디스크리트 오피앰프 회로도 이해 및 효과 (제2부; 차동증폭회로)

아래는 외부와 접속되는 입력측 차동증폭회로의 1차 개선된 회로이며 개선된 내용을 알아 보겠습니다

부궤환증폭기에서 차동증폭회로는 신호를 입력 받는 부분으로 외부 회로와 접속되는 곳이며, 입력 임피던스가 상당히 높게 설계되어 있습니다. 

그래서 입력단자에 다이오드에 의한 보호회로를 설치하였습니다. 생활 정전기에 의한 손상을 방지하는 효과도 있습니다. 이 정도의 보호회로는 미약하게 발생하는 정전기에 대해서 회로 소자를 보호한다는 한계가 있습니다. 강한 정전기 또는 고전압 방전 등에 의한 강한 전압에는 보호될 수 없습니다. 

차동증폭기 Q1의 소스에 접속된 정전류회로의 정전압원 Q5는 트랜지스터 2개를 접속한 달링톤 회로로 개선하였습니다. Q5의 컬렉터와 -전원 사이에는 1.2V정도 전압(VQ5)이 유지됩니다.

이 전압(VQ5)에서 Q2의 B,E간 전압 0.6V 를 뺀 나머지 0.6V는 저항 R3 양단에 유지되면서 Q2는 안정된 정전류로 제어하게 됩니다. 이 Q2의 C,E간 흐르는 안정된 정전류는 Q1 차동증폭회로가 안정된 동작을 하는데 도움을 주며, 사운드의 음상이 흔들림 없고, 시간에 흐름에 의한 또는 전원전압의 변동에 의한 또는 주위 온도의 변화에도 안정된 증폭을 할 수 있습니다.

정전압원 Q5의 전압 변동을 최소로 하기 위하여 Q5에 공급되는 전류를 정전류원에 의해서 공급하고 있습니다. 즉 JFET Q12와 저항 R20으로 정전류원을 구성하였습니다. 증폭기 전원전압이 ±18V 또는 +36V 범위 내 어느 전압에서라도 Q5에 흐르는 전류의 변화는 최소가 됩니다. 

여기까지 차동증폭회로의 동작 안정화에 대한 개선 내용이었습니다.

이번에는 트랜지스터를 사용한 차동증폭회로에서 사운드 향상을 위한 개선된 회로를 알아 보겠습니다.

과거 진공관 라디오가 유행했고 그 뒤 트랜지스터 라디오가 생산되기 시작했습니다. 

처음 진공관 라디오 소리를 듣고 상자 속에서 사람 목소리가 난다고 놀래기도 하였지만, 진공관라디오에서 들리는 소리가 맑고 깨끗하고 생생했었다고 기억이 됩니다. 지금은 들을 수 없는 그 당시에는 깨끗하고 따듯하고 아름다웠습니다. 

진공관 라디오를 사용하다 트랜지스터 라디오를 새로 들이게 되었고, 한번 더 놀라게 되었습니다. 휴대 할 수 있다는 것이었지요.

진공관 라디오에서 트랜지스터 라디오로 바뀌면서 사운드 측면에서는 문제가 없었던 것으로 기억합니다. 진공관 보다 트랜지스터로 넘어가면서 장점만 있었던 것으로 생각됩니다. 소형이면서 전기도 덜 먹고, 수명도 길고, 험도 없었으며, 소리도 좀 더 명료해진 것으로 생각합니다.

그런데 지금의 트랜지스터 라디오는 소리에서 너무 부족합니다. 기술도 발전하였고 부품도 발전하였는데도 과거 트랜지스터 라디오보다 부족한 것 같습니다.

왜 그럴까...... 

전자파가 많아진 것도 원인이 될 수 있겠지만 다른 무엇인가 원인이 더 있을 것 같았습니다.

본인이 이에 대한 답을 얻기까지 긴 시간이 걸렸습니다.

지금은 그에 대한 답을 알고 있습니다. 그래서 현재의 오디오필 제품의 사운드가 완성된 것입니다.

그 답은 트랜지스터의 주 재료의 차이점에 있습니다. 과거 초기 트랜지스터 라디오는 게르마늄 반도체를 사용 했습니다. 과거 트랜지스터 라디오의 소리가 좋았던 기간은 게르마늄 트랜지스터로 생산 할 때까지 였습니다.

게르마늄 트랜지스터의 큰 단점은 열에 약하다는 것입니다. 그래서 출력을 높이기 어렵고, 납땜 할 때도 불편할  정도로 주의해야 했습니다. 납땜 잘못하면 트랜지스터가 사망으로 이어집니다....

게르마늄 트랜지스터 다음으로 실리콘 트랜지스터가 사용 되었습니다. 열에 강한 편이고 취급하기도 편했습니다. 수많은 종류의 실리콘 트랜지스터가 나오기 시작 했습니다. 

드디어 실리콘 반도체 시대가 온 것이지요. 고출력, 다기능, 다양한 성능, 다양한 형태로 다양한 전자 제품을 생산하게 되었습니다.

이 때부터는 라디오 소리가 좋으니 나쁘니 할 여유도 없었고, 할 필요도 없었습니다. 왜냐하면 실리콘 트랜지스터를 사용 하면서 무궁무진한 발전을 할 수 있었기 때문입니다. 

어떤 기술자가 실리콘 트랜지스터에서 나오는 소리가 나쁘다고 느꼈어도 회로를 개선하면 해결 될 것이라고 판단 했을 것이고(왜냐하면 다른 장점이 많기 때문에) 또 그렇게 믿고 회로 개선에 노력했을 것입니다.

실리콘 트랜지스터의 문제점은 현재까지 개선되지 않은 채 온 것입니다. 

그러면 게르마늄 트랜지스터와 실리콘 트랜지스터의 차이점이 무엇 이길래 사운드에 차이가 생기는 것 일까요?

그 답은 전극간 절연특성 또는 절연도의 차이에 있습니다. 

트랜지스터 규격표에서 Icbo로 표시합니다.

게르마늄 트랜지스터의 컬렉터와 베이스 간 누설전류 Icbo는 8uA ~ 30uA 입니다. (AC124, AC125 등)

반면에, 실리콘 트랜지스터의 컬렉터와 베이스간 누설전류 Icbo는 최대 0.1uA 입니다. 대략 100 배 이상 차이가 납니다.

정확하게는 컬렉터와 에미터간 누설전류 Iceo를 비교 해봐야 정확하지만, 트랜지스터 규격표에는 Iceo 를 잘 표시하지 않으므로 Icbo로 비교 했습니다.

컬렉터와 에미터간 누설전류는 게르마늄 트랜지스터 보다 실리콘 트랜지스터가 매우 작으며 절연도가 좋다는 것을 알 수 있습니다.

그러면 실리콘 트랜지스터의 절연층에서 절연도가 좋은 것이 왜 문제가 될까요?

트랜지스터로 구성된 증폭회로에서 베이스로 들어오는 입력신호의 변화가 콜렉터로 출력되기까지 얼마간 시간이 필요합니다. 베이스와 에미터사이에 존재하는 정전용량과 베이스와 컬렉터에 존재하는 정전용량과 부하저항과 같은 회로 분포용량 등에 의해서 입력에서 부터 출력으로 신호 전달에 지연 생깁니다.

만일, 베이스에 인가된 입력신호 전압이 낮아졌다고 가정하면, 베이스 전류가 감소하기 때문에 컬렉터 전류도 감소합니다. 컬렉터 전류가 감소한다는 것은 컬렉터의 임피던스가 높아지는 것과 같습니다. 부하 저항과 PCB 패턴 등의 상태에 따라서 컬렉터의 변화 속도를 따라가지 못하는 경우에는 부하저항과 컬렉터 전극이 분리되는 순간이 생기며 부하저항의 전위는 플로팅 상태로 됩니다. 

이때, 게르마늄 트랜지스터는 누설전류가 있기 때문에 부하저항과 접속 상태를 유지하지만, 실리콘 트랜지스터는 절연도가 너무 좋기 때문에 컬렉터 전류는 완전히 차단되어 부하저항과 분리된 상태로 되고, 컬렉터 단자는 임의 전압으로 변경되거나 주위의 노이즈 또는 전자파에 쉽게 노출 됩니다. 즉 증폭신호에 변형이 생기는 것 입니다.

실리콘 트랜지스터의 컬렉터와 에미터간 절연도가 좋다는 것은 장점이 되기도 하지만, 증폭하는 과정에서 트랜지스터의 컬렉터와 부하저항 사이가 끊어지는 (플로팅되는) 순간이 생기며, 이 플로팅되는 순간에는 증폭신호와 전혀 다른 전압으로 변경되고, 주위의 노이즈에 쉽게 영향을 받아서 증폭신호와 전혀 다른 전압으로 변경됩니다.

즉 증폭된 출력신호가 변형되고, 펄스 전압으로 변형되는 경우에는 자극적인 사운드로 됩니다. 또한 완만한 저역 신호 레벨을 추종하지 못하여 온화하고 깊은 저역의 사운드를 재현하지 못합니다.

사전 설명이 길었습니다.^^

아래 회로는 사운드 향상을 위한 제2차 개선회로를 적용한 차동증폭회로 입니다. 

Q1의 차동증폭회로는 JFET를 사용 했으며, JFET의 소스 단자와 드레인 단자 사이에는 절연층이 없기 때문에 플로팅 현상이 없습니다. 

Q1의 소스와 접속된 정전류회로의 트랜지스터 Q2의 컬렉터와 에미터 간에 플로팅 현상이 있기 때문에 Q3과 Q4로 구성된 플로팅방지회로를 추가 하였습니다.  

Q3, D3, R4로 구성된 플러스측 플로팅방지회로와 Q4, D4, R7로 구성된 마이너스측 플로팅방지회로는 모두 극히 작은 전류로 세팅 된 정전류회로 입니다. 대략 0.06uA 로 세팅되었기 때문에 증폭신호에는 영향을 주지 않습니다.

플로팅방지회로의 Q3과 Q4의 C,E간 극소 전류는 항상 흐르고 있습니다. Q3과 Q4의 컬렉터 접속점과 Q2의 컬렉터가 접속되어 있습니다. 즉 Q2의 컬렉터가 플로팅 된다고 하더라도 Q3과 Q4 컬렉터와 접속되었기 때문에 플로팅 되는 것을 방지 해 줍니다.

Q3과 Q4로 구성된 플로팅방지회로에 의해서 Q1의 차동증폭회로에서는 깨끗하고 온화하고 섬세한 신호를 손실 없이 그대로 증폭해주게 됩니다.

플로팅방지회로에서 컨덴서 C5와 C6은 다이오드 D3과 D4에서 발생할 수 있는 노이즈를 제거해주는 용도로 설치되었습니다. 

JFET Q13과 저항 R6으로 구성된 정전류원에 의해서 다이오드 D3과 D4에 안정된 정전류를 공급해 줍니다.

좀 더 상세한 내용을 원하실 경우에는 http://www.kipris.or.kr/ 에서 

"플로팅 방지용 전자회로"

"극소정전류 바이어스 회로 및 이것을 일체화한 반도체 소자"

로 검색하시면 상세 내용을 볼 수 있습니다.

다음 글 "디스크리트 오피앰프 회로도 이해 및 효과 제3부"에서는 개선된 드라이브 증폭기에 대해서 알아보겠습니다.