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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 7654      
  13.-1 부귀환(메카니즘 )

 

부귀환 - 1 (메카니즘)

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부귀환의 메카니즘


전장에서, 부귀환은「입력 신호와 출력 신호를 비교(뺄셈)하고 ,비교한 결과를 입력 · 합성하는」것이라고 썼습니다. 이것을 그림으로 하면 아래와 같이 됩니다.



증폭 회로에 입력된 신호는, 출력측으로부터 증폭되어 나옵니다만, 출력의 일부(혹은 거의 전부)를 입력측으로 돌려 줍니다. 어느 정도로 돌리는냐는 도중에 삽입된「부귀환 소자」에 의해서 결정됩니다.그 런데, 돌려진 출력 신호는 입력 신호와 비교되어, 합성되어 다시 증폭되어 출력측에 나타납니다.
증폭 회로안에서 일그러짐이 생기고 있으면, 출력측으로는 비뚤어진 파형이 나타납니다. 비뚤어진 파형의 일부가 귀환되는 것입니다만, 비뚤어지지 않은 입력 파형과 비뚤어진 파형이 비교되어, 뺄셈의 결과인 차분에 의해서 입력 파형이 교정되면 어떻게 될까요. 입력 파형은, 오리지날과는 다른 파형이 되어 버립니다만, 이것이 다시 증폭 회로를 통해, 다른 한 번의 일그러짐이 주어져 버립니다. 그러나, 이번은, 비뚤어짐에 의해서 원래의 입력 파형으로 돌아와 버리지 않을까요

실제로는, 신호는 이와 같이 단순하게 빙빙 도는 것이 아닙니다. 입력측에 신호가 들어가, 이것이 증폭되어 출력측에 나타난 순간, 그 출력 신호는 즉시 귀환되어, 눈 깜짝할 순간에 입력 신호가 교정되어 버립니다. 일순간의 일인 것입니다.

역으로, 교정되지 않고 증대되는 경우도 있습니다. 이것을 정귀환이라고 합니다. 정귀환의 경우는, 출력 신호가 귀환되어 입력 신호를 증대하고, 이것이 증폭되어 다시 귀환되어, 또한 증대 · · · 이것이 반복되기 때문에, 증폭 회로는 발진해 버립니다. 뺄셈을 하고 있는 것이 부귀환, 덧셈을 하는 것이 정귀환입니다.

그럼 ,부귀환에서는 발진 하지 않느냐하면 그렇지 않습니다. 증폭 회로는 보통, 매우 낮은 주파수와 매우 높은 주파수에서는 게인이 저하함과 동시에, 그 부산물로서 위상이 회전합니다. 위상이 회전해 버리면, 부귀환의 느낌이 정귀환 같은 상태에 가까워져 가기 때문에 ,발진 할 것 같지 않는 불안정한 상태가 되거나, 혹은 간단하게 발진으로 끝나기도 합니다. 이 부분은,뒤에서 구체적으로 설명합니다.

부귀환에서는, 출력의 일부를 귀환해 버리기 때문에, 증폭 회로가 가지고 있는 게인이 희생이 됩니다. 귀환한 분만큼 게인이 저하합니다. 그리고, 부귀환의 효과를 충분히 발휘 시키기에는, 그만한 귀환양을 확보 하지 않으면 안 됩니다. 따라서, 부귀환을 전제로 증폭 회로를 설계하는 경우는, 어느 정도의 부귀환을 할 것 인가를 검토한 다음, 증폭 회로 전체의 게인에 여분을 두지 않으면 안 됩니다.



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2단증폭 회로 에 있어서의 부귀환


전압 증폭 회로의 설계와 계산  (2단콘덴서 결합 증폭 회로) 」에서는, 아래 같은 2단전압 증폭 회로에 대해서 설계를 한 것을 기억하시는 지요. 회로를 비려, 부귀환의 원리에 대해서 생각합니다.




그 전에, 이 2단전압 증폭 회로의 게인을 계산 해 둡시다.

초단 관 내부저항  =  11kΩ + ( 0.91kΩ × 23 ) = 31.9kΩ
초단 부하 저항    = ( 56kΩ × 470kΩ ) / ( 56kΩ + 470kΩ ) = 51kΩ
초단 게인            =  22 × 51kΩ / ( 31.9kΩ + 51kΩ ) = 13.5배

다음단관 내부저항 =  11kΩ
다음단   부하 저항 = ( 33kΩ × 91.91kΩ ) / ( 33kΩ + 91.91kΩ ) = 24.2kΩ
다음단   게인       =  22 × 24.3kΩ / ( 11kΩ + 24.3kΩ ) = 15.1배

종합 게인 = 13.5배 × 15.1배 = 203.9배

다음단의 계산에서 주의 해야 하는 것은, 부귀환 소자의 91kΩ과 910Ω이 부하에 병렬로 들어가는 것입니다. 부귀환 소자도 부하가 되기 때문에, 부귀환 소자의 impedance값을 작은 값으로 하는 경우는, 다음단의 부하에대한 심한 배려를 하지 않으면 안 됩니다.



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주제  1· · · 방정식으로 푼다


그럼, 이 증폭 회로에 1(mV)의 교류 신호를 입력해 봅니다. 그리고, 출력측에 x(mV)의 신호를 얻을 수 있었다고 합니다. 이 신호는, 91kΩ과 910Ω으로 감쇠해 101분의 1의 0.0099x(mV)의 신호가 되어 초단 캐소드로 걸립니다. 그리드 1(mV), 캐소드 0.0099x(mV)이기 때문에, 그리드-캐소드간에는 1-0.0099x(mV)의 신호가 주어지는 것이 됩니다. 이것이 203.9배되어, 출력측이 딱 x(mV)가 되면 도리에 맞읍니다.



이 모습을 식으로 하면 아래 같이 됩니다.
x = ( 1 - 0.0099x ) × 203.9배

매우 단순한 일차 함수이군요. 이것을 풀면,

x = 67.55배

로과 나옵니다. 이것이, 부귀환이 걸린 앰프의 최종 게인이 됩니다. 

검증해 봅시다. 외관의 게인이 67.55배이기 때문에, 출력측에는 67.55mV의 신호가 나타나고 있습니다. 이것이 귀환 소자에 의해서 101분의 1으로 감쇠되 0.6688mV가 되어, 이것이 초단 캐소드로 걸립니다. 입력 신호 전압은 1mV였기 때문에, 뺄셈된 0.3312mV가 그리드-캐소드간으로 걸립니다. 이것을 203.9배가 되어 보면, 0.3312mV × 203.9배 = 67.53mV(계산 오차가 나옵니다)가 되어,착실하게 사리에 맞았습니다. 부귀환이 걸린 증폭 회로에서는, 이 상태로 안정됩니다.



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주제 - 2· · · 산수로 푼다


그런데, 이번은 같은 것을, 산수로 풀어 봅니다. 방정식으로 푸는 경우는, 입력을 1로 했지만, 산수로 푸는 경우는, 출력을 1000으로 합니다. 출력이 1000(mV)이기 때문에, 부귀환 소자에 의해서 초단 캐소드에 귀환되는 신호 전압은,
1000mV × 1/101 = 9.901mV

가 되고, 증폭 회로의 이득은 203.9배이기 때문에, 1000(mV)의 출력을 얻기 위한 증폭 회로의 나 입력 전압은,

1000mV ÷ 203.9배 = 4.904mV

가 됩니다 .input의 곳에 입력된 신호 전압중, 귀환된 분(9.901mV)은 공제되기 때문에, input에 필요한 신호 전압은,

9.901mV + 4.904mV = 14.805mV

가 아니면 안 됩니다. 따라서, 이 증폭 회로의 부귀환을 포함한 전체의 이득은,

1000mV ÷ 14.805mV = 67.54배

가 되어, 방정식으로 푼 결과와 일치합니다. 그 모습을 아래 그림에 모았습니다. (조금 계산 오차가 생기고 있습니다만,이해 주세요.)



이와 같이, 부귀환시의 이득은, 산수로 간단하게 풀 수 있습니다. 산수로 푸는 편이, 부귀환의 메카니즘을 좋게 이해할 수 있어, 실수도 일으키지 않습니다. 방정식을 사용하게 되면, 부귀환의 메카니즘은 어쨌든, 식으로 풀면해답을 얻을 수 있기 때문에입니다.

「입력을 1」이라고 두어 식을 세워「x」의 값을 구하는 것이 방정식을 사용한 해결법, 「출력을 1000」이라고 두어 역으로 돌아오면서 풀어 가는 것이 산수를 사용한 해결법입니다.

부귀환시의 증폭 회로의 거동에 대해서는, 산수로 푸는 방법을 몸에 지니고 있으면 ,오버올 귀환 뿐만 아니라, 그것이 캐소드귀환 이든, P-G 귀환 이든, 초 3결회로 이든, 금방 풀 수 있습니다.



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증폭 회로의 게인 그것은 변화 하지 않는다


중요한 것은 ,증폭 회로의 게인은 변함 없이 203.9배 인 이며, 이것이 변화하지 않는다는 것입니다. 입력 신호와 귀환 신호와의 뺄셈이 일어난 것에 의해서, 외관상 게인이 67.55배가 되었을 뿐인 것입니다. (세상에는,부귀환이 걸린 증폭 회로에서는, 초단, 다음단 각각의 게인이 변화한다,등도 있습니다만, 터무니 없는 이야기입니다.)
이렇게 해서 보면, 부귀환이 걸린 상태라 하더라도, 증폭 회로 자체의 기본 동작은 무귀환의 때와 무엇하나 바뀌지 않은 것을 눈치챕니다. 그리고, 증폭 회로의 각단의 전후로 일체 어느 정도의 신호 레벨로 되어 있을 것 인가는, 간단하게 구할 수 있습니다. 실험 회로에서는, 다음단의 게인은 15.1배였기 때문에, 출력 전압 67.55mV의 때의「초단-다음단의 중간」에서는, 67.55mV÷15.1=4.47mV로 되어 있는 것입니다.

이런 구조를 이해하고 있으면, 어떠한 타입의 부귀환도 두렵지 않게 됩니다. 스스로 해석 할 수 있기 때문입니다.

복습입니다. 나의 경우, 귀환 뒤의 게인은 아래 식으로 계산 하고 있습니다.

귀환 뒤의 게인 = ( 원래의 게인 × 귀환 정수 ) / ( 원래의 게인 + 귀환 정수 )

입니다. 그런데, 위식으로 하는 귀환 정수라고 하는 것은, 귀환 소자의 감쇠율의 역수입니다. 즉

귀환 정수 = ( 91kΩ + 910Ω ) / 910Ω = 101배 

입니다. 이것은, 나 만의 계산 방법이므로, 귀환 정수의 가치관도 나 만의 방법입니다,  (일반적으로 알려진 부귀환의 계산법에서는, 귀환 정수β은 이 역수를 사용합니다만, 식이 복잡하게 되어 암산 할 수 없기 때문에, 나는 이 방법을 사용하고 있습니다.)

원래의 게인이 충분히 크고, 귀환 정수가 작은 경우는, 귀환 뒤의 게인은 한이 없이 귀환 정수에 가까워져 갑니다. 반대로, 원래의 게인은 크고 않고, 귀환 정수가 매우 큰 경우는, 귀환 뒤의 게인은 한이 없이 원래의 게인과 동일해져 갑니다. 그리고, 원래의 게인과 귀환 정수가 완전히 같은 경우는, 귀환 뒤의 게인은 양쪽 모두의 정확히 반이 됩니다 .이 것을 이해하면, 부귀환의 간이계산은  가능하게 됩니다.

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