증폭기의 형태(Types of Amplifier) 또는 증폭기의 종류

이 글은 증폭기에 대한 형태를 알 수 있고, 회로를 해석하는데에 있어 초심자들에게 유익할 수 있습니다.
그리고 해당 포스팅은 피드백 회로관련 글의 두번째 포스팅입니다.

---

이전 글

2021.12.24 - [전공(Major)/전자회로와 아날로그 회로설계] - 귀환 시스템(Feedback System, 피드백 시스템)과 루프 이득(Loop Gain)에 대해 알아보자

귀환 시스템(Feedback System, 피드백 시스템)과 루프 이득(Loop Gain)에 대해 알아보자

---

 

---

 배웠던 것을 상기하며.. 증폭기 형태를 알아가기

---

 

전류를 감지하는 것과 전류원에 대해

 

2021.09.01 - [실험 관련/회로이론, 전자회로 실험 가이드라인] - 디지털 멀티미터 사용법

디지털 멀티미터 사용법

 

위 포스팅에서 전류 측정방법이 적혀있고 해당 원리에 대해 적혀 있다.

간단하게 정리하자면 전류를 측정하기 위해 프로브(Probe)를 측정하고자 하는 브랜치(Branch, 가지)에 직렬 연결함으로써 전류를 측정할 수 있는데, 이는 저항 값이 매우 낮아 단락(Short)된 것처럼 보이게 만든다.

 

2021.08.18 - [회로 해석 기초 지식/Basic] - 전원 변환에 대해 알아보자

전원 변환에 대해 알아보자

 

그 다음 두번째 링크에서의 포스팅에서는 실제 전류원은 전류원(Current Source)과 내부 저항 Rs가 있는데 만약 Rs의 값이 낮아지게 되면 전류원이 보내는 전류가 Rs로 흘러들어가기 때문이다.(또는 어떤 전류가 흐르는데 내부저항 Rs로 흐를 수도 있다는 의미도 가짐)

 

따라서 내부 저항은 아주 높은 저항이 되어야 내부 저항에 전류가 흘러 들어가지 않게 된다.

(저항이 높으면 개방 즉 open 회로가 되기 때문에)

 

이를 통해 알 수 있는 점은 전류를 감지하는 회로는 전류계를 닮기 위해 낮은 입력 임피던스를 가지며, 출력 전류를 생성하는 회로는 전류원에 가깝게 만들어야 하기 때문에 높은 출력 임피던스를 가져야 한다.

 

전압을 감지하는 것과 전압원에 대해

 

생각을 해보자! 전류와 얼추..? 반대처럼 흘러갈 듯 싶은데 

 

이에 대한 해답은 전원 변환 링크에 있다. 감지하기 위해서는 임피던스가 무한대에 가깝게 되야 측정기에 완벽하게 측정하고자 하는 전압의 전압을 그대로 가져올 수 있다.

 

전압원은 내부 저항이 0에 가깝게 되야(즉 단락이 되야) 어떤 부하저항에 전압을 전달할 때 내부 저항이 전압원의 전압을 가져가지 않기 때문이다.

 

자 이제 감지와, 전원에 대해 알아보았다.

 

이제 전압 증폭기, 트랜스 임피던스, 트랜스컨덕턴스, 전류 증폭기에 대해 알아보자

 

---

전압 증폭기의 형태와 증폭기 모델

---

이상적인 경우

 

이상적인 전압 증폭기의 경우 전압을 감지하기 위해 무한대의 입력 임피던스, 0의 출력 임피던스를 가지고 있다.

 

그림 1. 이상적인 전압 증폭기

 

vout에 위치한 루프에 kvl을 적용하여 전압 이득식을 구할 수 있는데 이는 아래와 같다.

(초심자 분들을 위해 : 해당 A0의 의미는 입력신호를 A0 배 증폭했다 라는의미를 가지고 있다)

 

식 1

 

실제 전압 증폭기의 모델링

 

하지만 실제적인 경우는 입출력에 저항 성분이 있음을 상기하고 실제 전압 증폭기의 모델은 아래와 같다.

 

그림 2. 실제 전압 증폭기의 모델

 

---

트랜스임피던스(TransImpedance)

---

아래 포스팅에 대해 간단하게 설명을 하자면 Trans 는 어떤 전압(V)이나 전류(I)의 입력 신호를 받아서 Impedance 또는 Conductance의 성분을 만들어 주는 것입니다.

 

트랜스임피던스같은 경우는 어떤 입력 전류를 받아서 출력 전압을 얼마나 잘 변환 시키느냐를 의미하는 것이다.

적은 전류의 양으로도 출력 전압을 높게 만든다면 임피던스의 값(R=V/I)은 높게 나올 것이며, 높은 전류의 양으로도 출력 전압을 낮게 만든다면 임피던스의 값이 낮게 나옴을 알 수 있다.

---

Trans의 어원은 아래 포스팅에서 어원에 대한 의미를 찾고, 이 내용은 트랜스컨덕턴스의 내용도 포함되어 있습니다.

 

2021.10.09 - [회로 해석 기초 지식/Basic] - 트랜스컨덕턴스(gm)의 의미

트랜스컨덕턴스(gm)의 의미

---

 

이상적인 트랜스임피던스

 

위에서 우리는 입력전류에 따라 전압을 만드는 것을 알았으므로 입력 저항은 이상적으로 0이며, 출력이 전압을 만들어 내는 것이니 전압원임을 알 수 있다. 따라서 이상적인 전압원 내부저항이 0이여야 한다는 것을 인지해야 한다.

 

그림 3. 이상적인 트랜스임피던스와 모델링

 

전압 증폭기와 유사하게 출력에 전압원이 있으므로, KVL을 적용 가능하다. KVL을 적용하고, 임피던스 형태의 식으로 정리하면 아래와 같다.

 

식 2

 

실제 트랜스임피던스의 모델링

 

 

이전에 다루었던 것과 동일하게 내부저항이 존재하게 되며 아래 그림 4와 같이 표현이 가능하다.

 

 

그림 4 트랜스 임피던스 실제 모델

 

---

트랜스컨덕턴스(TransConductance)

---

트랜스임피던스 파트와 유사하다 다만 차이점은 입력을 전압의 형태로 받고 출력을 전류의 형태로 표현한다.

 

이상적인 트랜스컨덕턴스

 

입력을 전압으로 받다보니, 전압을 감지하기 위해 무한대의 입력 임피던스를 가지고, 출력은 전류이다. 전류원은 무한대의 임피던스를 가지는 것을 알았으므로 입/출력 둘 다 무한대의 임피던스를 가진다.

 

그림 5. 이상적인 트랜스컨덕턴스와 모델링

 

출력이 전류의 형태임으로 출력 전류(Iout)와 어떤 전압의존 종속 전류원인(Gmvin) 사이에 KCL을 적용한다면 이 둘은 같은 양이됨을 알 수 있다.

 

이를 계산하면 아래와 같다.

 

식 3

 

실제 트랜스컨덕턴스의 모델링

 

위에서 언급했던 전압 증폭기, 트랜스임피던스는 전압원과 직렬인 내부 저항이 연결되었음을 알 수 있었고, 트랜스 컨덕턴스는 전류원에 병렬로 내부저항이 연결되는 차이점이 있다.

 

그림 6. 트랜스컨덕턴스 실제 모델링

 

---

전류 증폭기

---

위에서 모든 기본적인 내용들을 전부 다루었음으로 전류 증폭기는 뭐가 나올지 뻔하다.

전류 증폭기는 입력에서 전류를 감지하고 출력에서 입력 전류를 A1배하여 출력에 나오게 된다.

 

그림 7. 이상적인 전류 증폭기와 모델링

 

이상적인 전류 증폭기

 

위에서 구한 트랜스컨덕턴스 계산 과정과 동일하게 KCL을 적용하여 구하면 아래와 같다.

 

식 4

 

실제 전류증폭기의 모델링

 

실제 전류 증폭기도 동일하게 0이 아닌 저항성분과 무한대가 아닌 출력 저항이 존재함을 알 수 있다.

 

그림 8. 전류 증폭기 실제 모델링

 

 

---

전자회로 2 과정을 학습하셨습니다.

아래 링크를 통해 다음 진도와 전자회로 2의 모든 내용을 확인하실 수 있습니다.

 

2022.01.12 - [전공(Major)/전자회로 2 과정] - 전자회로 2 커리큘럼

 

전자회로 2 커리큘럼

---