출력단 오프셋전압 제어회로 - 제1부

출력단 오프셋전압 제어회로 제1부에서는 차동증폭기 입력형 부궤환증폭기에서 출력단자의 오프셋 전압에 대해서 알아봅니다.

반도체 앰프에서 앰프와 스피커 접속하는 방법으로;

1. 트랜스결합 방법 (반대개념 = OTL; Output Transformer Less)

2. 컨덴서결합 방법 (반대개념 = OCL; Output Capacitor Less)

3. DC결합 방법 

등이 있습니다.

스피커, 헤드폰, 이어폰에는 DC 전압이 제거된(오프셋전압이 0V ) 신호만 공급되어야 합니다. 

스피커, 헤드폰, 이어폰에 오프셋전압이 발생하여 DC 전압이 공급된다면 보이스 코일에 직류전류가 흐르면서 음질에 영향을 주고, 전원이 인가될 때 “퍽” 하는 팝 노이즈가 생기며, 심하면 발열에 의해서 보이스 코일이 손상 됩니다.

이 오프셋전압을 조정하기 위해서 앰프회로에 반고정 저항을 설치하여 조정하도록 되어 있는 앰프도 있습니다. 오프셋 전압 조정용 반고정 저항기를 설치해도 주위 온도에 따라서 오프셋 전압이 규정 이상으로 벗어나기도 합니다. 잘 조정했어도 오래 사용하다 보면 경년변화에 의해서 오프셋 전압이 변경되기도 합니다.

앰프에서 출력단의 오프셋 전압은 중요하기도 하면서 수시로 점검하고 조정하는 것도 불편한 일입니다.

상기 1항 트랜스 결합 방법과 2항 컨덴서 결합 방법은 앰프회로의 출력단에 위치한 트랜스 또는 컨덴서에 의해서 직류적으로 분리되어 있기 때문에 오프셋 전압은 없으며 부하(스피커)에 직류가 흐를 염려가 없습니다.

근 시대에 앰프는 상기 3 항과 같은 DC결합 방법의 앰프가 대세입니다.

DC 결합 앰프에서 사용하는 오프셋 제어 방법을 알아보면;

첫번째, 그림 11와 같이 앰프의 부입력단자에 고 용량 전해콘덴서(C1)를 사용하는 방법.

 

[그림 11]

그림 11은 회로가 간단하지만 출력단자의 오프셋전압을 조정할 수 없으며, 오차도 큰 편입니다.

오피앰프(U1A)의 오프셋 특성이 좋아도 저항 R2의 값이 클 경우 오피앰프 – 입력(pin 2)으로 흐르는 누설절류에 의해서 오프셋전압이 높아집니다. 그래서 U1A를 JFET 입력 또는 MOS 입력 형으로 사용하는 것이 오프셋을 줄일 수 있는 방법입니다. 또한 전해컨덴서(C1)의 누설전류에 의해서도 오프셋전압이 높아 질 수 있습니다.

두 번째, 그림 12와 같이 오피앰프의 오프셋 조정 단자에 반고정저항(RV1)을 연결하여 조정하는 방법.

 

[그림 12]

그림 11와 같은 전해콘덴서를 사용하면서 발생하는 출력단자의 오프셋전압을 반고정저항기(RV1)으로 세밀 조정하는 방법이 있습니다. U2 오피앰프에 오프셋 단자가 있어야 합니다.

이 방법으로 출력단자의 오프셋전압은 정밀하게 조정할 수 있습니다.

이번에는 오피앰프에 전원전압이 공급될 때와 제거될 때에 발생하는 팝노이즈 (출력단자가 일시적으로 DC 전압으로 급격하게 변동하여 “퍽” 소리로 발생하는 노이즈)에 대해서 알아 보겠습니다.

그림 12에서 팝노이즈가 발생하는 원인은 오피앰프의 전원전압이 공급되거나 제거될 때 오피앰프 자체에서는 전원전압 변화에 대한 대응은 잘하고 있지만 – 입력단자(pin 2)에 접속된 전해컨덴서(C2)의 전압이 출력에 나타나기 때문 입니다. 전해컨덴서(C2)의 전압이 안정될 때까지 긴 시간이 될 수 있습니다. 

팝노이즈를 줄이려면, 전해컨덴서(C2)의 전압을 빨리 충/방전시키면 되는데, 용량을 작게 하면 오디오 신호의 저주파수가 롤오프 되어 저음이 줄어들기 때문에 컨덴서 용량을 줄이는 것은 적합하지 않습니다.

그림 13은 종래기술의 부궤환증폭기 입니다.

 

[그림 13]

그림 13과 같은 부궤환회로에서는 증폭기의 이득은 1 + (R16/R17) 가되며, 출력단자의 오프셋 보정동작에서도 증폭기의 이득(1 + (R16/R17))으로 제한되어 미세한 제어가 어렵고 신속하게 보정동작을 할 수 없습니다.

그림 13은 증폭기에 전원 인가 시 제11콘덴서(C11)가 바이어스 전압으로 충전이 완료될 때까지 출력단자의 오프셋전압이 변화하여 오프셋전압이 출력되는 불안정한 상태로 일정시간 지속됩니다.

우리는 오디오주파수 대역을 변화시키지 않으면서 출력단자 오프셋 전압을 신속하게 제어할 수 있는 방법이 필요합니다. 또한 무조정회로로 하는 것이 바람직 합니다.

기술적으로 보충설명을 하면;

그림13은 일반적인 부궤환증폭기의 일 실시 예입니다.

입력단자(IN11)로 입력된 신호는 증폭되어 출력단자(OUT11)로 출력되는데 증폭된 출력신호의 일부가 부궤환회로(R16, R17)를 경유하여 차동증폭기의 부극성트랜지스터(Q12)의 베이스로 입력되어 설정된 전압이득으로 증폭됩니다.

전압이득 Av는

Av = 1 + (R16/R17) (수학식 11)

이 되며,

도 13은 사람의 귀로들을 수 있는 오디오 주파수 범위는 20Hz~20Khz 정도이며 저 주파수에서부터 고 주파수까지 전압이득이 동일하게 적용됩니다.

도 13의 부궤환증폭기의 출력단자(OUT11)에는 평상시 어느 정도의 오프세트 전압(Offset Voltage)이 걸리게 되는데 이 오프세트 전압이 가능한 작게 걸리도록 해야 합니다. (설명 11)

필요에 따라서는 부궤환회로의 임피던스를 높일 필요가 있는데 제17저항(R17)이 커지면 오프셋전압이 높아지게 됩니다.

도 13의 부궤환회로(R16, R17)의 제17저항(R17)과 접지 사이에 직류 차단용 콘덴서가 있으며 이 제11콘덴서(C11)와 제16저항(R16)과 제17저항(R17)에 의한 시정수를 오디오주파수의 하한 주파수보다 낮게 설정해야 합니다. 이 부궤환시정수 Tfb는

Tfb = (R16 + R17) * C11 (수학식 12)

이 되며,

증폭기에 전원전압이 인가된 직후에는 출력단자(OUT11)가 전원전압까지 상승하는 불안정한 동작을 하면서 점차 오프세트 전압까지 낮아지는 데는 수초 정도 소요되며 안정되는 시간은 수학식 12에 비례하고 시정수가 클수록 안정되는 시간이 오래 걸립니다. (설명 12)

출력단자OUT11)의 직류전압이 오프셋전압 이내에 들어오도록 부궤환회로(R16, R17)와 차동증폭기에 의해서 항상 제어됩니다. (설명 13)

설명 11을 상세히 설명하면

출력단자(OUT11)에 걸리는 오프셋전압은 부극성트랜지스터(Q12)의 베이스로 전류가 흐르면서 제16저항(R16)의 양단에 발생하는 전압이 출력단자(OUT11)에 나타나는 것입니다. 제16저항(R16)은 제17저항(R17) 보다 전압이득(Av) 배로 큰 값이며 저항값을 크게 하면 출력단자에 발생하는 오프셋전압이 증가하는 문제점이 있습니다. (설명14)

설명 12를 상세히 설명하면

도 13의 부궤환회로는 제11콘덴서(C11)가 직접 관계되어 있어서 시정수에 의한 동작은 피할 수 없습니다. 이 시정수는 매우 길게 설정되어 있기 때문에 오디오 주파수영역에서는 제11콘덴서(C11)는 쇼트 되어 있는 것과 같은 효과가 있지만 출력단자(OUT11)의 오프셋전압을 제어하는 낮은 주파수에 의한 피드백제어를 하게 됩니다. 즉 출력단자(OUT11)의 전압이 변했을 때 시정수 동작에 의해서 신속하게 보정을 해줄 수 없고 시정수에 의한 제어주기로 상승과 하강을 반복하며 보정하게 되어 출력신호에 노이즈로 나타나며 제어주기의 진폭이 큰 편으로 제어 노이즈가 큽니다. (설명 15)

노이즈로 나타나는 다른 설명으로는,

오프셋전압을 보정할 때의 부궤환 량이 수학식 11과 같이 오디오주파수의 부궤환 량과 동일하게 동작함으로써 제어상태가 안정적이지 못합니다.

제11콘덴서(C11)의 정전용량이 충분히 커서 임피던스가 0(ZERO) 이라고 할 때 오디오주파수 영역의 신호이득을 Av-signal 라하고 오프셋 제어주파수 영역의 이득을 Av_offset 라고 할 때 각각 이득의 수학식은

Av_signal = 1 + (R16/R17) (수학식 13)

Av_offset = 1 + (R16/R17) (수학식 14)

라고 할 수 있으며, Av_offset의 이득을 올릴 수 없어서 신속한 제어가 어려운 문제가 있습니다.

다음 글, 출력단 오프셋전압 제어회로 – 제 2 부에서 만나요….