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[정보] 놀라운 Virtual Ground Test 결과 - 신정섭

조금전 수행한 여러가지 가상접지 회로에 대한 실험결과를 소개합니다.
저로서는 놀라운 결과이며,
과거 제가 잘못 생각했던 부분도 있음을 발견하였습니다.
또한 무엇이 간과되고 있었는지도 알 수 있는 정말 귀중한 경험이었다고 생각합니다.

먼저 테스트는 빵판에 위의 가상접지 회로를 구성하고,
전원은 +24VDC를 인가하였습니다.
그리고 가상접지 회로의 출력으로 나온 +12V, 0V, -12V 중에서,
한쪽 전원단만, 즉 +12V와 0V 에만 부하를 걸었습니다. (이하 이것을 편중부하라고 기술합니다.)

편중부하는 LM317을 Constant Current Source로 활용하여 고정저항 대신 100옴의 가변저항을 달아서 전류량을 변화시켰습니다.
이 가변저항을 조절하면서 편중부하의 전류를 측정하였고, 동시에 이 +12V가 흔들리지 않고 제대로 나오는지 모니터하였습니다.

제가 사용한 측정기 및 가변저항으로는 12mA - 200mA 정도까지 전류량을 조절할 수 있습니다.
이것을 벗어나는 것은 정확한 측정과 조절이 어려웠고,
일단 IC에서 엄청난 열을 동반하여 곧 사망에 이르므로 곤란하였습니다.

회로구성은 단순히 10K 저항과 100uF 콘덴서에 의한 Reference 전압(즉, 접지전압)을 잡고,
이것을 버퍼회로에 보내어 가상접지단을 출력하게 하였습니다.
출력단의 콘덴서는 470uF을 썼고요.

또한 100mA 이상 흐르면 IC에서 열이 대단히 많이 나고 파손위험이 있으므로, 오래도록 출력값을 유지하는지 지켜보진 못했습니다.


**** 결과 (테스트한 순서대로...) *******************************

★★ Circuit B ★★ (단순 직렬연결)
- LF353 OP-Amp 사용시: 20mA 까지 가상접지 유지
- JRC4556 OP-Amp 사용시: 약 200mA 까지 가상접지 유지
- JRC4580 OP-Amp 사용시: 약 150mA 까지 가상접지 유지

놀라운 결과입니다.
4556이 200mA의 편중부하에서도 가상접지를 꿋꿋하게 유지합니다.
LF353은 그냥 테스트용으로 해본 것인데 다른 두 OP앰프에 비해 너무나 차이가 나서 이후의 테스트에선 제외시킴.
역시 4556과 4580이 고출력 OP앰프임을 확인함


★★ Circuit E ★★ (변형된 직렬연결)
- JRC4556 OP-Amp 사용시: 약 160mA 까지 가상접지 유지
- JRC4580 OP-Amp 사용시: 약 105mA 까지 가상접지 유지

왜 이 회로가 B보다 다소 나쁜 결과가 나왔는지 모르겠음.


★★ BUF634P를 이용한 가상접지회로 ★★
이것은 BUF634P의 데이터시트에 있는, 즉 가장 전통적인 방법입니다.
어찌보면 가상접지 회로의 기본적인 Reference 격이라 볼 수 있지요.

그런데 테스트 결과, 놀라운 것은 엄밀한 의미에서 가상접지를 유지하지만, 정전압은 유지하지 못했다는 것입니다.
그 이유는 다른 회로들 처럼 부궤환회로가 아니어서 출력값을 수정할 수 없으므로 전류량에 따라 출력전압이 변하는 것 같습니다.

즉, WB모드에서 150mA의 편중부하를 줄 때 +12V를 유지하는 것이 아니라 1.0V가 강하된 +11V가 됩니다.
WB모드가 아닌 경우엔 1.2V가 강하되고요.
즉, 전류량에 따라서 전압이 점차적으로 계속 떨어지는데, 약 200mA를 조금 넘으면 가상접지 기능은 완전 상실됩니다.


★★ EL2001를 이용한 가상접지회로 ★★
이것은 위의 BUF634P대신에 EL2001을 사용해서 똑같이 측정한 것입니다.
즉, 만약 Reference용 저항 두개대신 TLE2426을 사용한다면 META42에서 사용하는 가상접지회로와 동일하게 되는 것입니다.
이것의 가상접지 특징도 위 BUF634P와 유사하게 나왔습니다.
하지만 가상접지 기능의 상실은 훨씬 낮은 부하에서 생겼고요.
즉 100mA에서 0.5V의 전압강하가 발생했고, 130mA에서 기능 상실입니다.


★★ Circuit D ★★ (출력저항 1개 사용 병렬연결)
한쪽 버퍼 출력단의 밸런스용 저항은 10옴을 사용하였습니다.
이 실험을 하다가 200mA 넘는 전류량에서 4556이 사망하였습니다.
다시 새 4556으로 실험할 의욕을 상실했으므로, 정량적인 결과는 4580에 대해서만 측정되었습니다.

- JRC4580 OP-Amp 사용시: 약 180mA 까지 가상접지 유지

즉, Circuit B에서의 150mA보다 다소 우수한 특성을 보였습니다.
저항이 하나더 늘어나지만 훌륭하다고 생각됩니다.


★★ Circuit C ★★ (출력저항 2개 사용 병렬연결)
병렬연결이 예전의 제 실험결과에서 짐작했던 수준보다 더 나은 결과가 나왔으므로,
다시 예전의 Circuit C를 해 보았고, 예전에 나쁘게 나왔던 그 원인을 알았습니다.

소자끼리 싸우느라 발생하는 열을 줄이기 위한 저항이 문제였습니다.
이 저항은 제 경험상 꼭 필요한데, 대신 이것 때문에 전압강하가 발생하는 것 같습니다. 즉, Circuit D에서와 거의 같은 전류수준까지 기능을 유지하지만,
위의 BUF634나 EL2001처럼 사용 전류량에 따라서 전압이 점차적으로 저하합니다.

그러므로 예전에 제가 병렬사용이 직렬사용보다 못한 결과를 얻었다고 판단했던 것이,
당시 전압강하만을 보고 이미 균형이 깨진것으로 생각했던 때문이었던 것입니다.
좀더 실험을 진행하여 진짜 기능 상실점을 읽었으면 더 좋았겠지만,
하여간 이런 이유로 다소 부정적인 의견이 있었던 것입니다.

Circuit D의 경우는 한쪽 버퍼단에 그러한 출력 감쇄 저항이 없이 Feedback되어 입력전압과 비교하므로 기능이 상실되기 직전까지 안정된 출력전압을 유지하는 것입니다.

아. 실험에서 2개의 출력 저항은 10옴짜리를 사용했습니다.


★★ META42 가상접지단 ★★
즉, TLE2426CLP + EL2001 입니다.
위에서 제가 실험한 것에서 저항대신 TLE2426으로 바꾼 것입니다.
결과적으로 나머지 특성은 동일하고 10mA 정도 가능 부하가 늘어서 기능상실 직전의 최대 편중부하는 140mA 정도로 나왔습니다.

즉, META42의 전원단 보다는 저항+JRC4556 가상접지가 전원변화율이나 최대가능 편중부하 측면 모두에서 우수한 것으로 나타났습니다.


★★ 버퍼없이 TLE2426CLP 단독 사용 ★★
기능상실 직전의 최대 편중부하는 35mA 정도로 나왔습니다.
물론 다른 실험에 비해서는 작게 나왔지만, 실용적으로는 이 정도면 훌륭하다고 생각합니다.



**** 결 론 (JRC4556 기준시) ****************************

가상접지 성능이 우수한 순서: D(최우수) --> B --> E --> C --> A

기능상실 전까지의 최대 편중부하 순서: D=C(최대) --> B --> E --> A

EL2001은 출력전압의 변화나 최대 편중부하 테스트에서 다른 구성보다 만족스러운 면이 부족함.

BUF634의 경우 최대 편중부하는 가장 우수했으나 출력전압의 변화가 가장 컸음.

기준전압을 잡기 위해 두개의 저항대신 TLE2426을 사용한 회로에서는, 약 10mA 정도 최대 편중부하가 증가하는 효과를 보았음.

META42의 전원단(TLE2426+EL2001) 보다는 저항+JRC4556 가상접지가 전원변화율이나 최대가능 편중부하 측면 모두에서 우수한 것으로 나타남.

한편, 위의 결과들은 다소 극한 상황을 연출한 경우 입니다. (예를들면 양전원의 한쪽 전원단에 LED를 십여개 이상씩 달아보는 실험을 한 것과 마찬가지입니다.)
또한 버퍼 IC 사용시 편중부하에서의 전압변화라는 것이 실제 상황에서 쉽게 발생하는 경우는 아닐 것이라 생각합니다.
그러므로 실제의 앰프에서는 발열이 심한, A회로를 제외한 모든 회로나 버퍼 IC의 사용에 아무런 문제나 한계가 없으리라 판단합니다. (사실 A회로 역시 그리 심각한 것은 아니고...)

뭐 그렇게 사용하지는 않겠지만, 개인적인 생각으로는 35mA 에 불과한 값이 나온 TLE2426 달랑 한알로도 수백mA급의 앰프를 만족스럽게 작동시킬 것입니다.

또한 위 실험은 모두 +24VDC 정전압을 공급하면서 단시간 내에 실험한 것이므로,
다른 전압으로 실험하거나 장시간 동안 부하를 주면서 실험하면 위의 최대 편중부하 등의 값은 다른 수치로 나올 것입니다. 물론 결과의 경향은 대차없겠지만요.

휴. 힘들다.
글쓰는 시간이 더 걸렸습니다.
읽으시느라고 수고하셨습니다.

하스 만세 입니다.
  • ?
    이복열 2003.10.10 00:55
    이그 결과 감사히 잘 읽었습니다.
    JRC4556 재고목록 보니 10개나 있군요..하하 입니다.
    결과적으로 tle2426보다 못하지는 않는것 같습니다.
    150mA이상이라면 일반적이 OPAMP기반에서는 무난하겠군요.
    2426대신 OPAMP Type으로 사용시 사용해 보겠습니다.
    유용한 실험결과 감사드립니다.
  • ?
    송영주 2003.10.10 01:41
    2426부품이 떨어져서 다른 방법을 찾던 차인데 때마침 정섭님께서 훌륭한 정보를 제공해 주셔서 감사드립니다..
    당장 적용해 봐야 겠습니다.. 흔하게 구할 수 있는 부품으로도 좋은 성능이 나온다니 무척이나 기대됩니다..
    자주 제 친구들에게 선물로 휴대용 앰프를 만들어 주지만 어쩔 수 없이 "공제로 겨우 구한 피같은 부품(2426)"을 쓸 때는 눈물이 나더군요.
  • ?
    임일환 2003.10.10 02:16
    늘 느끼는바지만 정섭님 탐구정신은 경이롭습니다. 좋은 정보에 감사드립니다.
    저두 2426은 몇개 있는데 못써봤읍니다. 아끼느라ㅠㅠ.
  • ?
    박찬영 2003.10.10 09:02
    고생하셨습니다.
    정말 놀랍군요. 자주 애용하는 OP앰프인 4556의 경이적인 힘에 다시 한 번 감탄했습니다. ^^
  • ?
    이학민 2003.10.10 10:10
    말그대로 실험이군요.. 말씀하신대로 실용적으로는 어느 회로나 큰 문제가 없겠지요.. 흥미롭게 읽었습니다.. ^^
  • ?
    정귀홍 2003.10.10 12:00
    ㅎㅎㅎ 공구한 2426이 3알 남아 있는데.. 앞으로 쓰일지 모르겠군요..^^
  • ?
    지승배 2003.10.10 12:45
    이야.~ 정말 소중한 실험 데이터 입니다. 요즘은 전원부에 대한 관심이 높아지다보니, 다양한 정전압 회로 정보에 가상접지 회로 업그레이드까지.. 정보가 점점 풍성해지는것 같습니다.
    좋은 데이터 올려주신 신정섭님께 감사드립니다.
  • ?
    이주훈 2003.10.10 13:02
    4556은 다 좋은데 병렬로 연결하면 과전류가 흐르는 것 같더군요. 072는 병렬연결해도 문제가 전혀 없는데요. 아마 OPAMP마다 내부구조가 틀려서 이런현상이 일어나는것 같습니다. 좋은 정보 감사드립니다.
  • ?
    노현준 2003.10.10 13:03
    다른 말이 필요 없을거 같습니다... (--) (__)
  • ?
    신정섭 2003.10.10 13:11
    애고고...
    이거 말씀들 감사합니다.

    JRC에서 OP앰프 분류한 것 보면;
    고성능 또는 고음질은 4580, 2114 두개이고, 고출력은 4556으로 되어 있습니다.
    채널당 출력은 4580=50mA, 2114=60mA, 4556=70mA로 모두 상당한 수준입니다.

    한달여전 배영전자에 알아본 결과 안타깝게도 2114은 취급하지 않더군요.
    4580은 250원인가에 구입했었습니다.
    엄청 저렴한 가격에, 작동 전압도 아주 낮고, 소비전류도 적당한 수준이고, Spec.또한 우수한 것으로 보여서 10여알 구입하여 애호하고 있습니다.
    다만 Slew Rate가 더 높았으면 좋겠으나 일단 아주 훌륭하다고 생각합니다.

    몇몇 Spec.에서 더 앞서는 2114를 구할 수 있으면 더 좋겠습니다.
    2114 정도면 PPA 등에서 Poorman's Buffer IC로 사용에도 더 낫겠고요.
  • ?
    이복열 2003.10.10 14:25
    정섭님 덕분에 버츄얼 버퍼는 아주 유용하게 만들어 쓰게 된것 같습니다.
    2114도 구해봐야 겠군요. 2426+2001 조합을 저야 주로 사용하고 있지만
    다음번에는 4556+dual2buf로 해서 버츄얼 구성해 보겠습니다.
    항상 감사드립니다. 위 덧글 정보도 감사드립니다.
  • ?
    김도석 2003.10.14 15:54
    마음은 여전한데 요즘은 PDA에 미쳐 헤메다 보니 들어오는게 뜸 해지던군요. 여전히 왕성한 하스가 있어 좋네요. 좋은 정보 정말 감사합니다.
  • ?
    황용근 2003.10.15 22:04
    2068은 테스트 안해보셨나요?
  • ?
    신정섭 2003.10.15 22:25
    아. 용근님이 아마 2068 팬이시죠?
    2068은 저노이즈의 용도로 많이 사용하는 것 같고, CDP에서 쓰이는 것을 많이 보았습니다.
    한편, 가지고 있는 모든 OP앰프를 다 테스트 할 수는 없어서 그중 가장 저렴하고, 출력이 큰 두놈만 테스트 한 것입니다.
  • ?
    박용민 2011.06.24 12:13
    아마 본 테스트 결과는 직류 부하가 걸렸을 때, 각 가상접지 회로들의 전압 유지 능력을 비교한 것으로만 해석할 수 있을 겁니다.
    교류 부하가 걸렸을 때는 어떨지 장담 못합니다.
    대개 출력 단에 콘덴서가 있을 때가 없을 때보다 전압 유지 능력이 강할 것 같습니다만 주파수에 따라 다른 양상을 보여줄 겁니다.
    더불어 그 땐 클리핑 및 overshoot 테스트도 해봐야 겠지요.
  • ?
    박용민 2011.06.24 13:39
    또한 위의 D 회로는 시뮬레이션 하면 10옴 저항 있는 쪽 채널이 놀게 됩니다. 즉 한쪽 채널이 모든 전류를 감당합니다.

    그러하니 양쪽에 다 10옴 저항을 넣어주는 편이 나을듯 하네요. 문제는 그렇게 하면 출력 임피던스가 커져서 크로스토크가 증가합니다.

    따라서 Dual Channel Op-Amp를 가상접지에 쓰려면 한쪽 채널만 써서 구성하든가, 혹은 B로 직렬연결하는 게 나아보입니다. 아니면 A47과 같은 구성도 물론 생각해볼 수 있는데, Op-Amp에 따라 잘 되는 경우도 있고 아닌 경우도 있어서 좀 까다로울 듯합니다.
  • ?
    박용민 2011.06.24 13:42
    참고로 테스트 결과에 나온대로 직류 편중부하가 심해져 중간전압이 틀어지는 현상도 출력 임피던스 때문입니다. 버퍼 IC들의 경우 피드백 회로가 없기 때문에 출력 임피던스가 수 옴에 10여 옴 가량으로 큰 편인데, 그 덕분에 중간 전압이 바뀝니다.
    C 회로의 경우도 출력에 10옴 저항이 각각 있어 출력 임피던스가 한 5옴 정도가 되고, 따라서 버퍼 IC들과 같은 결과를 낳지요. 이게 교류에 적용되면 크로스토크에 영향을 주게 됩니다.

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