Push-Pull Amplifier 기본 개념 설명

Push-Pull Amplifier 입니다.

어렵지 않습니다.

최소한의 회로 개념만 있다면 이해하실 수 있도록 설명해 보겠습니다.

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1) Push-pull 증폭기 동작원리

(좀 길어질수도 있으니 양해부탁 ㅜ,)

Push pull 증폭기는 다음과 같이 NPN BJT와 PNP BJT로 이루어져 있습니다.

Push-Pull Amplifier

(Q1 : NPN BJT, Q2 : PNP BJT)

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-기본 개념

BJT는 기본적으로 Base에 들어오는 전류를 증폭해주는 '전류 증폭 트랜지스터'입니다.

따라서 기본적으로 Base단에 전류를 보낼 수 있는 전원이 존재해야 작동할 것입니다.

그리고 BJT는 diode connection으로 만들어진 소자이기 때문에 전류가 흐르는 길인 VBE 사이에 Vf(다이오드 ON전압, typically 0.6V~0.7V)가 걸려야만 합니다. 그렇지 못하면 BJT는 증폭기능을 할 수 없죠.

(여기서 NPN은 VBE가 0.6V~0.7V , PNP는 VEB가 0.6V~0.7V이 되어야 합니다, 아랫 첨자가 뒤바뀐 이유는 NPN과 PNP의 구조적 차이입니다.)

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-동작 원리

자 위 회로에서 Vi(입력)이 0이라고 해봅시다.>>> Q1과 Q2는 반드시 OFF가 됩니다.

단순히 입력이 0이어서 OFF다? NO, 절대 아닙니다. NPN인 경우에 입력(Base단)이 0V여도 E가 -0.6~0.7V라면 BJT는 ON이 될 수 있습니다.

하지만 위 회로에서 Q1의 구조를 보십시오, 부하저항 RL이 접지되어있습니다. 따라서 출력전압이 -라면 접지로부터 전류가 들어올 것 입니다. 이는 NPN BJT의 전류방향에 위배되므로 모순입니다. PNP도 VEB라는 점에 주의하셔서 똑같이 생각해보십쇼 모순이 됩니다.

또 만약 입력이 0.1V정도가 되었습니다. 조금 증가했죠? 근데 이런다고 갑자기 안흐르던 전류가 흐를까요? 아니죠! 위와 같은 방식으로 모순이 성립됨을 알 수 있습니다.

 

 

 

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자 여기서 더 나아가봅시다.

 

즉, NPN과 BJT는 절대로 동시에 ON이 될 수 없습니다. 한 쪽이 살면 한 쪽이 죽는 원수관계인 것이지요.

(이런 방식의 연결은 굉장히 많이 쓰이므로 위 회로 자체의 동작 방식을 아예 암기하는 것을 추천합니다.)

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동작원리를 다시 말로 좀 더 자세히 설명드리자면 다음과 같습니다.

Vi=0인 경우 두 BJT 모두 Cut-off 모드로 동작하므로 꺼져 있어 출력전압은 0이 된다.

입력전압이 증가하여Vi>VBEN이 되면 NPN BJT는 켜지고 PNP는 꺼지게 된다.

반대로 Vi<-VEBP가 되면 PNP BJT는 켜지고 NPN 은 꺼지게 된다.

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입력전압이 높을 경우 NPN BJT를 통해서 전류를 부하저항 RL에 밀어주고 (PUSH)

입려전압이 낮을 경우 PNP BJT를 통해서 전류를 부하저항 RL로 부터 당겨온다고 (PULL)해서

Push-Pull 증폭기라고 불리는 것 입니다.

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자 이를 회로에 표시된다면 다음과 같습니다.

 

왼쪽 : NPN ON, 오른쪽 : PNP ON

여기에서 Dead는 죽었다는 것으로 이제 회로에서 저 부분은 없는 것 처럼 생각하라는 의미입니다.

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자 이제 저 Dead존을 제외한 회로의 나머지 부분들을 생각해보면

입력이 Base에서 들어가고 출력이 Source에서 나오는 CC Amplifier (Emitter follower) 구조 입니다.

에미터 팔로워는 입력 임피던스가 크고 출력 임피던스가 작은 것이 특징입니다. 따라서 gain이 거의 1이되죠.

입력 임피던스가 크므로 신호의 입력이 거의 BJT에 전달이 되고 출력 임피던스가 작으므로 증폭된 신호를 거의 부하에 전달시킬 수 있습니다. 부하가 Source단에 달려있으므로 파형이 뒤집히지 않아 신호의 감쇠나 일그러짐 방지, 또는 임피던스 정합용으로 쓰일 수 있습니다.

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그래서 PUSH-PULL 증폭기는 보통 어떤 신호를 증폭할거 다하고 막판에 부하와 연결해줄 때 써줍니다.

입력 임피던스가 매우 크고 출력임피던스가 작다는 특성 때문입니다.

우리가 증폭하는 신호는 IC칩 단위가 아닌 이상 보통 전압으로 증폭으로 많이합니다. 따라서 이 때는 부하저항이 작을때가 큰 부하가 됩니다.

Push-Pull Amplifier는 위와 같은 이유들로 power Amplifier라고 말할 수 있습니다. 출력 임피던스영향이 매우 적어 부하에 전력(power)이 많이 전달되게 하는 증폭기 이기 때문입니다.

엄청 큰 스피커의 부하저항은 대부분 50옴 30옴 짜리입니다. 그리고 거기에도 다 PUSH PULL 회로가 연결되어있죠.

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2) Push-pull 증폭기의 입출력 특성

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입력 전압이 -VEBP~VBEN 사이에는 두 BJT는 Cutoff가 되고 VBEN 이상은 NPN이 ON, -VEBP 이하에는 PNP가 ON이 되죠 이를 그래프로 그리면 다음과 같습니다.

 

입출력 그래프, (오른쪽 그래프는 x축 시간)

왼쪽 그래프를 봅시다.

여기서 직선의 기울기는 1이됩니다. Emitter Follower 이기 때문이죠, 가운데 평평한 구간은 NPN PNP 모두 OFF되는 범위를 말하죠. Dead zone이라고 합니다. 오른쪽 직선은 NPN만 ON, 왼쪽 직선은 PNP만 ON이 되는 그래프를 말합니다.

오른쪽 그래프를 봅시다.

빨간색 신호가 입력이고 파란색 신호가 출력입니다.

Vi가 VBEN 이상 일때만 Vo가 나오며,

Vi가 -VEBP이하 일 때만 출력나오죠,

Vi가 +인 구간에서는 출력이 나올경우 Vi-Vo=VBEN입니다.

Vi가 -인 구간에서는 출력이 나올경우 Vo-Vi=VEBP가 나오죠,

그 결과 Vo가 +에서 -로 넘어가는 구간에는 Crossover distortion이라고 하는 왜곡이 발생합니다.

 

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3) Crossover Distortion 제거

바로 위에서 보셨듯이 출력에는 출력왜곡현상이 나오게 됩니다.

이를 우리는 negative feedback 회로를 이용하여 완화시킵니다.

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Push-Pull Amplifier with Negative Feedback

( 입력이 opamp의 +단자)

positive feedback을 사용하게 된다면 출력전압이 15V 정도로 saturate 될 것임으로 사용 x (이전 포스팅 참고)

feedback을 안해준다면 op amp 자체의 매우 큰 gain에 의하여 우리가 vi를 조금만 증가시켜도 출력이 폭발적으로 증가해버림,,, 우리는 gain이 1인 follower를 이용하려고 했는데 Dead zone을 줄이려다가 저 특성을 잃어버리죠..

따라서 음성피드백을 사용하는 것입니다.

그 이유에 대해 지금부터 설명드리겠습니다.

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이전 포스팅에서 제가 음성 피드백에 대해 설명드린 내용이 있습니다.

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음성 피드백이란 두 입력단자간의 전위차나 출력단자의 전위가 정상수준보다 더 올라가거나 내려가면 그것을 보상하여 다시 정상으로 회복시켜주는 안정화 효과를 말하죠. (Op Amp에서 정상수준은 0입니다)

음성 피드백을 해주면 입력단자끼리의 차이를 0으로 만들어주는 작용을 합니다. Vo=A(v+ - v-)

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만약 v+ > v- 라면 출력이 +가 나옵니다. 이게 -단자로 다시 들어가서 v-의 크기를 키워줍니다. 따라서 두 차이가 감소하게 되므로 출력전압의 크기를 감소시키죠.

만약 v- > v+ 라면 출력이 -가 나옵니다. 이게 -단자로 다시 들어아것 v-의 크기를 감소시킵니다. 따라서 두 차이가 감소하게 되므로 출력전압의 크기를 감소시키죠.

이것이 negetive feedback의 회로적 mechanism입니다.

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그러나 아무리 입력차가 작아진들 한들 완벽하게 두 입력차가 0이 되게는 만들 수 없습니다. 분명 조금의 차이는 존재하죠, 근데 그것도 계속 작게 작게 작게만드는게 negative feedback입니다. 따라서 두 입력의 차이는 매우매우매우매우 작게 됩니다. (그래서 사실상 short라고 가정을 합니다. )

그것이 매우 큰 게인 A에 곱해져서 출력이 나오죠. 따라서 출력은 나오긴 나옵니다. inverting amp를 보시면 virtual short을 가정하나, 출력은 0V로 가정하지 않죠. 위와 같은 맥락입니다.

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자자,, 정리하면

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만약 우리가 입력신호 Vi를 op amp로 증폭시켜서 push pull의 입력으로 넣어준다면,

그 커진 신호가 push-pull의 new 입력으로 들어갈 것입니다. 따라서 나는 vi를 조금만 넣어주어도 VBEN이나 VEBP보다 커져 ON이 되게 만들 수 있습니다.

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하지만!! 우리의 original 회로는 vi=vo인 emitter follower 였습니다. crossover distortion을 없앤다고 emitter follower 기능이 사라지면 배보다 배꼽이 더 큰 상황.

그래서 우리는 negative feedback을 사용, 왜? virtual short!

>> 우리의 입력을 v+에 넣어주고 push pull amp의 출력을 v-에 feedback 시켜주면 v+=v- (virtual short) 가

되므로 v+=v-는 즉, vi=vo가 되어서 emitter follower 기능 가능!!

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자 헷갈리실 수도 있으니 한번만 더 언급,

crossover distiortion 싫어

>> ok, 그러면 vi가 push pull 의 입력에 바로 들어가지 말고 중간에 증폭을 해주자

>> 아 그러면 vi를 조금만 넣어도 증폭된 값이 입력에 들어가므로 happy하게 dead zone 줄어들군요!!

>> 아 근데 push pull amp는 emitter follower 기능을 하잖아? 그러면 우리의 original 회로는 vi가 vo랑 거의 같은 gain이 1인 emitter follower 였는데 증폭된 값이 입력에 들어가버리면 vo가 vi보다 커져버리잖아 ㅠㅠ..

>>아 그렇군 그러면 negative feedback을 해주어서 virtual short를 통해 vi와 vo를 같게 만들어주자!!

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자 이해 가셨나요 ? 혼신의 힘을 불태웠습니다... 여튼 ! 우리는이것을 이용해 crossover를 없앱니다.

이젠 좀 더 수식적인 내용 추가합니다. 

 

 

(이전 oscillator 포스팅에서 feedback factor기억나시나요? feed factor는 출력에서 입력으로 피드백이 된다고 하면 어떤 비율로 되는지를 나타낸 요소입니다.

위의 회로는 출력에서 opamp의 입력으로 돌아가는 회로상에 아무것도 없습니다. 따라서 feedback factor는 1이 됩니다. 이 의미는 출력전압이 그~대로 -단자 입력에 들어간다는 말입니다.)

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사고의 흐름은 다음과 같습니다.

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1. 자 우리가 해결하고 싶은 문제점은 Deadzone이 너무 넓어 출력전압의 파형에 crossover distortion이 생겼다는 것, 따라서 Deadzone을 매우 작게 줄이면 crossover distortion은 사라질 것입니다.

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2.근데 Deadzone을 줄이려면 Vi(입력 신호)가 -VEBP~VBEN 사이에 있어도 ON이 되게 만들어야 합니다.

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3. 그렇다면 Vi의 신호에 증폭을 해준 후 push-pull amp에 입력으로 넣어주면 되겠군요. 우리는 이 vi의 증폭에 op amp를 이용합니다.

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4. negative feedback을 반드시 해주지 않으면 op amp 자체의 gain이 너무 커서 매우 큰 값으로 saturation 될 것입니다. 따라서 음성 피드백을 해줍니다.

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5. negative feedback은 push pull의 출력과 (-) 단자를 연결함으로써 구현을 해줍니다. (사실 op Amp 출력으로 feedback을 해도 크게 달라지진 않습니다 emitter follower 이기 때문에 gain이 1이기 때문이죠)

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6. 피드백 되어 돌아온 전압을 Vf라고 하면 Vf=Vo임 여기서 Vid=Vi-Vf를 op amp가 입력으로 받아 Avid를 출력으로 내놓음

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7.Vx=Avid라고 새롭게 정의한 후, Vx를 push pull의 new 입력으로 생각하자. 그렇다면 Vx도 BJT의 diode connection에 의하여 반드시 dead zone이 생김

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8. 그것을 구하기 위해 Vx와 vi사이의 관계를 정리. 왜냐하면 Vi의 Dead zone을 표현하는 부등식은

-VEBP<Vi<VBEN 인데 여기서 vi와 Vx사이의 관계를 이용해서 Vi가 아닌 Vx에 대한 부등식으로 표현 해 줄 수 있기 때문

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9.Vx=Avid=Avi-Avf, vf는 무엇인가? >> 피드백 전압, feedback factor가 1이므로 vo=vf, 또한 emitter follower 의 gain은 사실상 1이므로 vx=vo=vf 정리하면

Vx+A*Vx=(1+A)Vx=Avi=(증폭된 엽럭전압)

따라서 원래 -VEBP< vi<VBEN 이었던 Dead zone이 (orginal 입력전압)

-VEBP<(1+A)Vx<VBEN이 되어서 결과적으로

-VEBP/(1+A) < Vx < VBEN/(1+A)이 됨.

결과적으로 new 입력 Vx에 대한 Dead zone은 줄어들었음..

 

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4) Push-pull 증폭기의 전력손실

증폭기의 전력손실 식은 다음과 같습니다.

글이 길어질 것 같아 자세한 유도식은 적지 않겠습니다. 또한 이 회로를 이용할 때는 단순히 공식만 알아도 되니까요. 만약 필요하신 분들은 댓글 남겨주시면 유도 과정을 보내드리겠습니다.

공급전력(PS)과 부하전력(PL)을 고려하여 계산한 결과 입니다.

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전력 손실은 곧 열의 발생을 의미하므로 실제 증폭기를 구현할 때 이러한 값들도 고려를 꼭 해주어야 합니다.

때에 따라 방열판이 필요한 회로도 여럿 있으니까요.

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위의 식에서 Vo'는 평균손실전력(PD)가 최대가 되는 부하전압을 의미합니다. Vo'에 대한 2차 방정식이므로 (최고 차항의 계수가 음수)Vo'에 대해 미분을 하면 PD가 max가 되는 Vo'값이 나옵니다.

이때 전력 효율(부하전력/공급전력= PL/PS)를 식에 넣어서 계산하면 50%가 되며 이는 공급된 전력의 절반은 손실이 되고 절반만이 부하에 에너지를 공급하게 된다는 의미입니다.

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최대전력효율은 Vo'=VCC일때 약 78.5%로 최대가됩니다. 직접 계산해보시면 쉽게쉽게 아실 수 있을겁니다.

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자 긴 대장정이 끝났습니다.

이제 PSPICE로 시뮬레이션을 해봅시다.

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1. 우선 다음과 같이 피드백이 없는 회로를 구성했습니다.

 

Push-pull 증폭기 (DC) (no feedback)

V7을 DC SWEEP으로 -12V에서 +12V 까지 increment 0.001V로 증가시키면서 출력전압을 관찰했습니다.

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그 결과 다음과 같은 파형이 나왔습니다.

Vo (DC)

우리가 개념시간에 공부했던 형태와 똑같네요 (오른쪽 부분은 제가 자르기 했습니다, 잘 안보이실까봐)

입출력 그래프

자 이제 신호에 대한 그래프를 구해봅시다.

 

Push-pull 증폭기 (AC) (no feedback)

신호에 VAMPL 2.5V를 넣어주고 offset을 0v로설정해주었습니다. 주파수는 1kHz를 설정해주었으므로

두 주기정도 관찰하기 위헤 Run to time은 2ms로, STEP SIZE는 1000번에 1번 1us로 설정해주었습니다.

사실 100번 정도만 해도 큰 문제는 없습니다.

crossover가 정확히 보입니다. 또한 크기가 약 1.8V정도로 우리가 예상했던 2.5V-VBEN 과 일치합니다.

시간에 대한 신호그래프

형태가 100% 유사합니다.

 

이제 Crossover를 감소시켜봅시다.

negative feedback을 이용합니다.

Push-Pull 증폭기 (with negative feedback)

PSPICE 시간이나 step등은 동일하게 해주었습니다.

그 결과 출력전압은 다음과 같습니다.

이 전에 crossover가 발생했던 부분이 거의 사라졌습니다.

그 부분을 좀 더 확대시켜보겠습니다.

내 이렇게 많이 확대를 시켜야 나올정도로 crossover distortion이 감소했습니다.

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이제 Dead zone을 살펴볼까요?

Push-Pull 증폭기 (with negative feedback)

출력을 뽑으니 다음과 같습니다.

Dead zone이 거의 사라졌군요, 아니 사실 보이지 않습니다.

확대 시켜볼까요?

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uV 까지 확대시켜야 Dead zone이 겨우 관찰될 정도로 작아졌습니다.

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이상으로 Push Pull 증폭기 파트를 마치겠습니다.