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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
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  8-3.전압증폭회로의 설계와 계산-4 (캐스코드회로)

 

전압 증폭 회로의 설계와 계산 -4 (캐스코드 회로)


전압 증폭관을 2개 사용한 회로 방식에는 2개가 있는 것으로 알려져 있습니다. 한개는, 앞에서 소개한「SRPP 회로」이며 다른 하나는 캐스코드회로라고 불리는 것으로써, 고주파 증폭을 위해서 개발된「캐스코드회로」입니다. 캐스코드회로는, 직선성은 뒤떨어집니다만, 초고역이 압도적으로 우수하기 때문에, 증폭에 있어서의 광대역화와 함께, 오디오 회로에 있어서도 가끔 보여지게 되었습니다.


아래 쪽관의 동작

위은, 6FQ7/6SN7GT를 사용한 전형적인 캐스코드증폭 회로의 예입니다. 우선, 아래 쪽 관의 동작에 대해서 생각해 봅니다.

아래 쪽 관의 플레이트는, 위쪽관의 캐소드에 직접 접속되고 있습니다. 그리고, 위쪽 관의 그리드는, 저항에 의한 분류 회로에 의해서, 항상 일정 전위(68V)가 되는 것처럼 고정 되고 콘덴서(0.47μ)에 의해서 교류적으로 어스되고 있습니다. 위쪽관의 그리드 전위가 고정되어 있기 위해서, 동 관의 캐소드 전위도 거의 일정 전위( 70V)가 되어 버립니다. 즉, 아래 쪽관은, 플레이트 전압이 항상 거의 일정하게 되는 제약을 받습니다.

그러한 조건하에서 아래 쪽관의 그리드에 신호가 입력되면, 아래 쪽관은, 플레이트 전압이 (거의) 일정하게고정된 채로, 플레이트 전류만이 변화 하게 됩니다.


위 그림중의 붉은 선입니다. 동작의 기점은, Ep=70V, Ip=2mA로 그 때의 바이어스는, Rg1=-2V입니다. 플레이트 전압이 (거의)일정하고, 플레이트 전류만이 변화 하기 위해서, 동작은 빨강 선 상을 움직이게 됩니다. 바이어스가, Eg1=-1V∼-2V ∼-3V의 범위로 변동하면 ,플레이트 전류는 ,Ip=3.8mA∼2mA∼0.6mA의 범위로 변동합니다.

그런데, 엄밀하게는 플레이트 전압은 70V 일정이 아닙니다. 아래 쪽 관 에서 본 위쪽 관의 캐소드측의 내부 저항은 제로가 아니기 때문입니다. 플레이트 전류가 변화하면, 위쪽 관의 바이어스도 변화합니다.

그런데, 바이어스의 변화율과 플레이트 전류의 변화율의 관계는, gm로 표현됩니다. 이 아래 쪽 관 에서 본 위쪽 관의 캐소드측의 내부 저항은, 대개, 1/gm로 표현됩니다. gm=2 전압 증폭관의 캐소드측 에서 본 내부 저항은, 1/2(kΩ)=0.5kΩ이 됩니다. 위 그림중의 붉은 선이 조금 기울고 있는 것은, 70V, 2mA의 포인트를 통하는 0.5kΩ의 로드 라인을 그리고 있기 때문입니다.

그러나, 일반적으로는, 캐소드측에서 본 내부 저항은 무시하고, 플레이트 전압=일정,으로 간주해 설계되는 것이 많은 듯 합니다.


전체의 동작

이번은, 캐스코드 회로 전체 동작에 대해서 생각해 봅니다.

캐스코드 회로에서는, 위쪽 관의 동작은, 오로지 아래 쪽 관에의해 지배됩니다. 아래 쪽 관에 의해서 결정된 플레이트 전류는,그대로 위쪽 관의 플레이트 전류가 되어 , 플레이트 부하 저항에 전압을 생깁니다. 따라서, 캐스코드 회로에서는 SRPP 회로와 같이, 위쪽 관의 개성은 거의 잃게 됩니다. 그 모습을 나타낸 것이, 아래그림입니다.

캐스코드 회로를 흡사 1개의 진공관인 것처럼 생각하면, 위그림 같은 Ep-Ip 특성을 가진 관 같이 보입니다.

아래 쪽 관의 플레이트 전압분(이 경우는 70V)는, 항상 정해지기 때문에, 위 그림상에서는, 그래프의 기점을 70V 부터 시작하고. 위쪽 관에 대해서, Eg1=0V의 라인(검은 선) 좌측 영역도 사용할 수 없읍니다.

플레이트 전류는, 위쪽 관의 플레이트 전압에 관계없이, 아래 쪽 관의 바이어스만으로 결정됩니다. 이것을, Ep-Ip 특성으로 옮겨놓고 그래프로 하면, 위 그림의 붉은 선 이 됩니다. 이것은 확실히, 5극관의 특성과 꼭 닮습니다. 사실, 캐스코드 회로는, 다양한 점에서 5극관과 같은 특징을 가집니다. 2개의 3극관에서, 1개의 5극관을 만들었다라고 말해도 좋겠죠.

이, 유사 5극관에, 전원 전압 250V로부터 30kΩ의 로드 라인을 그려 보았습니다(푸른 선). 동작의 기점이 되는 플레이트 전류는 2mA였기 때문에, Ip=2mA의 포인트를 로드 라인상에 구하면, Ep=190V를 얻을 수 있었습니다.

이 회로에서는, 바이어스가, Eg1=-1V∼-2V ∼-3V의 범위로 변동하면, 플레이트 전압은, Ep=136V∼190V∼230V의 범위로 변동하는 것이 읽어낼 수 있습니다.  즉, 회로 이득은, ( 230V-136V)÷( 3V-1V)=47(배)이 됩니다. 위쪽관의 내부 저항은 무한대 로 되기 때문에, 출력 impedance는 플레이트 부하 저항과 같은 30kΩ이 됩니다.

최대 출력 전압은, 로드 라인으로부터도 아는 것처럼, 겨우 100Vp-p, 즉,35Vr.m.s가 좋은 곳이겠지요.


미러 효과

왜, 캐스코드 회로가 고주파 용도로 다용되었나 하는 이유는, 그 고주파 특성의 좋은점에 있습니다. 오디오 회로에 있어서도, 초고역 특성은, 부귀환을 걸쳤을 때의 앰프의 안정성이나, 종합적인 대역 특성에 큰 영향을 미치게 합니다.

초고역 특성을 결정 지우는 최대의 요소는, 증폭 회로 에 있어서의 입력 용량의 크기입니다. 진공관에서는, 그리드 ∼캐소드간의 용량(Cg-k), 그리드 ∼플레이트간의 용량(Cg-p)이 특히 중요합니다. 전단의 출력 impedance와, 다음단의 입력 용량의 크기로써, 고역의 전달 특성이 결정되어 버립니다.

그런데, 입력 용량은,

입력 용량 = Cg-k + Cg-p×(이득+1)

로 구할 수 있습니다 . 특히, Cg-p의 값이 크면 입력 용량에 영향을 줍니다만, 3극관은 5극관에 비해서 Cg-p가 현저하고 크다는 결점이 있습니다. 덧붙여서, 「×(이득+1)」의 부분을「미러 효과」라고 합니다. 그런데, 캐스코드 회로에서는, 아래 쪽관의 플레이트에 출력 신호가 나타나지 않기 때문에, 입력 용량을 구하는 식은,

입력 용량 = Cg-k + Cg-p

가 됩니다.「미러 효과」의 부분이 없어지기 때문에, 입력 용량은 현격히 작게 됩니다.

다만, 입력 용량이 작은 것에 의한 장점은, 전단의 출력 impedance가  큰 경우에 한해져, 예를 들면, 전단이, 출력 impedance가 낮은 프리앰프인 경우에서는, 캐스코드 회로로 한 의의는 없어져 버립니다.


캐스코드 회로의 득실

통상의 3극관증폭 회로가, 오로지「μ」에 의해서 이득을 얻는데 대해, 5극관증폭 회로나 캐스코드 회로는, 「gm」에 의해서 이득을 얻고 있습니다 .3극관의 μ」는, 매우 안정되어 있어, 직선성이 좋은 증폭 작용을 얻기 쉬운데 대해, 「gm」는, 격차가 생기기 쉽고, 또한 직선성이 뒤떨어집니다.「gm」에 의해서 이득을 얻는 캐스코드 회로에서는, 이득의 격차와 왜율의 증가에 주의 하지 않으면 안 됩니다.

또 하나, 캐스 코드 회로는, 아래 쪽관의 플레이트 전압분만큼 전원 전압이 희생이 되기 때문에, 다른 증폭 회로와 비교해 얻을 수 있는 최대 출력 전압이 낮게 됩니다. 그리고, 방심하면 출력 impedance도 높게 되기 때문에 주의해 주십시오.

입력 용량의 작음에 대해서는 벌써 말했습니다만, 좋은 점이 하나 있습니다. 그것은, 아래 쪽에 gm이 높은 3극관을 사용해, 플레이트 전류를 좀 많게 흘려 주면, 매우 높은 이득을 얻을 수 있는 점입니다. 다만, 고 gm관은, 그 gm값에 매우 큰 격차가 있기 때문에, 이득의 차이가 변화하는 것도 각오할 필요가 있습니다

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