입출력트랜스 방식 FET 앰프 - "0" 피드백

[반달]

Zeous Power Amplifier ==> http://www.susan-parker.co.uk/zeus-about.htm

"The perfect amplifier is wire with gain."

(구글 번역입니다.)

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Introduction

이 디자인은 1994년 필자가 회전 타원형 인클로저 스피커를 구동하기 위해 앰프가 필요했기 때문에 시작되었습니다.

나는 '밸브 - 솔리드 스테이트' 논쟁을 꽤 오랫동안 이어 왔으며 반도체에서 부족한 느낌이 들었던 명확성을 진공관으로부터 들을 수 있었습니다.

대부분의 반도체 앰프가 우수한 진공관 설계보다 훨씬 좋은 기술적 성능을 달성 할 수 있는데도 왜 이럴까? 

오디오 품질을 측정하기 위해 일반적으로 사용되는 사양에 뭔가 빠졌는가?

다음 표는 두 기술 간의 기본적인 작동차이를 보여줍니다.

진공관

  - 변압기 출력

  - 두 출력 장치가 동일한 '극성'

  - 단일 공급 레일

  - 적은 수의 능동소자.

  - 전체 피드백이 낮거나 0.

  - 부드러운 클리핑.

반도체

  - 직접 결합 출력

  - 출력 장치 N & P (또는 의사 P)

  - 듀얼 전원 레일

  - 많은 수의 능동 소자.

  - 높은 부궤환; 선형화 회로.

  - 거친 클리핑.

이 문제를 고려하여 다양한 시스템과 믹스 앤 매치 된 다른 스피커들을 듣는 경우, 많이 주목을 받지 못했던 앰프 디자인의 한 측면은 위상 왜곡 (Phase Distortion) 입니다.

나는 스피커 타입에 특히 민감한 청각을 가지고 있고, 그리고 동축 또는 포인트 소스 스피커가 기존의 드라이브 배열보다 훨씬 좋은 스테레오 이미지를 제공한다는 것을 발견했습니다.

더 깊은 연구를 통해 이 "진흙탕"소리가 위상 문제, 특히 크로스 오버 지역에서 눈에 띄기 때문이라고 결론을 내릴 수 있었습니다.

스피커는 특히 다른 특성과 패시브 크로스 오버의 여러 드라이버를 사용하는 경우 앰프의 "좋은" 반응형 부하입니다.

출력에서의 부궤환이 높을수록 앰프에 더 큰 영향을 미칩니다.

진공관 앰프는 종종 출력단계에서 적은양의 부궤환을 사용하고 일부는 전혀 사용하지 않도록 구성 될 수 있습니다.

이것이 고조파 왜곡을 증가시켜도, 많은 진공관 앰프는 여전히 명목상으로 동등한 반도체 앰프보다 우수한 사운드로 평가됩니다.

이러한 사고 방식은 전반적인 부궤환이 전혀 없는 앰프의 이상으로 끝났지만, 아직 쉽게 이용할 수있는 부품과 접근이 용이한 공급 업체를 통해 쉽게 만들 수 있었습니다.

여기에 제시된 디자인은 그 생각의 구체화입니다.

오디오 전력 증폭기란 무엇입니까?

가장 기본적인 형태의 오디오 전력 증폭기는 입력 신호에서 유래된 전류를 보이스 코일로 유도하는 전기회로입니다.

필자는 완벽한 앰프가 "Wire with Gain"이라는 구절을 읽었습니다.

2 개의 트랜스포머를 사용함으로써, 전압 증폭기로서의 첫 번째, 전류 증폭기로서의 MOSFET를 가진 두 번째로, 나는 이것이 성취된 것이라고 믿습니다.

전원회로와 바이어스회로는 여기를 참조 하세요 ==> http://www.susan-parker.co.uk/zeus-schematics-1.htm#vbias-l200

Description

변압기 T1은 한 쌍의 전력 반도체 Q1 및 Q2 (이 예에서는 전력 MOSFET)에 차동 드라이브를 생성하는 입력애 결합됩니다.

2 차측의 저항 R3은 고주파에서 롤오프를 생성하고 입력 신호를 필터링하여 트랜스포머의 공진 지점 아래에 있도록 선택됩니다.

2 차측의 센터 탭은 Q1 및 Q2를 바이어스하기 위해 전압기준/레귤레이터에 의해 접지로부터 오프셋 됩니다.

(예 : 평활 캐패시터와 저항으로 전원공급 받는 제너다이오드 또는 능동 정전압 바이어스)

회로도의 V-BIAS는 일반적으로 반도체 제조업체에 따라 3.5 ~ 4.5 볼트입니다.

MOSFET의 전압강하 사양에서 이 전압으로 시작한 다음 정지전류를 모니터링하면서 천천히 증가시킵니다.

증폭기가 작동하려면 몇 백 밀리 암페어만 있으면 됩니다.

Q1과 Q2는 '소스 팔로워 (source follower)'로 사용되어 출력 트랜스포머 (T2)의 1차 측에 흐르는 전압을 변경합니다. 따라서 그 중심은 접지됩니다.   *** 원문의 Gate Follower(게이트팔로워)는 잘못 사용한 용어 같습니다.

출력 트랜스포머의 2 차측은 부하를 구동하기 위해 매치되며, 이 경우 스피커입니다.

2차는 증폭기의 기본 동작에는 필요하지 않지만 차동으로 부하에 구동 할 수 있도록 센터 탭으로 구성하여 연결 케이블에서 유기되는 노이즈를 줄입니다.

무 신호 상태에서 Q1 및 Q2는 모두 동일한 전위에 있고 동일한 전류가 트랜스포머 T2의 1 차측의 양쪽 절반을 통해 흐르고 자속을 상쇄합니다.

T1의 모든 입력 신호는 권선비에 의해 확대되고 Q1과 Q2는 게이트에서 전압을 따라 가며 하나의 소자는 상승하고 다른 소자는 떨어집니다.

참고 : 변압기는 효과적으로 네거티브 레일을 생성하므로 변압기 1차가 양의 값과 음의 양만큼 스윙합니다 (바이어스 전압을 줄입니다).

45 볼트 전원을 공급하는 경우 MOSFET의 최소 정격은 100 볼트이어야 합니다.

부하를 구동하는데 사용할 수 있는 총 출력전력은 트랜스포머 T2의 설계에 의해 결정되며, 더 높은 전력은 더 낮은 임피던스 1차를 갖는 더 큰 변압기, 더 큰 히트싱크를 갖는 더 높은 전류의 반도체 및 더 높은 전류의 전원공급을 필요로 합니다.

그러나 다이렉트 드라이브 반도체 앰프와 달리 출력을 높이기 위해 앰프의 동작전압을 높여야 할 필요는 없습니다.

표준 포노앰프의 출력은 충분하지 않으므로, 포노입력은 프리 앰프의 적절한 밸런스드 라인 드라이버에 의해 구동되어야합니다. (데모용으로 휴대용 라디오, CD 또는 테이프 플레이어와 같은 일반 헤드폰 출력에서 이 앰프를 구동 할 수 있습니다.)

입력 변압기 입력 임피던스 :

     병렬 = 165 Ω.

     시리즈 = 667 Ω.

자세한 내용은 입력 변압기 사양을 참조하십시오.  ==> http://www.susan-parker.co.uk/zeus-in-tx.htm

출력트랜스 사양을 참고하세요 ==> http://www.audiophonics.com/audiophonics-zeus-out-tx-75w.html

구성 요소 값 :

R1,R2는 200ohm의 비유도 1/4w 저항입니다.

R3은 변압기 사양에 따라 470K 가변저항으로 먼저 튜닝한 다음 비유도 1/4 와트 저항으로 교체합니다.

Z1,Z2는 Q1,Q2를 보호하기 위한 12V 제너입니다.

Q1,Q2는 IRFP150N MOSFET이며, 40mm 핀 300x75mm의 방열판에 장착되어 있습니다.

출력 임피던스 1kHz @ 2.78 Ω

Notes

전반적인 부쉐환은 없습니다.

유일한 피드백 메커니즘은 전압 폴로워 모드로 동작하고 소스 / 드레인의 전압을 게이트의 전압과 일치하도록 조정하므로 Q1 및 Q2 내에 있습니다.(반도체 전압 강하가 적음).

전원공급 용량은 설계출력의 3 배가 필요합니다.

즉. 50 와트 출력의 경우 150 와트 정격 전원을 사용하십시오 (연속 최대전력 작동의 경우).

Q1 및 Q2가 입력 트랜스포머 센터탭은 정전압 전원에서 레퍼런스를 취하므로 앰프용 전원공급(그림에 표시되지 않음)은 엄격하게 조정할 필요가 없습니다.

주전원의 리플은 문제가되지 않으며 주전원 변압기의 출력에 표준 브리지 및 커패시터가 필요합니다. (35V 전원으로 10,000uF 커패시터를 사용했습니다.)

바이어스 전압은 두 MOSFET 출력석 사이에 장착된 정전압에서 생성됩니다.

이렇게 하면 출력이 지나치게 뜨거워지면 레귤레이터의 열 셧다운 모드로 인해 바이어스 전압이 자동으로 제거됩니다.

트랜스포머 커플링 된 앰프 입력은 절연 및 저 임피던스 입력을 제공하여 전력 스테이지와 프리 앰프 스테이지 사이의 접지 전류 루프를 방지합니다.

또한 케이블 임피던스와도 일치하여 더 나은 종단 특성을 제공하고 케이블 방사도 줄이거나 없애고, 프리 앰프와 스피커 부하흫 가지는 파워 앰프 사이에 긴 상호연결을 허용합니다. 

낮은 임피던스 입력은 또한 입력단자를 손으로 만져지는 경우 메인앰프 등으로부터의 큰 윙윙 소리를 생성하지 않는 이점이 있습니다.

트랜스포머 기반의 앰프출력은 절연되어 있으며 스피커가 전력 증폭기에서 멀리 떨어진 곳에서 접지되어야하는 경우 '접지'전류 루프가 적용되지 않습니다.

증폭기 입력 및 출력 모두 변압기라서, 즉 인덕터는 양호한 RFI/EMI 차폐를 제공합니다.

입력 및 출력을 차동 (오디오 음색의 균형)으로 드라이브함으로써 방사 방출이 최소화되고, 입력 케이블의 모든 잡음이 제거됩니다.

입력 신호가 증가함에 따라 앰프가 오버 드라이브를 시작하면, 피크의 전원 레일에 의해 즉시 하드 클립되지 않지만 가청대역의 하모닉을 생성합니다.

이것은 라우드 스피커의 보이스 코일에 과도한 전류가 흐르기 전에 입력을 줄여야 함을 경고합니다.

출력이 트랜스포머로 커플링되어 있으므로 실제 DC는 생성될 수 없습니다.

앰프의 신호 대 잡음 성능은 매우 우수합니다.

나는 -130dB까지 측정했는데, 그 이하로는 무선 간섭으로부터 앰프와 시험 장비를 보호할 수 없기 때문에 포기했습니다.

기본적으로 이는 앰프 자체가 완전히 침묵하는 실용적인 결과로 해석합니다.

스피커에 연결되어 있을 때 대부분의 앰프는 스피커에 매우 가까이 귀를 대면 들리는 배경음 "히스"를 냅니다. (입력 신호를 단락시켜 오디오 신호가 적용되지 않도록 주의).

이 앰프의 또 다른 이점은 오디오 신호 경로에 커패시터가 사용되지 않는다는 것입니다.

사용 된 커패시터의 효과 (이 앰프와 다른 방식)에 관해서는 많은 논란이 있지만, 일부 유형의 커패시터가 실제로 가청 왜곡을 생성 할 수 있다는 사실이 인식되기 시작했습니다.

자세한 원인과 어떤 유형이 가장 좋거나 가장 나쁜지는 여전히 많이 논의되고 있습니다 (C 참조).

자세한 정보는 Bateman의 Electronics World 기사 시리즈를 참조하십시오. 108권(2002) 7월 (part1), 9월 (part2), 10월 (part3), 11월 (part4), 12월 (part5) 및 2003년 2월 (part6)

마지막으로, 이 앰프만 가동하지 않고 프리 앰프에 의해 구동되면, 프리앰프에 의한 왜곡된 신호가 여전히 스피커에서 들릴 수 있습니다.

이것은 입력과 출력 사이에 직접적인 전기 경로가 있음을 보여줍니다. - 나는 이 설계가 유일하다고 믿습니다.

Variations

나는 이 설계의 싱글 버젼 브레드보드를 가지고 있습니다. 싱글용 T1을 재구성하여 하나의 전력석(Q1)을 구동하고 T2 1차를 직렬로 연결하도록 했습니다.

이 원리는 동일하게 유지되지만 출력 트랜스포머는 포화되지 않고 DC 전류를 취할 수 있어야 하며, T1 2차측에 대한 전압 레퍼런스는 여기의 노이즈가 트랜스포머 T2에 의해 출력으로 커플링되지 않고 출력과 연결되어야 하기 때문에 보다 잘 조정되어야 합니다 .

그것은 푸시-풀 버전의 파워의 4 분의 1에서 작동하지만, 나는 왜곡 등을 측정하지는 않았습니다.

출력 단 (Q1, Q2 및 T2)은 절연된 저 임피던스 입력이 필요없는 평형 드라이브 용으로 구성된 개별 반도체 또는 밸브 스테이지 또는 연산증폭기에 의해 구동 될 수도 있습니다.

예 : 통합된 프리 및 파워 앰프. 싱글 동작에 대한 앞 단락 주석도 적용됩니다.

Summary

제로 피드백.

밸런스 절연 입출력.

정전에서 서브-옴 병렬 선형 어레이 스피커까지 임피던스 부하를 구동하도록 출력 구성 가능

우수한 EMI / RFI 성능.

저전압 작동 (60V 이하). 치명적일 수 있는 고전압은 없습니다.

오직 두 개의 전력 반도체만 필요합니다.

최소 구성 요소, 잡음 발생 가능성이 거의 없습니다 (신호 대 잡음비 -130 dB).

오디오 신호경로에 커패시터가 없습니다.

입력에서 출력으로 "직접"신호 연결.

저자 : Susan Parker, MIEE.

여기에 포함된 정보는 특별히 비상업적인 용도로만 사용할 수있는 한 세트의 전력증폭기를 구성하는데 사용될 수 있습니다.

N.B. 개인 책임 면책 조항이 적용됩니다.

[반달]

이런 방식의 반도체 앰프도 진공관과 매우 유사한 음질로 들릴 것으로 추측됩니다.
특히, 다량의 부궤환이 필수인 통상의 반도체 앰프를 진공관 앰프와 비교되게 만드는 요소 같습니다.
이 앰프 입력트랜스의 품질이 음질에 지대한 영향을 줍니다.
위 저자는 영국의 유명한 소터사 제품을 사용했습니다. ( 1 : 10 + 10 )

[송진내음]

좋은 정보 감사합니다.
천천히 여러번 읽어 보겠습니다.

[라됴다머]

제가 실험한 회로로 30밀리와트 밖에 안 되는 출력이었지만 소리가 아주 좋았습니다
그래서 꼭 만들어 보고 싶은 회로입니다
꼭 해보고 싶어서 3만원이 넘는 6배 증폭 입력변압기를 대륙에 주문해야 할 지 고민 중입니다
그 전에 입력변압기 2차와 게이트 사이 양쪽에 티알 증폭기를 각각 추가해볼 생각입니다
지금 가지고 있는 입력변압기로는 2.1볼트rms가 최고인데,
게이트 하단 파형은 끝까지 갈 필요가 없으므로 4볼트 이내로 잘라 버리고
상단 파형만 4볼트~17볼트까지 열어주면 19볼트 전원전압에서 게이트전압 변동폭을 13볼트(9볼트rms)까지 높일수 있을 것 같습니다

[라됴다머]

그래도 출력이 낮으면 전원전압을 25볼트로 올려볼 생각입니다
좋은 소리가 나게 하려면 양쪽 티알 회로를 아주 정교하고 맞춰줘야 할 것 같습니다

[라됴다머]

중간에 티알로 증폭하는 방식을 실험해봤는데 출력이 올라가긴 하는데 저음이 많이 죽어버립니다
전압증폭용 입력변압기로 해야겠습니다

[반달]

저음은 트랜스와 관련이 깊습니다.
입력트랜스의 인덕턴스가 충분해야 합니다.
코어도 니켈이 많이 함유된 민감한 코어를 사용하기도 합니다.
특히 배율이 있는 트랜스는 저역과 고역이 많이 감쇄될 가능성이커서 고난도 기술 필요로 합니다.

[반달]

입력트랜스에 물리는 앞단 소스의 출력 임피던스도 같이 보시기 바랍니다.
위 예제도 600옴 입니다...10배이면 2차측 출력임피던스는 60K

[라됴다머]

이거 실패가 아니네요
2200분의 47로 빼기 되먹임을 걸어주니 찌그러짐이 사라지고 깨끗한 소리가 크게 나옵니다
저음이 오히려 고음보다 빵빵해서 빼기 되먹임을 줄여야 될 상황입니다
근데 8와트 소모해서 450밀리와트 만들어 내는 건 너무 비효율적이네요
그래도 진공관보다는 두 배 효율이지만요

[반달]

코일을 굵게하면 효율 올라갈 것 같습니다.

최종회로 올려 주실 수 있나요?

[변문진]

트랜스 입력 임피던스를 말할때 직렬과 병렬은 무슨 뜻인가요?
보통 입력 트랜스는 수십k : 수k 이런식으로 표현 되는것 만봐서...