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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 10304      
  6. 위상반전회로

 

위상 반전 회로


출력 트랜스를 사용하는 진공관 푸시풀 회로에서는,  2개 출력관의 구리드에 입력되는 신호는「서로 반대 위상을 가진 동일한 파형」일 필요가 있습니다. 이「서로 반대 위상을 가진 동일한 파형을 만들어 내는 회로를 위상 반전 회로라 부릅니다. 「반대 위상」은「위상이 180번 회전한다」와 같은 뜻입니다.

그러나, 원래의 신호 파형과 완전히 동일하고 위상만이 반대인 파형을 얻는 것은 의외로 까다롭고, 신호 전압이 동일하지 않기 때문에, 한쪽 편만 일그러짐이 생기는 것이 보통입니다. 위상 반전에는, 아래에서 보는것처럼 여러가지 방식이 있고, 각자 일장일단이 있습니다. 여기에서는, 위상 반전 회로의 기본 동작으로 시작하여, 응용 회로도 약간 언급합니다.


 

고전형 위상 반전 회로

진공관 증폭 회로에서, 플레이트 출력 신호는,그리드 입력 신호에 대해서 위상이 반대로 됩니다. 이 원리를  이용한 것이, 고전형 위상 반전 회로입니다.

한쪽 편 출력관의 그리드에는 원래 신호를 그대로 입력하고, 다른 한편 출력관의 그리드에는, 일단 증폭 회로를 거친(위상이 반대로 된)신호를 입력합니다. 이 때, 일단 증폭 회로에서는 n배의 이득이 생기기 때문에, 도중에 1/n의 감쇠 회로를 삽입해, 전체의 이득이 1배(=0dB)가 되게 조정합니다(위그림). 고전형 위상 반전 회로는, 통상, 전단 증폭 회로에 대하여 전압 증폭관이 선택되고 회로 표기되는 것이 많기 때문에, 언뜻 보기에 푸시풀 회로 같이 보입니다만, 실태는 그렇지 않습니다.

위회로도에서, 위쪽의 12AX7는, 위상 반전 회로의 전단으로, 위상 반전 동작과는 관계가 없습니다. 전단 플레이트 출력 신호는, 그대로 한쪽 편 출력관의 그리드로 이송됩니다 · · · out(-).  그 신호는, 470kΩ과 10kΩVR로 감쇠되어, 아래 쪽 12AX7의 그리드로 이송됩니다. 아래 쪽 12AX7의 플레이트 출력 신호는 · · · 여기서 위상이 반전된 것입니다만 · · ·다른편 출력관의 그리드로 이송됩니다 · · · out(+).

그렇기 때문에, 전단관과 위상 반전관은, 반드시 같은관이 아니면 안된다는 필연성은 없는 것입니다. 실제, 이 회로가 등장했을 무렵은, 전단관과 위상 반전관에 다른 관이 선택되고 있었습니다. 같은 관을 사용함으로서, 출력단에 대한 드라이버로서의 출력 impedance를 동일하게 할 수 있는 장점은 있습니다.

그리고, 아래 쪽에 대응하는 출력관으로 이송되는 신호는, 위상 반전관에서 생긴 노이즈나 일그러짐이 부가되고, 주파수 특성도 상응하게 열화하는 것을 피할 수 없습니다. 이 방식에서는, 정밀도 높은 위상 반전 동작은 바랄 수 없습니다.


 

밸런스형 위상 반전 회로

밸런스형 위상 반전 회로의 원리는, 기본적으로 전술한 고전형 위상 반전 회로와 같습니다.

다른 점은, 위상 반전을 하는 일단 증폭 회로에 연구를 추가하여 이득이 1.0배(=0dB)로 하기 때문에, 중간의 1/n 감쇠 회로가 불필요하게 된 것입니다(아래그림).


 

아래 회로도에서도, 위쪽의12AX7는, 위상 반전 회로의 전단으로, 위상 반전 동작과는 관계가 없습니다. 전단 플레이트 출력 신호는, 그대로 한쪽 편 출력관의 그리드로 이송됩니다 · · · out(-).

그 신호는, 아래 쪽 12AX7의 그리드로 이송됩니다만, 아래 쪽 12AX7에는, 2개의 1MΩ에 의해서 P-G 귀환이 걸리고 있읍니다. P-G 귀환에서는, 2개의 귀환 저항 값이 같아, 나이득이 충분히 높은 경우의 귀환 뒤의 이득은 1.0배입니다. 따라서, 거의 같은 신호 전압으로써, 위상이 반전된 신호 가 다른편 출력관의 그리드로 이송됩니다 · · · out(+).

귀환 뒤의 이득을 정밀하게 1.0배로 하기위해, 1MΩ의 한편을 정밀하게 가감해 줍니다. 그리고, 위상 반전 회로에는 다량의 부귀환이 걸리고 있기 때문에, 아래 쪽에 대응하는 출력관으로 이송되는 신호에 더해지는 노이즈나 일그러짐은, 고전형 위상 반전 회로보다도 대단히 적게 됩니다.

물론, 밸런스형 위상 반전 회로에 있어서도, 전단관과 위상 반전관은, 반드시 같은관으로 하지 않으면 않되는 필연성은 없습니다. 실제, 같은 관을 사용했다해도, 출력단에 대한 드라이버로서의 출력 impedance는 동일하지 않습니다. 왜냐하면, 위상 반전관에는 특별히 다량의 부귀환이 걸리고 있기 때문에, 이 편의 출력 impedance는 극단적으로 낮기 때문입니다.


 

P-K 분할형 위상 반전 회로

진공관 증폭 회로에서, 그리드에 입력된 신호에 대해서, 캐소드측 출력 신호는 동상, 플레이트측 출력 신호는 역상이 되는 것을 이용한 위상 반전 회로가, P-K 분할형 위상 반전 회로입니다.  플레이트와 캐소드 각각으로부터, 입력 신호와 같은 신호 전압, 즉 이득이 1.0배(=0dB)로써, 서로 위상이 반대 되는 2개의 출력을 얻을 수 있는 회로입니다.


 

캐소드측으로 신호를 얻기 위해서, 캐소드와 어스 사이에 부하 저항을 삽입합니다. 이렇게 함으로서, 이 회로는 캐소드팔로워로서 동작되어, 캐소드측으로부터, 입력 신호와 동상으로써, 이득이 거의 1.0배인 출력 신호를 얻을 수 있게 됩니다.

 

동시에, 플레이트측에도, 캐소드측과 같은 저항값을 가진 부하 저항을 삽입합니다. 이 경우, 캐소드측의 부하 저항과 플레이트측의 부하 저항에는, 항상 완전히 같은 전류가 흐르는 것에 주목합니다. 캐소드 전류가 1mA라면 플레이트 전류도 1mA이며, 캐소드 전류가 0.1mA증가하면 플레이트 전류도 0.1mA증가합니다. 즉, 캐소드측 부하 저항에 생기는 출력 전압과, 플레이트측 부하 저항에 생기는 출력 전압의 절대치는 같은 것입니다. 다만, 캐소드 전류가 증가한 때의 캐소드 전위는 상승합니다만, 플레이트 전류가 증가한 때의 플레이트 전위는 하강합니다. 그 결과, 위상이 반대인 신호를 얻을 수 있는 것입니다.

여기서, 캐소드측의 출력 impedance는 낮고, 플레이트측의 impedance는 높기 때문에, 2개의 출력 전압이 언밸런스하지 않을까라는 염려가 됩니다. 이 문제를, 위 회로로 생각해 봅시다. 캐소드측 출력에 100kΩ의 부하를 주고, 플레이트측 출력에도 100kΩ의 부하를 줍니다.  여기서, 캐소드측 교류 부하 impedance는 약 43kΩ이 됩니다만, 플레이트측 교류 부하 impedance도 같은 약 43kΩ이 되기 때문에, 역시, 2개의 출력 전압은 동일해져 버립니다. 다만, 출력관에 그리드 전류가 흐르는 경우는,  그리드 전류는 교류 파형상 비대칭이기 때문에, 이러한 2개의 출력 밸런스 효과가 생기지 않고고 , 플레이트측 출력 신호가 먼저 일그러지기 시작합니다.

P-K 분할형 위상 반전 회로를 설계하는 때는, 2개 부하 저항의 직렬 합성값을 사용해 로드 라인을 그립니다. 동작 포인트의 설정도, 바이어스 전압의 결정도, 흡사 1개의 부하 저항 뿐이다라고 생각해 결정합니다. 얻을 수 있는 최대 출력 전압도 이와 같이 생각합니다만, 플레이트와 캐소드 각각의 출력으로부터 얻을 수 있는 최대 출력 전압은, 여기서 구한 값의1/2이 됩니다.

이 위상 반전 회로의 장점은, 회로가 간단하고, 그리드 전위가 꽤 높고, 전단의 플레이트 전위 와 맞게 하기 쉽기 때문에, 전단과 직결 회로로 하기 쉬운 것입니다.

단점으로서는, 1개의 전원 전압으로부터 2개의 출력을 꺼내기 )때문에, 꺼낼수 있는 최대 출력 전압이, 통상의 증폭 회로의 반정도 되는 점입니다. 따라서, 높은 입력 신호를 필요로 하는 2A3이나 300B 같은한 출력관을, P-K 분할형 위상 반전 회로로 드라이브 하는 것은 거의 할 수 없다라는 것이 좋겠죠. 이 위상 반전 회로는, 6BQ5나 6G-B8같은 입력 감도가 높은 출력관의 드라이브를 겨냥한 회로입니다.


 

차동형 위상 반전 회로(무라드형 위상반전회로)

2개의 진공관(트랜지스터라도 같음)의 캐소드끼리를 접속하고, 공통된 캐소드에 흐르는 전류를 일정하게 하는 회로(정전류 회로)를 해 주면, 한편의 캐소드 전류가 증가하면, 다른편의 캐소드 전류는 증가한 만큼 같은 값으로 감소하게 됩니다. 이러한 회로를 차동회로라고 합니다. 공통 캐소드측을, 정전류 회로로 하지 않고, 충분히 큰 값의 저항을 삽입하여도도, 차동회로로서 동작합니다.

이러 회로에 있어서, 한편 진공관에 신호를 입력 해 주면, 진공관이 증폭 작용하여 플레이트 전류가 증가하거나 줄어들거나 합니다. 반대측 진공관의 플레이트 전류는 반대의 동작, 즉 시소 같이 줄어들거나 증가하거나 하게 됩니다. 그 결과, 2개의 플레이트에서는, 서로 반대의 위상으로써, 같은 전압의 신호가 출력되는 것입니다.

차동형 위상 반전 회로의 로드 라인은, 로드 라인에서 사용하는 전원 전압은, 전원 공급 전압에서 캐소드 전압을 뺀 것이 됩니다. 공통 캐소드와 어스 사이의 전압은 계산에 넣지 않는 것입니다. 그리고, 이득 계산에서는, 캐소드가 어스되고 있는 것이라고 생각합니다. 공통 캐소드 저항 값은, 이득 계산에는 일절 영향이 없습니다.

주의 할 점은, 입력 신호는, 직렬로 된 2개 관의 그리드에 주기때문에, 1개 관 입력 신호 전압은, 각각 1/2이 된다고 하는 것입니다. 그 때문에, 언뜻 보기에 이득이 반으로 된 것처럼 보입니다.

이 원리를 사용한 위상 반전 회로로서 가장 알려져 있는 것이, 무라드형 위상 반전 회로입니다. 무라드형 위상 반전 회로에서는, 공통 캐소드에 1개의 저항이 삽입되기 때문에, 정전류 성능은간 뒤떨어집니다만, 그런데도 충분히 실용적인 위상 반전 기능을 실현하고 있습니다(밑그림 왼쪽).

 

그런데, 여러분이 자주 보는 회로도는, 이런것이) 아니라, 윗 그림  오른편 같은 것이 아닐까요. 즉, 위쪽 관은, 전단의 플레이트와 직결되기 위해서, 공통 캐소드측의 바이어스 저항이 불필요하게 된 회로입니다. 무라드형 위상 반전 회로의 오리지날은, 먼저 소개한 것 같은 캐소드 바이어스 방식이었지만, 뒤에, 전단 직결 방식이 출현 하기에 이르러, 보다 간단한 직결 방식이 채용되었습니다.

이 회로에서중요한 것은, 2개 캐소드가 공통화되고 있는 것과, 공통 캐소드가 15kΩ라고 하는 꽤 큰 저항으로 어스에 접지시키는 것입니다. 이 공통 캐소드저항 값이 작으면, 유효한 차동동작을 얻을 수 없읍니다. 유효한 차동동작을 얻을 수 없으면, 2개 출력 전압에 언바란스가 생깁니다. 언바란스는, 아래 쪽의 출력이 저하하는 형태로 나타납니다. 언바란스는, 아래 식으로 구할 수  있습니다.

언바란스(m) = { 내부 저항(rp)+교류 부하 저항(RL) } ÷ { ( 1+μ )×공통 캐소드 저항(Rk) }

발생하는 언바란스를 수정하기 위해, 아래관의 플레이트 부하 저항 값을 약간 크게 합니다. 여기에, 반고정 저항을 삽입하거나,수 kΩ의 저항을 추가한 회로가 많다고 생각됩만, 이것은 언바란스 수정을 위한 장치입니다.

공통 캐소드 저항 값을 자꾸자꾸 크게 함으로서, 이 회로의 위상 반전 정밀도를 높일 수 있습니다. 그러나, 이 저항값을 크게 하면 할수록, 저항으로 인한 전압 강하가 크게 되어 , 유효하게 사용할 수 있는 전원 전압이 줄어 듭니다. 본래, 공통 캐소드 저항은 정전류 회로가 기본입니다. 그래서, 여기에 정전류 다이오드(CRD)를 삽입한는 것을 생각합니다(밑그림). 다만, 고내압으로 수백 mW이상의 전력에 견딜수 있는 정전류 다이오드는 입수가 곤란합니다. 고내압으로 큰 전력에 견딜수 있는 정전류 소자는 없는 것일까.

 

실은, 5극관 자신이 정전류 특성을 가지고 있습니다. 여기에 6AU6같은 5극관을 적용함으로써, 훌륭한 정전류 회로를 실현 할 수 있습니다. 좀 더 큰 전류가 필요한 경우는, 6CL6,12BY7,6AQ5,6V6,6L6라는 5극관이나 빔 튜브를 사용할 수 있습니다. 그리고, 같은 정전류 회로를 트랜지스터로 짠다면, 트랜지스터, 정전류 다이오드(CRD), Zener diode(ZD), 저항각 1개씩 으로 간단하게 짤 수 있습니다. 공통 캐소드측을 정전류화함으로써, 언바란스가 없는 극히 정밀도가 높은 위상 반전 회로를 할 수 있기 때문에, 감히 추천합니다. 정전류 회로에 대해서는 나중에 자세히 설명하겠읍니다.

6AH4GT전단차동푸시풀 · 앰프에서는,초단과 드라이버단에 정전류 다이오드, 출력단에 트랜지스터식 정전류 회로를 사용하고 있습니다. 그리고,「디지탈 시대의 진공관 앰프 완전 제작 12예」(쿠로카와저)에서는, 5극관에 의한 정전류 회로의 좋은 예가 많이 보여져 참고하시면  좋겠죠.

이 차동형 위상 반전 회로는, 매우 뛰어난 위상 반전 능력을 가지면서도, 어스와 공통 캐소드간의 전압이 쓸데없이 되기 때문에, 아무리해도 얻을 수 있는 최대 출력 전압의 상한에 제한되기 십상이지만, 이 문제는, 마이너스 전원을 사용하는 것에 의해서 용이하게 해결 할 수 있습니다(아래그림).

구리드 전위에 주목해 주십시오. 지금까지의 예에서는, 그리드 전위가 어스에 대해 수십 V 높게 설정되고 있었습니다만, 이 예에서는 어스와 동전위(0V)가 되고 있습니다. 그 때문에, 유효하게 사용할 수 있는 전원 전압이 감소하지 않고, 풀로 활용 할 수 있는 전압 배분을 할 수 있습니다. 이것이라면, 2A3이나 300B같은, 높은 입력 신호를 요구하는 직열 3극출력관이라 하더라도, 여유있게 드라이브 할 수 있습니다.

또한, 공통 캐소드저항 값도 크게( 30kΩ)하는 것이 용이하기 때문에, 생기는 언바란스를 억제할 수 있도록 되었습니다.

아래 쪽 관의 그리드와 어스 사이에 삽입되는 콘덴서(C)도 불필요하게 되었습니다. 이 콘덴서의 절연이 저하해 버리면, 2개의 위상 반전관의 바이어스가 미쳐 버려, 동작하지 않습니다. 실제로, 필름 콘덴서의 절연 열화 트러블은 매우 많기 때문에 주의해 주십시오.


 

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