증폭

증폭의 물리학적 의미는 인가 신호 대비 높은 출력 신호를 얻는 것이다. 특히 전압, 전력 또는 전류 값이 증가하는 것을 의미한다. 전자소자 또는 전자회로 에서 주로 신호를 증대시킬 때 사용하는 용어이며, 그 증가 비율을 나타내는 물리량으로 "이득값(Gain)"이 주로 사용된다. 물리 신호를 증폭 시키는 장치를 증폭기라고 하며, 그 구현 방식은 다양하다.

그림 1은 증폭의 기본 개념을 보여주는 개념도이다. 입력신호가 증폭기(amplifier) 또는 증폭회로(amplifying circuit)를 거치게 되면 신호의 크기가 증가하게 된다. 입력신호 대비 출력신호의 크기가 증가하는 비율을 증폭률(amplification factor)이라 한다.

그림 1. 증폭 회로를 통해 증폭된 신호 (출처: 한국물리학회)

시간에 따라서 값이 일정한 직류 신호의 경우 증폭기를 거치면 그 신호의 크기가 증폭률을 곱한 수치로 증가하게 된다. 예를 들어 1 V의 직류 입력 전압이 증폭기에 의해 10배 증폭된다면 출력신호는 10 V 직류 전압으로 나타난다. 시간에 따라 입력 신호의 크기가 변화하는 경우 출력신호의 경우 시간에 따른 변화 양상과 함께 증폭률만큼 그 크기가 증가하는 것이다. 증폭의 영문 표현인 "amplification"을 생각해 보면 교류 신호의 진폭(amplitude)이 일정한 비율로 증가하는 것을 알 수 있다. 실제로 증폭은 음향기기의 스피커를 통해 음성 신호를 증가시키거나, 라디오와 같은 전파 신호를 증가시켜 통신에 사용하는 등, 주로 교류 신호를 증가시키기 위한 목적으로 널리 사용된다. 반도체 혁명을 이끈 트랜지스터의 발명도 미국의 벨 연구소에서 전화기의 수신음을 증폭하기 위한 증폭기를 기존의 진공관을 대체하기 위한 장치로 개발하는 과정에서 이루어졌다.

입력 신호 변화에 비례하여 출력 신호가 생기는 특성이 있는 어떤 형태의 소자 또는 회로가 있다면 원칙적으로 이를 통해 신호 증폭의 구현이 가능하다. 예를 들어 그림 2(가)와 같이 삼극 진공관 구조에서 진공관의 음극 부분을 필라멘트를 통해 가열하여 자유전자의 운동에너지를 증가시킨 후, 양극에 높은 전압을 가하면 많은 전자들이 음극에서 양극으로 이동하여 전류가 흐를 수 있는 상태가 된다. 이 진공관의 양극 사이에 존재하는 그리드에 그림 2(나)와 같이 음의 전압을 가하면 전자들이 그리드의 음전압에 의한 반발 때문에 반대편 양극으로 이동하는 것이 어렵게 된다. 따라서 상대적으로 크기가 적은 그리드의 전압을 조절함으로써 이에 비례하게 진공관 양단의 전자의 큰 흐름을 제어하게 되어 증폭의 효과를 얻을 수 있게 된다.

그림 2. 3극 진공관을 이용한 전류 증폭 및 제어 과정 (출처: 한국물리학회)

신호의 증폭 특성은 다음과 같은 요소들에 의해 결정된다.

이득값(Gain): 입력 신호 대비 출력 신호의 크기 비율 대역폭(bandwidth): 유용한 주파수 범위 효율(efficiency): 출력을 증폭시키는데 필요한 전력과 출력 전력 소비의 비율 선형성(linearity): 입력 진폭과 출력 진폭의 비율이 고 진폭 및 저 진폭 입력에 대해 동일한 지 여부 잡음(noise): 출력에 혼합 된 원하지 않는 신호 출력 다이나믹 레인지(output dynamic range): 최대 및 최소 유용한 출력 레벨의 비율 슬루율(slew rate): 시간에 대한 최대 출력 변화율 안정성(stability): 회로 또는 외부의 영향으로 나타나는 자기 진동 (self oscillation)을 피할 수 있는 능력