디스크리트 오피앰프 회로도 이해 및 효과 (제4부; 푸쉬풀전력증폭회로)

푸쉬풀전력증폭회로는 드라이브증폭회로에서 출력되는 신호를 전압은 그대로 유지하면서 전류용량을 증가시키는 역할을 합니다. 그래서 전력증폭회로라고 합니다. 증폭기의 출력단자에 접속되는 부하는 저항 값이 낮거나 유도성과 용량성이 강한 회로가 연결 됩니다. 이러한 부하에서 신호가 변형되지 않고 전달되기 위해서 증폭기의 출력회로는 전압과 전류를 충분히 공급 할 수 있는 구동력을 가지고 있어야 합니다. 

증폭기의 출력회로는 부하로 많은 전류를 흘려주어야 하기 때문에 출력소자에서 열이 발생합니다. 출력소자에서 발생하는 열은 안전한 범위 이하가 되도록 출력전류를 제한하는 안전장치가 반드시 필요합니다. 그렇지만 이 안전장치는 신호에 영향을 주어서는 안됩니다. 

통상적으로 출력전류제한회로로 많이 사용하는 방법으로, 과전류 검출용 트랜지스터 한 조를 사용하여 출력트랜지스터의 에미터에 접속된 저항 양단에 베이스와 에미터를 접속하고 컬렉터는 출력 트랜지스터의 베이스에 접속하는 방식을 사용합니다. 이 방식은 출력전류를 제한하지 않아야 하는 정상 상태에서 출력신호에 변형을 주는 단점이 있습니다. 왜냐하면 과전류 검출용 트랜지스터의 베이스와 에미터 간 전압이 0.6V 라는 특징을 이용한 것인데 0.6V 이하에서 전류제한 동작을 시작하기 때문입니다. 

이러한 방식을 적용한 증폭기는 작은 음량에서는 사운드가 좋은데 음량이 커지기 시작하면 사운드가 시끄러워 지는 것이 특징 입니다.

아래 전력증폭회로는 출력전류를 제한 해주는 절대절류제한 푸쉬풀전력증폭회로 입니다.

저항 R17 다이오드 D6 D10 으로 구성된 플러스 측 절대전류제한회로와, 저항 R18 다이오드 D7 D11 으로 구성된 마이너스 측 절대전류제한회로로 개선되었습니다.

절대전류제한회로의 동작을 알아 보겠습니다. 

(OUT단자의 전압을 0V, Q10과 Q11의 에미터에는 아이들링 전류만 흐르는 것으로 가정하고 설명합니다)

플러스 측 절대전류제한회로의 동작은, 

플러스 전원 +VS에서 R17을 경유하여 D6의 아래 다이오드를 경유하고 D10의 아래 다이오드를 경유하여 OUT 단자로 다이오드에 바이어스 전류가 흐릅니다.  이 바이어스 전류에 의해서 D6의 공통단자의 전압은 1.2V 를 유지하고 있습니다. 이때 에미터 저항 R15에는 전압 강하가 작으므로 무시하고 출력트랜지스터 Q10의 베이스 전압은 0.6V 정도 유지하고 있습니다. 그러면 D6 위 다이오드의 양단에 걸리는 전압은 역방향으로 바이어스 되어 D6 위 다이오드는 단선된 것과 같습니다. 그러므로 출력트랜지스터 Q10의 베이스와 절대전류제한회로는 분리된 상태이므로 절대전류제한회로는 출력신호에 영향을 주지 않습니다. 

이 상태는 D6 위 다이오드가 정방향으로 바이어스 되기 시작 할 때까지 유효합니다. 즉 에미터 저항 R15 양단의 전압이 0.6V 이상 높아 질 때부터 D6 위 다이오드의 임피던스가 작아지기 시작하여 절대전류제한회로의 영향을 받게 됩니다.

  

마이너스 측 절대전류제한회로의 동작은, 

OUT 단자에서 D11의 위 다이오드를 경유하여 D7의 위 다이오드를 경유하고 R18을 경유하여 마이너스 전원 -VS으로 다이오드에 바이어스 전류가 흐릅니다.  이 바이어스 전류에 의해서 D7의 공통단자의 전압은 -1.2V 를 유지하고 있습니다. 이때 에미터 저항 R16에는 전압 강하가 작으므로 무시하고 출력트랜지스터 Q11의 베이스 전압은 -0.6V 정도 유지하고 있습니다. 그러면 D7 아래 다이오드의 양단에 걸리는 전압은 역방향으로 바이어스가 되어 D7 아래 다이오드는 단선된 것과 같습니다. 그러므로 출력트랜지스터 Q11의 베이스와 절대전류제한회로는 분리된 상태이므로 절대전류제한회로는 출력신호에 영향을 주지 않습니다. 

이 상태는 D7 아래 다이오드가 정방향으로 바이어스 되기 시작 할 때까지 유효합니다. 즉 에미터 저항 R16 양단의 전압이 -0.6V 이하로 낮아 질 때부터 D7 아래 다이오드의 임피던스가 작아지기 시작하여 절대전류제한회로의 영향을 받게 됩니다.

출력트랜지스터(Q10, Q11) 에미터에 접속된 저항(R5, R6)에 의해서 설정된 절대제한전류 이하로 부하를 구동 할 때에는 절대전류제한회로가 영향을 주지 않습니다. 그러나 절대제한전류 이상으로 부하에 과전류가 흐를 때에는 절대전류제한회로가 동작하여 출력전류를 제한하여 출력 회로소자를 보호하게 됩니다.

위 회로와 같이 절대전류제한회로를 적용한 결과 작은 출력에서부터 최대 출력까지 사운드를 크게 올려도 음질에는 변화가 없고 음량만 증가하는 이상적인 성능을 발휘합니다. 또한 불필요하게 출력전류를 제한하는 일이 없기 때문에 열 손실이 감소하여 증폭기의 효율도 올라갑니다.

다음은 출력트랜지스터 Q10과 Q11의 베이스 바이어스회로의 개선 내용을 알아 보겠습니다.

아래 회로는 NPN 형과 PNP형 트랜지스터가 내장된 Q7, 저항 R11, R12, R13, R14 로 구성된 개선된 바이어스회로 입니다.

 

이 바이어스회로에는 아래 기능이 있습니다.

- 출력트랜지스터의 바이어스 제어 기능

- 무 조정 바이어스 기능(오토 바이어스)

- 최적의 바이어스 자동 설정 기능

- 크로스오버 디스토션(Crossover distortion)이 없음

- Class-AB 동작에서 완전한 스위칭 기능

- 전력효율 향상

- 온도 보상 제어 기능

 저항 R13, R14는 출력트랜지스터 Q10, Q11의 에미터 저항 R15, R16 에서 발생하는 전압을 검출하기 위한 용도로 사용됩니다. 

트랜지스터 NPN 형과 PNP 형이 복합되어 있는 Q7은 출력트랜지스터 Q10과 Q11의 동작을 대칭성 있도록 페어로 사용되고 있습니다.

출력트랜지스터 Q10의 에미터 전류와 Q11의 에미터 전류가 동일 하게 흐를 경우(아이들링 전류만 흐르는 상태)에는 R13과 R14의 점속점 전압은 출력단자 OUT의 전압과 동일 하며, 이 경우의 설명입니다;

첫 번째, Q7의 NPN 트랜지스터 동작 설명; 

저항 R13, R14의 접속점에서 저항 R11을 경유하고 Q7의 NPN 트랜지스터 베이스에서 에미터를 경유하여 드라이브증폭회로의 정전류부하 Q8 컬렉터로 전류가 흐릅니다. 

이때 Q7의 NPN 트랜지스터의 베이스에서 에미터로 흐르는 전류는 Q7의 NPN 트랜지스터의 컬렉터 전압으로 변환되어 출력트랜지스터 Q10의 베이스에 바이어스 전압으로 공급되며 Q10의 컬렉터에서 에미터로 흐르는 아이들링 전류를 결정 합니다. 만일 Q10에 흐르는 아이들링 전류가 증가하면 R15에 의해서 Q10의 에미터 전압이 상승하고, 저항 R13과 R14의 접속점에서 저항 R11을 경유하여 Q7의 NPN 트랜지스터 베이스로 흐르는 전류가 증가하면 Q7의 NPN 트랜지스터 컬렉터 전압이 하강하여 Q10의 베이스 전류가 감소되어 아이들링 전류가 회복된 후 안정됩니다. 반대로 Q10에 흐르는 아이들링 전류가 감소하면 R15에 의해서 Q10의 에미터 전압이 하강하고, 저항 R13과 R14의 접속점에서 저항 R11을 경유하여 Q7의 NPN 트랜지스터 베이스로 흐르는 전류가 감소하면 Q7의 NPN 트랜지스터 컬렉터 전압이 상승하여 Q10의 베이스 전류가 증가되어 아이들링 전류가 회복된 후 안정됩니다. (동작1)

두 번째, Q7의 PNP 트랜지스터 동작 설명; 

드라이브증폭회로의 증폭용 트랜지스터 Q6 컬렉터에서 Q7의 PNP 트랜지스터의 에미터와 베이스를 경유하여 저항 R12를 경유하고 저항 R13, R14의 접속점으로 전류가 흐릅니다. 

이때 Q7의 PNP 트랜지스터의 에미터에서 베이스로 흐르는 전류는 Q7의 PNP 트랜지스터의 컬렉터 전압으로 변환되어 출력트랜지스터 Q11의 베이스에 바이어스 전압으로 공급되며 Q11의 에미터에서 컬렉터로 흐르는 아이들링 전류를 결정 합니다. 만일 Q11에 흐르는 아이들링 전류가 증가하면 R16에 의해서 Q11의 에미터 전압이 하강하고, 저항 R13과 R14의 접속점에서 저항 R12를 경유하여 Q7의 PNP 트랜지스터 베이스로 흐르는 전류가 증가하면 Q7의 PNP 트랜지스터 컬렉터 전압이 상승하여 Q11의 베이스 전류가 감소되어 아이들링 전류가 회복된 후 안정됩니다. 반대로 Q11에 흐르는 아이들링 전류가 감소하면 R16에 의해서 Q11의 에미터 전압이 상승하고, 저항 R13과 R14의 접속점에서 저항 R12를 경유하여 Q7의 PNP 트랜지스터 베이스로 흐르는 전류가 감소하면 Q7의 PNP 트랜지스터 컬렉터 전압이 하강하여 Q10의 베이스 전류가 증가되어 아이들링 전류가 회복된 후 안정됩니다. (동작2)

동작1과 동작2에 의해서 출력트랜지스터에 대한 바이어스를 제어하며, 아이들링을 조정하기 위한 조정기가 필요 없고(오토 바이어스), 최적의 바이어스로 자동 설정 되는 특징이 있습니다. 항상 최적의 바이어스가 되도록 제어해주고 최소의 아이들링 전류를 유지하면서 크로스오버 디스토션(Crossover distortion)이 없는 것이 특징입니다.

출력트랜지스터 Q10의 에미터 전류가 Q11의 에미터 전류 보다 많이 흐를 경우 R13과 R14의 점속점 전압은 출력단자 OUT의 전압보다 높게 검출 되는 경우의 설명입니다;

출력트랜지스터 Q10의 에미터 전압이 높아지고(R15의 양단 전압이 증가하기 때문) R13과 R14의 접속점 전압이 높아지며, 저항 R13과 R14의 접속점에서 저항 R11을 경유하고 Q7(NPN) 트랜지스터의 베이스 전류가 증가하여 Q7(NPN) 트랜지스터를 더 강하게 온(ON) 상태로 유지 시키며, 동시에 Q10의 에미터 전압이 상승하기 때문에 Q10의 베이스 전압도 상승하고 Q7(NPN)의 컬렉터 전압과 함께 Q7(NPN)의 에미터 전압이 상승하고, 출력트랜지스터 Q11의 베이스 전압이 상승하면, Q11의 베이스와 에미터 양단이  역 바이어스 되어 Q11의 에미터와 컬렉터는 오픈(OFF) 상태로 됩니다.(동작3) 즉 Q10의 컬렉터와 에미터 간 전류가 증가하면 Q11의 에미터와 컬렉터 간 전류가 감소하며, Q10의 전류가 증가 할 수록 Q11은 오픈(OFF) 상태로 됩니다.

출력트랜지스터 Q11의 에미터 전류가 Q10의 에미터 전류 보다 많이 흐를 경우 R13과 R14의 점속점 전압은 출력단자 OUT의 전압보다 낮게 검출 되는 경우의 설명입니다;

출력트랜지스터 Q11의 에미터 전압이 낮아지고(R16의 양단 전압이 증가하기 때문) R13과 R14의 접속점 전압이 낮아지며, 저항 R13과 R14의 접속점에서 저항 R12를 경유하고 Q7(PNP) 트랜지스터의 베이스 전류가 증가하여 Q7(PNP) 트랜지스터를 더 강하게 온(ON) 상태로 유지 시키며, 동시에 Q11의 에미터 전압이 하강하기 때문에 Q11의 베이스 전압도 하강하고 Q7(PNP)의 컬렉터 전압과 함께 Q7(PNP)의 에미터 전압이 하강하고, 출력트랜지스터 Q10의 베이스 전압이 하강하면, Q10의 베이스와 에미터 양단이 역 바이어스 되어 Q10의 에미터와 컬렉터는 오픈(OFF) 상태로 됩니다.(동작4) 즉 Q11의 에미터와 컬렉터 간 전류가 증가하면 Q10의 컬렉터와 에미터 간 전류가 감소하며, Q11의 전류가 증가 할 수록 Q10은 오픈(OFF) 상태로 됩니다.

상기 동작3과 동작4에 의해서 출력 트랜지스터 Q10을 경유하여 부하 전류가 흐르는 경우에는 Q11 트랜지스터가 완전히 오픈(OFF)되어 누설전류가 없기 때문에 열 손실이 없고 출력신호가 변형되지 않습니다. 마찬가지로, 출력 트랜지스터 Q11을 경유하여 부하 전류가 흐르는 경우에는 Q10 트랜지스터가 완전히 오픈(OFF)되어 누설전류가 없기 때문에 열 손실이 없고 출력신호가 변형되지 않습니다. 즉 전력 효율이 향상되며, 출력신호가 왜곡되지 않고 충실한 증폭을 하게 됩니다. 출력 트랜지스터 페어의 푸쉬풀 동작에서 아이들링전류를 충분히 벗어난 상태에서는 완전한 스위칭 기능을 하는 것이 특징입니다.(Class-B 동작) 

작은 출력신호 일 때는 Class-AB 모드로 동작하여 크로스오버 디스토션(Crossover distortion)이 없고 섬세한 신호가 그대로 재생되며, 큰 출력신호 일 때는 Class-B 모드로 동작하여 완전한 스위칭 기능을 합니다. 

Class-AB 모드와 Class-B 모드 동작에 의해서 출력 트랜지스터 페어의 완전한 스위칭 동작으로 출력에 접속된 부하에 대한 구동력이 높습니다. 출력 트랜지스터 페어는 절대제한전류 이내에서는 손실 없이 부하를 구동함으로써 사운드가 섬세하고 넓은 사운드 공간을 형성하고 감성적이고 힘이 있고 스피드가 빠르고 다이내믹이 커서 실감나는 사운드를 재현합니다. 

더불어, 전력효율이 향상되어 발열이 적습니다.

출력트랜지스터 Q10과 Q11과 Q7이 기구적으로 결합 해 줌으로써 출력트랜지스터 Q10과 Q11에서 발생하는 열에 대한 온도제어를 하게 됩니다. 출력트랜지스터 Q10과 Q11에서 발생하는 열에 의해서 Q7의 온도가 상승하면 Q7의 각 베이스 전류가 증가하여 Q7의 NPN과 PNP 트랜지스터의 각 컬렉터 전압이 감소함으로써 출력트랜지스터 Q10과 Q11의 베이스 바이어스 전압이 감소되어 아이들링 전류를 감소시켜 적정온도를 유지하게 됩니다. 

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

"대신호 버퍼증폭회로"

"절대전류제한 방식 과전류제한회로"

로 검색하시면 상세 내용을 볼 수 있습니다.

이상으로, 디스크리트 오피앰프 회로도 이해 및 효과를 4부로 나누어 알아보았습니다.

1: 디스크리트 오피앰프 회로도 이해 및 효과 (제1부; 기초 증폭회로)

2: 디스크리트 오피앰프 회로도 이해 및 효과 (제2부; 차동증폭회로)

3: 디스크리트 오피앰프 회로도 이해 및 효과 (제3부; 드라이브증폭회로)

4: 디스크리트 오피앰프 회로도 이해 및 효과 (제4부; 푸쉬풀전력증폭회로)

감사합니다.