커짐에 따라 주로 저음 전용 스피커(우퍼)로 사용되었다.[9]
그 OTL 앰프의 파생으로, 비보완(Non-Complementary) 회로의 상하단을 A급 동작으로 하여 하단 출력에 저항을 삽입하고, 이 저항의 전압 강하로 상단의 바이어스와 여진을 수행하는 SRPP(Shunt Regulated Push-Pull amplifier영어)가 만들어졌다.[9]
OTL 앰프 회로는 기존의 트랜스포머를 사용한 푸시풀 회로(앞서 언급된 DEPP)와 크게 다르기 때문에, 부하 연결의 특징을 따서 SEPP라고 부르게 되었다. 이러한 것들은 트랜지스터가 보급되기 이전인 1950년대의 일이며, 당시 일본에서는 다른 곳을 허락하지 않는 첨단 전자 기술 서적이었던 「라디오 기술」지상에서 다양한 시험 결과가 보고되었다.[9]
다른 푸시풀 방식으로는 크로스 션트 푸시풀[9](거의 동시기에 일본 외에서도 여러 곳에서, 아마도 독립적으로 고안된 유사 회로가 있으며, 트랜스리스인 "Circlotron"(w:Circlotron(상표)) 등이 있다), 맥킨토시(McIntosh)의 Unity Coupled circuit영어, 반도체 앰프에서는 야마하의 플로팅 앤드 밸런스 등이 있다.[9]
- 차동 증폭 회로
frame
두 개의 증폭 소자를 좌우 대칭으로 연결하여 두 개의 입력 단자를 설치하고, 그 차이 전압에 따른 출력을 얻는 회로가 차동 증폭 회로이다. 출력 단은 푸시풀 회로로 하는 경우가 많다. 음의 귀환을 자유롭게 설정할 수 있는 등 회로의 자유도가 높기 때문에 연산 증폭기가 이 방식을 채택하고 있다.[9]
4. 3. 효율 개선을 위한 회로 구성
증폭 회로의 효율을 개선하기 위해 다양한 회로 구성이 제안되어 왔으며, 대표적인 회로 구성은 다음과 같다.- '''극성 변조 증폭 회로'''
극성 변조 증폭 회로는 증폭 대상 신호를 진폭 성분과 위상 성분으로 나누어 증폭한다.[11][12] 일반적인 증폭 회로에서는 출력 신호의 전력이 증폭 회로에서 처리할 수 있는 최대 출력 전력(또는 포화 전력)에 가까워질수록 증폭기의 효율이 높아진다. 극성 변조 증폭 회로는 증폭 회로의 전원 전압을 증폭 대상 신호의 진폭에 따라 변동시킴으로써 증폭 회로를 포화 동작시켜 고효율을 실현한다.[13]
극성 변조 증폭 회로는 증폭 회로에 대한 입력 신호에 따라 크게 두 가지로 분류된다. 증폭 회로에 대한 입력의 위상 성분 신호에 진폭 성분이 포함되지 않는 경우를 '''EER'''(Envelope Elimination and Restoration)이라고 하고,[13] 위상 성분에 진폭 성분이 포함되는 경우를 '''ET'''(Envelope Tracking)이라고 한다.[13]
- '''도허티 증폭 회로(Doherty amplifier)'''
도허티 증폭 회로는 1936년 W.H. 도허티(W.H. Doherty)가 고안한 증폭 회로로, A급 증폭 회로와 C급 증폭 회로를 결합하여 고효율을 실현한 증폭 회로이다.[14] 도허티 증폭 회로에서는 출력 전력에 따라 C급 증폭 회로의 출력 임피던스가 변화하고, 그 결과 A급 증폭기의 부하선의 기울기를 변화시켜 고효율 증폭을 수행한다.[15][13][10]
도허티 증폭 회로에서는 A급 증폭기와 C급 증폭기를 각각 하나씩 사용하지만, 효율 개선을 위해 여러 개의 C급 증폭기를 사용하는 구성[16]이나 A급 증폭기와 C급 증폭기의 입력 전력을 불균일하게 하는 등의 방법이 제안되고 있다.[10]
- '''LINC'''
LINC는 1974년 Cox에 의해 제안된 증폭 회로로, 입력 신호를 여러 개의 동일한 진폭으로 분해하고, 여러 개의 포화 동작을 하는 증폭 회로의 출력 신호를 합성함으로써 임의의 진폭, 위상의 파형을 출력한다.[13][15] 각각의 증폭 회로는 포화 동작을 하기 때문에, 증폭 회로 자체는 높은 효율로 동작하지만, PAPR이 큰 신호의 경우, 증폭 회로의 출력 신호와 합성 신호의 전력에 큰 차이가 발생하고, 그 차이는 합성 회로에서 열로 소비된다.[13] 따라서, 합성 회로의 설계가 어려운 문제가 존재한다.
5. 귀환(Feedback)
증폭 회로에서는 회로의 특성을 개선하기 위해 음의 피드백(NFB, Negative FeedBack)을 사용하거나, 출력 신호의 일부를 입력으로 되돌려 입력 신호와 동위상으로 합성하는 양의 피드백(PFB, Positive FeedBack)을 사용한다. 음의 피드백은 출력 신호의 일부를 입력과 역위상으로 합성하여 출력 진폭을 억제하며, 양의 피드백은 출력 신호가 귀환되어 입력 신호를 증대시켜 발진을 일으킨다.[1]
5. 1. 음의 귀환 (Negative feedback)
실제 증폭 회로에서는 회로의 특성을 개선하기 위해 '''음의 피드백'''(NFB, Negative FeedBack)을 사용하는 경우가 많다. 음의 피드백이란 출력 신호의 일부를 입력으로 되돌려 입력 신호와 역위상으로 합성함으로써 출력의 진폭을 억제하여 증폭 회로의 특성을 개선하는 것이다. 음의 피드백에 의해 회로의 증폭도는 저하되지만, 넓은 주파수 대역에 걸쳐 균일한 증폭도를 얻을 수 있다. 증폭 회로의 증폭률이 충분히 크다면, 음의 피드백을 수행했을 때의 증폭률은 귀환율에 의해 정확하게 결정된다. 출력 신호의 전부를 입력에 음의 피드백시키면 증폭률은 1이 된다.[1]만약, 증폭기 단체의 증폭도가 주파수에 따라 1000배~100배이고, 음의 피드백률을 1/10으로 하면, 전체 증폭도는 10(=1/10⁻¹)로 일정해지고, 왜곡은 1/100~1/10(음의 피드백량)으로 억제된다. 하지만, 단체 증폭도가 귀환 증폭도(이 경우 10)에 가까워지는 영역에서는 왜곡 억제 효과가 없어지고, 위상 회전으로 발진하는 조건도 만들어진다.[1]
5. 2. 양의 귀환 (Positive feedback)
출력 신호의 일부를 입력 신호와 동위상으로 합성하는 것을 '''양의 피드백'''(Positive Feedback)이라고 한다. 출력 신호가 귀환되어 입력 신호를 증대시키고, 그것이 증폭되어 귀환되는 것을 반복하므로, 양의 피드백은 그 양에 따라 발진을 일으킨다.6. 결합 방식
다단 증폭기(여러 개의 증폭기를 포함하는 증폭기)를 설계할 때, 각 단을 연결하는 방식을 결합 방식이라고 한다. 결합 방식에는 커패시터 결합, 트랜스포머 결합, 직결 결합 등이 있으며, 각각 다른 특징을 가진다. 이러한 결합 방식들은 개별 증폭기의 목적에 맞게 최적 설계를 하는 것이 중요하다.
6. 1. 커패시터 결합 (Capacitor coupling)
커패시터 결합은 직류 영역의 주파수 범위를 차단하는 성질이 있으며, 그 커패시턴스 설정값에 따라 주파수 범위가 결정된다.6. 2. 트랜스포머 결합 (Transformer coupling)
트랜스포머 결합은 이론적으로는 주파수 범위가 좁아지지 않지만, 여러 가지 사정으로 좁아진다. 직결에서는 전위(電位)를 맞추는 것도 필요하다.[1]6. 3. 직결 결합 (Direct coupling)
직결 결합은 주파수 범위에 영향을 주는 커패시터나 트랜스포머를 사용하지 않고 결합하는 방식이다. 직류 영역의 주파수 범위를 증폭할 수 있는 특징이 있다. 직결 결합을 사용한 증폭 회로를 직결 증폭 회로라고 하며, 전자 계측기의 증폭 회로 등에 사용된다.7. 부가 회로
증폭 회로는 증폭 작용에 직접 관여하지 않지만, 성능이나 동작 안정성을 향상시키기 위해 부가 회로를 추가하여 사용한다.
7. 1. 디커플링 회로 (Decoupling circuit)
여러 개의 증폭 소자로 구성된 회로에서는 출력 부근의 전기 신호가 입력으로 되돌아가면서 발진할 가능성이 있다. 귀환 회로를 설치하지 않았더라도, 전원 회로의 내부 저항(임피던스)이 높으면 증폭 회로의 출력 변화에 따른 소비 전류의 변화가 전압 강하로 나타나 다른 증폭 소자에 영향을 주어 발진하는 경우가 있다.이를 방지하기 위한 회로가 '''디커플링 회로'''이다. 전원 회로 내에 저저항이나 초크 코일을 연결하고, 그 전후를 대용량의 커패시터를 통해 접지한다(바이패스 커패시터). 이렇게 하면 소비 전류의 변화에 따른 전압 강하가 다른 증폭 소자에 전달되는 것을 줄일 수 있다.
또한, IC의 대부분은 전원 단자(핀)의 플러스와 마이너스 사이(플러스와 공통 GND 사이가 아님에 주의)에 최단 거리로 커패시터를 연결하여 동작의 안정성을 확보한다. 이것도 디커플링 회로의 한 종류이다. 이를 위한 커패시터에는 고주파 특성이 좋은 세라믹 커패시터가 주로 사용된다.
7. 2. AGC 회로 (Automatic Gain Control)
'''AGC 회로'''(Automatic Gain Control)는 입력 전기 신호의 진폭이 변동하는 경우에도 일정한 출력을 얻을 수 있도록 자동으로 증폭 회로의 증폭률(이득)을 조정하는 회로이다. 주요 예로는 수신기의 중간 주파수 증폭 회로에 사용되는 것을 들 수 있다. 그 외에도 전차의 차내 방송에서 주변의 소음 레벨에 맞춰 음량을 조절하거나, 텔레비전 화면의 밝기를 주변의 밝기에 맞춰 변화시키는 등의 용도로 사용된다.입력 전압이 증가할 때 순간적으로 이득을 낮추는 기능이 작동하면 출력 파형은 그 피크가 억제된 파형이 되어 왜곡이 발생한다. 이것도 AGC 회로의 일종이지만, 실용적인 회로에서는 입력 신호의 값에 대해 장시간의 평균값을 취하고, 그것에 맞춘 시간 지연(큰 시정수)을 주어 이득을 조정하는 경우가 많다.
음향 기기 분야에서, 위에서 언급한 "왜곡", 즉 파형 변형을 적극적으로 이용하는 경우가 있다. 원 파형으로부터의 변화를 허용하고 피크 전압을 억제하는 것을 목적으로 한다. 이 목적을 위해 증폭기의 회로 시정수는 가능한 한 작게 설정되고, 더욱이 가변적인 기기가 많으며, 일반적으로 그 시정수 조작자는 "어택 타임(Attack time)"으로 표기된다. 피크를 억제한 후 적절히 전압 증폭하면 다이내믹 레인지가 압축되어 음량 변동이 억제된다. 이것은 카 라디오에서 라디오 방송을 듣기 쉽게 하는 등에 사용된다. 음악 분야에서는 악기 연주에서 음량 레벨을 맞추거나 곡 전체의 음색 가공 등에 이용되고 있다.
엄밀하게 구별할 수 있는 것은 아니지만, 신호 레벨의 변동폭을 압축하는 기능을 가진 것을 컴프레서, 신호 레벨을 설정값 이상이 되지 않도록 억제하는 기능을 가진 것을 리미터라고 부른다.
리미터는 무선 송신기 등에서 과변조를 방지하기 위해서도 사용된다.
8. 용도에 따른 분류
증폭 회로는 처리하는 주파수에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
- '''고주파 증폭기'''(가청 주파수보다 높은 주파수 영역, RF 증폭기·영상 증폭·무선 주파수 증폭이라고도 함)
- '''저주파 증폭기'''(가청 주파수 영역, AF 증폭기, 음성 증폭, 오디오 증폭이라고도 함)
- '''선택 증폭기'''(특정 대역만을 선택하여 증폭하는 것)
- '''중간 주파수 증폭기(IF 증폭기)'''(초단파 혼변조 방식 등에서 사용. 주파수 대역으로는 일반적으로 고주파 대역이며, 라디오 수신 주파수에 관계없이 일정한 주파수만을 증폭하는 것)
직류까지 증폭하는 증폭기를 '''DC 증폭기'''라고 한다. 직류 증폭기라는 의미이기도 하며, 입력 트랜스나 콘덴서를 거치지 않고 입력을 직접 받는다는 의미(en:Direct coupled amplifier)이기도 하다. 연산 증폭기는 DC 증폭기이다.
전압, 전류, 전력 중 어느 것을 중점적으로 증폭하는가에 따라 전압 증폭기, 전류 증폭기 등으로 부르기도 한다.
각각에 대해 A, B, C급 등 다른 분류도 가능하므로, 분류명을 겹쳐 A급 저주파 전력 증폭기 등이라고 한다.
9. 다단 증폭기와 레벨 배분
예를 들어 라디오나 통신형 수신기는 1μW 이하의 입력 신호를 수백 mW 수준까지 증폭하여 스피커로 출력해야 하지만, 증폭기 1단으로 100만 배(60dB)의 이득을 얻는 것은 불가능하다(송신기도 마찬가지이다). 현실의 증폭 소자 1개로 얻을 수 있는 증폭률에는 한계가 있기 때문이다. 고주파에서 안정적으로 동작하는 것은 10dB 정도이다. 따라서, 여러 단의 증폭기를 직렬로 연결할 필요가 있다.
그럴 때, 단순히 동일한 증폭기를 직렬로 연결하면, 수신기의 경우에는 작은 신호가 노이즈에 묻히거나, 큰 신호에서 왜곡이 발생하는 문제가 발생한다. 이 때문에, 초단과 후단에서 증폭기의 설계를 바꾼다. 일반적으로 초단에서는 소신호용 저잡음 증폭기가 사용되고, 후단에서는 대신호용 저왜곡 증폭기가 사용된다. 송신기의 경우에는 소비 전류가 초단과 후단에서 크게 다르기 때문에, 초단에서는 소신호용 증폭기가 사용되고, 후단에서는 대신호용 증폭기가 사용된다. 그리고 송수신 모두 각 증폭기에서 신호 레벨이 적절해지도록 레벨 배분이라는 설계를 한다.
레벨 배분은 요구 사양, 소비 전력, 증폭기의 성능, 안정성, 가격을 고려하여 설계자가 결정한다.
참조
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真空管でもトランジスタでもこの点は基本的に同様である。
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大出力が必要な場合、最終段が真空管やパワーMOSFETなど入力に電流を多く必要としない素子であれば基本的に電圧の増幅が中心で良いが、バイポーラの大電力パワートランジスタは一般に電流増幅率は低めであり、ある程度の電流も必要になる。
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