PCB 설계자를 위한 증폭기 선택 기준

대부분의 사람들이 전자 기초 수업에서 배운 클래식 741 오프앰프에 익숙할 것입니다. 하지만, 특수한 용도에 있어서는 사용 가능한 앰프의 범위가 디자이너의 머리를 어지럽힐 정도입니다. 다양한 앰프가 다양한 사양을 제시하는 방식을 이해하게 되면, 자신의 응용 프로그램에 가장 적합한 앰프를 결정하기가 더 쉬워집니다. PCB 디자이너를 위한 중요한 앰프 선택 기준 목록을 작성했습니다.

앰프 클래스

모든 앰프는 다양한 응용 프로그램에서의 유용성을 결정하는 다른 클래스로 나뉩니다. 여기에는 5가지 일반적인 앰프 클래스가 있습니다:

• 클래스 A. 이 앰프들은 매우 선형적이도록 설계되었으며 항상 바이어스가 걸려 있습니다. 따라서, 다른 클래스의 앰프보다 더 많은 전력을 소비하기 때문에 고전력 응용 프로그램에는 적합하지 않습니다.
• 클래스 B. 이 앰프들은 클래스 A 앰프에 비해 더 효율적인 대안으로 설계되었습니다. 하지만, 트랜지스터를 켜는 데 일정한 최소 입력이 필요한 FET를 사용하기 때문에 입력 파형을 완벽하게 재현하지 못하고 입력 신호 강도가 낮을 때 일부 왜곡을 발생시킵니다. 이를 크로스오버 왜곡이라고 합니다.
• 클래스 AB. 이 앰프들은 다양한 응용 프로그램에 가장 일반적으로 사용되는 앰프로 여겨집니다. 크로스오버 왜곡 없이 클래스 A 앰프보다 높은 효율성을 제공합니다. 또한 비교적 선형 범위도 가지고 있습니다.
• 클래스 C. 이 앰프들은 주로 RF 응용 프로그램에서 사용됩니다. 내부 LC 탱크 회로나 다른 회로를 사용하여 넓은 대역폭을 설계할 수 있어 고주파에서 강한 이득을 제공합니다. 하지만, 앞서 언급한 앰프 클래스보다 선형성이 낮습니다.
• 클래스 D. 이 앰프들은 출력을 제어하기 위해 PWM의 어떤 형태를 사용합니다. 출력은 출력에서 저역 통과 필터를 통해 아날로그 신호로 다시 변환됩니다. 이들은 주로 모터 제어 응용 프로그램에서 출력을 훨씬 높은 주파수 PWM 신호로 변환하여 사용됩니다.

클래스 D 오디오 앰프 예시

다양한 전문화 수준을 가진 많은 다른 클래스의 앰프가 있다는 점에 유의하세요. 어떤 클래스의 앰프를 사용하든, 다른 앰프에 대한 몇 가지 다른 사양을 고려해야 합니다.

앰프 선택 기준에 대한 중요 사양

아날로그 신호를 다루는 앰프를 선택할 때 다음 사양에 주의를 기울이세요:

• 오픈 루프 및 클로즈 루프 전압 이득. 오픈 루프 이득은 증폭기로 얻을 수 있는 최대 이득을 알려줍니다. 실제로는 피드백이 적용된 후 클로즈 루프 이득을 측정하게 됩니다. 이는 주파수의 함수이며; 이득 스펙트럼의 보드 플롯은 저역 통과 필터와 유사하게 보일 것입니다.
• 선형 범위. 이 값을 인용하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 입력 신호와 출력 신호 간의 관계는 결코 완벽하게 선형이 아니지만, 많은 응용 프로그램에서 가까워질 수 있습니다. 이는 일반적으로 입력 신호 수준의 범위(보통 dBm 단위) 또는 일부 연관된 왜곡 값과 함께 최대 입력 값으로 지정될 수 있습니다.
• 동적 범위. 이는 단순히 가능한 최소 및 최대 출력 값 사이의 차이입니다. 최소값은 노이즈 플로어에 의해 제한되며, 최대값은 선형 입력 범위에 의해 제한됩니다. 일반적으로 동적 범위는 DR = SNR + 1입니다.
• 대역폭. 일반적인 증폭기의 경우, 이는 실제로 상승 시간과 관련이 있으며, 이는 회로가 전환하는 데 필요한 시간(10%에서 90%까지)입니다. 이는 증폭기에서 유용한 주파수 범위를 제한할 것입니다(이 목록 아래의 참고 사항 참조).
• 슬루율. 이는 출력의 변화율로, 보통 V/us 또는 V/ns 단위입니다.
• 공통 모드 제거 비율. 이는 증폭기의 두 입력에 존재하는 공통 모드 노이즈를 거부하는 증폭기의 능력입니다.
• 효율성. 이 숫자는 실제로 열로 소산되는 전력량에 대한 진술입니다. 더 효율적인 증폭기는 열로 소산되는 전력의 비율이 낮습니다.
• 입력. 증폭기는 완전히 단일 종단 또는 완전 차동 (즉, 차동 입력 및 차동 출력)일 수 있습니다.

위의 모든 매개변수는 입력 주파수의 함수가 될 것입니다. 특수한 증폭기는 특정 주파수 범위에서 지정된 대역폭을 가질 것입니다. 대역폭이 관심 있는 주파수 범위와 겹치는지 확인하십시오. 특정 응용 프로그램에서 사용되는 증폭기에 대한 다른 중요한 사양도 있습니다.

파워 증폭기

모든 파워 증폭기(일반적으로 클래스 B, C 또는 AB)는 비선형 압축 지점 근처에서 작동하도록 설계되었으며, 운영 중 상당한 양의 전력을 소산할 것입니다. 일반적으로, 증폭기의 전력 출력은 온도가 상승함에 따라 감소할 것입니다; 고품질 안정된 증폭기는 운영 온도 전체 범위에 걸쳐 전력 출력에서 1 dB 미만의 감소를 제공해야 합니다. 다른 사양도 유사한 안정성을 나타내야 합니다.

특정 애플리케이션용이든 일반 애플리케이션용이든 전력 증폭기를 선택할 때, 앞서 언급한 사항들을 여전히 고려해야 합니다. 그러나 전력 증폭기는 다양한 애플리케이션을 위해 발전해 왔으며, 다양한 증폭기에 대해 나열된 사양은 이러한 전문 애플리케이션을 다루는 설계자들에게 적합하도록 조정되었습니다. 하나의 훌륭한 예는 RF 전력 증폭기에서, 다른 주파수 대역의 증폭기는 다른 반도체 공정을 기반으로 합니다.

이 증폭기들의 고유한 비선형성은 운영 중에 의도하지 않은 효과를 초래할 것입니다. 오디오 커뮤니티의 설계자들은 총 고조파 왜곡(THD) 또는 총 고조파 왜곡 플러스 노이즈(THD+N)에 익숙할 것입니다. 고조파 왜곡은 비선형 효과로, 원하는 신호의 고차 고조파가 출력에 존재합니다. 귀하의 전력 증폭기는 가능한 가장 낮은 THD 또는 THD+N 수준(일반적으로 백분율로 표현됨)을 가져야 합니다.

주파수 변조 신호를 다루는 전력 증폭기는 일반적으로 세 번째 차수 교차점(3OIP) 측면에서 왜곡을 지정합니다. 전력 증폭기의 비선형성은 고차 고조파와 상호변조 생성물을 생성할 것이며, 이는 주파수 변조 신호에서 다른 주파수 간의 비선형 주파수 혼합으로 인해 발생합니다. 이러한 상호변조 생성물은 증폭기의 출력 스펙트럼에서 부대역으로 나타납니다. 이 비선형성으로 인한 왜곡 수준은 RF 커뮤니티 외부에서도 상호변조 왜곡(IMD)으로 인용됩니다.

주파수 변조 신호용 전력 증폭기에서의 OIP3 추정 예.

가능한 상호변조 생성물이 많음에도 불구하고, 홀수 차수 생성물이 가장 중요합니다. 왜냐하면 그것들은 귀하가 작업하는 주파수 범위에 가장 가깝기 때문입니다. 세 번째 차수 상호변조 생성물은 원하는 주파수에 가장 가깝게 위치하며, 그 다음은 다섯 번째, 일곱 번째 등이 이어집니다. 3OIP는 일반적으로 원하는 신호와 동일한 출력 강도를 가질 세 번째 차수 상호변조 생성물의 입력 전력 값으로 인용됩니다.

Octopart는 다음 시스템을 위한 일반 목적 및 전문 증폭기 구성 요소의 광범위한 범위에 대한 접근을 제공합니다. 어떤 증폭기가 필요한지 확실하지 않다면, 다음 제품에 가장 적합한 옵션을 결정하기 위해 부품 선택기 가이드를 사용해 보십시오.

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