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진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
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  8-2.전압증폭회로의 설계와 계산-3 (SRPP회로)

 

전압 증폭 회로의 설계와 계산 -3 (SRPP 회로)


SRPP 회로는 잡지 기사에도 매우 잘 나타나나, 설계 방법이나 계산을 상세히 설명한 기사는 잘 없읍니다. 어떻게 로드 라인을 그리면 좋을까, 어떻게 이득 계산을 할 수 있을 것 인가, 궁금합니다. 본장에서는, SRPP 회로의 실회로를 그려 그 동작을 해석하면서, 그 설계와 계산 방법에 대해서 생각합니다.


SRPP 회로를 2개로 분해한다

밑그림은, 12AU7를 사용한 전형적인 SRPP 증폭 회로의 예입니다. 이 회로를 상하 2개로 분해하고, 하반을 회로 A, 상반을 회로 B라고 부릅니다. 이후의 설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 회로 B에서는 출력측의 C를 생략하는 것이 있습니다.
 

우선 회로 A입니다, 이것은 보통 진공관 전압 증폭 회로의 하반과 같군요. 이 회로 플레이트 위에 부하 저항을 실으면, 익숙한 전압 증폭 회로가 됩니다.

회로 B는 어떨까요. 상단과 하단에 합계 2개의 단자를 가진 이상한 회로입니다.「in」과「out」의 구별이 있지 않습니다. 이와 같이, 하나로 결정된 회로가, 외부에 대해서 2개의 단자를 가지는 회로를 2단자 회로라고 합니다.


2단자 회로(진공관 저항)부하의 실험

회로 B가 어떤 성질을 가진 회로인가는,  Ep-Ip 특성 곡선으로 산출하는 것이 가능합니다.

캐소드 저항이 1kΩ이라고 하는 것은,

  • Ip=2mA의 때의 바이어스 전압은 -2V,
  • Ip=4mA의 때의 바이어스 전압은 -4V,
  • Ip=6mA의 때의 바이어스 전압은 -6V,

가 되기 때문에, 이러한 조건을 채우는 포인트를, Ep-Ip 특성 곡선상에서 찾고 선으로 이어 주면, 아래그림 같이 거의 예쁜 직선(청색)이 나타납니다.

청색의 직선은, 회로 B 상하 양단으로 걸린 전압과, 그곳에 흐르는 전류의 관계를 나타내고 있습니다.  즉, 60V 전압을 건 때에는 2mA, 120V 전압을 건 때에는 4mA, 그리고 175V 전압을 건 때에는 6mA의 전류가 흐릅니다. 이것은, 29kΩ∼30kΩ의 저항과거의 같은 특성입니다.

이와 같이, 3극관과 1개의 저항에 의해서 흡사 저항 같은 특성을 가진 회로를 만들 수 있는 것입니다, 이 회로는 이전부터「진공관 저항」이라고 하는 이름으로 알려져 있습니다.

그러면, 회로 B를 30kΩ의 저항기로 옮겨 놓으면 어떻게 될까요. 아래 쪽의 12AU7측(회로 A측)에서 보아, 두 회로의 차이점을 확인하기 위해서),  아래 그림 같은 회로를 짜, 이득과 왜율 특성을 측정해 보았습니다.

위의 좌측 회로는, 앞의 SRPP 증폭 회로의 예와는 좀 차이가 나, 출력은 아래 쪽 12AU7의 플레이트로부터 나옵니다 · · · out1.왜냐하면, 순수하게 2단자 회로(진공관 저항)부하와 저항 부하의 차이를 조사하고 싶은 때문입니다. 우측의 회로는, 회로 B에 해당하는 곳을 30kΩ의 저항으로 대치하고 있습니다. 어느 쪽의 케이스도, 아래 쪽의 12AU7의 동작 조건(바이어스, 플레이트 전압, 플레이트 전류)은 동일합니다. 결과를 봐 주십시오. 우선 이득입니다,

  • 2단자 회로 부하(out1)· · · 12.70배
  • 저항 부하 · · · 12.74배
가 되어,  거의 같은값이 되어, 엄밀하게 오차는 불과 0.3%이며 그렇기 때문에, 측정 오차 이하입니다. 다음에 왜율입니다,

  • 2단자 감로 부하(out1)· · · 1V때 0.285%, 10V때 2.65%, 20V때 5.40%
  • 저항 부하 · · · 1V때 0.290%, 10V때 2.70%, 20V때 5.45%
가 되어, 이것도, 완전히라고 해도 좋을 정도로 같은값이 되었습니다. 그래프로 그리면, 겹쳐 1개의 선으로 보입니다. 이득도 왜율의 값도, 그 성향도 같은 결과가 되었습니다.「2단자 회로(진공관 저항)」=「저항」이라는 것이 증명됩니다.

다음에, 같은 2단자 회로 부하의 경우라도, 통상의 SRPP 회로 같이 출력을 위쪽 12AU7의 캐소드로부터 취해 보았습니다 · · · out2.

  • 이득 · · · 12.27배
  • 왜율 · · · 1V때 0.285%,10V때 2.65%,20V때 5.40%
이득이 조금 저하했을 뿐, 왜율 특성은 변함없읍니다. 이득이 내리는 것은 당연하고, 2단자 회로의 부하라고 하는 것은, 실은 , 30kΩ(12AU7)과 1kΩ(캐소드 저항)로 분할 할 수 있기 때문에, 출력을 out2로부터 취득 경우의 이득은, out1의 경우 비해서「30/31」이 저하하기 때문입니다. 실측값은, 12.27배와 12.70배였기 때문에, 비율을 구하면 거의「30/31」과 일치합니다. 더욱, 로드 라인으로 구한 2단자 회로의 저항값에는, 캐소드 저항 값은 포함되어 있지 않았던 것에 주의해 주십시오.


SRPP 회로의 정체

이것으로 SRPP 회로의 정체를 알수 있읍니다.

즉, SRPP 회로 위측 공관, 캐소드 저항에 의해서 전류 귀환이 가해진 2단자 회로(진공관 저항)와 결부돼, 외부 에서 보면 거의 1개의 저항과 등가인 것입니다. 그 저항값은, Ep-Ip 특성 곡선으로부터 쉡게 구해짐. 따라서, SRPP 회로의 아래 쪽 관 에서 보면, 위쪽 관은 저항 부하를 옮겨놓았다고 생각해도 지장이 없을 것 같습니다.

이 위쪽 관에 해당하는 부하 저항의 값은, 이하의 식에 의해서 계산으로도 구 할 수 있습니다.

부하 저항값 = 위쪽 관의 rp + ( 위쪽관의 Rk × 위쪽관의 μ ) + 위쪽관의 Rk

이것은, 증폭 회로 에 있어서 진공관의 내부 저항(rp)의 계산식과 동일한 것입니다. SRPP 회로의 로드 라인은, Ep-Ip 특성 곡선으로 구한 저항값에 위쪽 관의 Rk를 더한 것, 또는, 위의 식으로 구한 저항값을 부하 저항으로서 그려도 좋은것 이다,라고  됩니다(아래그림).

2단자 회로로서의 특성을 구합니다(가는 청색선) .그 각도로부터, 약 30kΩ의 저항과 등가인 것을 알면, 통상 증폭 회로의 로드 라인과 똑같이, 전원 전압(위그림에서는 180V)로부터 30kΩ의 로드 라인으로 그리면 됩니다.(초록선).

위그림으로써, 본회로의 동작 포인트는, Rk=1kΩ의 선(가는 청색선)과 로드 라인(초록선)의 교점(A점)가 됩니다. 이 동작 포인트는, 로드 라인 전체 에서 보면 바이어스가 약간 얕은 곳에 위치하고 있습니다. SRPP 회로에 있어서, 상하관의 캐소드 저항값을 동일하게한 경우는, 때때로 바이어스는 약간 낮은 동작 포인트가 되 버립니다(캐소드 저항값이 크면 역으로 되는 것도 있다).

만약, 후단이 2A3이나 300B같은 큰 입력 신호를 필요로 하는 출력관의 경우는, 좀 더 바이어스의 깊은 포인트(B점)로 옮겨, 로드 라인 전체를 유효하게 사용할 수 있는 동작을  해 주어야 합니다.

본회로로 최대 출력 전압을 보다 크게 하기 위해서는, 위쪽관의 캐소드 저항값은 1kΩ인 채로 하고, 아래 쪽 관의 캐소드 저항 값만을 1.6kΩ정도로 늘릴 필요가 있습니다. SRPP 회로에서는, 상하관의 캐소드 저항값이 같은 것이, 반드시, 동작을 최적화하지 않은것입니다.

이것은체무엇을 의미할 것 인가. 그것은, 오로지 증폭 작용을 하고 있는 것은 아래 쪽 관 뿐이며, 위쪽관은 저항 부하 대신을 하고 있을 뿐입니다. SRPP라고 하는 이름에도 불구하고, 푸시풀 동작은 아닙니다. 물론, 상하관에 의한 왜율이 줄수 있을것이다라는 것도, 왜율은 저항 부하의 경우와 다른 변화가 없는 것이 이미 데이터로 나타냈습니다. 위쪽관과 아래쪽 관의 캐소드 저항의 값은 같지 않으면 안되다고 하는 필연성은 전혀 없고, 좀 더 말하면, 위쪽관과 아래 쪽 관과는 동종의 관이 필요 없읍니다. 그 증거로, 아래 쪽 관은 5극관(또는 FET), 위쪽 관은 3극관으로 하는 실험이 성공하고 있습니다.

그런데 이득입니다만, 구한 부하 저항을 사용해 요구한 값에 대해서, 감소분을 줄여 줍니다. 그 비율은,

감소의 비율 = 구한 부하 저항 ÷ ( 구한 부하 저항 + Rk )

로 구할 수 있습니다.


SRPP 회로는 무엇이 뛰어나는가

그러면, 일부러 SRPP 회로로 하지 않아도, 보통 저항 부하의 증폭 회로로 좋지 않을까라는 것이 될지도 모릅니다. 확실히, 2단자 회로 부하의 증폭 회로로 출력을「out1」로 부터 취할 경우는, 저항 부하와 거의 같읍니다. 그러나, 출력을「out2」로부터 꺼내면 되면, 사정은 변합니다.

여기에, 12AX7와 6DJ8의 경우의,「out1」과「out2」의 비교 실험 데이터가 있습니다 . 밑 표는, 각각 경우 에 있어서의 증폭 회로의 출력 impedance의 차이를 집계한 것입니다.

저항 부하 out1 out2
12AX7의 경우 47.0kΩ 48.6kΩ 15.3kΩ
6DJ8의 경우 8.0kΩ 8.0kΩ 1.5kΩ

「저항 부하」와「out1」의 출력 impedance는 거의 같은 값입니다. 2단자 회로가 단순한 저항과 등가이다면, 같은값이 되어 당연합니다. 그런데,「out2」 경우의 출력 impedance은, 12AX7의 경우도 6DJ8의 경우도 현저하게 낮은 값이 되고 있습니다.이것이, SRPP 회로의 뛰어난 점인 것입니다. SRPP 회로는, 증폭의 메카니즘에 관해서는, 통상의 저항 부하 전압 증폭 회로 그것입니다만, 출력을 꺼내는 포인트가 위쪽관의 캐소드이므로써, 출력 impedance를 낮게 할 수 있는 회로입니다.

출력 impedance가 저하하는 메카니즘에 관해서는, 지금, 그 최종적인 검증을 행하고 있습니다. 근일중에, 이 페이지상에서 소개할 수 있다라고 생각합니다.


보충

본장에서는, 위쪽 관의 2단자 회로로서의 성질은「저항기와 거의 같은」이라고 말했습니다만, 관종이나 주는 캐소드 저항값에 의해서는「저항기와 같게 되지 않고」, 넌 리니어인 곡선이 되는 경우도 있습니다. 이 경우는 로드 라인도 곡선이 되어, 경우에 따라서는,「저항 부하」의 경우와 비교해, 왜율이 증가하거나 감소하거나 하게 됩니다.

SRPP 회로를 응용해, 의도적으로 논 리니어인 부하를 만들어 내, 아래 쪽 관에서 발생하는 왜율을 저감하는 시도도 되고 있습니다.

그리고, 미국에서는, 위쪽 관의 회로에 저항 2개와 콘덴서 1개씩을 추가한「μ드라이브」또는「μ팔로워」라 칭해지는 회로가 옛부터 알려져 있습니다. 이 회로는, 위쪽 관에 교류적으로 다량의 전류 귀환을 걸쳐, 교류적으로「준정전류 회로」를 만들어 내, 아래 쪽관 에서 본 교류 부하 impedance가 상당히 높은 값이 되는 것처럼 한 것입니다. 이것도 훌륭한 SRPP 회로의 한개의 변환이라고 할 수 있습니다.


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