증폭
기

작은 신호를 키운다

증폭기는 모양은 그대로 두고 크기만 키우는 장치다. 작은 사인파를 넣으면 똑같이 생긴 큰 사인파가 나온다.

마이크가 잡는 소리는 µV~mV 수준의 아주 작은 전압 떨림이다.
센서가 내는 신호도 너무 작아서 그대로는 스피커도 못 울리고 ADC도 못 읽는다.
그래서 먼저 키워야 하고, 그 일을 하는 게 증폭기다.

핵심은 모양 보존이다. 키우되 파형을 바꾸면 안 된다.
소리 파형이 찌그러지면 다른 소리가 된다. 키우기만 하고 모양은 그대로여야 원래 소리가 더 크게 들린다.

이득은 출력 나누기 입력

얼마나 키웠는지는 한 숫자로 말한다. 그게 이득(gain)이다. 이득은 출력을 입력으로 나눈 값이다.

입력 1mV가 출력 100mV로 나오면 전압이득은 100배다.
A_v = V_out / V_in
이득이 클수록 더 작은 신호도 크게 키울 수 있다.

이득은 데시벨(dB)로도 적는다. 배율을 로그로 압축한 단위다.
전압이득(dB) = 20·log₁₀(A_v)
100배면 40dB, 1000배면 60dB다. 큰 배율을 작은 숫자로 다루려고 쓴다.

증폭기는 에너지를 만드는 게 아니다. 전원(Vcc)에서 끌어와 신호 모양대로 크게 쏟아내는 것이다. 신호는 모양만 정하고 힘은 전원이 댄다.

바이어스로 동작점 잡기

증폭하려면 먼저 트랜지스터를 적당히 켜둬야 한다. 그 켜둔 정도가 동작점(Q점)이다. 그걸 정하는 일이 바이어스다.

트랜지스터는 완전히 끄면(OFF) 신호가 안 지나가고, 완전히 켜면(포화) 더 못 움직인다.
그래서 절반쯤 켜둔 가운데 자리에 동작점을 잡아둔다.
그 자리를 기준으로 입력이 위아래로 흔들면 출력도 위아래로 따라 흔들린다.

바이어스는 신호가 없을 때도 흐르는 DC 전류와 전압으로 동작점을 고정한다.
동작점이 가운데 있어야 입력이 위로 가든 아래로 가든 양쪽 다 여유 있게 키울 수 있다. 그래야 모양이 안 잘린다.

동작점이 한쪽으로 치우치면 그쪽 여유가 부족해 신호가 조금만 커도 그쪽부터 잘린다. 그래서 바이어스 잡기가 증폭기 설계의 절반이다.

직접 키우고 잘라 보기

오른쪽에서 입력 사인파에 이득을 직접 곱해 본다. 키울수록 출력 파형이 커지고, 레일(±Vcc)을 넘는 순간 위아래가 평평하게 잘린다.

이득을 낮게 두면 출력이 레일 안쪽에서 깔끔하게 커진다. 모양 그대로 키우는 선형 증폭이다.
이득을 더 올리면 꼭대기와 바닥이 레일에 닿아 평평해진다. 사인파가 사각파처럼 망가진다.

바이어스(동작점)를 한쪽으로 밀면 그쪽부터 먼저 잘린다. 동작점이 가운데일 때 양쪽 여유가 가장 크다.
잘린 만큼 실제 이득은 설정값보다 작아진다. 더 키워도 레일이 막아서 안 커진다.

너무 키우면 잘린다, 클리핑

이득을 무작정 키운다고 좋은 게 아니다. 출력은 전원 레일(±Vcc)을 못 넘는다. 넘으려는 부분은 평평하게 잘린다. 이게 클리핑이다.

출력 진폭이 Vcc보다 커지려 하면 트랜지스터가 더 못 밀어준다.
꼭대기와 바닥이 레일에서 잘려 평평해진다. 사인파가 사각파에 가까워진다.
모양이 변했으니 소리로 치면 원래 소리에 없던 거친 잡음이 섞인다. 이게 왜곡이다.

그래서 증폭기는 신호가 레일 안쪽에 머무는 범위에서만 깨끗하다.
그 깨끗한 최대 폭이 그 증폭기가 다룰 수 있는 신호의 한계다.
더 키우고 싶으면 이득이 아니라 전원(Vcc)을 키우거나 신호를 줄여야 한다.