RF 회로개념 잡기 - PART 1 ▶ Amplifier (증폭기)

각 RF 회로별로, 그 회로가 의미하는 바와 역할, 종류, 조건, 기본 개념등을 알아보는 RF 회로개념잡기 기초강의가 시작되었습니다. 첫 번째로 대표적인 RF 능동회로인 Ampilifer(amp, 증폭기)에 대한 개념을 쉽고, 명쾌하게 잡아보도록 하겠습니다!

 

RF에서 amp가 필요한 이유

우리말로 증폭기라면 당연히 말 그대로 신호를 뻥튀기 시켜주기 위한 기능을 하는 것입니다. 신호의 크기를 적당히 키워야 할 경우가 있을 때마다 amp를 갖다 써야 하는 것이죠.

Amp를 써야하는 이유는 당연히 원래 신호가 작어서입니다. 무선 통신이란 말은 말 그대로 선이 없이 공중에다 쏘고 받는 것이기 때문에, 유선 선로에 비해 감쇠나 잡음이 매우 심합니다. 그래서 내보낼 때는 강한 전력으로 뻥튀기해서 내보내야 하고, 받을 때는 신호크기가 굉장히 작아서 그걸 또 왕뻥튀기 해야 하는 일이 발생합니다.

이런 이유로 송신단이냐 수신단이냐에 따라 amp를 사용하는 이유가 다릅니다. 아래에 단적인 예로 왜 증폭과정이 필요한지 그림으로 표시해 보았습니다.

송신단 : 안테나에서 적절한 최대전력으로 신호를 방출해야 원하는 곳까지 전자파가 도달할 수 있으므로 , 최종적으로 얼마만한 전력으로 증폭시키느냐 (Power amplification)가 중요한 관건입니다.

수신단 : 외부에서 수신된 신호는 그 크기가 매우 작으며, 덩달아 매우 지저분한 잡음들을 포함하고 있기 때문에 잡음을 최소화하면서 증폭하는 (Low Noise Amplification) 것이 중요해집니다.

RF에서는 위와 같은 이유로, 일반 유선/전자회로에 비해 증폭기의 역할이 좀더 중요해집니다. 위의 사례가 아니더라도 RF 곳곳에 신호의 크기를 키우기 위한 증폭기는 많이 사용되고 있지만 LNA와 PA, 이 두가지가 RF amp의 핵심을 쥐고 있다는 것은 기억해두어야 합니다.

 

Amplifier의 원리

우리 주변에서 가장 쉽게 접할 수 있는 증폭기는 바로 오디오의 볼륨을 들 수 있습니다. 소리가 작게 들린다는 것은 출력전력이 작아서 이므로, 우리가 볼륨을 돌리면 소리신호를 증폭시키면서 출력전력이 커지면서 소리도 크게 들립니다.

그렇다면 이런 신호증폭의 근본적인 원리는 무엇일까요? 걍 신호만 때려넣으면 알아서 출력단에서 뻥튀겨져서 나오는 것일까요? 증폭의 원리를 이해하려면 Transistor의 증폭 원리를 이해해야 합니다. 우선 깨달아야 할점은, 아무런 추가적 에너지 없이 신호가 저절로 뻥튀기 되지는 않는다는 점입니다. RF 증폭기의 에너지원은 바로 DC 전원(Bias)입니다. 코드도 꼽지 않은 오디오가 볼륨을 높일 수 없는 것처럼 말이죠.

여기서는 간단히 '증폭'작용의 핵심만 쉽게 이해해보도록 하겠습니다. 아래 그림은 Tr을 이용한 증폭작용의 개념도입니다.

신호증폭의 원리는, 바로 확대 복사입니다. 입력신호가 직접 Tr을 통과하면서 크기가 커지는 것이 아니라, 입력의 신호변화 형상이 출력단에 확대되어 복사되는 것입니다. DC전원은 Tr의 입력과 출력에 각각 전압/전류를 흐르게 해주며, 입력단에 비해 출력단은 훨씬 큰 전류가 흐르게 되어 있습니다. 위의 그림에서 출력단 전류가 더 굵게 그려져 있는 것이 왠지 의미심장하지 않습니까? -_-+

Tr의 입력쪽과 출력 전류는 그 변화의 양상을 공유하게 되어, 입력에 작은 RF신호가 들어오면 출력쪽에서는 그 입력에 매우 민감하게 반응하게 되어버립니다. 그래서 입력쪽에 살짝 흔들리는 신호는 출력에서는 수십배로 튕겨져서 휙휙 움직여 버립니다.

위의 설명은 주로 BJT에 대한 설명이며, FET는 전류가 아니라 전압에 의한 제어가 이루어진다는 점을 제외하고 원리적으로 는 같습니다.

입출력에 걸린 DC전원에 따라 입력쪽의 변화를 출력이 크게 오버해서 따라가는 것이 바로 증폭의 원리입니다. 결국 신호의 내용은 유지된채 더 크게 복사되는 것이죠.

 

Gain (이득)과 Maximum output power (최대출력전력)

초심자 분들의 경우 gain의 개념은 쉽게 이해하면서, 의외로 output power에 대한 개념을 아리송해 하는 경우가 많습니다. 이득이 높으면 당연히 출력전력도 높은게 아니냐는 질문도 많죠. 아닙니다! 이득과 최대출력전력은 기본적으로, 별개의 차원으로 다루어야 명확합니다.

자, 우선 이득(gain)이란 입력신호를 몇배로 튕겨주느냐를 의미합니다. 간단하죠? 신호크기가 100배로 커진다면 Gain은 20dB가 됩니다.

그에 반해 최대출력전력(maximum output power)이란, 증폭기 출력단에서 얼마나 많은 전류(전력)을 흐르게 할 수 있느냐입니다. 이것도 정의는 간단한 데, 잘 생각해보면 gain이 얼마나 되느냐는 전혀 상관없는 별개의 개념입니다. 오로지 출력단에서 몇 W까지 소화할 수 있느냐라는 어떤 최대능력치, 전력용량의 문제입니다.

이것을 좀더 이해하기 쉽게, 도박의 예로 들어볼까요? 만약 여러분이 2배의 수익을 기대하고 밤새도록 카지노에서 놀았다면, 원하는 Gain이 3dB(2배)라는 의미가 되겠지요. 그런데 카지노 규율상 하루에 따갈 수 있는 돈이 1억이라고 친다면 바로 이 1억이 이러한 최대 Power를 의미하는 셈이 됩니다. 즉 초기자본금이 천만원이건 오천만원이건 10억이건 따갈 수 있는 최대 한도액은 1억으로 한정되지요. (물론 대부분 카지노에선 돈을 잃으면 잃었지 따지는 못할 겁니다 -.-;)

이렇듯 maximum output Power는 출력단이 소화할 수 있는 최대 전력(W, dBm)을 말하는 것이므로 입력신호의 크기와 gain의 크기와는 별개로 따져야 한다는 점입니다. 물론 실제로는 Gain과 Power는 밀접한 관련을 가집니다만, 그것은 설계상의 trade off 요소들 때문입니다. 그 maximum output Power의 '개념'자체는 Gain에 의존한 개념이 아니란 것을 이해하는 것이 중요합니다.

그래서 Gain을 늘이는 방법과 output Power를 늘이는 방법은 다릅니다. 우선 아래 그림을 보실까요?

Gain이 부족하면, 증폭작용을 하는 Tr을 계속 직렬(cascade)로 연결하면 됩니다. 이때 한 Tr단을 'stage'라고 부르지요. Tr 3개를 직렬로 연결하면 3stage Amplifier가 됩니다. 그러면 앞단에서 나온 출력전력에 차곡차곡 곱해서 증폭해주게 되지요. 물론 RF에선 적절한 interstage matching이 필요합니다. 초심자가 언뜻 보면, 이렇게 되면 output power도 이득이 늘어난 만큼 늘어날 것 처럼 보이지만, 절대로! Never! 아닙니다. 같은 Tr을 줄줄히 천개를 붙인다해도, maximum output power는 눈꼽만큼도 올라가지 않습니다. 오히려 몇가지 이유로 더 떨어질 수 있습니다. 왜일까요????

maximum output power는 맨 끝단에 있는 Tr의 출력단에 절대적으로 의존합니다. 최종단에서 얼마나 많은 전류를 끌어올 수 있느냐가 결국 최대출력전력을 결정하기 때문입니다. 그리고 아시다시피 Power는 P1dB라는 지표로 최대출력가능한 전력을 표시합니다. 따라서 Output power를 늘이려면, 아래와 같은 식으로 Tr을 배치해야 합니다.

즉, 마지막 한단에 병렬로 amp단을 연결해야만 출력단에 한꺼번에 흐를 수 있는 전류용량을 증강시켜 maximum output power를 높일 수 있습니다. 이 경우, Gain은 전혀 늘어나지 않습니다. 신호가 분산되어 흐를뿐, 결국 증폭단(stage)는 하나만 거치는 것이기 때문에 조건의 변화에 의해 gain은 오히려 약간 떨어지는 경향이 있습니다. amp를 두배로 더 많이 병렬연결할 때마다 이론적으로 출력 전력은 두배(+3dB)로 늘어납니다.

자, 이것들은 아래 하나의 그림으로 총 정리가 됩니다.

우리가 Amp를 설계할 때, 우선 적절한 gain을 얻기 위해 몇 개의 stage가 필요한지 결정하게 됩니다. 그리고 적절한 최대 출력전력이 요구된다면, 마지막단에서 Tr을 병렬로 몇 열을 연결해야 할지 결정하게 되지요. 그리고 마지막단의 gain을 유심히 보고 나서, 마지막의 전단에서 마지막단에 적절한 출력으로 밀어주지 못할 것 같으면 그 전단도 병렬로 몇단을 연결할지 결정하게 되는, 그런 겁니다.. ^^

Amp단을 직렬로 연결한다는 것은 쉽게 이해가 가지만, 병렬로 연결한다는 것이 명확히 이해가 가지 않으실수도 있을 겁니다. 병렬이란 말은 큰 의미는 아니고, 전단의 출력선을 여러개로 분기해서 각각의 병렬단 Tr입력에 물리고, 그 출력들을 다시 묶어서 최종 출력단을 만드는 것입니다. Microstrip과 같은 전송선을 이용하는 경우는 좀더 주의해서 분기시켜야 하며, 많은 경우 앞 뒤에 coupler를 이용하여 dividing하고 combining하게 됩니다. coupler를 사용한 balanced amp 구조는 coupler만으로 입출력 매칭이 완벽하게 이루어지지만 덩치가 커진다는 단점이 있습니다.

 

Amp 설계의 Key point

RF Amplifier는 어떻게 설계하는 것일까요? 물론 LNA, PA, DA 등등 각각의 용도에 따라 세세한 설계법은 다르지만, 결국 하나의 key point가 있습니다. 바로 입출력 임피던스를 해당 목표에 맞게 결정하는 것입니다.

위의 간단한 그림에서 알 수 있는 것은, Amp에 사용할 Tr의 입출력 임피던스는 정해져 있는 것이 아니라 설계자가 적절히 결정해주는 것이라는 점입니다. 이것이 RF amp설계의 key point라고 할 수 있습니다. 그리고 어떤 목적의 amp를 만드느냐에 따라, 그 목적에 잘 부합되는 적절한 임피던스를 찾는 것이 중요한 작업이 되는 것입니다. 뒤집어 말한다면 입출력 임피던스에 따라 noise나 gain, power등의 특성이 변한다는 점에 주목해야 합니다. 아래의 스미스 차트를 보실까요?

위의 그림은 Tr의 S파라미터를 이용하여 계산되는 최적의 입출력 임피던스 점들의 예입니다. 저 동심원들의 중심점은 각각의 규격이 가장 좋게 나오는 최고의 임피던스점을 의미합니다. 그리고 주변의 동심원들은 중심점에 비해 해당 규격이 1dB씩 떨어지는 등고선을 의미합니다. (등고선은 설계자 입맛에 맞게 0.5dB, 2dB 간격과 같이 따로 정해서 볼 수도 있는 문제입니다)

한가지 눈치챌 수 있는 점은, min Noise, max Gain, max output Power 이 3가지를 각각 만족하는 최적의 임피던스 점은 늘 서로 다른 곳에 위치하고 있다는 것입니다. 그래서 LNA냐, PA냐, 혹은 단지 gain만 높게 나오면 되는 amp냐에 따라 임피던스를 적절히 결정하고, 결정된 임피던스를 입출력단의 50옴과 matching시키는 것이 amp설계의 관건이 되는 것이지요.

위의 3가지를 동시에 만족시킨다는 것은 어차피 불가능합니다. 보통 LNA의 경우는 NF와 gain, PA는 gain과 max output power가 서로 trade off 관계를 가지게 됩니다. 그래서 NF나 output power가 가장 잘나오는 최적의 임피던스로 정해 버리면 gain이 안나와 버리기 때문에, 약간씩 손해보면서 gain을 잡는 경우가 많습니다. 그런 이유로 실제로 저 동심원의 중심, 즉 최적의 해당규격을 얻을 수 있는 점으로 임피던스 매칭을 하기 보다는 다른 규격의 동심원을 적절히 참조하면서 해야합니다.

이것이 RF amplifier 설계의 핵심이며, 원하는 결과를 얻기 위한 임피던스점을 적절히 잡고 매칭을 잘하는 것이 가장 중요합니다. 이외에 부가적으로 발진을 막고 선형성을 증가시킬 방법을 가미한다면, amp 설계는 완성됩니다.

 

RF amp의 종류

RF amp는 PA와 LNA로 대표되지만, 그것에서 확장된 여러 개념들이 존재합니다.
각종 RF amp 종류에 대해서는 아래 용어사전의 설명을 참조하시기 바랍니다. 

PA (Power Amplifier, 파워앰프, 전력증폭기)
PAM (Power Amp Module)
LPA (Linear Power Amplifier, 선형전력증폭기)
HPA (High Power Amplifier ; 대전력증폭기)
SSPA (Solid State Power Amplifier)
DRA (DA : Drive amplifier, Driving amplifer, 구동증폭기)
LNA (Low Noise Amplifier, 저잡음 증폭기)
Tower-Top Low Noise Amplifier (TTLNA)
Buffer Amplifier (완충증폭기)
Broadband Amplifier (BBA, 광대역증폭기)

 

결론

Amplifier 설계에 있어서는 Guillermo Gonzalez의 Microwave Transistor Amplifiers - Analysis and Design 라는 책이 바이블로 통하고 있습니다. 소위 곤잘레스 책이라 불리우는 명저로서, amp를 다루려는 분이라면 무조건 먼저 봐야할 만한 책으로 추천할 만합니다.

Amp가 하는 기능은 단순하지만, 그 단순함 속에 많은 내용들이 있습니다. 여기에 설명한 내용은 amp를 이해하기 위한 아주 기본적인 1%입니다. 나머지 99%는 RFDH 안에서 차차 찾아나가도록 해보지요!

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