P.S : 일부 내용에서 계산의 오류가 있어 내용수정 했습니다.(9/26 수정)
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공제한 RCA 파워앰프 회로도, 부품리스트, 부품배치도 입니다.
회로는 그리 특별한 회로는 아니고 일반적인 파워앰프 회로 구성입니다. 공개된 회로를 재구성 한 것입니다.
제나름대로 해석을 해서 간단히 회로 설명을 하면,
초단 differentail(차동) 증푹단은 Q1, Q2로 구성됩니다. Q1의 베이스가 입력신호를 받고, Q2의 베이스는 출력의 NFB(Negative Feed Back)을 받게 되어 있으며
차동증폭기의 역할은 이 두 입력의 차이 전압을 증폭합니다. 같은 입력전압(comman mode 전압)이 들어오면 출력은 변하지 않고 오로지 두입력의 차이전압(diferentail mode 전압)만을 증폭한다고 보시면 됩니다. 증폭된 전압은 두 트랜지스터의 콜렉터에 나타납니다. 공통에미터 증폭이므로 콜렉터는 반전된 신호가 출력됩니다. Q1의 베이스 전류가 증가하면 Q1의 콜렉터 전압은 내려가고 Q2의 콜렉터 전압은 올라갑니다. 반대로 Q1의 베이스 전류가 감소하면 Q1의 콜렉터 전압은 올라가고 Q2의 콜렉터 전압은 내려갑니다.
또한, Q2의 베이스 전류가 증가하면 Q2의 콜렉터 전압은 내려가고 Q1의 콜렉터 전압은 올라갑니다. 그럼 Q1, Q2의 전류가 같이 증가하거나 같이 내려가면 콜렉터의 전압은 거의(?) 변하지 않습니다. 이것이 차동증폭기의 동작이죠. 전압 증폭단은 여러단으로 open loop 게인을 매우 크게 설계합니다. open loop gain 계산은 다소 복잡하므로 생략합니다.
차동증폭기의 두입력의 전압차이가 베이스전류의 차이로 되고 이것은 크게 증폭되어 출력단에 큰 전압차이로 나타납니다. 이와같이 open loop gain이 크면 두 입력은 비교기로서 동작한다고 볼수 있으며 Q1의 입력전압이 Q2의 입력 전압보다 높으면 출력전압을 +전원으로 올라가고, 반대의 경우는 -전원으로 내려간다고 보시면 됩니다.
출력에서 감쇠기를 거쳐 피드백을 걸면, 출력단의 전압이 감쇠기를 거쳐서 Q2의 베이스에 피드백 되어 출력단의 전압이 변하는 반대방향으로 작용합니다. Q1의 전압 증가하면 출력전압 상승하고, 출력단에서 감쇠기를 통하여 Q2의 베이스 전압 상승하므로, 결국 두베이스 전압이 같을 때까지 출력 전압은 상승합니다. 이것이 바로 OPAMP에서 말하는 가상단락 입니다. 증폭기가 정상동작하면 두 차동증폭기의 입력 전압은 같게 됩니다. 즉, Q2의 베이스쪽 전압이 Q1의 베에스전압(입력전압)과 같도록 출력전압을 내보내는 것이 되고, 피드백의 감쇠비를 예를 들어 1/10로 한다면 두입력의 전압이 같기 위해서는 출력전압은 입력전압의 10배가 되어야 겠지요. 감쇠기의 감쇠비의 역수가 피드백을 걸었을 때 앰프의 closed loop gian 게인이 됩니다
현재 파워앰프의 closed loop 게인은 1 + R8/R9 = 33.14배가 됩니다. 파워앰프의 게인을 조정하고 싶으면 R8과 R9의 비율을 조정하면 됩니다( 앰프의 안정도는 체크할 필요가 있음)
이 두 트랜지스터는 서로 매칭이 잘되는 것이 중요합니다. hfe 매칭이 서로 안되면 출력 offset 전압(출력의 DC 전압)이 증가하고 비선형성이 증가하여 왜율이 증가합니다.
되도록 2% 이내로 hfe가 서로 같게 하는 것이 좋습니다. 또한 열결합하여 온도도 같게 하는 것이 좋습니다. 캔타입이라 케이스가 콜렉터 접속이라 열결합은 쉽지 않을 듯 합니다.
차동 증폭기 Q1,Q2의 바이어스 전류는 Q3가 정전류로 공급합니다. Q1,Q2의 에미터 전류의 합은 고정되었다고 할 수 있으며 어느한 쪽 트랜지스터의 에미터(콜렉터)전류가 증가하면 다른 트랜지스터의 에미터(콜렉터) 전류가 감소하는 구조입니다. Q3가 공급하는 전류는 0.6V / R5 = 4mA 가 됩니다. Q3의 발열은 대략 -VEE * 4mA = 0.25W 정도로 방열은 해야 할 것으로 보입니다. 2N3440을 사용하신다면 방열판을 달아야 하고, TO-92의 트랜지스터는 좀 무리이고 대치를 쓴다면 TO-126 타입의 내압 100V이상의 TR이면 될 것 같습니다.
Q1과 Q2의 발열은 이보다 절반이 될 것 같고요 대치로 2N5551 정도로 사용은 가능할 것 같습니다.
Q4와 Q5 역시 차동 증폭기로 되어 있으며 초단의 출력 신호를 증폭합니다. R4과 R6에는 대략 1.1V 정도 전압이 걸리고 R7에 흐르는 전류는 ( 1.1V-0.6V )/ 15옴 = 33mA 인데요..
Q7에 흐르는 전류는 0.6V/R10 = 18mA 이고, Q5에 18mA가 흐르면 Q4에는 33mA - 18mA = 15mA가 흐릅니다! . Q4와 Q5의 전류 편차가 약간 발생합니다..
발열은 Q4가 0.95W 이고, Q5와 Q7은1.1W 정도로 계산 됩니다. 당연히 방열판 붙여야 합니다. TO-5 의 2N3440/2N5416 을 사용한다면 Q4는 방열판을 붙여야 할 것으로 예상됩니다. TO-220 타입의 TR을 대치로 사용한다면 2SA1930/2SC5171 정도가 좋을 것 같고요, 방열판에 부착할 수 있도록 PCB를 아트웍했습니다
Q6은 출력단 바이어스 및 온도보상용으로 아이들링 전류 조정은 R13으로 조정합니다. 초기에는 저항값을 최대로 하여 저항값 낮추면서 조정합니다. 적정값은 준콤플리먼터리 출력이라 출력석의 에미터 저항의 전압강하가 26mV가 되도록 조정하는 것은 안 맞을 수 있겠네요. 튜닝하면서 결정하겠습니다. 이건 NPN의 방열판에 부착이 용이한 TO-126 타입의 적당한 것이면 충분합니다. 반드시 출력석의 방열판에 부착하여야 합니다.
Q10, Q12는 드라이버 트랜지스터이고 출력석과 달링턴으로 접속되어 있습니다. 요즘 나오는 앰프와 다르게 준콤플리먼터리로 구성되어 있습니다. 과거에는 PNP 고출력 파워트랜지스터를 만들기 어려웠을 때 주로 많이 사용한 방식입니다. NPN 드라이버 + NPN 출력은 등가적으로 NPN 트랜지스터가 되고, PNP 드라이버 + NPN 출력석은 등가적으로 PNP 트랜지스터가 되며 이건 로컬 피드백 루프가 만들어져서 출력임피던스는 매우 낮게 됩니다. 상하 대칭 구조가 되지 않는데 짝수 고조파가 증가와 cross over 왜곡 측면에서는 불리하지만 오디오라는 것이 꼭 이론적인 것이 전부는 아니듯이
이것이 RCA 앰프의 소리가 좋게 하는 것 일 수도 있습니다.
드라이버석, 출력석, 온도보상 TR은 몰드형으로 방열판에 붙일 수 있도록 했으며 서울 금속의 SU B73 의 방열판을 사용시면 됩니다.
몰드형으로 하실경우 출력석은 2SC5200 이나 기타 다른 것도 괜찮고요, 드라이버석은 2SA1930/2SC5171 나 2SA1011/2SC2344, MJE15030/MJE15031도 괜찮을 것 같습니다.
TO-3의 캔타입 출력석을 사용하려면 서울 금속의 SU A1을 사용하고 전선으로 트랜지스터에 배선해야 합니다.
Q8과 Q9는 출력 쇼트보호 회로로 출력 전압에 따라 전류제한이 가변되도록 되어 있습니다. 출력전압의 절대값이 증가하면 전류 제한 값도 같이 증가하도록 설계 되어 있습니다.
쇼트보호회로 TR의 내압은 높지 않아도 됩니다.
부품리스트를 첨부합니다. 튜닝하면서 약간의 변경이 있을 수 있습니다.
원소자의 부품을 구하기가 어렵습니다. 구하기 어려운것은 구하기 쉬운 것의 대치품도 표시햇습니다
제 생각에는 소자보다 회로의 구성이 소리를 더 좌우할 것 같습니다.
PCB의 배치도도 첨부합니다.
이제 PCB가 나오면 조립해서 특성측정하고 튜닝값 공유하도록 하겠습니다.
LME49830, MOSFET 사용 파워앰프 회로도, 부품리스트, PCB 아트웍.
공제 중인 골드문드 회로도와 PCB아트웍, 부품리스트입니다.
