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제 6 장 신호의 증폭

신호원에서 발생한 신호는 대부분 검출에 부적합할 정도로 약하거나 그렇지 않더라도 검출

후에 신호를 더 키울 필요가 있습니다. 이럴 때 신호를 키우는 작업을 증폭(amplification)

이라고 부릅니다. 검출 전에도 신호 증폭을 하는 한 가지 이유는 신호를 전달할 때 부득이

하게 잡음이 추가될 수가 있는데, 신호의 크기가 이 잡음보다 약하면 잡음으로부터 신호를

구별해내기 어렵기 때문입니다. 또, 검출 후 신호의 크기를 키우는 한 가지 예는 스피커나

모터 등을 구동시키기 위해 전력증폭(power amplification)을 하는 경우입니다.

신호를 증폭할 때는 전류나 전하를 키워주는 경우도 있습니다만 대부분 전압(또는 전력)을

키우는 경우입니다. 전압을 키우는 방법 중에는 변압기(transformer)와 같은 수동소자를

사용하는 경우도 있습니다만 신호의 증폭은 대부분 트랜지스터, FET, OP AMP 등의 능동

소자를 필요로 합니다. 이 능동소자를 사용한 증폭회로는 전자회로에서 가장 많은 부분을

차지할 정도로 널리 사용되고 있습니다. 증폭회로의 일반적인 특성과 주의사항을 살펴보고

각각의 소자를 사용한 대표적 증폭회로를 익히도록 합니다.

입력된 신호와 증폭된 신호의 크기의 비를 증폭율(amplification factor) 또는 이득(gain)이

라고 합니다. 이상적 증폭회로의 특성은 신호를 원하는 증폭율로 신호의 크기나 주파수에

관계없이 안정되게 키우는 것입니다. 특히 신호의 크기가 달라도 증폭율이 일정한 선형성

(linearity)과, 여러 주파수 성분이 섞여있는 신호나 주파수가 다른 신호를 다룰 때 증폭율이

필요한 주파수대역 안에서 주파수에 무관한 hi-fi(high fidelity)특성이 중요합니다. 그러나

경우에 따라서는 고의로 선형성을 낮춰서 고조파(harmonics) 성분을 많이 발생시키는 증폭

회로도 사용되고 있습니다. (예: 주파수 증배회로)

증폭회로를 규정하는 용어들은 과거에 많이 사용되던 진공관식 증폭회로에서 사용되던 것을

그대로 쓰고 있습니다.

증폭회로는 신호가 가해지지 않은 정적상태(quiescent state)의 동작점의 위치에 따라서

A 급 증폭기(Class A amplifier)

AB1 급 증폭기(Class AB1 amplifier)

AB2 급 증폭기(Class AB2 amplifier)

B 급 증폭기(Class B amplifier)

C 급 증폭기(Class C amplifier)

D 급 증폭기(Class D amplifier)

로 나뉘며, 측정 장치에서의 위치에 따라서는(즉, 검파 또는 주된 증폭을 전후해서)

전치증폭기(pre-amplifier)

후치증폭기(post-amplifier)

로 나눕니다. 또, 다루는 신호의 주파수에 따라서

직류 증폭기(dc amplifier)

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음성주파수 증폭기(audio amplifier)

영상주파수 증폭기(video amplifier)

rf 증폭기(rf amplifier)

중간주파수 증폭기(intermediate frequency amplifier, if amplifier)

등이 있습니다. 증폭회로의 입/출력 결합방식에 따라서는

직결 증폭기(direct coupled amplifier)

축전기 결합 또는 교류 결합 증폭기(capacitor or ac coupled amplifier)

변압기 결합 증폭기(transformer coupled amplifier)

로 나눌 수 있고, 증폭기가 증폭하는 주파수 대역폭에 따라

협대역 또는 공진 증폭기(narrow band or tuned amplifier)

광대역 증폭기(wideband amplifier)

로 나눌 수 있습니다. 이밖에 특수한 용도로는

대수 증폭기(logarithmic amplifier)

록인 증폭기(lock-in amplifier)

전류 증폭기(current amplifier)

전하 증폭기(charge amplifier, charge pump)

도 있습니다.

먼저, 증폭기의 일반적인 특성을 살펴보고 물리학 실험에서 자주 사용되는 몇 가지 증폭기/

증폭회로 형태에 대해 자세히 알아보기로 합니다.

1) 증폭기의 일반적인 특성

(1) 증폭기의 증폭율

증폭기는 신호의 크기(전압)를 키우는 장치(회로)입니다. 따라서 증폭기의 가장 기본적인

특성은 입력 대 출력신호의 크기 비율인 전압 증폭율(voltage gain)입니다. 전압 증폭율은

와 같이 데시벨 단위로 나타냅니다. 앞에 20 을 곱하는 것은 단순한 편의성 때문입니다.

전압을 10배로 키우는 증폭기의 전압 증폭율은 20dB, 100배가 되면 40dB, 1000배가 되면

60dB 이런 식입니다.

전력 증폭기와 같이 전력 증폭이 중요한 경우도 있기 때문에 전력 증폭율(power gain)도

데시벨 단위로 나타냅니다.

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전력 증폭율에서 앞에 곱하는 숫자를 전압 증폭율의 1/2 로 정하는 이유는 저항 R 에 전압

V 를 가할 때 저항에서 소모되는 전력 P 가

이므로, 전압이 n 배가 되면 전력은 n2 배가 되어 log 를 취하면 2 배가 되기 때문입니다.

일예로서 증폭기의 출력신호가 부하(예: 스피커)에 전달하는 전력이 입력신호가 증폭기에

공급하는 전력의 2 배가 될 때는, 이 증폭기의 전력 증폭율은 ≃ 이고,

출력전압은 입력전압의 21/2 배가 되므로 전압 증폭율도 ≃ 가 되는

것입니다. 전압이 2 배가 될 때는 전압 증폭율 ≃ 이고, 전력 증폭율도

≃ 입니다. 3dB 의 증폭율은 전력을 두 배로 키우는 경우이고, 6dB 의

증폭율은 전압을 두 배로 키우는 증폭기임을 기억하고 있으면 좋습니다. 이는 신호가 감쇄

되는 경우에도 마찬가지입니다. 신호를 둘로 나눠 공급하는 소자(power splitter)는 나눠진

각각의 가지에 입력신호의 1/2 의 전력을 공급하므로(소자 자체에 의한 손실이 없는 경우),

이를 3dB splitter 라고 부르는데 같은 이유에서입니다.

이론상으로는 증폭율을 매우 크게도 할 수 있습니다만, 실제로는 증폭회로의 증폭율이 너무

크면 주파수 특성이 나빠지거나 입, 출력 회로의 결합에 의하여 발진을 할 가능성이 있기

때문에, 보통 한 증폭회로의 전압 증폭율은 1(0 dB) ~ 100(40 dB) 사이로 택하고. 더 큰

증폭율이 필요한 경우에는 2~3단의 증폭회로를 거듭 사용합니다.

(2) 증폭기의 주파수 특성

증폭기의 증폭율은 증폭 소자(회로)의 전기용량 성분 때문에 입력신호의 주파수에 따라서

다르며, 일반적으로 주파수가 감소하거나 증가하면서 감소됩니다. 따라서 이상적 증폭기도

증폭이 가능한 주파수 대역이 있습니다. 주파수 대역의 폭을 주파수 대역폭(frequency

bandwidth)이라고 부르며, 이는 전력 증폭율(power gain)이 최대 값의 1/2 (또는 -3dB) 로

떨어지는 두 주파수 사이의 폭(간격)으로 정의합니다. 또, 주파수 대역폭은 전압 증폭율이

최대 값의

≃ (또는 -3dB)로 떨어지는 두 주파수 사이의 간격이기도 합니다. 두

주파수 중에서 높은 쪽 주파수를 차단주파수(cut off frequency)라고 부릅니다.

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주파수가 증가하면서 증폭율이 1 로 떨어지는 주파수가 있게 되는데, 이 주파수 이상에서는

증폭기로서의 역할을 하지 못하게 됩니다. 이 주파수를 전이주파수(transition frequency)

라고 부릅니다. 증폭율과 주파수를 log-log 그래프에 그려보면, 아래의 그림과 같이 차단

주파수 와 전이주파수 사이에서는 주파수에 따른 증폭율 그래프가

≃

로 직선적인 변화를 하기 때문에, 전이주파수 에서는

≃

이어서

≃ ×

으로, 이것이 전이주파수를 증폭율과 주파수대역폭의 곱(gain-bandwidth product)이라고도

부르는 이유입니다.

Gmax

0.7Gmax Bandwidth

0

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또한, 차단주파수와 전이주파수 사이의 주파수 ( )에서는

≃

이어서 증폭율이

≃

로 주어집니다.

전이주파수가 높을수록(또는 증폭율과 대역폭의 곱이 클수록) 높은 주파수에서 큰 증폭율을

가질 수 있으므로, 더 성능이 좋은 증폭기라고 할 수 있습니다. 따라서 증폭기의 성능을

나타내는 특성이 전이주파수(또는 증폭율과 대역폭의 곱) 입니다.

실제 증폭기는 특별한 경우(거꾸로 되먹임을 사용하는 OP AMP)를 제외하면 주파수 대역폭

안에서도 증폭율이 주파수에 따라 변해 주파수 특성이 아래 그림과 같은 모양이 됩니다.

이 경우에 최대 증폭율 을 정하기가 모호한데 보통은 적당히 낮은 기준주파수(예:

1kHz)에서의 증폭율로 대신합니다.

(3) 증폭기의 작동방식의 구분

증폭기의 1차적인 기능이 입력된 신호의 전압을 키우는 것입니다만, 전압증폭이 일어나는

구조는 증폭소자에 따라서 다르다고 할 수 있습니다. 먼저 사용된 진공관 증폭기에서는

control grid 에 가한 전압 에 의해 음극(cathode)에서 방출된 열전자가 양극(plate)에

닿는 정도를 변화시켜줌으로서 양극 전류 가 변하는 것을 이용합니다. 관련된 중요한

양은 grid 전압의 변화량 에 대한 양극전류의 변화량 의 비인 상호콘덕턴스

이며, 양극전류가 양극에 연결된 저항 를 흐를 때 발생하는 전압강하가 (-)출력전압이

- 210 -

되므로, 전압 증폭율은

≡

입니다. 참고로 이 을 상호콘덕턴스(mutual conductance)라고 부르는 이유는 다음과

같습니다. 콘덕턴스란 전기저항(resistance)의 역수로서 (전류/전압) 인데, 의 경우에는

전류와 전압이 서로 다른 곳에서의 값을 가리키기 때문입니다. 즉, 한 곳의 전압이 다른

곳의 전류를 변화시키는 정도를 나타내는 양이라는 뜻입니다.

접합형 트랜지스터 증폭기(공통 에미터 증폭회로)의 경우에는 베이스-에미터간 전류 가

콜렉터 전류 를 조절하는데 그 비율을 라고 합니다.

신호의 입력전압은 트랜지스터의 베이스-에미터 접합의 저항 의 전압강하

이고, 출력전압은 콜렉터 저항 의 전압강하

이므로, 전압 증폭율은

≡

입니다.

전기장효과 트랜지스터(field-effect transistor, FET)의 경우에는 게이트(gate)에 가해준

전압 에 의한 내부 전기장이 전하(전자 또는 홀)가 지나는 채널의 폭을 조절하여 소스

(source)와 드레인(drain) 사이의 전기저항 을 변화시켜서, 소스-드레인 전류

를 변화시킵니다. 따라서 진공관 증폭기에서와 같이 상호콘덕턴스

가 관련된 양입니다. 출력전압은 드레인 전류 에 의한 드레인 저항 의 전압강하

- 211 -

이므로, 전압 증폭율은

≡

입니다.

이상적인 증폭기는 입력신호의 크기에 관계없이 증폭율이 일정해서 출력신호의 크기가 입력

신호의 크기에 비례해야 하지만 실제 증폭기는 그렇지가 못합니다. 일반적으로 증폭기는

문턱전압이 있어서 입력전압이 부호를 포함해 어느 크기 이하에서는 증폭이 일어나지 못해

출력전압이 0 이 되고(cut off), 또 어느 크기 이상에서는 출력전압이 일정한 포화현상

(saturation)이 일어납니다. 그 사이에 선형영역이 있습니다.

교류신호가 입력되지 않았을 때의 동작점을 어디에 놓느냐에 따라서 출력파형과 증폭효율이

달라지는 등 특성이 차이가 나기 때문에, 일반 증폭기회로는 몇 가지 종류로 구분합니다.

동작점은 bias 전압에 따라서 결정이 되며, 교류 입력신호의 크기도 문제가 됩니다. 각각은

장단점을 갖고 있고 또 쓰임새도 있어서, 어느 것이 더 낫다 하는 것 보다는 용도에 맞게

선택합니다.

① A 급(class A) 증폭기 회로

입력신호가 선형영역에만 있도록 동작점을 선형영역의 중심부근에 위치시키고, 입력신호의

크기도 너무 크지 않게 제한한 회로입니다. 그러면 입력신호의 크기에 관계없이 증폭율이

일정한 선형증폭기 회로를 가리킵니다. 장점은 출력신호의 파형이 입력신호의 파형과 동일

하게 크기만 증가하기 때문에 신호의 찌그러짐이 없다는 것이고, 그러나 교류신호가 0 이

되는 동작점(정적상태)에서도 상당한 양극, 콜렉터 또는 드레인 전류가 흐르기 때문에 양극,

콜렉터 또는 드레인 저항에서 소모되는 전력이 커서 증폭기의 에너지 효율이 작다는 것이

단점입니다.

입력전압

출력전압

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아래 그림과 같은 에미터 공통(common emitter) 증폭기회로에서 A 급 증폭기로의 작동을

위한 동작점은 입력신호의 최소 값(부호 포함)이 증폭기의 선형영역에 머무는 선에서 작은

바이어스 전압을 택합니다.

위의 회로에서는 입력신호의 크기가 10mVrms 이므로, 정적 상태의 베이스 전압을

×

로 택했습니다. 에미터 전압은 베이스 전압보다 0.65V~0.7V 가 낮으므로 2V 가 됩니다.

이는 교류 신호가 가해지지 않은 정적상태에서도 에미터 전류

가 흐르고 있다는 말입니다. 에미터 전류와 콜렉터 전류는 거의 같으므로(왜냐하면 베이스

입력전압

출력전압

- 213 -

전류가 미미하기 때문) 콜렉터 저항 4.7kW 에도 2mA 의 전류가 흘러서 저항 양단에

×

의 전압강하가 생겨 콜렉터 전압이 30V - 9.4V = 20.6V 이고, 콜렉터와 에미터 사이에는

20.6V - 2V = 18.6V 가 가해져서 트랜지스터의 동작을 가능하게 합니다.

전류 증폭율이 ≃ 인 트랜지스터를 사용했으므로, 정적인 상태의 콜렉터 전류

2mA 에 해당하는 입력전류는 20mA 이고, 이는 이 상태에서 베이스-에미터간 내부저항이

인 것을 가리킵니다. 이로부터 10mVrms 의 교류 신호가 입력되면 입력전류가

로 변하고, 증폭된 콜렉터 전류는 로 이 증폭회로에서 출력되는 전압은

×

로 전압 증폭율은 14 임을 알 수 있습니다. 이 증폭기 회로의 정적인 상태에서의 에너지

손실일률은

×

가 됩니다. 증폭율을 더 키우거나 입력신호가 더 큰 경우에는 동작점을 더 높은 전압으로

옮겨야하고, 그러면 정적 상태에서의 에너지 손실일률도 무시할 수 없을 정도로 증가하게

됩니다.

Ex. 1 그림과 같은 바이어스 회로의 정적상태의 베이스 전압 , 콜렉터

전압 , 에미터 전압 를 예측하고, 회로를 꾸며 확인해본다.

- 214 -

실제회로의 저항 값들을 정하는 방법은 다음과 같습니다.

1) 출력신호가 항상 0 ~ 사이에 있어 깎이지 않도록 정적상태의 출력전압을

부근으로 정합니다. 정적상태에서의 트랜지스터 전류 를 규격표를

보고 정합니다.

2) 정적상태에서의 출력전압( )을 , 전압 증폭율을 로 하려면

이고, 이므로 이로부터 와 를 정합니다.

3) 정적상태에서 에미터 전압이 ≃ 이고, 베이스 전압은

이므로 정적상태의 베이스 전압을 알아냅니다.

4) 정적상태에서의 베이스 전압이

이므로, 저항 과 를

흐르는 전류를 베이스 전류 보다 10배 이상 큰 한도 안에서 최소가 되도록

정합니다.

공통 베이스 증폭기회로에서도 입력신호가 가해지지 않았을 때 에미터 전압을 (-) 수 V 로

택하면 트랜지스터가 ON 상태가 되면서 선형 영역 안에 놓이면서 약한 신호를 파형 그대로

증폭시킵니다. 이때 전압 증폭율도 입니다만, 출력신호의 위상이 입력신호와

같은 점이 공통 에미터 증폭회로와의 차이점입니다.

② B 급(class B) 증폭기 회로

입력신호의 1/2 만이 증폭되도록 동작점을 증폭특성의 문턱 부근에 위치시키고, 입력신호의

크기도 비교적 크게 택한 회로입니다. 그러면 입력신호의 1/2 만 크기가 키워져 출력하게

되는데, 경우에 따라서는 전체의 파형을 증폭할 필요가 없이 반쪽만 증폭해도 되는 경우가

있어서 사용됩니다. 특히 교류신호가 0 이 되는 동작점(정적상태)에서 양극, 콜렉터 또는

드레인 전류가 거의 흐르지 않기 때문에 양극, 콜렉터 또는 드레인 저항의 소모되는 전력이

거의 없어 증폭기의 에너지 효율이 크다는 것이 장점입니다.

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아래 그림처럼 공통 베이스 트랜지스터 증폭회로에서 베이스에 (-) 전압을 가해 바이어스를

깊게 하면(교류신호가 가해지지 않았을 때 베이스-에미터 간 전압이 +0.65V 정도가 되면)

B급 증폭회로가 되어 신호파형의 반만 증폭되어 출력됩니다. 콜렉터 전류가 흐르지 않는

나머지 반 사이클에서는 콜렉터 저항 R1 에 의한 전압강하가 생기지 않아 출력은 +VCC 로

일정하게 유지됩니다.

반 사이클만 증폭기로 동작하는 B 급 증폭기의 단점을 보완하여 효율적인 전파 증폭방법이

있습니다. 다음 그림과 같이 전류 증폭율 등의 특성이 같은 pnp 접합 트랜지스터와 npn

접합 트랜지스터의 쌍(이를 matched complementary pair 라고 부름)을 직렬로 연결하여

사용하는 밀고-끌기(push-pull)회로에서는 두 트랜지스터가 각각 반 사이클씩 증폭함으로서

결과적으로는 전 파형이 증폭되는 효과가 있습니다. 또한 두 트랜지스터 중 하나는 항상

OFF 상태가 되기 때문에 직렬 연결된 두 트랜지스터를 통해서 흐르는 전류는 0 입니다.

즉, 정적 상태에서의 에너지 손실이 없기 때문에 에너지 효율이 좋은 장점이 있어 애용되는

증폭기 회로입니다.

입력전압

출력전압

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Ex. 2 아래의 밀고-끌기(push-pull) 회로에서 양단의 전압을 구하고

정적인 상태에서의 과 의 베이스 전압과 출력전압을 구한다.

이들 밀고-끌기 출력회로는 한 가지 결함을 갖고 있는데, 트랜지스터의 특성 때문에 입력

신호가 (-)에서 (+)로 또는 (+)에서 (-)로 바뀌는 좁은 전압영역에서는 출력신호가 찌그러지는

교차 찌그러짐(crossover distortion) 현상이 그것입니다.

이 교차 찌그러짐은 트랜지스터의 베이스-에미터간 접합의 ±V ON 미만의 입력전압에서는

두 트랜지스터가 모두 OFF 상태가 되기 때문에 출력전압이 입력전압에 비례하지 않고 0 이

되기 때문입니다.

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③ AB 급(class AB) 증폭기 회로

A 급과 B 급 사이에 동작점을 놓고 작동시킬 때를 AB 급 증폭기회로라고 부릅니다. A 급

증폭기의 선형특성과 B 급 증폭기의 큰 효율을 조금씩 양보하면서 절충한 형태라고 할 수

있습니다.

이때 동작점이 A 급의 경우에 더 가까우냐, B 급의 위치에 더 가까우냐에 따라서 AB1 급

과 AB2 급으로 나누기도 합니다만 중요한 것은 아닙니다. 어쨌든 AB 급 증폭회로에서도

다음 그림에서와 같이 불완전한 파형으로 증폭이 일어나기 때문에 B 급 증폭의 경우에서와

마찬가지로 밀고-끌기 증폭회로를 사용합니다.

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④ C 급(class C) 증폭기 회로

의도적으로 바이어스를 더 깊게 하면(즉, 동작점을 문턱전압보다 더 낮은 전압으로 택하면)

파형의 대부분에서는 증폭이 일어나지 못하고 극히 일부분만 증폭되는 결과를 낮습니다.

증폭이 일어나지 못하는 이유는 증폭회로에 전류가 흐르지 못해서이기 때문에, 이 회로의

경우 증폭 효율은 대단히 높으나 파형의 찌그러짐이 매우 심합니다. 파형이 찌그러진다는

말은 입력신호 주파수의 고조파(harmonics) 성분이 많이 섞여 있는 것을 의미해서, 이 종류

증폭기 회로는 발진기(oscillator) 회로나 주파수를 몇 배로 증가시키는 주파수 증배기

(frequency multiplier) 회로로 주로 사용됩니다.

입력전압

출력전압

입력전압

출력전압

- 219 -

아래의 공통 베이스 증폭기에서도 베이스 전압을 (-)로 깊게 바이어스를 해주면 에미터에

가해준 교류 입력신호가 (+)로 큰 전압이 될 때만 ON 되어 콜렉터 전류가 흐르게 됩니다.

(4) 증폭기의 결합(coupling)방식

증폭기를 거듭해서 사용하는 경우 두 증폭기 사이에 신호를 전달할 필요가 있는데, 이때 두

증폭기 회로가 서로 간섭을 할 수가 있고 결합시키는 방식에 따라서 증폭 특성이 달라지기

때문에 증폭회로의 결합방식이 문제가 됩니다. 결합방식은 크게는 직결(direct coupling)

방식과 교류 결합(ac coupling)으로 나뉘며, 교류 결합방식에는 RC 결합, 임피던스 결합,

변압기 결합 방식들이 있습니다.

① 직결(direct coupling) 방식

이름 그대로 직류결합 또는 축전기 등을 사용하지 않은 직접적인 결합을 의미하며, 그렇기

때문에 주파수 특성이 좋으나 두 회로가 직류적으로 간섭을 일으켜서 증폭회로의 바이어스

전압을 맞춰주는 회로설계가 까다로워지는 단점이 있습니다. 여러 단의 증폭회로가 거듭해

연결되는 경우에는 사용하기가 어렵습니다.

일예로 아래 2단 직결 증폭회로의 저항 R4, R5, R6 가 트랜지스터 Q1 과 Q2 의 콜렉터

전압과 에미터 전압 및 베이스의 바이어스 전압을 결정해줍니다.

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② RC 결합(RC coupling)

직결회로의 어려움 때문에 가장 많이 사용되는 결합방식으로 축전기를 사용하여 증폭회로

사이의 직류적인 간섭은 차단하고 교류 신호만 전달하는 방식입니다. 따라서 각각의 증폭

회로에서 독자적인 바이어스 전압의 선택이 용이한 장점이 있으나, 결합축전기의 리액턴스

(reactance)가 주파수에 따라서 달라지므로 증폭회로 사이의 신호전달이 주파수에 의존하여

전체 증폭회로의 증폭율이 주파수에 따라 변하는 단점이 있습니다.

위 회로에서 C1 이 결합 축전기이며 이로 인해 Q1 의 콜렉터 전압과 Q2 의 베이스 전압을

별도로 필요한 값으로 택할 수 있습니다. 그러나 낮은 주파수 신호도 잘 전달하기 위해서

C1 의 전기용량은 큰 값으로 택합니다.

③ 임피던스 결합(impedance coupling)

RC 결합 방식의 변형으로 앞단 증폭회로의 부하저항(위 회로에서 Q1 의 콜렉터 저항 R1)

대신에 인덕터로 바꿔준 회로로서 RC 결합에 비해 두 가지 장점을 갖습니다. 그 하나는

인덕터의 임피던스는 교류(높은 주파수) 신호에서 크지만 전기저항은 작아서 Q1 의 부하

임피던스는 크게 유지하면서 콜렉터 전류에 의한 저항 손실은 줄일 수 있기 때문에 에너지

효율이 증가한다는 점이고, 다른 하나는 주파수 증가에 따라서 증가하는 부하 임피던스가

높은 주파수 성분의 증폭율을 키워 높은 주파수에서 감소하는 증폭기의 주파수 특성을 상쇄

하여 비교적 평탄한 주파수 특성을 높은 주파수까지도 유지할 수 있다는 점입니다.

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④ 변압기 결합(transformer coupling)

증폭회로 사이 결합을 변압기를 써서 하는 방식으로 결합 축전기를 필요로 하지 않습니다.

변압기의 1, 2차 측 코일의 감은 수의 비에 따라서 전달되는 신호전압을 키울 수 있으며,

또 Q1 의 출력 임피던스와 Q2 의 입력 임피던스를 맞출 수 있는 장점이 있습니다. 변압기

코일의 직류 저항은 비교적 작기 때문에 이 결합방식의 증폭효율은 매우 높습니다. 그러나

변압기도 주파수 특성이 있어서 아주 낮은 주파수(가청주파수)거나 높은 주파수에서는 좁은

주파수 범위에서만 사용이 가능합니다.

(5) 증폭기회로의 임피던스(impedance)

신호 전달선과 전원장치에서 살펴보았듯이 전자회로를 연결시킬 때 신경을 써야 할 중요한

사항이 임피던스 맞춤(impedance matching)입니다. 증폭기회로에서도 마찬가지인데 약한

신호를 기껏 증폭을 시켰더라도 임피던스 맞춤이 제대로 되지 않으면 증폭된 신호를 모두

활용할 수가 없거나, 반사파에 의한 찌그러짐이 생기며, 특히 전력 증폭기의 경우 증폭기

소자(진공관, TR, 또는 FET)에 무리를 줘 파괴시키거나 수명을 줄이는 문제가 발생합니다.

임피던스 맞춤의 효과를 살펴볼 수 있는 예를 들어봅니다. 아래 그림에서 출력 임피던스가

1kW 인 증폭회로 1 에서 10V 로 증폭된 신호를 증폭회로 2 에 연결시키는데, 회로 2 의

입력 임피던스에 따라 입력되는 전압과 전력이 변하는 것을 보여줍니다. 입력 임피던스를

가변저항 R2 로 대신하여 회로 2 의 입력저항 R2 가 변함에 따른 회로의 전류(I), 회로 2

에 전달된 전압(ER2), 회로 1 에서 소모되는 전력(PR1) 및 회로 2 에 전달되는 전력(PR2)을

측정한 것입니다.

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위 표에서 알 수 있듯이 입력 임피던스(R2)가 출력 임피던스(R1)와 같을 때 최대 전력이

전달되며, 전달되는 전압은 신호원 전압의 1/2 이고, 회로 1 의 내부에서 소모되는 일률과

회로 2 로 전달되는 일률이 같아 에너지 전달 효율은 50% 가 됩니다.

그러나 회로 2 로 전달되는 전압은 입력 임피던스가 클수록 증가하여서 회로 1 의 신호원

전압 10V 에 접근합니다. 이때 에너지 전달효율도 더 증가합니다만 입, 출력 임피던스가

맞춰지지 않음에 따른 여러 가지 나쁜 영향이 발생할 수 있으므로, 용도에 따라 임피던스

맞춤을 할 것인지 여부를 결정해야 합니다.

임피던스는 교류 저항을 나타내며 직류의 저항 값과 같이 (교류)전압을 (교류)전류로 나눠준

값입니다. 따라서 증폭회로의 입력 임피던스는 교류신호를 입력시킬 때 가한 전압과 흐른

전류의 비를 가리킵니다. 출력 임피던스도 가상적으로 출력 측에 출력신호보다 조금 더 큰

전압의 교류신호를 입력시켰을 때 가해준 전압 차를 흐르는 전류로 나눠준 값을 말합니다.

즉, 출력 측에서 들여다 본 증폭기 회로의 전압/전류 특성입니다.

증폭기 회로의 입력과 출력 임피던스 값은 증폭기 소자는 물론 증폭회로의 구성에 따라서도

크게 다릅니다. 여기서는 접합형 트랜지스터를 사용한 몇 가지 증폭기회로 구성의 경우를

살펴봅니다.

① 공통 에미터(common emitter) 증폭회로

가장 흔히 사용되는 트랜지스터 증폭기회로로서 입력신호를 베이스에 가하고 콜렉터로 부터

출력신호를 추출하는 회로입니다. 입력신호와 출력신호 모두 에미터(또는 에미터를 연결한

접지)를 기준으로 하기 때문에 붙인 이름입니다. 이 경우 입력 임피던스는 베이스 저항과

베이스-에미터 간의 동적인 내부저항이 병렬 연결된 저항입니다. 이들 저항 값은 실제의

회로에서 증폭기의 동작점 및 베이스 바이어스 전압을 만들어주는 전압 분배기(voltage

divider)의 저항 값들과 신호의 크기에 따라서 다르지만 대체로는 500W - 1500W 사이의

값을 갖습니다. 출력 임피던스는 콜렉터 저항과 콜렉터-에미터 간의 동적 내부저항이 병렬

연결된 저항입니다. 이들 저항 값도 증폭기의 동작상태(ON 또는 OFF 상태 및 ON 상태에

서도 콜렉터 전류의 크기)에도 의존합니다만 대체로 30kW - 50kW 사이의 값을 갖습니다.

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구체적으로 입, 출력 임피던스를 구하는 방법은 다음과 갖습니다. 실제 회로에서 축전기를

통한 교류신호의 낮은 임피던스로 인해 간단해진 교류 등가회로(ac equivalent circuit)를

써서 구합니다. 즉, 입력 임피던스는 저항 , 및 의 병렬연결이며, 여기서 전원에

연결된 을 접지된 것으로 본 것은 전원회로가 bypass 축전기에 의해서 교류적으로는

접지된 것과 마찬가지이기 때문이며, 동적 에미터 저항 에 전류 증폭율 를 곱한 것은

베이스-에미터를 흐르는 전류는 에미터 전류의

이기 때문에 저항이 그만큼 큰 것으로

볼 수 있기 때문입니다. 출력 임피던스는 같은 이유에서 콜렉터 저항 와 트랜지스터의

콜렉터-에미터 간의 동적 저항 의 병렬연결입니다. 출력 임피던스에 에미터 저항

를 포함시키지 않은 것은 bypass 축전기 로 인해서 교류적으로는 단락된( ) 것과

마찬가지이기 때문입니다.

② 공통 베이스(common base) 증폭회로

입력 신호를 에미터에 가하고 콜렉터로 부터 신호를 출력하는 증폭회로로서 입, 출력신호를

모두 베이스(또는 베이스를 연결한 접지)를 기준으로 하기 때문에 붙여진 이름입니다. 이

경우 입력 임피던스는 에미터 저항과 베이스-에미터 간의 동적인 내부저항이 병렬 연결된

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저항입니다. 이들 저항 값은 에미터 저항의 크기에 따라서 다르지만 대체로 30W - 60W

의 값을 갖습니다. 출력 임피던스는 콜렉터 저항과 콜렉터-에미터 간의 동적인 내부저항이

병렬 연결된 저항입니다. 이들 저항 값도 증폭기의 동작상태(ON 또는 OFF 상태 및 ON

상태에서도 콜렉터 전류의 크기)에도 의존합니다만 대체로 250kW - 550kW 사이의 값을

갖습니다.

③ 공통 콜렉터(common collector) 증폭회로

입력 신호를 베이스에 가하고 에미터로 부터 신호를 출력하는 증폭회로로서 입, 출력신호를

모두 콜렉터(또는 콜렉터를 연결한 접지)를 기준으로 하기 때문에 붙인 이름이고, 증폭율이

1 이기 때문에 에미터 따르기(emitter follower)라고도 부릅니다. 이 경우 입력 임피던스는

베이스 저항과 베이스-에미터 간의 동적인 내부저항이 병렬 연결된 저항입니다. 이들 저항

값은 증폭기의 동작점과 신호 크기에 따라서 다르지만 대체로 2kW - 550kW 사이의 값을

갖습니다. 출력 임피던스는 에미터 저항과 콜렉터-에미터 간의 동적인 내부저항이 병렬

연결된 저항입니다. 이들 저항 값도 증폭기의 동작상태(ON 또는 OFF 상태 및 ON 상태에

서도 콜렉터 전류의 크기)에도 의존합니다만 대체로 50W - 1.5kW 사이의 값을 갖습니다.

특히 낮은 출력 임피던스 때문에 50W 신호 전달선에 임피던스 맞춤을 시키거나 임피던스가

낮은 기기(예: 헤드폰)에 신호를 전달시키기 위한 용도로 많이 사용됩니다.

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Ex. 3 아래 에미터 따르기회로의 정적인 특성(직류특성)을 해석하고 또, 회로를

꾸민 뒤 측정을 통해서 확인해본다.

에미터 따르기 회로의 교류특성은 베이스-에미터 사이의 전압이 ≃ 로 일정하게

유지되므로, 입력 전압의 변화 과 에미터 전압의 변화 가 같습니다. 즉, 출력 저항

(부하저항)에 가해진 출력 전압 이 입력 전압 과 같습니다. 따라서 에미터 따르기

회로의 전압 증폭율은

≡

입니다. 실제로는 베이스-에미터 간의 동적인 저항인

(위 그림 a) 또는 과 의

병렬연결 저항 ║

에 의한 전압강하가 생겨 전압 증폭율이 1 보다 줄어듭니다. 또,

공통에미터 증폭회로에서의 출력전압 파형이 입력전압 파형의 반대위상( )인 것과는

달리 에미터 따르기회로의 출력전압 파형은 입력전압 파형과 같은 위상( )입니다.

Ex. 4 위 에미터 따르기회로의 교류 증폭특성을 측정을 통해 확인한다.

에미터 따르기회로의 출력 임피던스는 에미터 저항 와 트랜지스터의 콜렉터-에미터 간

저항 의 병렬연결입니다. 에미터 저항 를 작은 값(< 1 kW)으로 택할 수 있으므로,

에미터 따르기회로의 출력 임피던스는 일반적으로 공통에미터 증폭회로의 출력임피던스보다

작습니다. 공통에미터 증폭회로에서는 전압 증폭율을 키우기 위해서 콜렉터 저항 를

크게 택하기 때문에 출력 임피던스가 큽니다.

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공통 에미터

증폭회로

공통 베이스

증폭회로

공통 콜렉터

증폭회로

입력 임피던스 Medium Low High

출력 임피던스 Medium High Low

한편, 에미터 따르기회로의 입력저항은 베이스의 동적인 저항

와 바이어스 저항 , 의 병렬연결로서 전류증폭율 ∼ 이므로, 출력저항 에

비해서 매우 큽니다. 따라서 특별히 출력 임피던스를 낮추기 위한 용도로서 에미터 따르기

회로를 공통에미터 증폭기회로에 연결하여 사용하기도 합니다.

이들 세 가지 트랜지스터 증폭기 회로 구성의 입력 임피던스와 출력 임피던스를 비교하면

다음 표와 같습니다. 입력과 출력 임피던스의 크기가 다르기 때문에 트랜지스터를 사용한

증폭기 회로를 결합할 때도 이 차이를 유념해야 합니다.

(6) 증폭기회로의 되먹임(feedback)

증폭기회로에는 입력회로와 출력회로가 비교적 가까운 거리에 위치해 있고, 또 출력신호는

거의 입력신호와 동일한 파형으로 키워진 상태이기 때문에 의도하지 않은 입력회로와 출력

회로의 결합에 의한 간섭이 일어날 수 있습니다. 이같이 출력신호의 일부가 다시 입력으로

되돌려지는 것을 되먹임이라고 부르며, 심하면 증폭이 불안하거나 증폭기가 스스로 발진을

하는 일이 생깁니다. 반대로, 의도적으로 증폭회로에서 되먹임을 사용하는 경우도 있는데

연산증폭기(operational amplifier, OP AMP)가 그 예이며, 이에 대해서는 뒤에 살펴보도록

합니다.

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증폭회로에서의 되먹임은 크게 바로 되먹임(positive feedback)과 거꾸로 되먹임(negative

feedback)의 두 가지 경우가 있습니다.

바로 되먹임은 출력파형의 일부가 입력 측에 되돌려질 때 입력파형과 같은 위상으로 되돌려

지는 것을 말하며, 따라서 출력신호는 되먹임이 없었을 때에 비해서 증가합니다. 이상적인

증폭기에서는 바로 되먹임이 조금만 있어도 출력이 계속 자라나기 때문에 출력전압이 극한

값을 갖는 포화(saturation)가 일어나야 하지만, 실제 증폭기에서는 입력신호의 크기에 따른

증폭율의 감소 등 다른 이유 때문에 비로 되먹임을 잘 조절하면 증폭율을 키워주는 효과가

있습니다. 거꾸로 되먹임에서는 출력파형 자체가 입력신호에 비해서 위상이 180o 차이가

나거나 또는 되먹임 회로에서 180o 의 위상차가 발생하여, 입력신호에 반대 위상의 신호가

되돌려지기 때문에 입력신호의 크기를 줄여서 되먹임이 없을 때에 비해 출력신호의 크기가

작아집니다. 증폭회로의 증폭율은 줄어드는 셈이지만, 주파수 특성이 개선되고 증폭율이

안정되는 등 이로 인해서 얻는 이득도 많기 때문에 자주 사용되고 있습니다.

트랜지스터 증폭기 회로에서 바로 되먹임을 사용하는 방법은 증폭기 회로의 구성에 따라서

다릅니다. 공통 베이스 회로에서는 에미터에 가해준 입력신호와 콜렉터의 출력신호가 같은

위상을 갖습니다. 따라서 다음 그림과 같이 R2, C2 를 사용하여 콜렉터로부터 출력신호의

일부를 베이스로 돌려주면 됩니다.

위 되먹임회로(점선 내)에서 축전기 C2 는 에미터와 콜렉터 사이의 직류 결합을 막는

바로 되먹임 거꾸로 되먹임

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(blocking) 역할을 하며, 되먹임률에도 기여하기 때문에 저주파수 신호에서도 충분히 작은

리액턴스

를 갖도록 큰 전기용량을 사용합니다. 되먹임률은 되먹임저항 R2

의 값으로 조절합니다. R2 가 크면 되먹임이 작고, 작으면 되먹임이 커집니다.

공통 에미터 증폭회로는 콜렉터의 출력신호가 베이스 입력신호와 180o 의 위상차를 갖고

뒤집어진 형태입니다. 따라서 공통 베이스 증폭회로에서와 같이 되먹임을 해서는 거꾸로

되먹임이 됩니다. 아래 그림과 같이 공통 에미터 증폭회로 두 단을 결합하여 사용하면 두

번째 증폭기의 출력신호가 첫 번째 증폭기의 입력신호와 같은 위상이 되어 바로되먹임(점선

내)이 가능합니다. 이때도 C3 와 R3 값은 증폭하려는 신호의 주파수 성분과 되먹임율에

따라서 정해줍니다. 좁은 공간에 증폭기 회로를 꾸미거나 증폭기 회로의 입, 출력선이 긴

경우 입, 출력간의 부유 전기용량(stray capacitance)에 의해 의도하지 않은 바로되먹음이

이루어져 전기용량에 의한 리액턴스가 작아지는 높은 주파수에서 발진이 일어나는 경우가

종종 있습니다. 그래서 입력선은 가능한 한 짧게 하는 것이 좋으며 회로의 배치를 할 때도

입력과 출력의 결합이 일어나지 않도록 신경을 써야 합니다.

공통 에미터 증폭기회로에서 에미터 저항 R2(그림 A 의 점선 내) 는 일종의 거꾸로 되먹임

효과를 갖고 있습니다. 그 이유는 입력 신호가 증가하여 콜렉터와 에미터 전류가 증가하면

에미터 저항 R2 에 발생하는 전압강하도 증가하고, 따라서 접지와 에미터 사이의 전압이

증가합니다. 이는 베이스와 에미터 사이의 전압(VB - VE)을 감소시켜 에미터 전류를 줄여

주기 때문입니다. 반대로도 마찬가지입니다. 에미터 전류가 줄어든 때는 저항 R2 에 의해

전류가 증가하는(즉, 원상태로 유지하는) 요인이 됩니다. 이는 증폭율을 감소시키는 효과가

있는데, 이를 방지하기 위해서는 그림 (B) 의 점선처럼 축전기 C3 를 추가하여 교류성분을

통과시켜버리면(bypass) 에미터 저항 R2 에 의한 거꾸로 되먹임효과를 없앨 수 있습니다.

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공통 에미터 증폭회로에서의 거꾸로 되먹임방법은 자명합니다. 아래 그림처럼 입력신호와

180o 위상차가 나는 콜렉터 출력신호의 일부를 베이스로 되돌려주면 입력신호를 줄여줘서

증폭율을 감소시키는 효과가 있습니다. 그러나 되돌리는 신호의 크기도 출력신호의 크기에

비례하기 때문에, 출력신호가 줄어드는 주파수 영역에서는 거꾸로 되먹임도 줄어들고 다른

주파수에 비해 증폭율을 키워주는 결과가 되어, 거꾸로 되먹임은 증폭기의 주파수 대역폭을

넓혀주는 효과가 있습니다. 이에 대해서는 뒤에 다시 살펴보기로 합니다.

2) 오디오 증폭기(audio amplifier)회로

다루는 신호의 주파수가 가청주파수(20Hz ~ 20kHz)처럼 낮은 주파수 영역일 때의 증폭기

(회로)를 오디오 증폭기라고 통칭합니다. 일반적으로는 저주파 증폭기(low frequency

amplifier)라고 부르기도 합니다. 여기서는 몇 가지 종류의 오디오 증폭기 회로에 대해서

알아봅니다.

(1) 1단 증폭기(single-stage amplifier) 회로

이름 그대로 단일 증폭기 회로입니다. 아래 그림의 회로는 A 급 증폭을 하는 RC 결합의

공통 에미터 증폭 회로입니다. 축전기 C1 은 트랜지스터 Q1 의 입력회로를 신호원 회로와

직류적으로는 차단하고, 교류 신호는 통과시키는 결합축전기(coupling capacitor)입니다.

저항 R1 은 콜렉터에 가해주는 전원전압 +VCC 로 부터 베이스 전압을 (+) 로 만들어 A

급 증폭을 하기 위한 것으로서, 베이스 전류가 작기 때문에 전압강하를 위해서는 상당히 큰

값을 사용해야 합니다. 에미터 저항 R2 역시 동작점을 정해주는 역할을 합니다. 정적인

상태에서 베이스와 에미터 사이의 전압이 0.65V 로 유지되는 점을 잊지 마십시오. 축전기

C2 는 앞에서 언급한 에미터 저항 R2 의 거꾸로 되먹임 효과를 없애주는 by pass 축전기

입니다. R3 는 콜렉터 저항으로서 증폭기 회로의 증폭율과 출력 임피던스를 결정합니다.

공통 에미터 증폭회로에서의 증폭율은 R3/R2 이어서 저항 R2 를 줄이고 R3 를 키워주면

증가시킬 수가 있지만, 저항 R2 를 줄이면 정적 상태에서의 콜렉터 전류가 증가하여 선형

영역에서 벗어날 수도 있고, R3 가 너무 커지면 트랜지스터의 콜렉터-에미터간의 전압이

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감소하여 트랜지스터 작용을 하지 못하게 됩니다. 축전기 C3 도 Q1 의 출력회로와 연결된

다음 단의 입력회로를 직류적으로 차단하고 교류신호는 통과시키는 결합 축전기입니다.

한편, 접합형 전기장 효과 트랜지스터(junction field effect transistor, JFET)를 사용하는

증폭회로에서는 게이트(gate)의 바이어스 방법이 다릅니다. 게이트에 전압을 가하지 않은

정적인 상태에서도 상당한 크기의 소스(source)-드레인(drain)간 전류가 흐르기 때문에 A

급 증폭을 위해서는 게이트-소스 사이에 (-) 전압을 가해줘야 합니다. 이 경우 바이어스

방법이 비교적 간단한데 다음 그림에서와 같이 소스저항 R2 에 의한 전압강하가 바이어스

전압의 역할을 합니다. 저항 R1 은 게이트 전압을 0 으로 만들기 위한 저항이고, 축전기

C1 과 C3 는 직류를 차단(blocking)시키는 축전기이며, C2 는 저항 R2 에 유도되는 교류

전압을 by pass 하는 축전기입니다. 저항 R3 는 드레인 저항으로 증폭기회로의 증폭율과

출력 임피던스를 결정합니다. 각각의 소자 값은 다룰 신호의 주파수영역과 필요한 증폭율

및 입, 출력 임피던스에 따라서 선택합니다.

다음은 전기기타의 신호를 스피커로 출력하기 전 미리 증폭하는 전치증폭기(preamplifier)

의 한 예로서 트랜지스터(T1) 증폭회로를 유의해봅니다.

이 회로의 바이어스(bias) 방법은 R1 과 R2 에 의해 나눠진 +9V 전압을 베이스에 가하고,

에미터 저항 R4 에 의한 전압강하가 거꾸로 되먹임이 되는 방법입니다. 저항 R3 의 전압

강하는 에미터 뿐만 아니라 베이스에도 가해지기 때문에 바이어스에는 영향을 미치지 않고,

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회로의 입력저항을 키워주는 역할을 합니다. 정적 상태에서 T1 의 에미터 전류를 IE 라고

하면 베이스 전압은(베이스 전류 ≪ 일 때)

×

이고, 에미터 전압은

이므로, 베이스-에미터 사이 전압이

≡ ×

이어서

이고, 콜렉터와 에미터 및 베이스 전압은 각각

≃

인 것을 알 수 있습니다. T1 증폭기 회로의 전압 증폭율은

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이어서 대략 50mV 까지의 입력신호를 포화시키지 않고 증폭할 수 있습니다. 위 식에서

전압 증폭율 를 구할 때 에미터 저항 R4 를 사용하지 않은 것은 by pass 축전기 C2

에 의해 저항 R4 에 의한 교류 전압강하 성분이 0 이기 때문입니다.

위 전치증폭기의 두 번째 증폭회로는 연산증폭기(operational amplifier) 집적회로(IC1)를

사용한 증폭회로입니다. 이같이 OP AMP 도 증폭기로 많이 사용됩니다만 이에 대해서는

뒤에 설명하기로 합니다.

대부분 오디오 증폭회로의 마지막 부분은 스피커를 써서 소리를 내는 것입니다. 큰 소리를

내기 위해서는 비교적 큰 전력을 출력할 수 있는 증폭기가 필요합니다. 그리고 스피커는

코일로 감겨져 있어서 가청주파수 영역에서의 임피던스가 크지 않습니다. (예: 4W, 8W 등)

따라서 스피커로 전력을 최대한 효율적으로 전달하기 위해서는 증폭기의 출력 임피던스도

스피커의 임피던스와 같이 낮아야 합니다. 거의 모든 증폭기의 출력 임피던스가 수백W ~

수십 kW 으로 높기 때문에 임피던스를 변환시키는 변압기를 사용한 출력회로가 쓰입니다.

이때 사용되는 변압기는 출력 변압기(output transformer)라고 부릅니다. 오디오 증폭기의

입력 측에도 임피던스를 변환시킬 목적으로 변압기를 사용하는 경우가 있는데 이때는 입력

변압기(input transformer)라고 부릅니다. 다음은 출력 변압기를 사용하는 스피커 구동용

오디오 출력 증폭회로의 한 예입니다.

변압기 T1 의 1차 측은 트랜지스터 Q1 의 콜렉터 저항 역할을 합니다. 1차 측 임피던스는

변압기의 감은 수의 비

와 2차 측에 연결한 부하 임피던스 에 의해서

입니다. 출력 교류 전압의 크기도 감은 수의 비에 의존하여 스피커에 가해지는 전압은

로 콜렉터 교류 전압 보다 작아집니다. 예를 들어서 전원전압(VCC) +30V 를 사용하는

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증폭기회로에서 기대할 수 있는 최대 출력전압 30Vpp 에서 임피던스 4W 의 스피커를 구동

시키는 경우를 생각해봅니다. 1차 측 임피던스를 100W 으로 택하면 감은 수의 비는

입니다. 따라서 스피커에 공급되는 최대 전압은 6Vpp(= 2.1Vrms) 이고, 최대 출력전력은

1.1Wrms 입니다. 그러나 정적 상태에서도 콜렉터 전압은 +15V 가 되기 때문에 Q1 과 R2

에 의해 소모되는 전력이 무시할 수 없을 정도로 큽니다.

(2) 밀고-끌기 증폭기(push-pull amplifier) 회로

전력증폭기처럼 큰 전력을 다루는 증폭기회로에서는 A 급 증폭에 따른 전력 손실도 매우

커지기 때문에 AB 급이나 B 급 증폭기를 사용합니다. 그러나 파형의 일부가 cut off 되는

문제가 생기는데 이를 해소하는 방법이 밀고-끌기 회로입니다. 즉, 신호 파형의 (+) 와

(-) 반 사이클을 두개의 트랜지스터가 나눠서 증폭하는 방법으로 해결합니다. 이를 위해서

중심 탭이 있는 입력 변압기와 출력 변압기를 사용합니다.

다음은 밀고-끌기 A 급 증폭기 회로입니다. 입력 변압기 T1 과 출력 변압기 T2 를 사용

하여, 두 트랜지스터로 신호를 서로 다른 극성으로 증폭하여 합치는(실제로는 빼는) 식으로

두 배의 출력을 얻는 방식입니다. 회로에서 변압기의 1, 2 차 측에 찍은 점은 같은 위상이

되는 위치를 가리킵니다. 보통의 밀고-끌기 증폭회로는 AB 급이나 B 급 증폭기를 써서

두 트랜지스터가 각각 서로 다른 극성의 반 사이클(또는 그 일부분) 동안만 전류가 흐르게

함으로서 증폭기의 효율을 높이는 용도로 많이 사용됩니다만, 이처럼 특이하게 A 급 증폭

회로에 이용할 수 있습니다. 콜렉터 전원 VCC 에 연결된 저항 R1 이 A 급 증폭에 필요한

동작점(입력신호가 가해지지 않았을 때의 베이스 전압)을 만들어주는 역할을 합니다. B 급

증폭에서는 Q1 과 Q2 의 베이스에 바이어스 전압을 가하지 않고 그대로 접지를 시키고,

AB 급 증폭을 하려면 약간의 (+) 바이어스 전압을 가합니다.

변압기를 사용하지 않고 밀고-끌기 증폭회로를 만들기 위해서는 특성이 같은 NPN 과 PNP

트랜지스터 쌍(complementary matched pair)을 사용합니다. 특히 B 급 밀고-끌기 증폭

회로에서 트랜지스터가 ON 상태가 되기 위한 베이스-에미터 간의 문턱전압 0.65V 때문에

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생기는 출력파형의 찌그러짐(crossover distortion)을 해결하기 위해 같은 문턱전압을 갖는

다이오드를 바이어스용으로 사용한 다음과 같은 AB 급 밀고-끌기 회로가 많이 쓰입니다.

위 회로에서 두 다이오드의 순방향 전압이 문턱에서의 (트랜지스터의 전류가 거의 흐르지

않으므로) 두 트랜지스터의 베이스-에미터 간 전압으로 가해지므로, 아주 작은 입력신호에

의해서도 트랜지스터가 하나는 ON, 다른 하나는 OFF 되는 전환이 일어나므로 crossover

변형이 사라지게 됩니다.

Ex. 5 아래 다이오드 바이어스를 사용한 밀고-끌기(push-pull) 회로에서

정적인 상태에서의 , 의 베이스 전압을 구한다. 회로를 꾸며

입력신호의 크기를 바꿨을 때 출력전압과 전류의 그래프를 구한다.

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3) rf 증폭기회로

다루는 신호의 주파수가 가청주파수(20Hz ~ 20kHz)보다 높은 주파수 영역일 때의 증폭기

(회로)를 rf 증폭기라고 통칭합니다. 일반적으로는 고주파 증폭기(high frequency

amplifier)라고 부르기도 합니다. rf 증폭기 회로도 크게는 오디오 증폭기회로와 다를 바

없습니다만 다루는 신호의 주파수가 높기 때문에 발생하는 몇 가지 문제들이 있어서 이에

대해 알아봅니다.

(1) 회로의 리액턴스(reactance) 성분

다루는 신호의 주파수(각주파수 )가 높기 때문에 인덕터(인덕턴스 )와 축전기(전기용량

)의 리액턴스

의 역할을 무시할 수 없게 됩니다. 즉, 입력회로의 선과 출력회로의 선이 갖는 인덕턴스

성분과 전기용량 성분을 각각 L1, L2, C4, C5 라고 하면 이들의 리액턴스가 주파수에 따라

다르기 때문에 저주파 회로와 고주파회로가 차이가 나게 됩니다. 뿐만 아니라 입, 출력 측

결합(coupling) 축전기 C1, C3 와 트랜지스터 Q1 의 에미터 저항 R2 에 연결된

bypass(decoupling 이라고도 부름) 축전기 C2 의 리액턴스도 주파수에 따라 다릅니다. 이

리액턴스의 크기를 가변저항으로 나타내면 아래 그림과 같습니다. (A) 는 저주파 회로에서

이고 (B) 는 고주파 회로에서의 경우입니다. 저주파수의 경우 인덕터의 리액턴스는 작고,

축전기의 리액턴스는 큽니다. 따라서 L1, L2 와 C4, C5 의 영향은 작아서 회로는 기대한

증폭을 제대로 해낼 수 있습니다. 물론 주파수가 많이 낮거나 C1, C2, C3 의 전기용량이

충분히 크지 않으면 리액턴스가 커져서 증폭율이 떨어지게 됩니다.

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고주파수의 경우에는 반대로 인덕터의 리액턴스가 크고, 축전기의 리액턴스는 작습니다.

따라서 L1, L2 와 C4, C5 의 영향이 커져서 회로는 기대한 증폭을 제대로 해내지 못하고

출력신호가 입력신호보다도 작아질 수가 있습니다. 물론 이 때는 축전기 C1, C2, C3 의

리액턴스가 작아져서 증폭율을 증가시키는 효과가 있습니다만, 높은 주파수에서는 입, 출력

선의 부유 전기용량(stray capacitance)나 인덕턴스 효과가 더 큽니다.

(2) 능동(증폭) 소자의 주파수 특성

증폭기로 사용되는 트랜지스터 등 증폭소자도 단자간의 (내부 및 외부) 전기용량이 있습니

다. 특히 PNP 나 NPN 형 접합 트랜지스터에서는 베이스-에미터와 베이스-콜렉터 접합에

결핍 층(depletion layer)이 형성되므로, 전극 간 전기용량(interelectrode capacitance)이

무시할 수 없을 정도(수 pF ~ 수 10pF)가 됩니다. 다루는 신호의 주파수에 따라서 이들의

리액턴스가 달라지므로 다른 상황이 될 수 있습니다. 아래 그림에서 (A) 는 전극 간 전기

용량을, (B) 는 저주파 신호에서 전극 간 전기용량의 리액턴스가 크므로 큰 문제가 되지 않

지만 (C) 에서처럼 높은 주파수에서는 리액턴스가 작아져서 증폭율을 떨어트리는 것을 알

수가 있습니다. 베이스-에미터 간 전기용량과 베이스-콜렉터 간 전기용량은 공통 에미터

증폭기 회로에서 거꾸로 되먹임 효과를 갖는 것에 유의하세요.

- 237 -

(3) 특정 주파수 신호의 증폭

rf 영역은 매우 넓어서 신호가 rf 주파수 전 영역에 걸쳐있거나 넓은 영역의 주파수 신호를

증폭할 수 있는 광대역 증폭기(broadband amplifier)를 사용하는 경우는 매우 드물고, 많은

경우는 특정한 주파수나 특정 주파수를 중심으로 한 좁은 영역의 주파수를 증폭하는 협대역

증폭기(narrow band amplifier)를 사용합니다. 그 이유는 그림과 같이 입력과 출력회로를

신호 주파수에 공진시킨(tunned) LC 병렬연결 회로를 사용하여 주파수 선택도(frequency

selectivity)를 높이고 증폭율도 키울 수 있기 때문입니다.

LC 병렬연결 공진회로에서 공진주파수는

이고, 공진주파수에서는 회로의 임피던스가 최대(이상적으로는 무한대)가 됩니다. 실제로는

코일의 저항과 축전기의 유전손실(dielectric loss) 및 누설저항(leakage resistance)에 의한

에너지 손실이 있는데 이를 병렬저항 성분으로 나타내고 공진곡선의 주파수 폭을 넓혀주는

역할을 합니다.

일정 주파수의 rf 증폭기 회로에서는 위와 같은 축전기(C1 과 C4) 결합 대신에 rf 변압기를

사용한 결합회로가 많이 쓰입니다. rf 변압기는 높은 주파수에서 와전류(eddy current)나

자기이력(magnetic hysteresis)에 의한 손실을 줄여주기 위해 철심(iron core)을 사용하지

않고 공심(air core)으로 사용하거나 자성체의 잔 가루를 찍어서 만든 압분철심(dust core)

을 사용합니다.

입력 변압기의 2차 측과 출력 변압기의 1차 측은 모두 사용 주파수에 공진하도록 축전기

C1 과 C2 를 택합니다. 이때 사용하려는 신호의 주파수 대역폭이 넓으면 각 공진회로에

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병렬로 저항(swamping resistor)을 달아주거나 1차 측과 2차 측의 결합을 조절하면 적당한

대역폭을 얻을 수 있습니다. 아래 그림은 rf 변압기의 1, 2차 측의 결합(간격)을 조절하면

서 공진특성의 변화를 보인 것입니다.

(4) 전극 간 전기용량의 중화(neutralization)

rf 영역 증폭기에서 큰 문제가 앞에서 언급한 바 있는 증폭기 소자(예: 트랜지스터)의 전극

간 전기용량에 따른 증폭율의 감소현상입니다. 다행이 이를 해결할 수 있는 방법이 있는데

전극 간 전기용량의 효과를 중화시켜서 없애는 방법입니다.

먼저 가장 문제가 되는 트랜지스터의 베이스-콜렉터 간 전기용량 CBC 의 영향을 없애주는

방법을 살펴봅니다. 아래 그림과 같이 CBC 는 공통 에미터 증폭회로에서 뒤집혀서 증폭된

출력신호의 일부를 입력(베이스)으로 되돌려주기 때문에 거꾸로 되먹임 역할을 하게 되어

증폭율을 감소시키는 요인이 됩니다. 이제 출력 변압기 T2 의 2차 측의 아래(반대 위상)

위치로부터 축전기 C4를 사용하여 입력(베이스)으로 되돌려주면 이번에는 바로 되먹임이

일어나므로 먼저의 거꾸로 되먹임 효과를 상쇄시킬 수 있게 됩니다.

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다음은 rf 증폭회로의 한 예로서 AM 라디오의 대표적인 rf 증폭회로입니다. AM 라디오의

주파수 영역(535kHz ~ 1605kHz)에서는 트랜지스터의 전극 간 전기용량효과가 크지 않기

때문에 굳이 중화회로를 사용할 필요는 없습니다. 라디오의 특성 상 여러 다른 주파수를

검색해야 하므로 연동하는 가변축전기를 사용하여 입력(안테나 측) 변압기와 출력 변압기의

공진 주파수를 함께 변화시킵니다. L1 과 L2 가 감긴 막대는 가루철심을 의미하며, AM

라디오에서는 공진 선이 넓지 않아도 되므로 두 코일을 떨어트려 약하게 결합시키는 것을

나타냅니다. 출력 변압기 T1 의 1차 측에 중심 탭을 낸 것은 트랜지스터 Q1 의 적정한

출력 임피던스로 맞춰주기 위한 것이며, 2차 측에는 또 rf 증폭회로를 추가하거나 다이오드

검파회로를 연결할 수 있습니다.

다음은 VHF TV 수상기에 시용되던 rf 증폭기 회로입니다. TV 신호의 주파수가 채널에

따라서 54MHz ~ 217MHz 로 넓은 범위이기 때문에 입력회로의 코일 L1 과 출력회로의

변압기 1, 2차 측 코일(L2, L3)들은 모두 채널에 따라 다른 인덕턴스의 것을 연동 스위치로

선택하여 사용합니다. Q1 의 점선은 금속 캔 형태의 트랜지스터 케이스를 접지시킨 것을

의미하며 이는 고주파수에서 케이스를 통한 잡음의 유입과 증폭된 신호의 방출을 막기 위한

목적입니다. 축전기 C4 는 트랜지스터 Q1 의 베이스-콜렉터 간 전기용량에 의한 거꾸로

되먹임 효과를 중화시키는 용도로, 변압기 1차 측의 아래 부분에서 출력신호를 일부 취했기

때문에 바로 되먹임을 시키는 것입니다. R3 는 바로 되먹임 전압의 크기를 정해주기 위한

것이고, C7 은 교류신호가 전원장치로 전달되는 것을 bypass 시키는 축전기입니다.

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4) 특별한 증폭기회로

자주 사용되는 몇 가지의 중요한 증폭기 회로에 대해서 살펴봅니다.

(1) 차동 증폭기(differential amplifier)

증폭기는 한 입력과 한 출력 단자를 갖는 경우가 보통이나 필요에 따라서는 두 입력단자에

가해진 전압 신호 INPUT 1 과 INPUT 2 의 차이에 비례하는 OUTPUT 신호를 출력하는

증폭기 회로가 쓰입니다. 이를 차동 증폭기라고 부르며, 뒤에 살펴볼 연산증폭기

(operational amplifier, OP AMP)의 핵심이 됩니다. 차동 증폭기의 한 예는 아래 그림과

같이 공통 에미터 증폭기에서 베이스와 함께 에미터로 다른 신호를 입력시키는 것입니다.

공통 에미터 증폭기와 공통 베이스 증폭기를 함께 쓴 것이라고도 할 수 있습니다. 그러면

출력전압은 베이스와 에미터 사이의 전압차이에 비례하므로 두 입력신호의 차이에 비례하는

출력신호를 얻게 됩니다.

대표적인 차동 증폭기는 아래 그림과 같이 같은 성능의 NPN 또는 PNP 트랜지스터 쌍으로

만든 공통 에미터 증폭기 회로입니다. 이때 저항 R3 를 두 트랜지스터의 에미터 저항으로

공유하기 때문에 한쪽에 가해진 신호가 다른 쪽 트랜지스터에도 (반대부호의) 신호로 작용

합니다. 이 회로의 생긴 모양을 본 따서 긴 꼬리 쌍(long-tailed pair)이라고도 부릅니다.

- 241 -

두 입력신호를 각 트랜지스터의 베이스에 가하는 것이 보통이지만, 한쪽 입력은 접지를 할

수도 있습니다. 그러면 일반적인 증폭기회로에서와 같이 입력신호에 비례하는 출력신호를

얻게 됩니다. 출력신호도 두 트랜지스터의 콜렉터에서 각각 취할 수 있으며, 이때 두 출력

신호의 파형은 서로 반대 부호가 됩니다.

출력신호를 두 콜렉터의 사이에서 취할 수도 있습니다. 이 경우는 차동출력(differential

output)이라고 부릅니다. 아래 그림의 (A) 에서 서로 반대부호의 두 입력신호가 가해지면

각각의 출력은 뒤집힌 서로 반대부호의 파형이고, 따라서 차동출력은 Q1 의 출력신호보다

더 커집니다. 한쪽 트랜지스터(Q2)의 베이스를 접지시킨 그림 (B) 회로에서도 크기가 같은

반대부호의 출력신호가 두 트랜지스터의 콜렉터에서 발생합니다. 이 경우에는 차동출력은

트랜지스터 Q1 의 콜렉터 출력전압(OUTPUT 1)의 두 배가 됩니다.

(A) (B)

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(2) 연산 증폭기(operational Amplifier, OP AMP)

전압 증폭율이 높은(GV ~105) 직류 결합(dc coupled)된 차동입력의 증폭기가 수학연산을

위해 쓰였기 때문에 이들을 연산 증폭기라고 부릅니다. 집적화(integrated)되어 내부에는

많은 수의 트랜지스터(또는 FET)와 다이오드 등 수동소자로 이루어졌지만 사용이 간편하기

때문에 애용되는 증폭기입니다. 특히, 거꾸로 되먹임(negative feedback)에 의해서 안정된

증폭작용과 함께 전압 증폭율을 조정하고 미분, 적분 등의 연산도 수행할 수 있습니다.

아래 그림은 연산 증폭기의 회로기호입니다. 연산 증폭기도 차동 증폭기이므로 입력단자

두개를 갖고 있고 출력신호(Vout)와 같은 파형의 입력단자를 안뒤집는 입력(noninverting

input), 신호를 입력했을 때 출력신호가 뒤집혀지는 입력단자를 뒤집는 입력(inverting

input)이라고 부르고, 각각을 “ +” 와 “ - ” 로 표시하며, 입력신호(전압)를 보통 V+ 와 V_

라고 합니다. VS+ 와 VS- 는 각각 내부 트랜지스터(또는 FET)회로를 구동시키는데 필요한

(+) 와 (-) 전원을 가리킵니다. 연산 증폭기에 전원전압을 가하는 것이 자명하기 때문에

전원전압 표시를 하지 않는 경우가 종종 있습니다. 물론 그렇다고 해서 전원전압을 가하지

않아도 된다는 뜻은 아닙니다. 그리고 보통은 +15V 와 -15V 처럼 양쪽 극성의 전원을

필요로 하지만, 한쪽(주로 -) 전원을 가하지 않고 대신 그 단자를 접지시키는 경우도 가끔

있습니다. 이처럼 한쪽 극성의 전원으로 구동이 가능한지 여부는 개개의 연산증폭기 IC 의

규격표를 살펴보아야 합니다.

연산 증폭기의 큰 증폭율을 얻기 위해서는 여러 단의 증폭회로를 필요로 합니다. 또 출력

임피던스를 낮게 하기 위해 따로 출력 증폭기회로를 갖고 있습니다. 다음은 연산 증폭기의

일반적인 내부 구성을 나타내는 그림입니다.

- 243 -

연산 증폭기의 대표적인 특성은 매우 큰 전압 증폭율(AV)과 함께 입력 임피던스(Rin)가 매우

높고 출력 임피던스(Rout)가 아주 낮다는 것입니다. 이상적인 연산 증폭기에서는 Av = ∞,

Rin = ∞, Rout = 0 이지만 실제 연산 증폭기에서는 여러 가지 이유로 모두가 유한한 값을

갖습니다.

연산 증폭기는 그 자체로서는 증폭율이 매우 커서 두 입력단에 가한 신호가 조금만 차이가

나도 출력전압이 포화, 즉 (+) 전원전압이나 (-) 전원전압으로 되어버려서 두 전압의 차이

여부를 확인하는 비교기(comparator)로는 쓸모가 있지만 증폭기로는 사용할 수 없습니다.

그래서 연산증폭기를 비교기가 아닌 다른 용도로 사용할 때는 모든 경우에 거꾸로 되먹임을

함께 사용합니다.

거꾸로 되먹임은 출력의 일부를 입력측으로 되돌려주되 원래의 입력신호와 반대의 위상으로

즉, 뒤집어서 돌려주는 것을 말합니다. 연산 증폭기에는 입력신호와 반대 위상의 신호를

출력하는 입력단(뒤집는 입력단, - 입력단)이 있으므로, 출력신호의 일부를 이 입력단으로

전해주면 자연스럽게 거꾸로 되먹임이 됩니다. 그러면 신호의 증폭이 줄어드는데 증폭율을

되먹임 회로에서 정해줄 수 있으며, 이와 함께 입력 임피던스가 증가하고 출력 임피던스가

낮아지는 개선효과가 나타납니다.

이상적인 연산 증폭기 실제 연산 증폭기

- 244 -

거꾸로 되먹임 방식에는 전압 되먹임(voltage feedback)과 전류 되먹임(current feedback)

의 두 가지 방식을 사용할 수 있습니다. 전압 되먹임은 다음 그림과 같이 저항 와

로 출력전압 을

로 줄여서 뒤집는 입력단에 가하는 방법입니다. 그러면 차동 증폭기인 연산증폭기는 입력

신호와의 차이

≡

이 되도록 출력전압을 조절해 줍니다. 즉, 출력전압은

이 되어 거꾸로 되먹임을 한 연산증폭기의 닫힌회로(closed loop) 전압 증폭율은

≡

로 되먹임 회로의 저항들에 의해서 결정됩니다. 따라서 증폭율을 임의의 값으로 마음대로

조정할 수가 있으며, 또한 연산 증폭기 내부회로의 변화라든지 다른 요인에 의해서 변하지

않는 장점이 있습니다.

위의 전압 거꾸로 되먹임에서는 안 뒤집는 입력단에 신호를 가하기 때문에 출력신호가 입력

신호와 같은 위상으로 출력하는 것이 특징입니다.

Ex. 6 다음 그림과 같은 안 뒤집는 증폭기의 전압 증폭율을 구하고 회로를

만들어서 확인해본다. 주파수에 따라서 어떻게 달라지는지 조사한다.

- 245 -

뒤집는 입력단에 신호를 가할 때 거꾸로 되먹임을 시키는 방법은 다음 그림과 같이 뒤집는

입력단에 되먹임 저항 를 통해 출력신호의 일부를 되돌리는 방법입니다. 저항 는

입력저항입니다. 이때도 연산 증폭기는 두 입력단의 전위차를 0 으로 만들기 때문에 뒤집

는 입력단도 접지(ground)와 같은 전위입니다. 그러나 두 입력단 사이의 저항이 매우 커서

입력 측으로 전류가 흐르지 않습니다. 따라서 뒤집는 입력단을 가상접지(virtual ground)라

고 부릅니다.

뒤집는 입력단으로 흘러들어가는 전류가 0 이므로

이어서, 이를 전류 되먹임이라고 부릅니다. 전류 되먹임된 연산 증폭기의 전압 증폭율은

≡

로 여기서 (-) 부호는 출력신호의 파형이 입력신호에 대해 뒤집혀 있음을 의미합니다. 이

때도 전압 증폭율은 연산증폭기의 내부회로와는 무관하고 되먹임 저항과 입력저항의 비에만

의존합니다.

- 246 -

Ex. 7 아래 그림과 같은 뒤집는 증폭기의 전압 증폭율을 구하고, 회로를

만들어 확인한다. 주파수에 따라서 어떻게 달라지는지도 조사한다.

실제의 OP AMP 는 전압 증폭율이 신호의 주파수의 함수로 변합니다. 특히 주파수가 문턱

주파수(threshold frequency) 이상이 되면 증폭작용이 소멸되는데, 여기서 는 전압

증폭율이 1 이 되는 주파수를 의미합니다. 또, 한정된 응답율(slew rate)을 가져 고속으로

신호처리가 어려워집니다. 응답율이란 신호가 바뀔 수 있는 최대의 속도를 말하며, 보통

그림과 같이 급작스레 변하는 신호를 가했을 때 증폭기의 출력이 변화를 따라가는 속력을

V/ms 로 나타내거나 출력 신호의 크기가 최대 값의 10% 에서 90% 까지 변하는데 걸리는

시간으로 나타내기도 합니다.

- 247 -

Ex. 8 위 그림과 같은 OP AMP 의 응답율 측정회로를 만들어 몇 개의

OP AMP 의 응답율을 측정해본다. 응답율은 거꾸로 되먹임에는

영향을 받지 않는다고 합니다. 이것도 실험으로 확인해 본다.

① 연산 증폭기 전압 따르기(OP AMP voltage follower)

안 뒤집는 증폭기 회로에서 되먹임 저항 , 입력저항 ∞ 로 택하면 전압 증폭율

로 출력전압은 입력전압 그대로이기 때문에 이를 따르기라고 부릅니다. 전압 증폭효과가

없는 따르기를 사용하는 이유는 따르기의 입력 임피던스가 매우 크고 출력 임피던스는 매우

낮아서 앞단 회로에는 부하로 작용하지 않아 무리 없이 뒷단으로 신호를 전달할 수가 있기

때문입니다. 따라서 완충기(buffer)로 사용됩니다.

② 연산 증폭기 전류원(OP AMP current source)

안 뒤집는 증폭기 회로에서 되먹임 저항 를 부하저항 로 대체하면 부하전류는

이어서, 부하저항()이나 부하에 가해지는 전압()에 무관하게 됩니다. 또, 입력전압

으로 일정한 전류의 크기를 조절할 수가 있기 때문에 편리하나, 부하 를 접지할 수

없는(floating load) 단점이 있습니다.

IL

Ii

L

- 248 -

③ 연산 증폭기 전류-전압 변환기(OP AMP current to voltage converter)

뒤집는 증폭기회로에서 출력전압은

이 되어 입력전류에 비례합니다. 이를 이용해서 광 다이오드(photodiode)나 광 트랜지스터

(phototransistor)의 빛 전류(photocurrent)에 비례하는 전압신호를 출력하는데 사용합니다.

Ex. 9 위의 뒤집는 연산 증폭기회로의 전류-전압 변환기 특성을 조사한다.

④ 연산 증폭기 합 증폭기(OP AMP summing amplifier)

뒤집는 증폭기의 한 변형으로 여러 입력전압(전류)의 합에 비례하는 출력전압을 출력하는

회로입니다. 다음 그림에서 되먹임 전류는

이므로, 출력전압은

입니다.

I1

I2

I3

If

Vout

- 249 -

Ex. 10. 아래 합 증폭기 회로의 출력전압을 구하고 실측해 확인해본다.

⑤ 연산 증폭기 능동 정류(검파)기(OP AMP active rectifier)

간단한 다이오드 수동 정류(검파)기(passive rectifier)는 다이오드가 ON 이 되기 위한 문턱

전압(threshold voltage) 특성 때문에 이 만큼 차이가 납니다.

이를 해결하고 또, 저 전압(< 0.7V)의 정류(검파)를 원활히 하기위해서는 되먹임회로 내에

다이오드를 포함시키면 됩니다. 즉, Vin < 0 일 때는 OP AMP 가 전압 따르기의 역할을

하므로 입력전압을 그대로 출력하고, Vin > 0 일 때는 출력이 GND 즉, 출력전압 = 0 이

됩니다. 그러나 유한한 응답율(slew rate - 출력신호가 변화되는 최대속도) 때문에 문제가

있습니다.

- 250 -

i

f

⑥ 연산 증폭기 적분기(OP AMP integrator)

그림과 같이 뒤집는 증폭기의 되먹임회로에 되먹임저항( R f ) 대신 축전기(전기용량 C f )

를 사용하면, 입력전류는

i i n=V i n

R i

= -C f

dV out

dt

이고, 따라서 출력전압은

V out=-1

R iC f

⌠⌡V i n dt

이어서, 이 회로를 적분기회로라고 부릅니다.

이 회로의 문제점으로는 offset 전압과 바이어스 전류가 축전기를 충전시켜서 출력전압을

포화시키는 것입니다. 해결책으로는 축전기와 병렬로 저항( )을 삽입하여 저항의 되먹임

효과로 축전기의 포화를 방지합니다. 그러나 주파수가 낮아지면서(

) 증폭율이

감소되고 적분기의 역할을 하지 못하게 됩니다.

⑦ 연산 증폭기 미분기(OP AMP differentiator)

뒤집는 증폭기의 입력저항 대신에 축전기(전기용량 )를 사용하면 입력전류는

이고, 따라서 출력전압은

- 251 -

f

i

으로, 이 회로를 미분기회로라고 부릅니다.

이 회로의 문제점으로는 고주파신호에 대해서는 입력임피던스가 감소해 증폭율이 증가하고

증폭기의 불안정성을 초래하는 것입니다. 해결책으로는 직렬 입력저항 R i 와 병렬 되먹임

축전기 C f 를 삽입하여 안정화를 꾀합니다. 그러나 주파수가 높아지면 오히려 적분기로의

역할을 하므로 주의가 필요합니다.

i i

Cf

- 252 -

- 253 -

5) 신호증폭 시 주의사항

신호의 증폭에 필요한 증폭회로를 제작하거나 증폭기를 사용할 때 몇 가지 주의해야할 점을

정리합니다.

1. 증폭기 회로가 사용하는 신호의 주파수에 따라서 다른 점들을 유념함

증폭기는 일반적으로 넓은 주파수 대역의 신호를 고르게 증폭시킬 수 없습니다. 그 이유는

증폭기 회로에 주파수에 따라서 변하는 리액턴스를 갖는 전기용량과 인덕턴스를 갖는 소자

들이 있기 때문입니다. 또한 트랜지스터와 같은 증폭소자 내 전하수송체의 유한한 이동도

(mobility)도 증폭이 가능한 가장 높은 주파수를 결정하는 한 요인이 됩니다. 따라서 증폭

회로의 주파수대역폭이 중요하며, 증폭기 회로를 설계할 때나 증폭기를 사용할 때 사용하는

신호의 주파수가 증폭기의 주파수대역 안에 들어있는지 확인하는 것이 중요합니다. 또한,

오디오나 rf 주파수 영역에 따라서 증폭회로의 결합방식이 다르고, 사용할 수 있는 TR 등

증폭소자도 다르다는 것을 기억하고 있어야 합니다.

2. 증폭기 회로의 구성에 따라 증폭기의 특성이 다름

증폭기는 신호를 증폭하는 방식에 따라 선형/비선형 증폭기로 나뉘고 이를 다시 A, AB, B,

C 급 등으로 구분하는데 이들의 차이점을 알고 있어야 합니다. 이 구분은 정적 상태(즉,

신호가 가해지지 않은 상태)의 동작점의 위치에 의해서 구분되며, 이에 따라 증폭기회로의

에너지 효율과 평탄도(fidelity)가 달라집니다. 또한, 같은 트랜지스터(또는 FET)를 사용한

증폭기도 신호를 어떻게 입력시키고 어떻게 출력하느냐에 따라서도 증폭회로의 특성이 다른

점에 유의합니다. 특히, 증폭율과 출력신호의 위상 및 입력과 출력 임피던스에서의 차이를

파악하고 있어야 합니다.

3. 증폭된 신호가 입력신호와 달라질 수 있는 가능성에 대해서 인지하고 차이를 최소화

시키려는 노력을 기울여야 함

입력신호를 그대로 원하는 증폭율로 증폭시키는 이상적인 증폭기는 존재하지 않습니다.

즉, 증폭된 신호는 입력된 신호로부터 다소간의 변형을 갖게 되는데 증폭기회로에서 무엇이

이 같은 신호의 변형을 초래하는지, 그리고 어떻게 하면 최소화시킬 수 있는지 알고 있어야

합니다. 그리고 더 중요한 것은 증폭기회로를 새로 만들었거나, 증폭기를 사용하고자 할

때 이상적인 증폭기에 얼마나 가까운지 미리 테스트를 하고 사용해야 한다는 점입니다.

또, 한번 테스트에 합격한 증폭기라도 시간이 지나면서 특성이 변할 수 있으므로 테스트를

자주하여 재확인해봐야 합니다.