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풀 밸런스드 파워 앰프 – 장점과 설계상 어려움
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풀 밸런스드 파워 앰프 – 장점과 설계상 어려움
데이비드 A. 리치 박사 | 2014년 9월 18일 | 기술 리뷰
ATI 6002와 이모티바 XPA-1은 앰프 설계자의 주요 발전입니다. 제가 아는 바로는, 이 앰프들은 대량 생산된 최초의 고출력, 풀 밸런스드 앰프로, 입력에서 스피커 단자까지 피드백이 가능합니다. 이 앰프들은 아래에서 볼 수 있듯이 브리지 앰프에 비해 훨씬 더 우수한 성능을 가지고 있습니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
이 두 제품은 완전히 다른 설계입니다. 이모티바 설계에 대해 먼저 논의하겠습니다. 이 설계는 반전 피드백 토폴로지를 사용합니다. ATI는 나중에 소개할 비반전 피드백 토폴로지를 사용합니다.
아래에서 보시겠지만, 풀 밸런스드 파워 앰프는 표준 파워 앰프의 피드백 루프(네트워크) 하나 대신 세 개의 피드백 루프(네트워크)를 필요로 합니다. 각 피드백 루프는 파워 앰프가 출력에서 진동하게 만들 수 있습니다. 세 개의 피드백 네트워크를 안정화시키는 것이 하나에 비해 훨씬 더 어렵습니다.
풀 밸런스드 연산 증폭기(op-amp)는 LSI 칩에서 흔히 볼 수 있습니다. 파워 앰프를 안정화시키는 것은 연산 증폭기를 안정화시키는 것보다 훨씬 더 어렵습니다. 왜냐하면 스피커 부하가 상당히 다양할 수 있기 때문입니다. 전압과 전류는 상당히 높습니다.
반전 앰프의 전류 흐름
풀 밸런스드 파워 앰프의 장점과 설계자가 직면하는 과제를 설명하기 위해 간단한 회로 수준으로 돌아가 보겠습니다. 다음 슬라이드에 표시된 표준 반전, 싱글 엔디드 파워 앰프의 회로도(그림 1)부터 살펴보겠습니다. 여러분 대부분이 고등학교 물리 시간에 이 회로를 공부하셨을 것입니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
그림 2는 + 스피커 단자가 양의 전위일 때 전체 회로를 통과하는 전류 흐름을 보여줍니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
전류가 스피커의 + 단자로 흐르면 전류는 양극 전원 공급 장치에서 나오고 앰프를 통과합니다. 그런 다음 전류는 스피커의 단자에서 흘러나와 접지로 흐릅니다.
그림 3에서, + 스피커 단자가 음극 전위일 때 전체 회로를 통과하는 전류를 볼 수 있습니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
전류가 스피커의 - 단자로 흐르면 전류는 접지 단자에서 나옵니다. 전류는 + 스피커 단자에서 파워 앰프로 흘러 들어갑니다. 그런 다음, 전류는 파워 앰프를 빠져나와 음극 전원 공급 장치로 흘러 들어갑니다.
스피커 단자가 접지에 연결되면, 몇 가지 문제가 발생합니다(그림 4).
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
위 그림에서 볼 수 있듯이, 세 개의 뚜렷한 접지가 존재하는데, 하나는 입력 단자, 다른 하나는 파워 앰프의 핀, 그리고 나머지 하나는 스피커 접지입니다. 싱글 엔디드 앰프의 단점은 전류가 접지 연결부를 통해 흐른다는 것입니다.
접지에는 제로 임피던스가 없기 때문에 일부 신호는 앰프의 음극 단자에 있어야 합니다. 세 접지 모두 DC뿐만 아니라 AC 신호에 대해서도 동일한 전위여야 합니다. 접지가 서로 다른 경우 전위 왜곡이 발생합니다. 접지가 모두 동일한 전위를 유지하도록 하려면 특별한 접지 기술을 사용해야 합니다.
전원 공급 장치가 신호 주기의 절반 동안만 활성화되기 때문에 상황이 더 복잡해집니다. 전원 공급 장치의 파형은 반파 정류기와 동일하며, 전원 공급 장치 라인은 입력 및 접지에 유도적으로 원하는 신호의 고조파를 방출할 수 있습니다.
Self, D. Audio Amplifier Power Design, 6th ed. Focal Press, 2013, pp.288 – 295.
싱글 엔디드 반전 파워 앰프에서 풀 밸런스드 파워 앰프 개발하기
그림 5는 풀 밸런스드 파워 앰프의 일반적인 도식도입니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
이 파워 앰프에는 이제 5개의 단자가 있습니다. Vocm 단자는 나중에 설명하겠습니다. 추가 출력 Out-은 파워 앰프 출력에 도입되었으며, Out + 출력과 반 위상입니다.
이 도식도에는 밸런스드 입력 단자가 사용되었습니다.
회로도를 보면, 밸런스드 파워 앰프가 싱글 엔디드 반전 파워 앰프를 복사하고 접어서 만들어졌음을 알 수 있습니다. 파워 앰프의 +와 - 입력이 모두 사용된다는 점에 유의하십시오. 싱글 엔디드 반전 파워 앰프에서 파워 앰프의 + 입력은 접지에 연결되어 있었습니다.
두 개의 피드백 루프가 보입니다. 표준 루프는 Out +에 연결되어 있고, 새로운 루프는 Out에 연결되어 있습니다.
RCA 싱글 엔디드 입력의 경우, 파워 앰프의 풀 밸런스드를 유지하기 위해 밸런스-싱글 엔디드 변환기를 사용할 수 있습니다.
밸런스드 앰프의 스피커 단자에서의 전압은 그림 6에 나와 있습니다. 스피커가 스피커 + 단자와 - 단자에서 싱글 엔디드 앰프와 동일한 전압을 받는 것을 볼 수 있습니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
풀 밸런스드 앰프의 전류 흐름
풀 밸런스드 앰프의 전류 흐름은 스피커의 + 입력으로 전류를 구동할 때 그림 7에 나와 있습니다. 두 전원 공급 장치 모두 전류를 전도하며, 접지에는 전류가 흐르지 않습니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
전류는 양극 전원 공급 장치에서 나오고 앰프를 통과합니다. 전류는 앰프의 Out + 단자를 통해 스피커 + 단자로 나갑니다. 전류는 스피커 – 단자를 통해 앰프의 Out – 단자로 흘러나간 다음 음극 전원 공급 장치를 통해 아래로 흐릅니다.
그림 8은 스피커의 - 입력으로 전류를 공급할 때 풀 밸런스드 파워 앰프에서 전류가 흐르는 모습을 보여줍니다. 다시 한 번, 두 전원 공급 장치 모두 전류를 전달하며 접지에는 전류가 흐르지 않습니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
전류는 양극 전원 공급 장치에서 나오고 파워 앰프를 통과합니다. 전류는 파워 앰프의 출력 - 단자에서 스피커 - 단자로 나옵니다. 전류는 스피커 + 단자에서 파워 앰프의 출력 + 단자로 흐른 다음 음극 전원 공급 장치를 통해 아래로 흐릅니다.
스피커를 통과하는 전류 흐름은 밸런스드 앰프와 싱글 엔디드 앰프에서 동일하다는 점에 유의하십시오. 앰프의 각 측면에 있는 출력 트랜지스터는 동일한 전류 레벨을 소싱하고 싱크하도록 설계되어야 합니다. 이러한 이유로 밸런스드 앰프의 총 출력 장치 수가 증가할 수 있습니다. 밸런스드 앰프의 각 출력 스테이지에서 소모되는 전력은 싱글 엔디드 앰프의 한 출력 스테이지에서 소모되는 전력의 절반입니다.
그림 9에서는 밸런스드 앰프의 접지 단자를 고려합니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
밸런스드 앰프는 스피커에서 접지로 흐르는 전류를 제거합니다. 또한 피드백 구성 요소에 접지가 연결되지 않습니다. 입력이 밸런스드인 경우 접지 핀으로 전류가 흐르지 않습니다.
Cordell, B. Audio Power Amplifiers. McGraw Hill, 2011, 527 – 535
풀 밸런스드 앰프의 짝수차 왜곡 제품 감소
밸런스드 앰프는 싱글 엔디드 앰프에 비해 왜곡이 적습니다. 그림 10에 그 차이를 보여줍니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
밸런스드 앰프에서 출력 + 단자의 짝수차 왜곡 제품은 항상 같은 양극성입니다. 출력 - 단자의 짝수차 왜곡 제품은 항상 음극성입니다. 스피커 단자에 결합하면 이상적인 경우 짝수차 항이 상쇄됩니다.
Karki, J. “Fully-Differential Amplifiers.” Texas Instruments, Application Report
SLOA054D, 2002, p. 6
www.ti.com/lit/an/sloa054d/sloa054d.pdf
그림 11의 그래프는 스피커 단자에서 측정된 밸런스드 앰프의 스펙트럼을 보여줍니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
ATI 6002 12.5 와트 평균 8 옴
그림 12는 밸런스드 앰프의 또 다른 중요한 특성을 보여줍니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
두 개의 피드백 루프가 앰프가 풀 밸런스드 상태에서 작동하도록 보장합니다. Out+와 Out-는 정확히 반위상이어야 합니다. Out+의 신호 레벨이 Out-를 초과하는 경우, 이 조건은 두 개의 피드백 루프에 의해 앰프의 - 및 + 입력 단자로 전달되어 수정됩니다.
브리지 앰프와 그 단점
그림 13은 표준 브리지 파워 앰프의 회로도를 나타냅니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
브리지 파워 앰프는 밸런스 입력을 통해 구동됩니다. 여기에서는 하나의 밸런스드 파워 앰프 대신 두 개의 단일 파워 앰프가 사용됩니다.
두 개의 브리지 파워 앰프는 커패시터와 저항기에 인쇄된 값과 다른 부품 생산의 차이로 인해 일치하지 않습니다. 트랜지스터도 데이터 시트에서 볼 수 있듯이 샘플마다 다릅니다.
스피커 양단의 전압에 미치는 영향은 그림 14에 나와 있습니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
앰프 1의 앰프 출력은 모든 부품이 공칭값을 갖는 경우보다 낮습니다. 앰프 2는 부품의 변화로 인해 너무 많은 전압을 생성합니다.
밸런스드 앰프의 경우, 결합된 피드백 루프의 상호 작용의 결과로 Out +와 Out –는 동일한 전위를 가져야 합니다. 이것은 앰프의 구성 요소가 공칭 값과 다를 경우에도 적용됩니다.
그림 15에서는 이상적인 밸런스드 앰프와 출력 차이가 1%와 5%인 두 개의 브리지드 앰프에 대한 컴퓨터 시뮬레이션이 이루어집니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
이 시뮬레이션에서는 두 개의 앰프가 2%의 2차 고조파 왜곡으로 생성되었습니다. 이것은 컴퓨터 시뮬레이션의 THD 미터 디스플레이에서 확인할 수 있습니다. 두 앰프의 출력은 반위상입니다. 세 번째 THD 미터는 두 앰프 사이의 차이 전압을 보여줍니다. 앰프 불일치가 증가함에 따라 스피커 단자에서의 성능 저하가 명확하게 나타납니다.
아래의 참고 자료는 브리지 앰프의 불일치 효과에 대한 보다 완전한 분석을 제공합니다:
Takahash, S. “Fully Balanced Bridge Amplifier.” Journal of the Audio Engineering Society Volume 32 Issue 6; June 1984 pp. 415-417
공통 모드 피드백
다음 도식(그림 16)에서는 공통 모드 레벨의 중요한 개념을 소개합니다. 이것은 밸런스드 앰프에 특정한 새로운 개념입니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
공통 모드 전압은 두 개의 스피커 단자 전압을 2로 나눈 값의 합입니다. 위 그림에서 볼 수 있듯이, 출력에서의 공통 모드 전압은 0V여야 합니다.
그림 17은 앰프의 출력에서 공통 모드 전압이 10V DC임을 보여줍니다. 앰프에 미치는 영향은 그림 아래에서 설명합니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
위에서 볼 수 있듯이, 밸런스드 앰프의 중요한 문제점을 해결해야 합니다. 두 개의 차동 피드백 루프는 스피커 단자의 공통 모드 전압을 감지할 수 없습니다.
그림 18은 왜 앰프가 출력에서 공통 모드 전압을 볼 수 없는지 더 깊이 이해할 수 있게 해줍니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
이 예에서 출력의 공통 모드 전압은 10V입니다. 두 피드백 루프의 저항 분배기 작용은 앰프 입력 양쪽의 입력을 1V로 설정합니다.
앰프 입력(in- – (in+))에 걸리는 차동 전압은 0입니다. 앰프는 공통 모드 출력이 10V라는 사실을 알지 못합니다.
그림 19의 컴퓨터 시뮬레이션은 공통 모드 전압이 0V DC와 10 VDC인 앰프 출력이 어떻게 보이는지를 보여줍니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
공통 모드 전압을 제어하는 방법이 없다면 스피커 출력은 접지로부터 멀어질 수 있습니다. 두 개의 차동 피드백 루프는 접지 기준이 없기 때문에 이 사실을 알지 못합니다. 접지된 출력은 양극 또는 음극 공급 레일로 이동하고 앰프는 작동을 멈춥니다.
이 문제를 해결하기 위한 세 번째 피드백 루프가 그림 20에 나와 있습니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
앰프에는 2개가 아닌 3개의 피드백 루프가 있습니다. 두 개의 차동 피드백 루프는 위에서 설명했습니다.
세 번째 피드백 루프는 공통 모드 전압을 0V로 설정합니다.
그림 21의 회로에는 세 번째 공통 모드 피드백 루프의 동작을 보여주기 위해 주석이 달렸습니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
공통 모드 피드백은 앰프 출력 단자의 평균을 0V로 강제합니다.
아래 섹션은 좀 더 기술적인 내용으로, 다음 섹션으로 건너뛰셔도 됩니다.
앰프 단자 사이에 놓인 한 쌍의 동일한 저항은 저항 중앙 지점에서 공통 모드 전압을 갖습니다. 이것은 파워 앰프 기호 안에 숨겨져 있습니다. 파워 앰프 기호 안에 숨겨진 연산 증폭기는 이 레벨을 Vcom과 비교합니다.
출력에서의 공통 모드 레벨이 Vcom보다 높으면 연산 증폭기 출력(기호 블록 내부에서 표시되지 않음)의 레벨이 증가합니다. 출력에서의 공통 모드 레벨이 Vcom보다 낮으면 연산 증폭기 출력의 레벨이 감소합니다.
일반적으로 공통 모드 피드백은 다시 파워 앰프 기호 안에 있고 표시되지 않은 차동 쌍 테일 전류 소스에서 종료됩니다. 전류를 증가시키면 두 출력이 모두 접지될 때까지 낮아집니다. 전류 소스를 제어하는 전압은 공통 모드 피드백 루프에 있는 파워 앰프 기호 내부의 연산 증폭기에서 발생합니다.
보시는 바와 같이, 이 피드백은 음의 피드백입니다. 공통 모드 전압이 상승하면 내부 연산 증폭기 전압도 상승합니다. 이로 인해 차동 회로에 연결된 전류원의 전류가 증가하여 파워 앰프 출력이 하강합니다.
완전한 공통 피드백 회로는 아래 참고 문헌의 그림 2에 나와 있습니다.
Karki, J. “완전 차동 파워 앰프.” Texas Instruments, 응용 보고서
SLOA054D, 2002, p. 6
완전 차동 파워 앰프(www.ti.com/lit/an/sloa054d/sloa054d.pdf)
저작권 제한 때문에 이 도식을 여기에 보여드릴 수 없습니다.
이 그림은 두 개의 차동 피드백 루프가 있는 완전한 파워 앰프를 보여줍니다.
풀 밸런스드 파워 앰프 생산의 설계 과제
공통 모드 피드백 루프가 불안정해지면 두 파워 앰프 출력이 위상으로 진동합니다. 차동 모드 피드백 루프가 불안정해지면 파워 앰프 출력이 위상이 어긋나게 진동합니다.
세 개의 상호 작용하는 피드백 루프를 가진 파워 앰프의 설계는 스피커 부하가 주파수에 따라 저항과 리액턴스가 크게 달라지기 때문에 매우 까다롭습니다. 앰프 출력은 큰 전압을 스윙하고 큰 전류 값을 소싱합니다. 이것은 10k옴 저항 부하와 +/- 15V 전원 공급 장치를 가진 연산 증폭기와는 대조적입니다.
앰프가 정상적으로 사용될 때 안정적이라고 하더라도, 뇌우와 같은 예기치 않은 전력 손실로 인해 앰프가 꺼지기 전에 큰 펄스를 방출할 수 있습니다. 출력 단자를 잠시 단락시킨 다음 빠르게 단락을 제거하는 것도 불안정성을 유발할 수 있습니다.
안정성 문제는 풀 밸런스드 파워 앰프 설계가 생산 전에 중단되는 이유입니다.
일부 설계자들은 스피커 부하로부터 피드백 루프를 분리하기 위해 전압 증폭 단계 주변에 피드백 루프를 실행합니다. 스피커를 구동하는 전류 이득 단계는 개방 루프로 상당한 왜곡을 발생시킵니다. 파워 앰프의 전압 및 전류 블록에 대한 자세한 내용은 아래에서 설명합니다.
높은 입력 임피던스를 가진 저노이즈 풀 밸런스드 앰프 설계
지금까지 밸런스드 앰프는 반전 앰프 프로토타입을 기반으로 제작되었습니다. 또 다른 유형의 파워 앰프는 그림 22에 표시된 것처럼 비반전이라고 불립니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
이것은 파워 앰프의 표준 토폴로지입니다. 이 파워 앰프는 들어오는 신호를 반전시키지 않습니다.
이 파워 앰프 토폴로지의 장점은 입력 임피던스가 매우 높다는 점입니다. 입력 임피던스는 일반적으로 100k 옴을 초과합니다.
R1과 R2는 피드백 네트워크를 형성하고 앰프의 게인을 설정합니다. R1은 앰프 노이즈의 주요 원인이 되지 않을 정도로 작게 만들 수 있습니다. 이것은 R1의 값이 비반전 구성에서 입력 임피던스와 무관하기 때문에 가능합니다. R1의 크기가 앰프 노이즈에 영향을 미치는 이유에 대해서는 아래에서 설명합니다.
저노이즈용으로 설계된 전형적인 싱글 엔디드 비반전 파워 앰프는 R1을 100-200옴으로 설정합니다. 이 값에서는 파워 앰프의 다른 잡음원이 지배적입니다. R1의 이 값과 파워 앰프의 다른 잡음원을 줄이기 위한 세심한 설계를 통해 풀 스케일에서의 SNR이 125dB 이상이 될 수 있습니다. 이것은 오늘날 이용 가능한 최고의 DAC의 SNR과 일치합니다.
파워 앰프의 헤드룸이 크기 때문에 모든 노이즈 소스를 처리할 수 있다면 SNR이 매우 높아질 수 있습니다. 300와트의 평균 RMS 전압 스윙은 50VRMS입니다. 디지털 소스의 출력에 일반적으로 사용되는 표준 2VRMS SNR 기준과 비교하면 SNR이 28dB 증가합니다.
여기(그림 23)에는 반전 및 비반전 싱글 엔디드 앰프가 모두 나와 있습니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
싱글 엔디드 반전 앰프를 앰프를 복사하여 180도 회전시켜 풀 밸런스드 앰프를 만드는 방법을 기억해 보십시오. 이 과정에서 앰프의 + 단자가 접지에서 분리되어 두 번째 차동 피드백 루프에 연결되었습니다. 파워 앰프의 유일한 변화는 반위상 출력 단자를 생성하는 회로를 구축해야 한다는 것입니다.
+와 - 입력에 모두 신호가 연결되어 있기 때문에 비반전 토폴로지에서 밸런스드 앰프를 만드는 것은 쉽지 않습니다.
그림 24의 회로도는 아웃 단자와 관련 회로를 추가하는 것보다 훨씬 더 많은 변경이 필요하다는 것을 보여줍니다.
출처: Secrets of Home Theater and High Fidelity
앰프는 중복 차동 입력을 갖도록 수정되어야 합니다. 위에서 볼 수 있듯이 앰프에는 + 입력 2개와 - 입력 2개가 있습니다. 이것은 상당한 설계상의 어려움을 야기합니다.
이 섹션의 나머지 부분은 기술적인 내용으로, 다음 섹션으로 넘어가셔도 됩니다.
집적 회로에서 흔히 사용되는 한 가지 접근 방식은 두 개의 차동 쌍을 사용하는 것입니다. 하나는 밸런스 입력용이고, 다른 하나는 피드백용입니다. 밸런스 입력에 연결된 차동 쌍은 피드백 루프 밖에 있기 때문에 두 개의 차동 쌍이 매우 밀접하게 일치해야 합니다.
회로 간의 불일치를 줄이기 위해 특수 IC 레이아웃 기법을 사용할 수 있습니다. 집적 회로 내부에서 사용되는 회로 설계는 구성 요소의 차이가 너무 크기 때문에 개별 파워 앰프에 적용할 수 없습니다.
새로운 접근 방식은 하나의 차동 쌍을 사용하는 것입니다. 밸런스 입력은 차동 쌍의 베이스 연결에 연결됩니다. 피드백은 전류 모드이고 합산 접합부는 차동 쌍의 이미터입니다.
이 접근 방식은 아래의 논문에서 공개되었습니다.
Bongiorno, J. “Ampzilla III” The Audio Amateur 15.4 (1984년 9월): 7 – 19
이 잡지는 현재 구하기가 어렵지만, 종종 이베이에서 구할 수 있습니다.
Bongiorno 논문의 전류 피드백은 전류 피드백을 사용하는 집적 회로에서 사용되는 방식과 다르게 이루어집니다. 다시 말하지만, 집적 회로 기술은 장치들 간의 매우 우수한 매칭을 필요로 합니다.
많은 파워 앰프 제조업체들이 싱글 엔디드 파워 앰프용 개별 부품으로 IC 기반 전류 피드백 단계를 모방하려고 시도했지만, 항상 최적의 결과를 얻지는 못했습니다. 매우 밀접하게 일치하는 트랜지스터를 사용하여 IC 회로도를 모방하고 개별 부품으로 교체하면 문제를 해결하는 것보다 더 많은 문제가 발생합니다.
Self, D. Audio Power Amplifier Design, 6th ed. Focal Press, 2013 pp 213 – 215.
잘 알려지지 않았지만, 오디오 회로에서 차동 쌍이 널리 사용되기 전에는 전류 모드 피드백이 일반적으로 사용되었습니다. 합산 노드는 앰프의 프런트 엔드에 있는 단일 트랜지스터의 이미터였습니다. 입력은 하나의 트랜지스터의 베이스에 있었습니다.
문제는 베이스와 이미터 사이에 DC 오프셋이 발생하여 처리하기 어려웠고, 여전히 DC 커플링 앰프를 생성한다는 것이었습니다.
Self, D. Audio Power Amplifier Design, 6th ed. Focal Press, 2013 그림 30.6.
앰프의 출력과 스피커 단자 사이에 있는 커패시터를 주목하세요.
이 단일 트랜지스터 회로는 위 논문에서 공개된 Bongiorno 밸런스드 파워 앰프 코어의 차동 모드 반쪽 회로입니다. 오프셋은 아래에서 논의될 보완 회로 접근법을 사용하여 제거됩니다.
위의 Bongiorno 논문은 DIY 프로젝트였지만, 성공적으로 구현되었는지는 모르겠습니다. 공통 모드와 차동 모드 오프셋을 0으로 설정하는 데 사용되는 매우 복잡한 DC 오프셋 보정을 주목하십시오. 또한 쉽게 이해되지 않는 기능을 가진 많은 보상 커패시터도 주목하십시오. 다른 위험 요소도 존재합니다.
싱글 엔디드 반전 파워 앰프의 노이즈
참조하기 쉽도록, 이 글의 시작 부분에서 소개한 그림과 동일한 그림을 여기에 소개합니다: 싱글 엔디드 반전 앰프.
파워 앰프의 입력 저항은 R1에 의해 설정됩니다.
Rin = R1
오디오 앰프에서는 프리앰프 출력 스테이지의 부하를 줄이기 위해 입력 임피던스를 최대한 높게 설정하는 것이 바람직하지만, R1을 선택할 때 고려해야 할 또 다른 설계 문제가 있습니다.
모든 저항은 전압의 영향과 관계없이 전자의 열적 운동에 의해 발생하는 노이즈를 생성합니다. 저항이 작을수록 노이즈가 적습니다.
www.sengpielaudio.com/calculator-noise.htm
R1의 크기가 앰프의 내부 설계에 특정한 값을 초과할 경우, R1의 크기가 앰프의 출력 노이즈를 결정한다는 것을 알 수 있습니다.
앰프의 노이즈와 입력 저항 사이에는 트레이드오프가 존재합니다. 차동 쌍의 바이폴라 트랜지스터에서 발생하는 전류 노이즈는 R1의 값이 증가함에 따라 노이즈의 변화를 강화합니다.
Self, D. Audio Power Amplifier Design, 6th ed. Focal Press, 2013. pp150 -157
이러한 문제는 앰프 앞에 있는 단위 게인 버퍼를 사용하면 해결할 수 있습니다. 버퍼는 프리앰프에 높은 임피던스 입력을 제공하고 100옴 저항을 구동할 수 있습니다. R1에 100옴을 선택하면 앰프의 노이즈가 다른 전자 부품에 의해 지배될 것입니다.
밸런스드 반전 파워 앰프의 경우, 한 쌍의 버퍼를 사용하여 높은 입력 임피던스와 낮은 노이즈를 달성하는 문제를 해결할 수 있습니다. 버퍼는 싱글 엔디드여야 합니다. 왜곡이 적고, 노이즈가 적은 밸런스 입력 버퍼는 쉽게 설계할 수 없습니다. 실제로 밸런스드 비반전 파워 앰프와 같은 문제가 있습니다. 입력 버퍼의 낮은 신호 전압은 왜곡을 훨씬 적게 발생시킵니다. 버퍼에 대한 풀 밸런스드 접근 방식은 실질적인 이점을 제공하지 않습니다.
싱글 엔디드 비반전 파워 앰프의 내부 구조에 대한 보다 자세한 설명
아래 그림 26은 파워 앰프의 내부 구조를 보다 자세히 보여 주는 비반전 피드백 앰프를 보여 줍니다.
이 앰프는 두 부분으로 나뉘어져 있는 것을 볼 수 있습니다. 신호의 크기를 증가시키는 차동 전압 파워 앰프와
스피커를 구동하지만 신호의 크기를 증가시키지 않는 전류 파워 앰프입니다.
파워 앰프에서 전압 파워 앰프는 2단계로 구성될 수 있고, 전류 파워 앰프는 2단계 또는 3단계로 구성될 수 있습니다.
차동 파워 앰프의 전압은 0이어야 합니다. 이 조건은 피드백 네트워크의 입력과 중간 지점이 동일한 진폭을 갖도록 합니다. 두 개의 저항기로 구성된 피드백 네트워크가 신호를 10배로 감쇠시키면, 출력은 입력 신호의 10배가 됩니다.
빨간색 화살표가 – 단자를 가리키고 있다는 점에 유의하십시오. 이 음의 부호는 이 부정적 피드백을 만듭니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 차동 전압 파워 앰프는 매우 높은 입력 임피던스를 가집니다. – 입력에는 전류가 흐르지 않으므로, 피드백 루프에 흐르는 모든 전류는 접지로 흐릅니다.
짝수 차수 왜곡을 줄이기 위한 보완 회로 설계
피드백이 적용되기 전에 왜곡을 최대한 줄이는 것이 바람직하므로, 폐쇄 루프 왜곡 수치가 매우 낮습니다. 또는, 앰프가 오디오 대역에서 개방 루프 게인을 낮출 수 있도록 설계할 수 있습니다.
개방 루프 왜곡을 낮추는 한 가지 방법은 보완 회로를 사용하는 것입니다. 이것을 푸시풀이라고도 합니다. 이 기술은 2차 고조파를 줄입니다.
(http://en.wikipedia.org/wiki/Push%E2%80%93pull_output)
이 도식(그림 27)은 전류 게인을 가진 보완 전압 버퍼를 보여줍니다. 이 회로는 대부분의 연산 증폭기(op-amp)의 출력에서 발견됩니다.
보완 설계에서는 전체 회로에 대해 모든 PNP 트랜지스터가 NPN 트랜지스터와 일치합니다. 위와 같은 보완 전류 파워 앰프는 거의 항상 파워 앰프의 출력 단계에 사용됩니다. 파워 앰프에서는 2단계 또는 3단계의 보완 전류 파워 앰프가 사용됩니다.
아래에 제시된 회로도는 3단계 캐스케이드 전류 파워 앰프를 위한 것입니다. 이러한 회로는 4옴에 평균 400와트를 공급하도록 설계된 파워 앰프에 필수적입니다.
Self, D. Audio Power Amplifier Design, 6th ed. Focal Press, 2013. 그림 10.13
오디오 앰프의 +/-15V 전원 공급 장치에서 파워 앰프의 +/-70V(이 전압은 8옴에서 평균 300W의 정격 앰프에 사용됨)로 이동하면 전류 이득 단계에 이어지는 전압 이득 단계에서 왜곡이 크게 증가합니다. 대부분의 대형 파워 앰프는 전압 이득 단계를 포함하여 완전히 보완됩니다. AVR의 저출력 앰프는 스피커를 구동하는 전류 이득 단계에서만 보완적인 경우가 많습니다. 이것은 8옴에 150와트 이하의 파워 앰프의 경우 단점이 되지 않습니다.
Self, D. Audio Power Amplifier Design, 6th ed. Focal Press, 2013 Pages 216 -217
상보 회로와 밸런스드 앰프는 짝수차 왜곡을 줄입니다. 앰프에서 개방 루프 홀수차 왜곡을 줄이기 위해서는 차동 쌍의 선형성 및 크로스오버 왜곡과 같은 다른 문제도 해결해야 합니다.
다음 섹션에서는 짝수차 및 홀수차 왜곡을 줄이는 방법으로 클래스 A 바이어싱을 살펴봅니다. 최적의 클래스 AB 바이어싱은 상당한 수준의 전력 소모를 줄이는 데 거의 효과가 있습니다.
클래스 A 앰프의 전력 소모
클래스 A 출력 스테이지는 풀업 트랜지스터와 풀다운 트랜지스터를 모두 켜서 출력에서 전체 전압 스윙을 유지함으로써 크로스오버 왜곡을 제거합니다. 이로써 출력 트랜지스터가 절대로 크로스오버되지 않기 때문에 크로스오버 왜곡을 방지할 수 있습니다.
Self, D. Audio Power Amplifier Design, 6th ed. Focal Press, 2013. 424 – 429
클래스 A 앰프의 문제는 스피커를 구동할 때보다 신호가 없을 때 더 많은 전류를 소모한다는 것입니다. 이 문제의 영향을 처리하는 것은 앰프 비용을 크게 증가시킵니다.
이 섹션의 계산을 더 간단하게 하기 위해 저는 싱글 엔디드 앰프를 사용할 것입니다. 스피커에 대한 전력 출력은 항상 평균이라는 점에 유의하십시오. RMS 전력은 존재하지 않습니다. 정지 전력 소모는 DC 와트입니다.
싱글 엔디드 200W 평균 앰프는 40VRMS(56V 피크)로 스윙하고 5A RMS(7A 피크)를 소스합니다. 싱글 엔디드 200W 평균 앰프(40VRMS * 4A RMS)는 트랜지스터 중 하나가 꺼지기 전에 스피커에 7.0A DC 전압을 공급하는 전체 전압 소스에 대해 클래스 A를 유지하도록 설계되었습니다.
200W 평균 파워 앰프의 경우, 전원 공급 장치는 약 +/-60V DC의 피크 전압 변동보다 약간 더 큽니다.
클래스 A 파워 앰프에서, 정상 전력 소모는 트랜지스터 중 하나가 꺼지기 전에 앰프가 스피커에 공급할 수 있는 최대 전류의 절반입니다.
3.5(60V – (-60V)) = 420 와트.
8옴에서 평균 200와트의 클래스 A로 작동할 수 있는 앰프는 4옴에서 평균 100와트로 작동할 수 있습니다. 4옴에서 평균 100와트 이상일 때, 앰프는 클래스 B로 전환되고 트랜지스터 중 하나가 꺼집니다.
출력 전력이 제한되면 클래스 A 앰프의 전력 소모가 크게 감소합니다. 8옴에서 30와트 평균의 클래스 A 앰프를 생각해 보십시오. 이 앰프는 15.5VRMS(21V 피크)의 진폭으로 진동하고 1.9Amps RMS(2.7 Amps 피크)의 전류를 공급합니다. 30와트 평균 앰프의 전원 공급 레일은 +/- 23VDC 정도입니다.
30W 평균 A급의 정지 전류는 1.35A DC의 피크 전류의 절반입니다.
30W 평균 A급 파워 앰프의 정지 전력 소모는 다음과 같이 계산됩니다.
1.35A(30V - (-30V)) = 81W.
더 높은 출력의 앰프의 경우, 설계자는 앰프의 상시 전류를 낮게 설정하여 앰프가 특정 출력에서 클래스 A로만 작동하다가 클래스 B로 전환되도록 선택할 수 있습니다. 평균 30W에서 클래스 A로 작동하다가 클래스 B로 전환되는 200W 평균 앰프의 상시 전류는 여전히 1.35A입니다. 이것은 위에서 평균 30W의 클래스 A 앰프에 대해 계산된 것입니다.
반면에 200W 평균 앰프의 전원 공급 레일은 +/-60V DC로 유지됩니다.
앰프의 대기 전력 소모는 다음과 같습니다.
1.35A(60V – (-60V)) = 162W.
이것은 신호 없이 420 와트의 에너지를 소모하는 것으로 위에 표시된 200 와트 평균 A급 앰프의 2.3배에 불과합니다. 참고로 A급 전환 전력을 6.8배 줄여 평균 30 와트로 낮추더라도 정적 소모는 거의 같은 수준으로 감소하지 않습니다. 실제로 A급 전환 전력 변화의 제곱근만큼 소모가 감소하는 것으로 나타납니다.
다음 두 섹션은 기술적인 내용으로, 결론으로 넘어가셔도 됩니다.
클래스 A 파워 앰프의 출력 트랜지스터의 정상 전류 안정화
상보 출력 단계의 전류를 설정하려면 각 출력 트랜지스터와 직렬로 저항을 추가해야 합니다.
아래(그림 28)에 저항 배치 방법이 나와 있습니다.
클래스 A 스테이지를 안정화하기 위해서는 출력 트랜지스터와 직렬로 연결된 저항기의 전압이 전체 전류 스윙에 걸쳐 트랜지스터의 VBE 변화보다 훨씬 커야 합니다.
위에서 설명한 30W 평균 클래스 A 앰프로 돌아가서, 30W 앰프에서 클래스 A에서 클래스 B로 전환하는 200W 앰프에 비해 이 설명을 단순화해 보겠습니다. 30W A급 파워 앰프의 정상 전류는 1.35Amp로 계산되었습니다.
트랜지스터의 높은 정상 전력 소모를 처리하기 위해 3개의 병렬 출력을 사용할 수 있습니다. 각 트랜지스터는 450mA의 정상 전류(1.35/3)를 소모해야 합니다. 파워 앰프 레일은 +/-30VDC이므로 트랜지스터의 정격 항복 전압은 더 낮을 수 있습니다.
저항이 너무 커서 부하로 갈 수 있는 상당한 전력을 소모하는 것을 원하지 않습니다. 위의 그림 28의 예에서, 저는 450mA가 흐를 때 22mV를 생성하는 0.5옴 저항을 사용했습니다. 이 전압은 신호가 없을 때부터 클래스 A 동작의 가장자리 근처까지 VBE의 변화보다 훨씬 높습니다. 이것은 설계 목표를 달성합니다.
이것이 병렬로 연결된 3개의 출력 트랜지스터 그룹 중 하나라는 점에 유의하십시오. 따라서 3개의 병렬로 연결된 0.5옴 저항은 피드백 전에 0.17옴의 유효 출력 저항을 갖습니다.
단순 스위치를 사용하여 클래스 A에서 클래스 A/B로 변경할 때의 차선책 클래스 A/B 작동
200W 평균 파워 앰프 클래스 A로 돌아갑니다. 위에서 420W의 정지 전력 소모를 계산했습니다. 더 많은 왜곡을 감수하더라도 이 소모를 줄이기 위해 클래스 AB로 전환하는 옵션을 원할 수도 있습니다.
클래스 AB 앰프의 최적 바이어스는 0V 부근의 크로스오버 영역에서 현재 앰프 스테이지의 게인 변화를 최소화하는 것입니다. 이를 달성하기 위해서는 각 트랜지스터와 직렬로 연결된 이미터 저항이 약 100m-200m 옴이어야 합니다. 주어진 저항 값에 대해 최적 바이어스 전류를 계산할 수 있습니다.
Self, D. Audio Power Amplifier Design, 6th ed. Focal Press, 2013 pp 277 -279.
앰프의 출력 전력은 클래스 AB 앰프의 크로스오버 왜곡을 최적화하기 위해 에미터 저항기 크기나 바이어스 전류를 변경하지 않습니다. 크로스오버 왜곡은 전원 레일에 관계없이 접지 주변의 동일한 작은 전압 스윙에서 발생합니다.
저희의 클래스 A 설계에서는 클래스 A 바이어스를 안정화하기 위해 500m옴 저항이 필요했습니다. 이것은 최적의 클래스 AB 작동을 위해서는 너무 높은 저항입니다. 이 결과로 크로스오버 왜곡이 더 높아질 것입니다. 이 텍스트의 그림에서 볼 수 있습니다.
Self, D. Audio Power Amplifier Design, 6th ed. Focal Press, 2013. p 277 figure 10.30
클래스 A와 클래스 AB 작동에서 최적의 성능을 발휘하는 앰프를 설계하는 것이 가능합니다. 최적의 클래스 AB 왜곡을 위해 100m-200m 옴 저항을 에미터와 직렬로 배치하고 베이스에 고정 바이어스(온도에 따라 변화)를 적용합니다. 클래스 A 작동의 경우, 저비용 추가 회로.
클래스 A 작동 시, 회로는 이미터 저항을 가로지르는 아주 작은 전압을 측정하고, 이를 클래스 A 상시 전류를 설정하는 데 필요한 전압과 비교합니다. 전압이 너무 작으면, 회로는 베이스 확산 전압(위 그림의 배터리)을 증가시킵니다. 전류가 너무 크면, 회로는 그 반대로 베이스 확산 전압을 낮춥니다.
Self, D. Audio Power Amplifier Design, 6th ed. Focal Press, 2013 pp 430 – 431.
파워 앰프가 스윙의 어느 시점에서 클래스 B로 전환되면, 클래스 A 제어 회로가 차단됩니다.
오디오 애호가들의 관점에서 볼 때, 이 추가적인 능동 전류 제어는 출력 스테이지의 투명성을 저하시킬 수 있다고 생각할 수 있지만, 객관적인 측정으로는 이를 입증할 수 없습니다.
결론
이 글에서는 싱글 엔디드 앰프와 관련된 문제점을 강조하고, 풀 밸런스드 설계를 통해 이러한 문제점을 제거할 수 있는 방법을 설명했습니다.
저는 브리지 앰프가 풀 밸런스드 앰프만큼 성능이 좋지 않다는 것을 보여주었습니다. 공통 모드 피드백은 풀 밸런스드 앰프의 가장 중요한 설계 과제였습니다.
두 가지 풀 밸런스드 파워 앰프 토폴로지가 소개되었습니다. 반전 토폴로지는 설계하기가 더 간단하지만, 싱글 엔디드 토폴로지에 비해 노이즈가 더 높거나 입력 임피던스가 낮습니다. 이러한 문제는 파워 앰프 앞에 있는 단위 게인 버퍼를 사용하여 해결할 수 있습니다.
비반전 밸런스드 토폴로지는 두 번째로 논의된 밸런스드 파워 앰프 토폴로지입니다. 이 토폴로지는 우수한 성능을 위해 추가적인 버퍼 단계를 필요로 하지 않지만, 파워 앰프의 내부 설계가 훨씬 더 복잡합니다.
상보 파워 앰프의 장점과 파워 앰프 출력 스테이지 설계 등 파워 앰프 설계에 관한 추가 주제들도 발표되었습니다. 이 기사에서는 클래스 A 앰프의 정지 전력 계산, 열 노이즈, 열 노이즈 SNR에 미치는 영향에 대해서도 논의했습니다.
또한 간단한 바이어스 스위치를 사용하여 클래스 A에서 클래스 AB 작동으로 전환하는 것이 어떻게 태양광 최적의 클래스 AB 성능을 제공하는지, 그리고 간단한 추가 회로를 사용하여 이를 수정하는 방법에 대해서도 논의했습니다.
독자들은 이제 검토 중인 개별 제품의 설계 상의 장단점을 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다. 측정 섹션에서 이 점을 강조하겠습니다.
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