푸시 풀 증폭기에서 부하 구동력을 향상시키는 신기술 - 제1부

(이번 연재되는 글의 작성방향을 알려 드립니다)

-기존 기술의 정전압 바이어스회로가 크게 잘못된 것은 아닙니다.

-신기술 이론은 작은신호 또는 섬세한 신호에 미치는 영향에 포커스를 두고 있습니다. 

-현재 기술로는 이 부분을 계측하기는 어렵다고 생각합니다. 청음으로 비교해 보는 방법만 가능할것 같습니다.

 

푸시풀증폭기에서 각 출력트랜지스터의 베이스에 설치된 정전압 바이어스방식의 바이어스회로에 대한 문제점을 고찰하며, 이 문제점을 해결하는 신기술을 제시하며, 정전압 바이어스방식의 바이어스회로에 대한 실험자료와 신기술에 대한 실험자료를 첨부합니다.

어마어마한 출력용량의 앰프로도 부하 구동력을 해결하지 못했던 정전압 바이어스방식의 문제점을 신기술에서는 극히 작은 출력용량의 앰프로도 출력 구동력에 문제가 없다는 것을 밝히고자 합니다.

그림1은 정전압 바이어스방식 회로 예시 1 (두 개의 다이오드);

종전의 푸시풀증폭기의 회로 중에서 출력트랜지스터의 바이어스회로에 두 개의 다이오드를 사용하는 푸시풀증폭기는 아래와 같습니다.

(그림1)

그림1의 증폭기회로에서 점선박스 안에 출력트랜지스터 1조(Q24, Q25)와 각 트랜지스터의 베이스 사이에 적정한 바이어스 전압을 공급하는 다이오드(D21, D22)가 있습니다.

 

그림2는 정전압 바이어스방식 회로 예시 2 (한 개의 트랜지스터);

종전의 푸시풀증폭기의 회로 중에서 출력트랜지스터의 바이어스회로에 한 개의 트랜지스터를 사용하는 푸시풀증폭기는 아래와 같습니다.

(그림2)

그림2의 증폭기회로에서 출력트랜지스터 1조(Q110, Q111)와 각 트랜지스터의 베이스 사이에 적정한 바이어스전압을 공급하는 트랜지스터(Q107)와 저항(R109, R110)이 있습니다.

 

푸시풀증폭기는 플러스측 출력트랜지스터와 마이너스측 출력트랜지스터를 신호의 극성에 따라서 교대로 구동시킴으로써 효율 높은 전력증폭기로 많이 사용하고 있습니다. 오디오용 증폭기에서는 Class-AB 로 동작시킵니다. Class-AB 동작은 무신호 출력 또는 소신호 출력에서는 Class-A로 동작하고, 대신호 출력에서는 Class-B로 동작을 합니다.

여기서 소신호 출력일 경우 Class-A 동작을 하기 위해서 각 출력트랜지스터의 베이스에 바이어스을 공급하여 각 출력트랜지스터의 컬렉터와 에미터 사이에 적정한 아이들링전류가 흐르도록 다이오드(그림1; D1, D2) 또는 트랜지스터(그림2; Q107)를 사용하여 바이어스 전압을 공급하고 있습니다.

각 출력트랜지스터의 컬렉터와 에미터 사이에 흐르는 아이들링전류는 크로스토크디스토션(Crosstalk Distortion) 이 없는 최소전류로 설정할 필요가 있습니다. 그러기 위해서는 두 개의 다이오드(그림1; D1, D2) 와 직렬로 반고정 저항기를 설치하거나, 한 개의 트랜지스터를 사용하는 경우(그림2; Q107)에는 저항(R109)과 직렬로 반고정 저항기를 설치하여 바이어스전압을 조정할 수 있도록 하여야 합니다.

바이어스전압이 부족할 경우에는 출력신호에 크로스토크디스토션(Crosstalk Distortion) 이 생기며, 바이어스전압이 과할 경우에는 출력트랜지스터에서 열이 많이 발생하고 무겁고 둔하며 스피드가 느린 사운드로 됩니다.

 

그림1과 그림2는 모두 정전압 바이어스전압 방식입니다.

현 시대에 푸시풀증폭기에는 모두 이러한 정전압 바이어스전압 방식을 적용하고 있습니다.

다수개의 다이오드에 의한 정전압, 1개의 트랜지스터에 의한 정전압, 두 개의 트랜지스터에 의한 정전압 등이 있습니다.

 

정전압 바이어스전압 방식은 플러스측 출력트랜지스터와 마이너스측 출력트랜지스터를 모두 아이들링전류가 흐르도록 온(ON) 상태로 유지하고 있습니다. 이 상태는 출력신호 전압의 전 전압 범위에서 동일하게 유지됩니다.

정전압 바이어스전압 방식은 플러스측 출력트랜지스터와 마이너스측 출력트랜지스터가 출력신호의 상태전환 시점에서도 컬렉터와 에미터 사이가 오프(OFF)되지 않는 것에 문제가 있습니다.

이 문제점을 설명하면,

플러스측 출력트랜지스터의 동작을 설명하면;

출력신호가 플러스전압으로 출력되고 있다고 하면, 플러스측 트랜지스터의 컬렉터에서 에미터를 경유하여 부하로 전류가 흐르고 있습니다. 이때 마이너스측 트랜지스터의 컬렉터와 에미터 사이는 오프 상태로 유지되고 있지만 정전압 바이어스전압에 의해서 마이너스측 트랜지스터의 베이스에는 바이어스전압이 공급되고 있습니다.

이때, 입력신호가 급격하게 마이너스 방향으로 감소하는 신호가 입력되면 출력신호도 마이너스 방향으로 신속하게 전환하려고 동작 할 것입니다. 출력신호가 신속하게 전환하기 위해서는 마이너스측 트랜지스터의 컬렉터와 에미터 사이는 온되고, 플러스측 트랜지스터의 컬렉터와 에미터 사이는 완전하게 오프되는 것이 바람직 합니다.

그러나 정전압 바이어스전압에 의해서 플러스측 트랜지스터의 베이스와 에미터에는 바이어스전압이 공급되고 있음으로 컬렉터와 에미터 사이에는 완전한 오프가 될 수 없습니다.

또한 플러스측 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이의 정전용량에 의해서 바이어스 전압이 감소하기까지 시간이 걸리게 되지만, 이 경우에는 정전압 바이어스전압이 유지되고 있음으로 하여 베이스와 에미터 사이의 전압은 영원히 방전하지 않습니다. 그럼으로 플러스측 트랜지스터의 컬렉터와 에미터 사이는 완전하게 오프되지 못하고 지속적으로 어느 정도의 누설전류가 흐를 것이며, 출력신호가 신속히 상태 반전하는데 방해하게 됩니다.

즉 출력신호에 변형이 생기며, 스피드가 감소하고, 고역이 롤오프되며, 파워감이 줄어든 사운드가되며, 출력 레벨도 줄어드는 사운드로 출력됩니다.

만일, 플러스측 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이의 바이어스전압이 0V로 감소한다면 베이스와 에미터 사이의 정전용량에 의한 바이어스 전압은 신속히 감소하게 될 것이며, 플러스측 트랜지스터의 컬렉터와 에미터 사이는 완전하게 오프될 수 있습니다. (이 추론이 부하 구동력 향상을 위한 신기술의 기본 개념입니다.)

 

마이너스측 출력트랜지스터의 동작 설명은 앞에서 설명된 플러스측 출력트랜지스터의 동작 설명과 동일한 개념임으로 생략합니다.

 

 

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