푸시 풀 증폭기에서 부하 구동력을 향상시키는 신기술 - 제2부

 

구동력 향상을 위한 신기술의 기본 개념을 설명하면,

아래 그림3은 개선된 비 정전압 바이어스전압 방식의 푸시풀증폭기의 바이어스회로 입니다.

그림3은 그림1의 점선 박스내부에 그대로 적용하여 설명합니다.

(그림3)

 

그림3의 Pin4는 그림1의 Pin2에 접속되며,

그림3의 Nin4는 그림1의 Nin2에 접속되며,

그림3의 Vcc4는 그림1의 Vcc2에 접속되며,

그림3의 Vee4는 그림1의 Vee2에 접속되며,

그림3의 Out4는 그림1의 Out2에 접속됩니다

 

그림3의 기능을 설명하면,

제1저항(R41, R42)은 각 출력트랜지스터의 에미터 저항으로써 출력 신호의 크기에 따라서 부하로 흐르는 전류에 의한 전압이 발생하며, 출력신호가 플러스 신호일 때 R41에는 전압이 발생하지만 R42에는 0V로 유지합니다. 반대로 출력신호가 마이너스 신호일 때 R42에는 전압이 발생하지만 R41에는 0V를 유지합니다.

이와 같이 OUT4를 기준으로 플러스와 마이너스 출력신호에 따라서 비 대칭된 전압이 R41과 R42에 발생하는 것을 동일한 저항 값으로 구성된 제2저항(R43, R44)에서 평균전압으로 인출할 수 있습니다.

제3저항(R45, R46)은 제어트랜지스터(Q41, Q44)의 각 베이스에 전류제한용으로 사용됩니다.

제어트랜지스터(Q41, Q44)는 각 출력트랜지스터의 베이스에 바이어스전압을 공급하는 역할을 하며, 비 정전압 방식으로 동작하는 것이 특징입니다.

 

그림3의 동작을 설명하면,

Pin4에서 Nin4 단자로 드라이브증폭단으로부터 드라이브전류가 흐르며, 이 전류를 이용하여 제어트랜지스터(Q41, Q44)에 의해서 각 출력트랜지스터(Q42, Q43)의 베이스에 적정한 바이어스전압을 공급하도록 자동으로 제어합니다.

소신호 출력 시 동작설명;

출력단자(OUT4)로 출력신호가 없거나 작은 신호가 출력되는 경우의 동작설명으로, 부하로 흐르는 전류가 없기 때문에 제1저항(R41, R42) 양단에는 전압이 발생하지 않거나(0V) 미약하며, 제2저항(R43, R44) 양단에도 전압이 발생하지 않거나(0V) 미약하며, 제3저항(R45, R46) 양단에는 전압이 발생하지 않거나(0V) 미약합니다.

그럼으로 각 제어트랜지스터(Q41, Q44)의 베이스 전위는 출력단자(OUT4)와 동일합니다.

Pin4에서 Nin4로 흐르는 드라이브전류에 의해서 제어트랜지스터 Q44의 에미터에서 베이스로 베이스전류가 흐름으로써 Vbe_Q44 (0.6V) 전압이 유지되고, 이 Vbe_Q44 전압은 출력트랜지스터(Q42)의 베이스와 에미터 사이에 바이어스전압으로 공급됩니다.

또한, Pin4에서 Nin4로 흐르는 드라이브전류에 의해서 제어트랜지스터 Q41의 베이스에서 에미터로 베이스전류가 흐름으로써 Vbe_Q41 (0.6V) 전압이 유지되고, 이 Vbe_Q41 전압은 마이너스 출력트랜지스터(Q43)의 베이스와 에미터 사이에 바이어스전압으로 공급됩니다.

그럼으로 Pin4단자와 Nin4단자 사이의 전압은 2 배의 Vbe로 유지됩니다.

제어트랜지스터(Q41, Q44)와 출력트랜지스터(Q42, Q43)의 베이스 특성은 거의 유사함으로 출력트랜지스터(Q42, Q43)에는 최적의 바이어스전압을 공급 받게 됩니다. 또한 바이어스전압을 조절하는 가변저항기가 필요하지 않으며, 바이어스전압이 최적의 최소 전압으로 자동설정 됨으로써 아이들링전류가 적정한 최소 전류로 설정되어 각 출력트랜지스터의 컬렉터에서 열 손실이 적습니다.

 

대신호 출력 시 동작설명;

출력단자(OUT4)로 큰 출력신호가 출력되는 경우의 동작설명을 하면;

 

첫번째, 플러스 출력신호가 출력되는 경우,

플러스 신호의 출력전류가 출력트랜지스터 Q42와 R41와 OUT4를 경유하여 부하로 흐르고, 제1저항(R41) 양단에 발생하는 전압 V_R41은 (OUT4로 흐르는 부하전류를 I_load라 하면)

V_R41 = R41 * I_load

가 발생합니다.

이때, 제1저항(R42) 양단의 전압 V_R42는 발생하지 않거나(0V) 미약하며,

V_R42 = 0

제2저항 R43과 R44의 접속점은 제1저항(R41) 양단에서 발생한 전압 V_R41과 제1저항(R42) 양단에서 발생한 전압 V_R42를 합한 전압에서 1/2로 분압된 V_R43R44 가 인출되며

V_R43R44 = (V_R41 + V_R42) / 2

= V_R41 / 2   ------------------- 계산식 10

인출된 전압 V_R43R44는 출력단자(OUT4) 보다 높은 전압 (V_R41 / 2)으로 제3저항(R45, R46)을 경유하여 각 제어트랜지스터(Q41, Q44)의 베이스에 공급됩니다.

Pin4 단자의 전압 V_Pin4는 인출전압 V_R43R44 와 제어트랜지스터 Q44의 베이스전압 Vbe_Q44의 합이 됩니다. (출력단자(OUT4)의 전압을 기준으로 하며, 제3저항(R45, R46)에서 발생하는 전압은 없는 것으로 간주합니다.)

V_Pin4 = V_R43R44 + Vbe_Q44

가 되며, 계산식 10 을 대입하면

V_Pin4 = (V_R41 / 2) + Vbe_Q44   

Vbe_Q44는 통상 0.6V가 되고,

V_Pin4 = (V_R41 / 2) + 0.6 --------------- 계산식 20

 

Nin4 단자의 전압 V_Nin4는 인출전압 V_R43R44 에서 제어트랜지스터 Q41의 베이스전압 Vbe_Q41을 뺀 전압이 됩니다. (출력단자(OUT4)의 전압을 기준으로 하며, 제3저항(R45, R46)에서 발생하는 전압은 없는 것으로 간주합니다.)

V_Nin4 = V_R43R44 - Vbe_Q41

가 되며, 계산식 10 을 대입하면

V_Nin4 = (V_R41 / 2) - Vbe_Q41

Vbe_Q41은 통상 0.6V가 되고,

V_Nin4 = (V_R41 / 2) – 0.6     --------------- 계산식 30

 

출력 신호가 없을 경우, 부하로 전류가 흐르지 않음으로 V_R41은 0V 이므로,

Pin4 단자의 전압 V_Pin4 는 계산식 20에 의해서

V_Pin4 = 0 + 0.6

V_Pin4 = +0.6V 가 되며, 

 

Nin4 단자의 전압 V_Nin4 는 계산식 30에 의해서

V_Nin4 = 0 - 0.6

V_Nin4 = -0.6V 가 됩니다.

 

출력 신호가 큰 경우, 출력신호가 출력되면 플러스 출력트랜지스터 Q42의 에미터와 저항 R41을 경유하여 OUT4를 경유하여 부하전류가 흐르고, 저항 R41 양단에 발생한 전압 V_R41 이 1V 발생한다고 가정하면,

V_R41= 1V

Pin4의 전압은 계산식 20에 의해서

V_Pin4 = (V_R41 / 2) + 0.6

V_Pin4 = (1 / 2) + 0.6

V_Pin4 = +1.1 V  --------------- 계산식 41

가 되고,

Nin4의 전압은 계산식 30에 의해서

V_Pin4 = (V_R41 / 2) - 0.6

V_Pin4 = (1 / 2) - 0.6

V_Pin4 = - 0.1 V  --------------- 계산식 42

가 됩니다,

이때, 플러스 출력트랜지스터 Q42의 베이스에는 계산식 41 과 같이 충분한 바이어스전압이 인가되어 온(ON)되고, 마이너스 출력트랜지스터 Q43의 베이스에는 계산식 42 와 같이 바이어스전압이 부족하게 인가되어 오프(OFF)됩니다.

즉 플러스 출력신호에서 플러스 출력트랜지스터는 완전하게 온(ON)되고, 마이너스 출력트랜지스터는 완전하게 오프(OFF)됩니다.

 

출력신호가 더욱 큰 신호로 출력되는 경우 제어트랜지스터(Q41, Q44)에서 제어된 바이어스전압도 그에 상응하여 증가하며, 조금도 부족하지 않게 바이어스전압을 공급하는 것이 특징입니다.

또한, 오프(OFF)되는 출력트랜지스터는 바이어스전압이 전혀 공급되지 않기 때문에 완전한 오프(OFF) 상태가 보장됩니다.

 

두 번째, 마이너스 출력신호가 출력되는 경우는 앞의 “첫번째, 플러스 출력신호가 출력되는 경우”에서  설명한 내용과 동일한 개념임으로 설명은 생략합니다.

 

이와 같이 신기술은 무신호 또는 소신호 출력 상태에서는 적정 최소 바이어스전압을 출력트랜지스터에 공급함으로써 Class-AB 상태로 제어하며, 크로스토크디스토션(Crosstalk Distortion) 걱정이 없습니다.

대신호 출력 상태에서는 각 출력트랜지스터를 온(ON)과 오프(OFF) 상태로 상보적으로 제어하여 완전한 Class-B 로 동작함으로써 충실한 출력신호를 출력함으로써 신호 변형 없이 부하를 완전하게 구동하게 됩니다.

또한, 열 발생을 최소로 하여 열 효율을 향상 시킵니다. 즉, 정전압 바이어스전압 방식의 푸시풀증폭기에서 발생하는 열보다 매우 적습니다. 그럼으로, 방열판의 크기가 줄어들고 소형으로 제작이 가능하며, 부하 구동력이 탁월함으로써 재현되는 사운드가 부족함 없이 좋습니다.

 

 이 신기술은 “대신호 버퍼증폭회로” 기술입니다.

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