어떤 전력 증폭기 클래스를 사용해야 할까요?

전력 증폭기는 개념적으로 단순하지만, 모든 전력 증폭기가 동등하게 만들어지는 것은 아닙니다. 분명히 경쟁하는 사양과 기능이 있지만, 더 중요한 것은 이러한 회로의 토폴로지와 실제 시스템에서의 기능입니다. 전력 증폭기 기능은 클래스로 나뉘며, 각기 다르게 작동하는 많은 전력 증폭기 클래스가 있습니다. 충분히 많은 전력 증폭기 클래스가 있어서 각 증폭기가 어떻게 작동하는지, 그리고 어떤 증폭기 클래스가 다른 시스템에서 선호되는지 모두 기억하기 어려울 수 있습니다.

이 글에서는 주요 전력 증폭기 클래스와 다양한 시스템에서 어떻게 사용될 수 있는지에 대한 개요를 제공할 것입니다. 보시다시피, 다양한 유형의 전력 증폭기가 집적 회로로 제공되며, 다른 구동 방식으로 전력을 제공하기 위해 작동합니다. 포장, 정확한 신호 재생, 그리고 고조파 왜곡과 같은 운영 특성은 전력 증폭기를 선택할 때 고려해야 할 중요한 지표 중 몇 가지입니다.

또 다른 중요한 고려 사항은 부족과 긴 리드 타임의 현대 환경에서 전력 증폭기를 대체할 가능성입니다. 일부 전력 증폭기는 서로 호환되어 포장과 핀 배치가 유사한 한 직접 대체될 수 있습니다. 이 글에서 전력 증폭기 클래스를 다룰 때 다양한 유형의 전력 증폭기에 대한 대체 가능성을 살펴볼 것입니다.

전력 증폭기의 작동 방식

개념적으로 전력 증폭기는 다른 증폭기와 다르지 않습니다; 특정 신호를 입력하면 출력 신호는 일반적으로 입력보다 더 강합니다. 입력 신호는 I/O 뱅크를 통해 또는 입력 변조 신호의 강도를 통해 조정 가능한 최대 값까지 증폭됩니다. 아래에 전형적인 전력 증폭기 토폴로지의 예가 나와 있습니다.

넓게 보면, 전력 증폭기 클래스는 구동 메커니즘에 의해 구분되며, 회로 토폴로지에 의해 더욱 구분됩니다. 전력 증폭기는 변조된 사각파 신호로 구동될 수 있으며, 위 이미지에서 보여지는 것처럼 직접 입력 AC 신호로도 구동될 수 있습니다. 구동 메커니즘을 넘어서, 전력 증폭기 클래스를 구분하는 몇 가지 요소가 있습니다:

• 변조 방법 (PWM, PFM, 시그마-델타 등)

• 전력 전달 토폴로지 (단일 공급, 연속 공급)

• 푸시-풀 토폴로지

• 의도적 vs. 비의도적 고조파 생성

전력 증폭기의 특징

이러한 점들을 넘어서, 전력 증폭기는 제품에 구축된 다양한 구조와 기능을 가질 수 있습니다. 예를 들어, 특정 전력 증폭기는 출력 단계에서 독특한 푸시-풀 구성을 가지고 있는 반면, 다른 것들은 단순한 트랜지스터 증폭기입니다 (특히 저주파에서). 증폭기는 추가 이득을 제공하기 위해 연속 토폴로지를 사용하거나, 프리-앰프를 사용할 수도 있습니다. 전력 증폭기 클래스에서 찾을 수 있는 기본 운영 요구 사항을 넘어서, 기능을 추가하거나 신호 조절을 보장하거나 이득을 제어하기 위한 인터페이스를 제공하는 것은 정말로 가능합니다.

모듈 또는 칩?

전력 증폭기 제품은 작은 장치에 사용할 수 있는 칩으로 제공되거나, 훨씬 더 큰 장치에 통합될 수 있는 모듈로 제공됩니다. 많은 전력 증폭기 IC는 다양한 클래스로 나뉘며 많은 응용 프로그램에서 사용될 수 있지만, 클래스가 지정된 전력 증폭기 제품 대부분은 오디오용으로 제작됩니다. 특정 오디오용으로 마케팅되지 않고 활성 요소로 단일 트랜지스터만을 사용하는 대부분의 다른 전력 증폭기는 데이터시트나 마케팅 자료에서 특정 증폭기 클래스를 나열하지 않더라도 클래스 A 증폭기입니다.

한 예로 텍사스 인스트루먼트의 LM4991이 있습니다. 이 클래스 AB 오디오 증폭기는 최대 5.5V까지의 로직 레벨에서 작동하며 최대 3W의 출력 전력을 제공합니다. 이 구성 요소는 병렬로 두 배로 연결하여 오디오 범위 전체에서 매우 낮은 THD + N 왜곡 수준으로 두 스피커에 스테레오 출력을 제공할 수 있습니다. 아래에는 일부 운영 데이터와 응용 회로가 표시되어 있습니다.

전력 증폭기는 많은 기능을 포함한 사전 패키지 모듈로도 제공됩니다. 일부 전력 증폭기 구성 요소 또는 모듈은 특정 대역폭 내에서 작동하도록 설계되어 있으므로, RF 신호가 소스되는 고주파 시스템에서 특히 필터링 및 임피던스 매칭을 제공하는 출력 단계에 추가 회로가 있습니다. 그러나 여전히 GHz 범위에 이르기까지 가능한 매우 넓은 범위의 주파수에서 작동하는 전력 증폭기 모듈을 볼 수 있습니다. 이러한 모듈은 일반적으로 고전력 응용 프로그램을 위한 것입니다.

Pasternack의 PE15A5068은 2GHz에서 18GHz까지 작동하는 5W 포화 입력 전력을 가진 클래스 AB 증폭기입니다. 이 모듈은 22에서 24V DC에서 작동하며 일반적인 이득은 37dB입니다. 이러한 모듈은 상당히 비싸며 통신(예: 군용 라디오) 또는 계측에서의 전문 RF 응용 프로그램을 위한 것입니다. 이 특정 구성 요소는 GaN FET로 제작되었지만, 다른 구성 요소는 III-V 화합물 반도체로 제작될 수 있습니다.

AC 구동 전력 증폭기

이 전력 증폭기는 입력 AC 신호와 가능한 일부 적용된 DC 오프셋 바이어스를 사용하여 하나 이상의 트랜지스터를 변조합니다. 이 증폭기에는 입력 감도를 높이고 트랜지스터를 완전히 변조하기 위한 프리앰프가 있을 수 있습니다.

클래스 A

클래스 A 전력 증폭기는 전력 트랜지스터의 유형에 관계없이 단일 스위칭 트랜지스터로 구축됩니다. 이 증폭기의 의도는 신호 왜곡과 고조파 생성을 방지하기 위해 트랜지스터의 Q-포인트 주변에서 장치의 선형 범위를 최대화하는 것입니다. 이 증폭기는 제대로 구축되면 높은 선형 범위를 가질 수 있으며, 이산 구성 요소로 쉽게 구축됩니다. 클래스 A 증폭기의 단점은 트랜지스터가 항상 전도 상태로 DC 바이어스되기 때문에 발생하는 열 발생이며, 따라서 항상 약간의 전도 손실이 있을 것입니다.

클래스 B

이 증폭기들은 클래스 A와 유사하지만, 두 개의 트랜지스터가 역 극성에서 푸시-풀 구성으로 작동하여 낭비되는 열을 줄여줍니다. 즉, 각 트랜지스터는 입력 신호의 절반만을 소싱합니다. 신호 레벨이 0V를 지나갈 때 각 트랜지스터는 꺼지고(모듈레이션 OFF), 이는 다른 트랜지스터를 켜는(모듈레이션 ON) 것을 조절합니다. 이 증폭기들의 단점은 그들의 데드 타임 또는 데드 존입니다; 신호가 0V를 지나가는 짧은 기간 동안, 두 극성 사이의 구동 신호는 임계값 이하가 되어, 신호 레벨이 작은 비제로 값이라도 트랜지스터는 꺼져 있게 됩니다.

클래스 AB 파워 증폭기도 있다는 점을 유의하세요. 이는 클래스 A와 클래스 B 증폭기 회로의 최상의 측면을 혼합하여 낮은 왜곡을 제공합니다.

클래스 C

이 증폭기들은 입력 바이어스 단자에 병렬 LC 회로를 사용하여 LC 공진에서 필터링을 제공합니다. 이 증폭기들은 단일 트랜지스터로 DC 바이어스 없이 작동하므로, 전형적인 작동 주파수에서 강한 왜곡을 가집니다. 따라서, 고대역폭이 요구되는 오디오나 다른 것에는 일반적으로 사용되지 않으며, 대신 사인파 입력이 주어지면 발진기로 자주 사용됩니다. 이 증폭기들의 선형 범위도 작동점이 설정된 이유로 매우 낮습니다.

PWM 구동 파워 증폭기

이 파워 증폭기 클래스는 구동 방식 때문에 디지털 응용 프로그램에서 더 흔합니다. 필요한 구동 방식은 아날로그 파형에서 생성될 수 있거나, 펄스 열은 디지털 프로세서로 합성될 수 있습니다.

클래스 D와 S

이 두 증폭기는 비선형 스위칭 증폭기로, 변조된 펄스 열과 필터링을 사용하여 원하는 출력 신호를 생성합니다.

• 클래스 D: 이 증폭기들은 입력 톱니파와 입력 신호를 비교기에 사용하여 시그마-델타 변조 신호를 생성합니다. 이 신호는 푸시-풀 증폭기 회로를 구동하는 데 사용되며 출력은 오디오 범위로 필터링됩니다.

• 클래스 S: 시그마-델타 변조기를 사용하여 출력 사각파를 생성하며, 이는 증폭된 후 고Q 대역통과 필터를 통과하여 사인파를 생성합니다.

이 증폭기들은 높은 효율성과 낮은 왜곡으로 작동하여 왜곡 측면에서 클래스 A/AB 증폭기와 비교할 수 있습니다.

클래스 F

클래스 F 증폭기는 저항 손실이 낮은 부하에 전력을 전달하기 위해 고Q 고조파 공진기 세트를 사용하도록 설계되었습니다. 출력 단계에 더 많은 공진기 요소가 연속되면, 출력 파형은 매우 효율적인 전력 변환을 가진 사각파에 가까워집니다. 생성된 고조파는 입력 신호의 구성 요소의 배수이므로, 이 증폭기들은 고전력 사각파 생성기로 더 유용합니다.

클래스 G와 H

이 파워 증폭기들은 고유한 전력 전달 방식으로 클래스 AB 증폭기를 개선한 것입니다. 이 증폭기들의 변조는 입력 신호가 장치를 그 진동 동안 여러 레일 전압 사이를 전환하도록 강제함으로써 달성됩니다. 클래스 G와 클래스 H의 차이는 디지털과 아날로그 공급 사이의 차이입니다; 클래스 H 증폭기는 연속적으로 변화하는 전력 공급(아날로그)을 사용하는 반면 클래스 G는 이산 레일 전압 값 세트를 사용합니다.

클래스 I

이 증폭기 클래스는 클래스 B 증폭기와 같은 개념으로 작동하지만, 병렬로 두 개의 푸시-풀 회로를 사용합니다. 한 회로는 양의 반주기 동안 활성화되고 다른 하나는 음의 반주기 동안 활성화됩니다. 장치의 각 측면은 입력의 제로 크로싱 지점에서 PWM 드라이버 듀티 사이클이 50%일 때 ON과 OFF 사이를 전환합니다.

전력 증폭기 회로를 위한 기타 구성 요소

위의 예시들은 전력 증폭기 클래스가 능력보다는 구조에 관한 것임을 보여줍니다. 이는 일반적으로 작은 전력 증폭기 회로를 구축하고 사용하는 방법을 알고 있다면, 개념을 더 큰 전력이나 주파수로 빠르게 확장할 수 있음을 의미합니다.

어떤 아날로그나 RF 신호 체인에서도, 증폭기는 유일한 구성 요소가 아닙니다. 이러한 시스템은 필터링과 같은 기능을 제공하기 위해 다른 이산형이나 연산 증폭기로 채워질 수 있으며, 고주파수에서 작동할 때는 특수한 모노리식 구성 요소를 사용할 수 있습니다. 전력 증폭기 회로에 필요한 중요한 구성 요소는 아래에 링크되어 있습니다.

• RF 시스템의 수신 회로를 위한 저잡음 증폭기

• 고주파수 필터용 커패시터

• 아날로그 회로용 연산 증폭기

• 고주파수 응용을 위한 GaN FETs

이산형 구성 요소 세트에서 증폭기를 구축하는 경우, 위의 위상도에 표시된 모든 구성 요소가 필요하며, 결국 이들을 PCB에 배치해야 합니다. 설계에 필요한 구성 요소를 찾기 위해 최고의 공급망 도구를 사용하십시오.

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