앰프배우기
작성자: 킹사운드
csmaster@kingsound.co.kr
2006-11-02
조회 10642
앰프배우기
아주 쉽게 설명을 하도록 하겠습니다. 이공계 출신이 아닌 분들도 이해를 시킬 수 있을지 제 설명력에 대한 시험이기도 하다고 생각하렵니다. 그러니, 복잡한 수식같은 것은 정 어쩔 수 없을 때 외에는 거의 쓰지 않을 생각입니다. 이 연재가 잘 될 수 있도록 많은 응원 부탁드립니다. 이 일이 제 직업은 아닌 이상 생각날 때마다 한 편씩 올릴 것입니다. 어험, 그럼 시작하도록 하겠습니다. 앰프의 회로는 트랜지스터들이 완전히 켜진 것도 아니고, 꺼진 것도 아닌 애매한 상태에서 동작하게 마련입니다. 트랜지스터가 완전히 켜졌다면 저항이 거의 제로일 것이고, 완전히 꺼졌다면 저항이 거의 무한대일 것입니다. 스위칭 회로나 디지털회로에서는 트랜지스터들이 완전히 꺼지거나 완전히 켜지면서 동작하므로 앰프와는 많이 다른 것입니다. 먼저 그림의 제일 왼 쪽을 보시기 바랍니다. 10볼트 짜리 전원이 있습니다. 바로 그 오른 쪽을 보시면 저항R1과 R2가 있습니다. R1은 5k, R2는 10k입니다. 10볼트에 이들 저항이 직렬로 연결되어 있으면 전압을 어떻게 나눠 가질까요? 저항이 클 수록 전압을 더 많이 차지합니다. 따라서 R2에 걸리는 전압은 R1에 걸리는 전압의 두 배가 되지요. 그렇다면, 그 저항사이의 전위는 6.6666V가 되겠지요. 그 다음, R3와 R4를 보시기 바랍니다. 두 저항이 같네요. 그렇다면 둘이 차지하는 전압이 같을테니까 각 각 5V씩 걸리겠군요. 그렇다면, 저항 사이의 전위는 5V가 됩니다. 그 다음, R5와 R6를 보시기 바랍니다. R5가 R6에 비해 두 배입니다. 그렇다면 R5가 차지하고 있는 전압이 R6가 차지하는 전압의 두 배가 되겠군요. 그러면 저항 사이의 전위는 얼마가 될까요? 네, 그렇습니다. 3.3333V가 됩니다. 쉽지요. 앰프의 출력 전압이 이리 저리 변할 때 어떤 일이 일어나느냐 하면, 방금 예를 든 것과 같이 트랜지스터의 저항이 시간에 따라 변하기 때문에 출력 전압이 변하게 되는 것입니다. 트랜지스터는 완전히 켜지지도 꺼지지도 않은 애매한 상태, 즉, 저항처럼 동작할 때에는 베이스와 에미터 사이의 전압이 0.7V 정도가 됩니다. 회로도에서 트랜지스터의 모양은 대충 아시죠? 그림의 Q1에서 왼쪽으로 나간 선이 베이스입니다. 오른쪽 아래로 화살표 모양으로 나간 것이 에미터입니다. 오른쪽 위로 나간 것은 콜렉터라고 합니다. 어쨌든, 트랜지스터의 베이스-에미터 전압이 0.7V보다 아주 약간만 커져도 트랜지스터는 완전히 켜지게 되어 콜렉터에서 에미터로의 저항이 거의 제로가 되어버립니다. 베이스-에미터 전압이 0.7V보다 아주 약간만 작아져도 트랜지스터가 완전히 꺼져버려 콜렉터에서 에미터로의 저항은 거의 무한대가 되어버립니다. 이렇게 말하면 베이스-에미터 전압을 0.7V로 아슬 아슬하게 맞춰야 하니 얼마나 전자 회로가 어렵냐라고 생각하기 쉬운데, Q1 근처의 회로를 보시면 별거 아니구나 하실 것입니다. Q1근처의 회로를 설명하기 전에 하나 빼먹고 말씀 못드린 것이 있네요. 베이스로 흘러들어가는 전류는 매우 작다는 것입니다. 베이스로 전류를 많이 흘리게 되면 트랜지스터가 죽기도 쉽고 쓸데없이 전류를 많이 흘릴 필요가 없기 때문에 베이스에 연결되는 회로의 저항은 대개 큰 값이게 마련입니다. 먼저 R7,R8은 R1,R2와 같은 조합임을 유념하십시오. 그런데, R7,R8 사이의 전위는 6.667이 아니라 6.557로 약간 낮아진 것을 볼 수 있습니다. Q1의 베이스로 전류가 조금이나마 흘러 들어가기 때문이지요. 그렇지만, 그래서 생긴 오차는 별로 신경쓸만한 것이 아니죠? Q1의 에미터 전위는 베이스전위보다 0.7V 정도 낮은 5.866V 입니다. 그렇다면, 대충 생각해서 Q1의 콜렉터에서 에미터까지의 저항은 어느 정도 될까요? R9가 1k옴인데 5.866V를 차지하고 있고 트랜지스터는 그 나머지인 4.134V를 차지하고 있으니 대충 비례관계로 생각해서 0.7k옴 정도될 것 같습니다. 이제 Q2 주변의 회로를 살펴봅시다. R5,R6과 R12,R11은 같은 조합입니다. R12,R11 사이의 전위는 3.333V보다는 약간 작은 3.235V이고 Q2의 에미터는 그보다 0.7볼트 정도 낮은 2.567V 입니다. 7.433V는 Q2의 콜렉터에서 에미터가 차지하고 있읍니다. 그렇다면, 1k옴이 2.567V를 차지하는데 비해 약 3배의 전압을 차지하고 있으므로 트랜지스터의 저항은 약 3k옴이 됩니다. 트랜지스터의 저항이 0.7k옴도 되었다가 3k옴도 되었다가 하지요? Q1,Q2가 있는 회로에 대해 또 한가지 재미있는 것이 있읍니다. 만약, Q1의 에미터가 5.866V에서 5.966V로 바뀌었다고 생각해봅시다. 그러면, 베이스에서 에미터까지의 전압이 0.7V가 아닌 0.6V로 바뀌기 때문에 트랜지스터는 꺼지게 됩니다. 그래서, R9를 통해 흐르는 전류가 작아지고 V=I*R에 의해 R9가 차지하고 있는 전압이 작아지게 되어 Q1의 에미터 전압은 도로 작아지게 됩니다. 자, 에미터 전위가 높아진다고 가정했는데, 낮아지게 되는 결과가 됩니다. 모순 관계가 튀어나옵니다. 이 말은 무슨 말이냐 하면 부궤환 (NFB: negative feedback ) 관계가 있다는 것입니다. 오디오 좋아하는 사람들은 NFB라고만 하면 안좋게 생각하는데, 이렇게 간단한 회로도 NFB가 없으면 말이 안되는 것입니다. NFB가 없다면 트랜지스터는 완전히 켜져서 저항이 제로가 되어버리거나, 완전히 꺼져서 저항이 무한대로 되어버립니다. 어쨌거나, 앰프에서는 NFB가 없으면 아무것도 안되는 것입니다. 장사꾼들이 NFB 안 걸었다고 주장하는 것은, 노골적인 NFB를 걸지않은 약간은 부실한 회로라는 뜻으로 생각됩니다. 소리도 약간 히한하게 날테니 흔치않은 음악적인 소리가 날수도... 트랜지스터가 켜지지도 꺼지지도 않은 어중간한 상태로 동작할 수 있는 것은 NFB가 어떻게든 걸려있기 때문입니다. Q1가 이루고 있는 회로와 Q2가 이루고 있는 회로는 에미터 팔로워(emitter follower)라는 회로입니다. 에미터의 전위가 베이스 전위를 따라간다(0.7V의 차이는 있지만)는 의미로 지어진 이름입니다. 다음 글에서는 에미터 팔로워 회로를 흔들어 보겠읍니다.
그런데, 회로도와 동작파형의 그림이 복잡해 보이네요. 미리 겁먹을 필요 없읍니다. 실제 말하고자 하는 내용은 별거 없으니까요. 일단, 회로도의 제일 왼쪽을 보시면 전압원들이 세 개가 있읍니다 V1과 V2는 단순한 직류전원입니다. 10V씩이지요. Vin은 사인파를 내는데 진폭이 8V로 되어있고 주파수는 1kHz입니다. 전압원의 가장자리에는 동그란 모양의 단자가 있는데 접지는 말그대로 0V를 나머지 회로로 전달하고 Vp는 +10V, Vn은 -10V, 그리고 i는 사인파 전압을 나머지 회로로 전달합니다. 트랜지스터가 들어있는 회로를 보겠읍니다. 제일 먼저 왼 쪽 위의 Q1 이 있는 회로입니다. 신호 i는 10k옴을 통해 트랜지스터의 베이스에 연결되어 있읍니다. 트랜지스터의 에미터에는 330옴이 연결되어있고, 콜렉터에는 +10V가 연결되어 있읍니다. 우리가 하고 싶은 것은 330옴에 사인파의 전압을 걸어주는 것입니다. 그런데, i 에 10k옴이 달려있는데 거기에 330옴을 이어 달면 10k옴이 30배 정도나 될 정도로 너무 크기 때문에 330옴에는 거의 전압이 걸리지 않을 것입니다. 오디오에 관심있으신 분들이라면 어떤게 힘이 강한 신호원이고 어떤게 힘이 약한 신호원인지 감이 있으실 것입니다. 힘이 강한 신호원은 내부 저항이 작아서 출력 쪽에 웬만한 저항이 연결되더라도 출력 전압이 별로 변하지 않는 것이고, 힘이 약한 신호원은 내부 저항이 커서 출력단에 저항이 달리면 출력전압이 작아져 버리는 것이라고 생각하시면 됩니다. 힘이 약한 신호원의 대표적인 것은 턴테이블의 출력을 들 수 있을 것입니다. 힘이 강한 신호원은 단연 앰프의 스피커 출력이지요. 여기에서는 10k옴을 가지고 힘이 약한 신호원을 흉내낸 것입니다. 이 약한 신호원으로는 330옴을 절대로 구동할 수가 없겠지요. 그런데, 에미터 팔로워 회로를 쓰면 구동이 가능합니다. 트랜지스터의 베이스로는 전류가 별로 흘러들어가지 않으므로 힘이 약한 신호원의 부담이 적습니다. 그리고, 베이스와 에미터의 전압차이는 0.7V 정도가 유지된다고 했지요. 그러므로, 작은 베이스 전류 때문에 약한 신호원의 전압과 트랜지스터의 베이스 전압이 비슷하고, 그 베이스 전압보다 0.7V 만큼 작게 트랜지스터의 에미터 전압이 따라가는 것입니다. 동작파형을 보시죠. 셋 중의 제일 위 그림입니다. 초록색이 약한 신호원에서 나가는 출력 전압입니다. 빨간색이 330옴에 걸리는 트랜지스터 Q1의 에미터 전압입니다. 빨간색 곡선이 초록색 곡선을 대충 따라가지요? 그 간격에 변동이 있는 것은 베이스 전류가 흐르고 있기 때문입니다. 그림에 표시는 하지 않았지만 트랜지스터의 베이스와 에미터 전압은 항상 거의 0.7V 차이를 이루고 있을 것입니다. 그 다음은, 왼쪽 아래의 그림을 보시기 바랍니다. 트랜지스터의 모양이 조금 다르고 회로가 대체로 왼쪽 위의 그림을 상하 방향으로 뒤집어 놓은 것 같지요? 트랜지스터 Q2 가 pnp형이기 때문입니다. Q1 은 npn 형 이었읍니다. 이게 진공관과 트랜지스터가 핵심적으로 다른 면입니다. 진공관은 전부 n-type 밖에 없읍니다. 진공관 내부는 전자만 날아다니면서 동작을 하지 양이온이 날아다니면서 동작하는게 없잖습니까? 반면, 트랜지스터는 n-type (npn) 과 p-type (pnp) 가 모두 있기 때문에 회로를 만들기가 간편한 것입니다. 반도체에서도 n-type 소자의 성능이 p-type 소자보다 성능이 훨씬 좋기는 합니다. Q2 의 동작파형은 셋 중 가운데 그림입니다. 역시 입력이 초록색이고 출력이 빨간색입니다. Q1의 경우는 빨간색이 초록색 아래에서 놀았는데, 이번에는 위에서 놀고 있다는 것을 눈치채셨을 것입니다. 그렇습니다. n-type과 p-type의 동작은 전압의 극성을 뒤집어서 생각하면 됩니다. 그런데, 에미터 팔로워 회로가 약한 신호의 힘을 키우는데 만능이냐하면 그렇지는 않습니다. Q3가 있는 가운데 윗 쪽의 회로를 보시기 바랍니다. 이번에는 330옴이 -10V에 연결되어있지 않고 접지에 연결되어 있읍니다. 한편, 입력 신호는 양이건 음이건 가리지 않고 들어오고 있지요. 지난 번 글에 트랜지스터는 저항처럼 동작한다고 했지요. 출력전압을 올리려면 Q3의 저항을 줄이기만 하면 됩니다. 출력전압을 내리려면 Q3의 저항이 커져야하는데 무한대까지 커진다고 하더라도 출력전압은 0V 아래로는 절대로 내려갈 수 없읍니다. 동작파형을 보시죠. 초록색의 입력을 잘 따라가다가 0V 이하의 출력을 요구 받자 포기하고 0V를 내고 맙니다. 그래도, 욕은 하지 말아야 합니다. 이놈은 나름대로 최선을 다하고 있는 것이니까요. 가운데 아래의 회로는 n-type 대신 p-type 에 대한 회로이므로 어떻게 될 것인지 대충 짐작하실수 있지요? 동작 파형을 셋중 가운데 것으로 초록과 파랑에 대하여 보시면 짐작이 맞았음을 확인할 수 있을 것입니다. 이제 마지막으로 제일 오른 쪽 회로를 보겠읍니다. 이 회로는 n-type과 p-type을 모두 사용한 것입니다. 이 전의 회로들이 짬뽕이 되어서 섞여 있음을 느낄 수 있을 것입니다. 동작도 마찬 가지 입니다. Q5는 0V 이하의 전압을 내라고 하면 포기를 하고 없는 것 처럼 되어 버립니다. 그 때 짜쟈잔 하고 Q6 이 등장하여 동작하는 것입니다. 물론 Q6은 음전압은 자신있지만 양전압의 경우는 쥐약이므로 기절해버리고 다시 Q5가 동작하기 시작합니다. 좋은 회로지요? 두 녀석이 힘을 합쳐 서로의 단점을 커버해주니 세상살이도 이렇게 되면 좋겠읍니다. 그런데, 이 회로에도 단점이 있읍니다. 두 녀석의 관할 구역 사이에 사각 지대가 있는 것입니다. 그 이유는 무었이냐하면 두 트랜지스터 모두 정상적인 동작을 위해서는 베이스와 에미터 사이에 0.7V가 걸려야 하는데, 입력 전압이 0V 근처일 때에는 0.7V가 만들어질 수가 없기 때문입니다. 결과적으로, 두 트랜지스터가 모두 기절해버려서 0V 출력이 나와 버리는 경우가 생깁니다. 제일 아래의 동작파형을 보시면 출력전압이 0V에 잠깐 들렀다 지나가는 것을 볼 수 있읍니다. 앰프의 최종 출력단은 마지막에 설명드린 회로를 기본 구조로 하고있읍니다. 관할 구역 사이의 사각지대가 생기는 것을 방지하는 회로와 그외 간단한 회로가 추가된 정도 입니다. 이 최종 출력단의 모양은 워낙 좋아서 이와 다른 구조의 트랜지스터 앰프는 거의 없을 것입니다. 그래서, 앰프 수리 기사들은 회로도 같은 것은 보지도 않고 출력단을 고치지요. 워낙 뻔하기 때문에. 다음 번에는 증폭을 해보겠읍니다. 들어간 신호의 진폭보다 나가는 신호의 진폭이 커지는 게 어떻게 가능한 것인지 궁금들 하시죠? 여태껏 출력신호가 입력신호를 흉내내는 것만 보다보니 답답하기도 했구요. 기대해 주시기 바랍니다. 저도 글을 재미있게 쓸 수 있을 것 같습니다. 그럼 이만 줄이겠읍니다.
회로도의 왼쪽 아래를 보겠읍니다. 20V짜리 직류전원이 있고 그 옆에 교류전압원이 있읍니다. 20V짜리 직류전원은 회로를 구동하는데 필요한 것이고 교류 전원은 진폭 1V에 주파수는 1kHz인 입력 신호를 제공합니다. 왼 쪽의 증폭 회로를 보겠읍니다. 트랜지스터 Q1의 콜렉터 쪽에 5k옴이 달려있는 것이 지난 번의 에미터 팔로워 회로와 가장 다른 점입니다. 이 저항이 증폭 작용에 핵심적인 역할을 합니다. 베이스 쪽으로는 172k옴 짜리와 30k옴 짜리의 저항이 달려있읍니다. 이 두 저항은 트랜지스터의 베이스에 직류 전압을 걸어주기 위한 것입니다. 두 저항이 베이스와 연결되어 있지 않은 상태라면 그들 사이의 전압은 3V에 약간 못미치는 전압이 될 것입니다. 그렇지만 베이스로 전류가 조금은 흘러가기 때문에 그보다 좀 더 작은 전압인 2.672V 가 되었다고 그림에 나와 있읍니다. 회로도의 전압표시는 직류 동작 분석의 결과 입니다. 지난 번에도 이야기 하였듯이 에미터의 전압은 베이스 전압과 약 0.7V 정도 차이가 납니다. 그래서 2.011V가 되었읍니다. 즉, 에미터 저항 R4 ( 1k옴 짜리 )에 약 2V가 걸려있는 것입니다. 그 저항으로는 전류가 얼마나 흐를 까요? I = V/R 이므로 2 / 1000 = 0.002 = 2mA 가 흐릅니다. 이 전류는 어디를 통해서 오는 걸까요? 트랜지스터의 베이스로는 전류가 조금밖에 흐르지 않습니다. 나머지 올 곳은 콜렉터 쪽으로부터 오는 수 밖에 없겠지요. 콜렉터 전류는 콜렉터 저항 R3 ( 5k옴 짜리) 를 통해 흐를테고, 그 저항에 걸리는 전압강하는 V = I*R 이므로 2mA * 5k옴 = 10V 가 됩니다. 그래서, Q1의 콜렉터 전압은 20 - 10 = 10V가 됩니다. 회로도에도 그리 표시되어 있읍니다. 만약, 에미터 전압이 1V라고 가정해봅시다. 그러면, 에미터 저항으로 1V / 1k옴 = 1mA 가 흐를 것이고, 그 전류가 거의 그대로 콜렉터 저항 R3를 통해서 흐르므로 R3에 걸리는 전압은 1mA * 5k옴 = 5V가 될 것입니다. 그렇다면, 트랜지스터의 콜렉터는 20 - 5 = 15V에 가 있게 될 것입니다. 이제는 에미터 전압이 3V라고 가정해봅니다. 그러면 에미터 저항 1k옴을 통해 3V / 1k옴 = 3mA가 흐를 것이고, 그 전류가 콜렉터 저항 R3를 통해 흐를 때의 전압 강하는 3mA * 5k옴 = 15V 가 될 것입니다. 그러면, 트랜지스터 콜렉터의 전위는 20 - 15 = 5V 가 되겠읍니다. 위의 세 경우를 요약해보겠읍니다. 에미터 전압 콜렉터 전압 1V 15V 2V 10V 3V 5V 딱, 보시면 눈치를 채시겠지만, 에미터 전압의 변동폭에 비해 콜렉터 전압의 변동폭이 다섯 배가 됩니다. 이 '다섯 배'는 어디서 나오는 것일까요? 바로 '콜렉터 저항 나누기 에미터 저항' 인 것입니다. 베이스 전압과 에미터 전압은 0.7V 정도 차이가 나므로 베이스로의 입력전압 변동폭보다 다섯 배 큰 콜렉터 전압의 변동이 일어나는 것입니다. 그래서, 이런 회로의 베이스를 입력이라고 보고 출력이 콜렉터라고 볼 때 다섯 배, 즉, '콜렉터 저항 / 에미터 저항' 배의 증폭이 일어나는 것입니다. 아! 증폭률 설명을 하느라고 베이스 입력단을 모두 설명드리지 않았군요. R1과 R2가 베이스 전압을 3V 정도로 맞추어 주는 역할을 한다고 까지 말씀 드렸죠. 그 앞의 콘덴서 C1은 신호의 교류 성분만 전달하기 위한 것입니다. 직류 전압을 차단시켜 주기 때문에 콘덴서의 왼 쪽은 0V를 중심으로 진동하는 신호이지만, 오른 쪽은 3V 정도를 중심으로 진동하는 신호로 바뀌게 됩니다. 콘덴서 C1 왼 쪽의 저항 R5 ( 10k옴 짜리 )는 힘이 약한 신호원을 흉내내기 위한 것입니다. 이제 동작 파형을 보시기 바랍니다. 베이스 전압은 빨간색과 노란색으로 표시하였는데 두 개가 겹치다 보니까 밥맛 떨어지는 색으로 보입니다. 입력신호에 따라 움직일텐데 그 진폭이 1V가 좀 안되는 군요. 진폭이 1V라면 최대값 빼기 최소값이 2V가 되어야 하는데 그림을 보면 1.5V 정도 밖에 안되는 것 같습니다. 이렇게 줄어드는 이유는 입력 신호원의 힘이 약해서 베이스에 3V 전압을 걸어주기 위한 R1과 R2를 흔들기에 힘이 좀 부치기 때문입니다. R1과 R2를 좀 큰 저항으로 바꾸어 말을 잘듣게 하고 싶지만 그러면 베이스 전압을 3V 정도로 맞추기가 어려워 집니다. 트랜지스터의 특성에 따라 꽤 다른 값으로 되어 버릴 수가 있읍니다. Q1의 콜렉터 전압( 하늘색 )이 흔들리는 것을 보시죠. 베이스전아보다는 훨씬 크게 흔들리지요? 확실히 증폭이 되는 것이 맞긴 맞네요. 동작파형을 잘 관찰해보시면 베이스전압 변동의 다섯 배 만큼 콜렉터 전압이 흔들리고 있음을 알 수 있을 것입니다. 이제 오른 쪽 회로를 보겠읍니다. 이 회로는 왼 쪽의 회로와 모두 똑같은데 에미터 저항이 둘로 나뉘어 있고 그 중 아래 부분은 콘덴서가 병렬로 달려있읍니다. 이 회로의 동작부터 보도록하지요. 파란색이 Q2의 콜렉터 전압인데 Q1의 콜렉터 전압(하늘색)보다는 월등히 진폭이 큽니다. 놀랍죠? 이렇게 증폭률이 커진 것은 콘덴서 C3 가 전압을 일정하게 꽉잡고 있기 때문입니다. C3의 윗 쪽 전압이 1V라고 되어있는데 이 전압은 계속 거의 일정하게 유지됩니다. 용량이 큰 콘덴서에 걸리는 전압은 바뀌기가 힘들기 때문입니다. 따라서, 만약 Q2의 에미터 전압이 2V에서 2.5V로 바뀌게 되면 그 2.5V를 위의 에미터 저항이 1.5V, 아래의 에미터 저항은 여전히 1V를 잡고있게 됩니다. 그러면, 위의 에미터 저항 R6을 통해 1.5V/500옴=3mA 가 흐르게 됩니다. 그러면 콜렉터 저항 R7을 통해 그 전류가 거의 고스란히 흐르게 되므로 R7에 걸리는 전압강하는 3mA * 5k옴 = 15V 가 됩니다. 그러면 콜렉터 전압은 20 - 15 = 5V가 되게 되지요. Q1의 경우에는 에미터 전압이 3V로 변해야 나왔던 결과가 2.5V까지만 변했는데도 나오니 증폭률이 두 배 가 된 것입니다. 이런 식으로 꽤 높은 증폭률을 얻을 수 있읍니다. 실제 회로의 경우 R6은 매우 작거나 없게, R11은 크게 설계를 하여 엄청나게 높은 증폭률을 구현합니다. R6이 없는 경우는 트랜지스터 내부의 기생저항을 이용하는 것으로 증폭률이 엄청나게 커지겠지만 재현성이 떨어지게 됩니다. 오늘 이 글을 쓰면서 제 글이 점 점 어려워 지고 있다는 것을 느낍니다. 오늘의 글은 좀 어렵더라도 참고 읽어 보시기 바랍니다. 다음부터는 더 정성을 들여 쉽게 써보도록 해보겠읍니다.
앰프 배우기 2 - 힘이 좋은 에미터 팔로워 앰프 배우기 3 - 증폭, 입력보다 출력이 크다니 에 이어 앰프 배우기 4 - 모 아니면 도, 과격한 차동 증폭기 를 제목으로 글을 시작하겠읍니다. 지난 번까지 부제없이 숫자만 메기면서 글을 쓰려니 재미도 없는 것 같고, 저 조차도 지난 번에 어떤 내용의 글을 썼는지 오락 가락하기에 부제를 지어놓는게 나을 것 같아서 이번부터 그리 하도록 하겠읍니다. 차동증폭기는 앰프 뿐만 아니라 여러 전자기기에서 핵심적인 역할을 하는 것입니다. 어떤 사람은 자동차의 차동 기어로 예를 들어 설명하기도 하는데 그것을 설명하기가 더 어려울 것 같습니다. OP 앰프라는 말을 많이 들어보셨을 것입니다. OP 앰프의 핵심이 바로 차동증폭기입니다. 좀더 복잡하게 공들여 만든 것이지요. 차동증폭기는 비교기라고 볼 수도 있읍니다. 입력1에 비해 입력2가 크냐 작냐에 따라 큰 전압, 작은 전압이 나오는 것입니다. 먼저, 동작 파형부터 보도록하겠읍니다. 위의 동작 파형 중 빨간색은 1번 입력이고, 파란색은 2번 입력입니다. 아래 동작 파형은 출력 전압인데, 1번이 2번 보다 큰 경우 작은 전압, 거의 음전원전압(-10V)이 나오고, 1번이 2번 보다 작은 경우 큰 전압, 거의 양전원전압(+10V)이 나온는 것을 보실 수 있읍니다. 모 아니면 도, +10V 아니면, -10V 입니다. 그 중간 전압이 나오게 하는 것은 아주 어려운 일입니다. 1번과 2번의 입력을 같게 만들어야 되니 말입니다. 그런데, 그게 부되먹임(negative feedback)을 걸면 아주 쉽게 됩니다. 앰프의 입력전압과 출력전압의 1/10 (예) 이 같아지면 그런 동작이 됩니다. 부되먹임에 대해서는 다음에 하기로 하지요. 동작 원리를 설명하겠읍니다. 1번 입력이 2번 입력 보다 크다고 생각해보십시오. 에미터 팔로워 회로 등에서 설명했듯이 베이스 전압과 에미터 전압은 약 0.7V 의 차이가 있읍니다. 그런데, Q1과 Q2의 에미터가 서로 붙어있는데 양 쪽 TR의 베이스 전압은 서로 다르니 에미터 전압은 어느 장단에 춤을 춰야될까요? 베이스와 에미터 사이에 0.7V보다 약간 더 큰 전압이 걸리면 트랜지스터가 고장나지만, 작은 전압이 걸리는 것은 괜찮습니다. 트랜지스터가 꺼지면 되니까요. 그래서, 에미터 전압은 더 높은 베이스 전압이 걸린 쪽을 따라가게 됩니다. Q1의 베이스-에미터 간 전압은 0.7V 이지만, Q2의 베이스-에미터 간 전압은 0.7V에 미달하게 되어 Q2는 꺼진 상태가 됩니다. 따라서, Rc2로 흐르는 전류가 없고, Rc2에서 전압강하가 없으니 Rc2 아랫쪽 전압은 +10V 입니다. 이래가지고는 Rb3 의 건너편인 Q3의 베이스 전압을 9.3V 이하로 만들어 줄 수가 없는 것입니다. Q3의 베이스 전압이 9.3V 아래로 내려와서 에미터-베이스 전압차이가 0.7V 이상이 되어야만 Q3가 켜질텐데... 그래서 Q3는 꺼진 상태가 되고 출력 전압은 -10V가 되는 것입니다. 이제는 2번 입력이 1번 입력보다 크다고 생각해보겠읍니다. 이 전과는 반대로 Q1은 꺼지고 Q2가 켜집니다. 그러면 Rc2로 전류가 흐를텐데 그 크기는 Q2의 베이스에 얼마의 전압이 걸리느냐에 따라 달라지겠지만 Rc2에서의 전압강하가 0.7V를 충분히 넘는 정도라면 Rb3의 건너편인 Q3의 베이스를 9.3V이하로 만들 수 있을 것이고, 그렇다면, Q3가 완전히 켜진 상태가 되기 때문에 출력 전압은 거의 +10V가 되는 것입니다. 모 아니면 도 스타일로 동작하게 되는 것이 이해가 되셨읍니까? 설명에 부실한 것이나 이해가 잘 안되는 것이 있으면 굴비를 달아주시기 바랍니다. 일반적으로 차동앰프라고 하면 위의 회로에서 Q3 부분(Rb3, Rc3, Q3)을 빼고 이야기 합니다. *** [실용오디오]에서는 지난 번에 올린 [앰프 배우기] 시리즈의 제목을 바꿔달지 않았읍니다. www.mudio.co.kr 의 [자작방]에는 제목을 모두 수정해놓았고, 글들이 많이 올라오지 않는 계시판이기 때문에 지난 번의 글들을 찾아보시기 쉬울 것입니다.
4회 이후에 한참을 쉬었다가 올리는 군요. 그 동안 제가 좀 여유가 없었읍니다. 오늘은 출력단에 대하여 말씀드리고자 합니다. 달링턴이라는 게 있는데, 어떤 분은 영국의 어느 동네 이름이라고도 하더군요. 제가 말하고자 하는 달링턴은 2중 에미터 팔로워 입니다. 2회에서 힘이 좋은 에미터 팔로워에 대하여 이야기 했는데, 아무리 에미터 팔로워라고 하더라도 스피커를 직접 구동하기에는 역부족입니다. 좀 더 강력한 놈이 필요하지요. 스피커를 구동하기 위한 출력 트랜지스터는 일단 덩치가 커야합니다. 그런데, 그런 덩치 큰 파워 트랜지스터는 밥을 장난아니게 많이 먹거든요. 그래서, 파워 트랜지스터를 구동하기 위해 별도의 회로가 또 필요한 것입니다. 간단하고 힘좋은 에미터 팔로워가 가장 적당한 회로일 것입니다. 회로도를 보시면 최종 출력석인 Q5, Q6은 콜렉터가 전원단에 연결되어있고 에미터가 부하인 4옴짜리 저항에 물려있읍니다. QNPN, QPNP라고 되어있는데, 이 들은 제가 임의로 pspice library에 만들어 놓은 파워 트랜지스터 들입니다. 이놈들의 베이스를 그 앞의 소신호 트랜지스터들이 구동합니다. Q3, Q4가 그들이지요. 2n2222, 2n2907a는 아주 유명한 널리 쓰이는 놈들입니다. 약간 덩치가 큰 편에 속하는 소신호 TR 이지요. 내전압이 작아서 소출력 앰프에나 쓸 수 있긴 합니다. 이제, 소신호 TR들의 베이스는 입력신호가 구동하게 됩니다. 10k옴의 저항으로 힘없는 입력 신호원임을 표현하였읍니다. 결론적으로 내부저항 10k옴의 힘없는 입력신호원과 4옴에 불과한 저항을 갖는 무지막지한 부하(load) 사이에 2단계의 에미터 팔로워가 들어감으로써 출력전압이 입력전압을 비슷하게나마 따라가게 만든 것입니다. 동작 파형을 보시면 빨간색의 입력 신호를 파란색의 출력전압이 좀 미흡하게나마 따라갑니다. 이 정도라도 따라가는 것이 대단하기는 하지만, 제로 전압 근처에 머물렀다가 지나가는 찌그러짐이 있읍니다. 이런 출력이 스피커로 나간다면 아주 듣기 싫은 용서받지 못할 소리가 될 것입니다. 걱정마십시오. 다음 회에서는 이런 찌그러짐을 제거하는 방법에 대하여 말씀드릴 것입니다. 그리고, 그 다음에는 그야말로 입력 신호와 거~의 닮은 출력이 나오는 회로에 대하여 보시게 될 것입니다. 그런데, 재미들이 없으신 모양이네요. 그렇지만, 파워앰프 회로 하나가 제대로 나올 때까지 계속 진행할테니 지겨워도 참으시기 바랍니다. 이제 2회 정도 남았나?
오랜만이다 보니 어떤 내용까지 글을 올렸었는지 저조차 기억이 잘 안나는 정도이니 관심이 있으신 분들은 지난 연재 내용들을 살짝 복습하시는게 좋을 듯 싶습니다. 지난 회에서는 힘은 좋지만 거친 달링턴에 대하여 말씀드렸읍니다. 출력 파형이 0V 부근에서 멈췄다 지나가기 때문에 그 상태로 스피커를 울리면 용서받지 못할 음질이 되어 버리게 됩니다.. 0V 부근에서 멈칫하고 가는 이유는 출력 트랜지스터가 p형, n형 모두 쉬게 되어서 전류가 끊어지기 때문입니다. 이 현상을 피하기 위하여 바이어스 전류를 흘리도록 하는 것입니다. 바이어스 전류라는 말을 많이 들어보셨죠? 바이어스 전류를 아주 심하게 흐르도록 한 것이 A class 앰프라는 말을 들어보신 분들도 많으실 겁니다. 0V 정도의 출력 전압이 나갈 때 p형, n형 트랜지스터 모두 동작이 되고있는 상태가 되어야만 0V를 지날 때의 찌그러짐이 작아집니다. 이번 회로도에서 Q1, Q2가 동시에 켜져 있어야 한다는 것입니다. 물론, 큰 양전압이 출력 될 때에는 아래 쪽의 Q2는 쉬고, 큰 음전압이 나갈 때에는 위의 Q1이 쉬어야 효율이 좋아지겠지요. 앰프의 출력단은 기본적으로 에미터 팔로워 입니다. 베이스와 에미터간 전압이 0.6V 정도 차이가 나도록 에미터의 전위가 베이스 전위를 따라다닌다는 의미입니다. 달링턴은 이중 에미터 팔로워라고 보시면 됩니다. 아무리 에미터 팔로워라고 해도 힘에는 한도가 있으므로 큰 전류를 흘리기 위한 큰 트랜지스터의 베이스를 작은 트랜지스터로 구성된 에미터 팔로워가 구동하는 것입니다. 회로도에 초록색으로 전압 표시가 되어있는 것은 입력 전압이 0V일 때의 전압 상태를 나타냅니다. Q3의 베이스 전위가 1.21V로 되어있으니 Q3의 에미터, 즉, Q1의 베이스는 그보다 0.6V 정도 낮고, Q1의 에미터는 그보다 또 0.6V 정도 낮아져서 0.01V 정도로 되었읍니다. Q4의 베이스 전위가 -1.21V로 되어있으니 Q4의 에미터, 즉, Q2의 베이스는 그보다 0.6V 정도 높고, Q2의 에미터는 그보다 또 0.6V 정도 높아져서 -0.03V 정도가 되었읍니다. 따라서, Q1의 에미터와 Q2의 에미터 간에는 0.04V 정도의 전압이 걸려있읍니다. 이 사이에 저항 R5와 R6이 있어서 전류가 흐르게 됩니다. R5와 R6의 직렬 저항이 2옴이므로 스피커가 연결되지 않아도 이들을 통해 0.02A 정도의 전류가 흐르게 됩니다. 두 트랜지스터 Q1과 Q2가 아슬 아슬하게 쉬지 못하고 동작하고 있는 것입니다. 이렇게 된 것은, 달링턴의 앞 쪽, 즉, Q3과 Q4의 베이스간에 2.42V 정도의 전압이 걸려있기 때문입니다. 이 전압을 만들어 주는 것은 다이오드들 D1,D2,D3,D4 들입니다. 다이오드는 전류가 흐를 때 그 양극과 음극 사이에 0.6V 정도가 걸리게 되는 성질이 있읍니다. 전류가 거의 흐르지 않을 때에는 0V, 아주 많이 흐를 때에는 1V도 넘게 걸리다가 죽어버리지만, 대충 웬만한 전류에서는 0.6V 정도의 drop 이 발생하게 됩니다. 이런 다이오드 4개를 직렬로 붙이고 R3 와 R4를 통해 전류가 흐르도록 하여 필요한 전압(2.4V가 살짝 넘는)을 만든 것입니다. 지난 회들과 마찬가지로 입력 전압에 저항 R1(2.2k옴)을 붙여 힘이 약한 신호원을 흉내 냈읍니다. 출력단에 다이오드 D5와 D6이 있는 것이 궁금하셨던 분은 이 글을 열심히 읽고 계시는 분일 것입니다. 이 다이오드들은 1옴찌리 출력저항(R5,R6)을 통해 너무 많은 전류가 흐르면 손실이 커지는 것을 막기 위한 것입니다. R5나 R6에 0.6A 이상의 전류가 흐르면 0.6V 이상의 전압강하가 생기게 됩니다. 그러면, 병렬로 붙어있는 다이오드 D5 또는 D6을 통해 전류가 흐르게 되므로 저항 R5, R6을 보호할 수 있고, 손실도 줄일 수 있게 됩니다. 출력 전압이 나올 수 있는 범위도 넓어지게 됩니다. 이제 동작 파형을 보시지요. 빨간색의 입력전압을 완벽하지는 않지만 잘 따라가는 출력 파형이 나옵니다. 지난 번 처럼 0V 부근에서 노골적으로 쉬었다 가지를 않고 부드럽게 지나갑니다. 자세히 보시면 0V 부근에서 쉬고싶어하는 경향이 있는 것을 눈치채실 수 있을 것입니다. 아직, 완벽한 회로가 된 것은 아니지요. 다음 회에서는 거~의 완벽하게 입력 전압과 닮은 출력 전압이 나오는 회로를 보여드릴 예정입니다. 이번 회의 부드러워진 달링턴과 4번 째의 과격한 차동증폭기가 어울려 거의 완벽한 회로가 되는 것입니다. 회로는 다음 회에서 일단 완성되는 것이니 기대하시기 바랍니다.
10배 증폭을하는 파워 앰프가 드디어 완성이 된 것입니다. 게다가, 20kHz에서 완벽하게 동작하고 있읍니다. 거의 이야기가 끝난 것이지요. 10배가 되어야 하는 이유는 출력전압의 1/10 을 검출하여 입력 전압과 비교하기 때문입니다. 입력 측의 차동 증폭기는 입력전압과 되먹임전압(출력전압의 1/10)을 비교하여 조금이라도 차이가 있으면 가차없이 수정을 해버립니다. [앰프 배우기 4]에서 차동 증폭기가 아주 과격하다고 했읍니다. 그 과격한 차동 증폭기의 출력을 오차가 수정되는 방향으로 다음 회로에 넘겨주는 것입니다. 예를 한 번 들어볼까요? 입력전압보다 되먹임전압이 아주 조금 작다고 가정을 해봅시다. 그러면, 차동증폭기의 되먹임측 TR은 꺼지고 입력측 TR이 켜지게 됩니다. 그러면, 저항 R9로 흐르는 전류가 많아져서 전압강하가 커집니다. 그 전압 강하를 R8을 통해 전달받는 Q10의 베이스전압이 낮아지게 됩니다. 그러면, Q10의 에미터-베이스간 전압이 커져서 Q10이 도통하게 됩니다. 그러면, 달링턴 출력단의 입력전압이 올라가게되지요. D2와 D3 사이의 전압 말입니다. 달링턴 출력단은 입력 전압을 따라가는 회로이므로 결과적으로 출력전압이 올라가게 됩니다. 따라서, 되먹임전압도 올라갑니다. 처음의 가정이 입력전압보다 되먹임전압이 작다고 했었는데, 그게 원인이 되어 되먹임전압이 올라가는 결과가 나오게 됩니다. 이런 동작은 최초의 원인이 해소될 때까지 이루어지게 됩니다. 즉, 입력전압과 되먹임전압이 같아지게 되는 것이지요. 제목에서 주장하는 바와 같이 앰프는 자동제어기기라고 보아야 합니다. 앰프의 핵심은 그 두뇌역할을 하는 차동증폭기에 있읍니다. 따라서, 출력석을 별로 다르지 않은 TR로 교체해도 동일한 소리를 내게 되는 것입니다. 스피커를 구동이 까다로운 고약한 놈으로 물렸다고요? 그래도, 앰프의 출력전압은 마찬가지입니다. 앰프의 주변 온도가 매우 높거나 낮다고요? 그래도, 앰프의 출력전압은 마찬가지입니다. 앰프는 민감한 기기가 아닙니다. 어떤 고난과 역경이 닥치더라도 고장이 나지 않는 한 입력전압과 되먹임전압이 같아지도록 자동제어를 하면서 묵묵히 동작하지요. 제 앰프에 관한 연재물을 여기까지 이해하실 수 있는 분들은 실용오디오에서 주장 중 하나인 '제대로 만들어지고 제대로 동작하는 앰프들의 소리는 사람의 귀로 분간할 수 없을 정도로 같다'는 말이 진실인 것을 아실 것입니다. 그렇다면, 앰프를 자작할 이유도 없겠군요. 그냥, 값싸고 튼튼하고 사용 편하고 이쁘게 생긴 놈을 사서 쓰면 되니 말입니다. 굳이 고생하여 자작할 필요가 있겠읍니까? 사실, 제가 이 글을 연재하였던 의도는 앰프 자작을 말리기 위해서였읍니다. 노력해봐야 기성제품보다 좋은 놈은 만들어낼 수 없다는 것을 알리고 싶었읍니다. 그래서, 제목도 [앰프 만들기]가 아니라 [앰프 배우기]로 지었던 것입니다. 그렇지만, 이 연재가 여기서 끝나지는 않습니다. 다음에 올릴 글에서는 실제로 앰프를 만들었을 때 발생할 수 있는 발진의 문제를 해결하는 기법에 대하여 다루도록 하겠읍니다. 제가 아무리 말려도 누군가가 만들어 보았다가 더러운 일을 당하면 안되니 말입니다. 석경욱님이 실용오디오에 게시한 내용입니다. |
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