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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 7199      
  13.-4 부귀환 - 4 (위상 보정)

 

부귀환 - 4 (위상 보정)

주파수 특성과 위상

여기에, 저역을 컷하는 회로와, 고역을 컷하는 회로가 있습니다.(아래그림)

저역을 컷 하는 회로에서는, 34Hz에서 -3dB의 감쇠가 되어, 그것보다도 낮은 주파수에서는 자꾸자꾸 감쇠하고, 그 감쇠의 정도는 주파수가 반(음정으로 하면 1옥타브)마다 -6dB(즉1/2)입니다. 이러한 감쇠를「-6dB/oct」라고 표현합니다.

고역을 컷 하는 회로에서는, 16kHz에서 -3dB의 감쇠가 되어, 그것보다도 높은 주파수에서는 자꾸자꾸 감쇠하고, 그 감쇠의 정도는 역시 주파수가 반이 될 때 마다 -6dB입니다. 이러한 감쇠의 정도를「-6dB/oct」라고 표현합니다.

주파수 특성에 변화가 생기는 회로에서는, 그 주파수 특성의 변화에 따라 위상이 나아가거나 지연되거나 하는 성질이 있습니다. 저역을 컷 하는 회로에서는 위상은 나아가고, 고역을 컷 하는 회로에서는 위상은 지연됩니다. 그 때의 위상은, 최대 90도가 됩니다.

저역을 컷 하는 회로의 예에서는, -3dB 포인트인 34Hz에서 45도 나아가고, -7dB 포인트인 17Hz에서는 60도, 좀 더 낮은 주파수에서는 90도로 갑니다. 고역을 컷 하는 회로의 예에서도, -3dB 포인트인 16kHz에서 45도 나아가고, -7dB 포인트인 32kHz에서는 70도, 좀 더 높은 주파수에서는 90도로 갑니다만, 90도에는 이르지 않습니다. 그리고, 저역을 컷 하는 회로나 고역을 컷 하는 회로가 2단 으로 겹친 경우는, 위상의 최대치는 180도( 즉 역상)로 변합니다. 매우 낮은 주파수나, 매우 높은 주파수에서는, 위상이 180도에 가깝게까지 회전해 버리는 것입니다. 3단으로 겹친 경우의 위상은 180도를 넘어가 270도로 됩니다.

이 저역을 컷 하는 회로나 고역을 컷 하는 회로가 존재하는 것을, 시정수가 있다라고 합니다. 시정수가 1개 있을 때 마다, -6dB/oct의 특성이 생겨, 위상 차이의 최대치는 90도입니다. 시정수가 2개라면 180고, 3개라면 270도입니다.


발진의 메카니즘

그런데, 이러한 시정수가 존재하는 회로에 부귀환을 가한 경우입니다. 주파수 특성이 플랫인 대역에서는 위상의 차이는 있지 않기 때문에, 부귀환은 안정되게 걸립니다. 그러나, 위상이 180도 어긋나고 있는(역상인) 초저역이나 초고역에서는, 부귀환이 아니고 정귀환이 되어 버립니다. 그리고, 이득이 1 이상 있는 회로에 정귀환이 걸리면 발진합니다.

예를 들면, 1kHz에의 나이득이 1000배 있는 증폭 회로에서, 초고역의 위상은 100kHz에서 180도 지연되는 것 같은 특성이라고 합시다. 100kHz에 있어서의 이득은 20배까지 저하하고 있다 합시다. 이 회로의 출력측에서 입력측에, 100kΩ과 6.8kΩ의 저항에 의한 부귀환을 걸치면, 20배로 증폭된 100kHz의 신호중 1/16.4가 정귀환 상태로 입력측으로 돌려 지기 때문에, 이득이 1.2배가 되어 발진하는 것입니다.


시정수의 수가 하나박에 없는 회로에서는, 위상의 차이는 90도를 넘지 않기 때문에, 어떤 부귀환을 걸쳐도 발진까지 이르지 않습니다. 시정수가 2개인 회로에서도, 위상의 차이가 180도 가까이 되는 주파수에서는, 이득이 현저하게 감쇠해 버리므로, 기본적으로 발진은 하지 않습니다. 그런데, 시정수가 3개 이상 존재하는 회로에서는, -7dB 포인트로 위상은 60도 어긋나기 때문에, 이것이 3개 겹친 상태에서 21dB이상의 이득을 얻을 수 있으면, 부귀환을 걸치면 용이하게 발진하기에 이릅니다.

위 회로는, 가장 간단한 발진기의 기본 회로입니다. 플레이트에서 그리드에 C와 R에 의해서 부귀환이 걸칠 수 있습니다만, 1개의 C와 1개의 R 로 시정수가 1개로 볼  수 있기 때문에, 시정수는  전부 3개입니다. 이런 회로에서는, 3개의 시정수에 의한 위상의 진보 분이 180도 된 때의 이득이 1이상 이면 반드시 발진하는 것입니다.

부귀환을 걸쳐도 발진 하지 않고 안정된 동작을 하는 앰프를 설계하기에는, 1에도 2에도, 부귀환 루프내의 시정수의 개수를 얼마나 적게 억제하는지에 달려 있습니다..


저역 시정수의 수

부귀환 루프중에 존재하는, 저역을 감쇠 시키는 소자가 몇개 있는지를 셉니다.

단간의 결합 콘덴서

보통, 전단의 증폭 회로의 플레이트 출력측과 다음 단의 증폭 회로의 그리드 입력과는, 1개의 결합 콘덴서로 연결됩니다. 이 결합 콘덴서 1개 마다, 저역 시정수를 1개로 계산합니다. 이 콘덴서는, 직류를 차단 하고 있어, 저역을 컷하는 감쇠 특성을 가지고 있기 때문입니다. 감쇠와 함께, 위상도 최대 90도까지 나아가게 됩니다.

캐소드 저항과 병렬 바이패스 · 콘덴서

교류 신호를 완전하게 컷 하지 않을 것 같은 경우는 계산에는 넣지 않습니다. 그 대표가, 캐소드 저항에 병렬로 들어가는 바이패스 · 콘덴서입니다. 확실히, 어떤 주파수 이하에서는 일단 저역 특성은 저하합니다만, 보다 낮은 주파수에서는 저하한 상태로 주파수 특성은 플랫으로 자리잡습니다. 이러한 주파수 특성의 경우는, 위상은 일단 나아갑니다만, 다시 전으로 돌아와 버리기 때문입니다.

출력 트랜스

출력관의 내부 저항(rp)과 출력 트랜스의 1차 인덕턴스(H)로 결정되는 시정수는, 위상을 나아가게 하는 효과가 있습니다. 어떤 주파수 이하에서는, 저역이 자꾸자꾸 감쇠해 가, 직류를 차단하기 때문입니다. 감쇠해 가는 것에 따라, 위상의 진보는 90도 진행하기 때문에, 이것도 저역시 정수를 1개로 계산합니다.


스타카비

매우 전통적인 설계의 싱글 앰프에서는, 단간 마다 1개의 시정수, 그리고 출력 트랜스의 1개의 시정수가 생깁니다. 「드라이버단∼C∼출력단∼OPT」의 구성이면, 시정수는 합계 2개로 끝납니다만,「초단∼C∼드라이버단∼C∼출력단∼OPT」의 구성에서는, 시정수는 합계 3개가 되어 버립니다.

그런데, 발진에 이르지 않는 조건에, 시정수는 최대 2개까지였기 때문에,「드라이버단∼C∼출력단∼OPT」의 구성에서는 저역 발진의 걱정은 있지 않습니다만, 「초단∼C∼드라이버단∼C∼출력단∼OPT」의 구성의 앰프에 오버올 부귀환을 걸치면, 저역 발진의 위험이 생깁니다. 이 위험을 회피하는 방법으로서, 각 시정수의 값이 근접 하지 않게 하는 수법(스타카비)이 알려져 있습니다. 각각의 시정수의 비를 스타카비라 해, 스타카비가 크면 안정되게 걸칠 수 있는 부귀환양이 많아지는 것입니다.

왜, 스타카를 행하면 발진이 어렵게 되는가요. 지금, 여기에「나 이득 100배」의 증폭 회로가 있고,저역 시정수가 전부 3개 있다라고 합니다. 그리고, 저역 시정수는 3개 모두 100Hz라고 합니다. 1개의 시정수에서 생각하면, 위상은 100Hz에서 45도나아가고, 50Hz에서는 60도나아갑니다. 전부의 시정수를 생각하면, 50Hz에서 180도 나아가는 계산이 됩니다. 그 때의 감쇠양은 -21dB 즉 0.089배이기 때문에, 위상이 180도 나아가 버리는 주파수에 있어서도 나이득은 8.9배 됩니다. 이런 조건에  부귀환을 걸치려고 하면, 용이하게 발진합니다.

이번은 ,같은「나이득 100배」의 증폭 회로에서, 저역 시정수가 전부 3개인 채로써, 1개째는 1Hz,나머지 2개는 100Hz라고 합니다. 50Hz에 있어서의 위상은, 2개의 시정수의 경우로 120도나아갑니다만, 다른 1개의 시정수는 1Hz이기 때문에 50Hz에서의 위상은 거의 변화하지 않기 때문에, 50Hz에서는 발진하는 조건이 채워지지 않습니다. 이와 같이, 시정수가 복수인 경우는, 그 시정수가 모두 같은 경우가, 가장 적은 감쇠 에서 가장 위상이 나아가거나 지연되거나 합니다.  이것이 스타카비의 메카니즘입니다.

그러나, 시정수가 3개 이상 존재하는 한, 발진은 하지않아도 초 저역 에 있어서의 안정도를 확보하는 것은 곤란하고, 많은 경우, 저역에 있어서 주파수 특성에 피크(조금 고조)가 생기거나 합니다. 증폭 회로의 동작을 해치고  말아, 극단으로 큰 스타카비를 잡는 것은 까다로운 것입니다.스타카비 수법은 만능이 아닙니다.

이 문제를 근본적으로 해결하기에는, 2단구성으로 할지, 3단이상의 구성이라 하더라도, 직결을 사용하는 등  저역 시정수가 2개가 되게 하지 않으면 안 됩니다. 왜냐하면, 아무리 스타카비를 크게 했다 해도, 시정수가 3개 있는 한, 위상 진보의 최대치가 180도인 것에는 변화가 없기 때문입니다. 계산대로의 스타카비를 확보해도, 반드시 안정적인 앰프가 되지 않은 것을 알아 두어 주십시오.

공사중

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