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기술 연구

작성자 DHTsound
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 5261      
  전단차동푸시풀 앰프에 대하여 그 2

 

「전단차동푸시풀 · 앰프의 수수께끼를 풀다」


지금까지 여러분들이 만든전단차동푸시풀 · 앰프」를 들었읍니다만, 여러분이 공통적으로 말씀하시는 것은「푸시풀인데 지금까지 들은 적이 있는 어느 푸시풀의 소리도 아니다」「푸시풀인데 싱글 같은 소리가 난다」였습니다. 나는, 지금까지, 이 말에 특별한 관심을 가지지 않았읍니다만, 어쩌면, 이 말안에 매우 중요한 진리가 있는 것은 아닐까라고 생각하게 되었습니다.

그것은, 전단차동푸시풀 앰프의 소리가, 분명히 기존 푸시풀 앰프와는 다른 소리, 예를 들면, 정위감이 있는 밀도 높은 음장감, 독특한 힘을 가진 저역인 것 등입니다. 왜, 이러한 소리가 날 까, 어디엔가 이유와 메카니즘이 숨겨져 있을 것입니다. 취미라고 할 수 있어, 앰프를 설계 · 제작하는 사람으로서, 이것에 대한 수수께끼를 해명하고 싶습니다.

그 시도의 제일탄으로서, (1)싱글 앰프, (2)푸시풀 앰프, (3)전단차동푸시풀 앰프의 3개 방식에 대해서, 다른 점, 공통점에 대해서 고찰함과 동시에, 하나의 가설에 대해서 말해 보고 싶습니다.



■푸시풀 회로를 해부함

아래그림을 봐 주십시오. 이것은,여러분들이 잘 아시는, 진공관과 출력 트랜스(OPT)를 사용한 푸시풀 회로입니다.

그리고, 이런 회로를 그리는 방법은, 2개의 출력관 음극(K)을 잇고 어스(E)에 떨어뜨립니다. 출력 트랜스의 1차 권선의 중점(센터 탭)을 B전원(B+)에 잇습니다. 그리고, B전원과 어스(E)의 사이에는 콘덴서(C)를 삽입합니다. 이 그리는 방법에는, 출력단 신호의 흐름은 잘 표현되고 있지 않습니다. 전원과 어스 사이에 삽입되는 콘덴서는, 푸시풀 회로와는 관계없는 것처럼 보입니다. 이 콘덴서는「B전원 리풀을 제거 하기 위해」라고 생각하시는 분이 많지 않을까요.

그런데, 신호의 흐름을 알기 쉽게, 바꾸어 그려 보았습니다. 콘덴서는, B전원과 어스를 교류적으로 쇼트 시키고 있기 때문에, 교류적으로 보면, 출력 트랜스의 센터 탭과 음극는, 이어지고 있는 것이 됩니다. 그래서, 위 그림 같이, 출력 트랜스의 센터 탭과 음극을 1개의 선으로 이어 줍니다. 여기서, 2개 관의 그리드(G)의 입력에, (+)라든지(-)와 같이 표기하고 있는 것은, 2개의 입력 신호의 위상이 서로 역인것을 표현하고 있습니다. 이와 같이, 푸시풀 회로는 2개의 입력을 가져, 그 입력 신호의 위상이 서로 역이 되는 것처럼, 전단에「위상 반전 회로」가 있읍니다.  

이제 일보 진행시켜 아래 그림 같이 그려 바꾸어 버립니다.

이것도, 의미는 같습니다. 시판되는 출력 트랜스중 상당부분이, 1차 권선이 이와 같이 2개로 나뉘어져 탭 되고 있기 때문에, 2개의 1차 권선의 B+측을 위그림 같이  배선 해 주는 것입니다. 이와 같이 바꾸므로서, 푸시풀 회로라고 하는 것은, 2개의 독립한 관이, 출력 트랜스의 각각의 1차 권선을 별개의 부하로서 동작하고 있는 것을 알 수 있읍니다.

한편의 관이 없어도, 남은 관은 동작을 계속합니다. 이렇게, 한쪽 편 관이 단절되고 있는 동안은, 단절 된 관은 존재 하지 않는 것과 같이 됩니다. 한편의 관의 이득이 규정보다도 낮아도, 남은 관은 규정대로의 이득인 것에는 다름이 없읍니다. 그리고, 2개의 출력 트랜스의 1차 권선에 언바란스가 있었다면, 그 언바란스는 증폭 작용에 영향을 미치게 합니다.

(주의:여기에서는, 푸시풀 회로의 신호 루프의 본질에 대해서 분명히 하고 싶기 때문에, 바이어스의 거는 방법이라든가, 출력 트랜스의 직류 자화 문제라고 하는 부대적인 생각에 대해서는 고려하지 않았읍니다.)

따라서, 푸시풀 앰프의 전체의 기본 구성은, 아래 그림 같이 됩니다.

입력 신호는, 위상 반전 회로에 의해서, 역 위상을 가진 2개의 신호로 나누어 집니다. 2개의「분할」된 신호는, 각각 다른 관으로 증폭되어, 최종적으로 출력 트랜스에서 1개로「합성」됩니다. 이와 같이, 푸시풀 회로 에 있어서의 출력 트랜스는,「impedance 변환 기능」뿐만 아니라「역상의 신호의 합성 기능」도 가지고 있는 것입니다.

이「합성」이 정확하게 행해지기 위해서는, 아래와 같은 조건이 되어야합니다.

  • 위상 반전 출력은, 같은 신호 전압, 같은 주파수 특성, 같은 위상 특성, 같은 직선성, 같은 출력 impedance, 같은 과도 특성 이 아니면 안된다.
  • 출력관은, 같은 Ep-IP 특성(μ· gm· 내부 저항),( μ)같은 입력 ·  출력 용량이 아니면 안된다.
  • 출력 트랜스의 1차 권선은. 같은 권수, 같은 부유 용량, 같은 유도계수가 아니면 안된다.

물론, 위상 반전 출력이 정확하지 않아도, 출력관이 이상적인 페어(그런 것은 존재 하지 않음)가 아니어도, 그리고,  같은 특성을 가진 2개의 1차 권선을 가진 출력 트랜스(그런 것도 존재 하지 않음)가 아니어도도, 푸시풀 회로에서는 확실하게 소리가 나옵니다.

여기 말한 것을 정리하면 아래그림 같이 됩니다.

여기에서, 푸시풀 회로라고 하는 것은, 본질적으로「각자 동작 하는 불평형인 2개의 증폭계의 합성」이고, 푸시풀 앰프는「1개의 신호를, 위상이 반대인 2개의 불평형 신호로『분할』해, 2개의 증폭 회로로 별도로 증폭하고, 최종적으로 OPT로『합성』하고『impedance 변환』하는 방식」인 것인다라고 하는 것을 이해하시면 좋겠읍니다.



■싱글 회로를 해부

이번에는, 익숙한 진공관과 출력 트랜스(OPT)를 사용한 싱글 회로입니다.

이번도, 위그림같은 회로를 그립니다. 음극을 어스에 떨어뜨려, B전원과 어스의 사이에는 콘덴서를 삽입합니다. 그리고,이 콘덴서는「B전원으로 포함되는 리풀을 제거 하기 위해」라고 이해되는 경우가 많읍니다.

콘덴서는, B전원과 어스를 교류적으로 쇼트 시키고 있기 때문에, 교류적으로 보면, 출력 트랜스의 B+측과 음극과는 이어지고 있는 것이 됩니다. 그리고, 싱글 앰프에서는, 이 콘덴서가 없으면 신호 루프가 중단되어 버립니다. 위 오른쪽 그림 같이, 출력 트랜스의 B+측과 음극을 1개의 선으로 이어 줍니다. 이것이, 싱글 회로 에 있어서의 신호 루프입니다.

앞에서 말한 푸시풀 회로의 정확히 한쪽 편 반 이라고 생각할 수 있습니다. 싱글 회로에서는, 입력은 1개이기 때문에, 위상 반전 회로에 의한 신호의「분할」은 없고, 출력 트랜스에 의한 2개의 신호「합성」이라는 과정도 필요 하지 않습니다.

(주의:여기에서는, 싱글 회로의 신호 루프의 본질에 대해서 분명히하고 싶기 때문에, 출력 트랜스의 직류 자화의 문제라든가,싱글 회로 특유의 비직선성이라는 부대적인 생각에 대해서는 언급하지 않습니다.)

말한 것을 정리하면 아래그림 같이 됩니다.

싱글 회로라고 하는 것은, 푸시풀 회로와 달리「하나로 동작하는 불평형인 1개의 회로만으로 성립되고 있다」이고, 싱글 앰프는「1개의 신호를, 1개의 증폭 회로로 증폭해, 그대로 OPT로『impedance 변환』하는 방식」이다라고 됩니다.

싱글 앰프와 푸시풀 앰프와는, 이와 같이, 본질적으로 다른 신호 전달 과정을 가지고 있는 것에 주목해 주십시오.


■전단차동푸시풀 회로를 해부

아래 전단차동푸시풀 회로입니다.

앞에서 말한 푸시풀 회로도와 비슷합니다만, 유일한 차이는 공통 음극측이 교류적으로 어스 되지 않고, 신호를 통과시키지 않는 정전류 회로가 삽입되고 있는 것입니다.

정전류 회로에 의한 신호 경로의 차단이 있기 때문에, 차동푸시풀 회로에서는, 전원과 어스의 사이에 삽입되는 콘덴서는, 푸시풀 회로의 동작과는 관계없는 것으로 됩니다. 이 콘덴서는「B전원에 포함되는 리풀을 제거 하기 위해」라고 밖에 의미를 가지지 않습니다. 신호의 흐름을 알기 쉽게, 바꾸어 그려 보았습니다( 위 오른쪽그림). B전원과 어스를 교류적으로 잇고 있는 콘덴서에는 신호는 흐르지 않기 때문에, 어스 라인이나 B전원은 신호 루프 에서 벗어납니다. 따라서, B전원으로 이어지고 있는 출력 트랜스의 센터 탭의 존재도, 신호 경로로부터 무관계하게 됩니다.

이 그림으로부터 알 수 있는 것은, 2개의 출력관은 서로 거꾸로 되고 있어, 일체가 되어 부하(출력 트랜스 1차 권선)에 대해서 직렬로 이어지고 있는 것입니다. 그렇기 때문에, 출력관의 한편이 없어져 버리면 ,신호 루프가 중단되어 버리기 때문에, 소리는 완전히 나오지 않게 되어 버립니다. 따라서, 출력관이 컷오프하는 AB급이나 B급 동작을 할 수 없습니다.

2개의관의 2개의 그리드에 걸쳐 1개의 신호 입력이 있습니다. (+)측도 (-)측도 어스로부터 뜨고 있습니다만, 이러한 신호 전송 방식을「평형 회로」라고 합니다.「평형 회로」에서는, 신호는 어스에는 흐르지 않습니다.

따라서, 전단차동푸시풀 앰프의 전체의 기본 구성은, 아래 그림 같이 됩니다.

입력 신호는, 위상 반전 회로에 의해서, 서로 역 위상을 가진 2개의 신호로 나누어 지지 않고, 1개의 평형 출력으로 변환될 뿐입니다. 평형 출력 신호는, 후속의 2개의 출력관이 하나로된 된 평형 증폭 회로에 의해서 증폭되어, 최종적으로 출력 트랜스로「impedance 변환」됩니다. 이와 같이, 차동푸시풀 회로 에 있어서의 출력 트랜스는, 「impedance 변환 기능」밖에 가지지 않고「역상 신호의 합성 기능」은 없읍니다.

신호의「분할 · 합성」이 행해지고 있지 않기 때문에, 푸시풀 회로에서  문제가 된 조건은, 아래와 같이 변화합니다.

  • 위상 반전 출력(평형 출력)은, 같은 신호 전압, 같은 주파수 특성, 같은 위상 특성, 같은 직선성, 같은 출력 impedance,같은 과도 특성이 아니면 안된다라고 하는 것은 의미가 없어진다.
  • 출력관은, 같은 Ep-IP 특성(μ· gm· 내부 저항), 같은 입력 · 출력 용량·이 아니어도 좋다.
  • 출력 트랜스의 1차 권선은. 같은 권수, 같은 부유 용량, 같은 유도계수이 아니면 안된다는 필요는 없다.


 이상을 정리하면 아래그림 같이 됩니다.

차동푸시풀 회로라고 하는 것은, 2개의 출력관이 일체가 되어 동작한다(일체가 되어 동작 할 수 밖에 없다), 본질적으로「평형인 단일 증폭계」이고, 전단차동푸시풀 앰프는「1개의 신호를, 평형 신호로『변환』해, 1개의 평형 증폭 회로로 증폭하고, 최종적으로 OPT로『impedance 변환』하여 가는 방식」인 것이 됩니다.

차동푸시풀 회로라고 하는 것이, 외관상으로 이른바 푸시풀 회로에 매우 비슷하지만, 동작의 본질은 근본적으로 다른 것이다,라고 이해되면 좋겠읍니다.


■정리

여기서 3개의 회로 방식「푸시풀 회로」「싱글 회로」「차동푸시풀 회로」의 차이를 한 마디로 표현하면,

  • 싱글 회로 : 1개의 불평형 증폭
  • 푸시풀 회로 : 위상 반전으로 분할 →2개의 불평형 증폭→OPT로 합성
  • 차동푸시풀 회로 : 1개의 평형 증폭

이 되고, 이것을 표로 정리하면 아래와 같이 됩니다.

   푸시풀회로  싱글 회로  차동푸시풀회로
 위상반전  있음  없음  있음(단 불평형->평형변환)
 신호의 분할  있음  없음  없음
 증폭계의 수  2  1  1
 전송모드  불평형  평형  평형
 신호의 합성  있음  없음  없음
 구성의 단순성  복잡  아주간단  간단

 

회로의 외관과는 반대로, 증폭 과정의 본질에 대해서 보면「차동푸시풀 회로」는「싱글 회로」에 아주 유사합니다. 이번은,각각의 회로 방식 에 있어서의 우열에 대해서 생각해 봅니다.

저역 특성

싱글 회로 약점의 하나에, 출력 트랜스의 직류 자화에 의한 자기 포화와 1차 인덕턴스의 감소 문제가 있습니다. 그 때문에, 싱글 회로에서는, 대역을 10Hz이하로 가는 것은 곤란하고, 비록, 부귀환에 의해서 대역을 10Hz까지 플랫으로 할 수 있다해도, 그것은 소출력의 경우이고, 최대 출력에서는 역시 현저한 특성 열화가 생깁니다. 푸시풀 회로에서는, 2개의 1차 권선에 직류 자화를 하지 않는 역 전류를 흘리는 것이 가능하기 때문에 ,싱글 회로와는 비교가 되지 않을 정도 뛰어난 저역 특성을, 대출력 영역에서도 실현 할 수 있습니다. 차동푸시풀 회로에 있어서도, 이 장점을 얻을 수 있습니다.
  • 싱글 회로: ×
  • 푸시풀 회로: ○
  • 차동푸시풀 회로: ○

왜율 특성

푸시풀 회로에서는, 2차 일그러짐의 원인이 되는 출력관의 비직선성은, 상호 보충되기 때문에, 본질적으로 2차 일그러짐은 발생하지 않습니다. 그리고, 한쪽 편 관이 컷오프 영역 가까이 된 때에 생기는 비직선성도, 다른 한편의 관의 플레이트 전류를 증가 시키는 것에 의해서 상당히 보충 할 수 있기 때문에, 3차 일그러짐도 꽤 작게 할 수 있습니다. 싱글 회로에서는, 출력관의 비직선성에 의한 일그러짐은 그대로 출력에 나타나 버리기 때문에, 일반적으로 직선성 이 뛰어나다고 알려진 직열3극관도, 2차 일그러짐이 발생합니다. 차동푸시풀 회로에서는, 본질적으로 2차 일그러짐은 발생 하지 않다고 하는 점에서는, 푸시풀 회로와 같지만, 3차 일그러짐이 많이 발생합니다
  • 싱글 회로: △
  • 푸시풀 회로: ◎
  • 차동푸시풀 회로: ○

최대 출력

싱글 회로에서는, 출력관의 플레이트 손실(무신호시의 Ip×Ep)의 1/2이 이론상 상한으로써, 실제로는, 플레이트 손실의 25%∼40%정도가 됩니다. 푸시풀 회로에서는, A급 동작에서도 싱글 회로의  2배이상, AB급에서는 3배 ∼5배 출력을 얻을 수 있습니다. 차동푸시풀 회로에서는, 싱글 회로의 1.5배 ∼2배정도가 됩니다. 지금까지, 전압 증폭단의 차동화는 많습니다만, 출력단의 차동화는 거의 진행이 않되었던것도 이 저 출력이 최대 이유입니다.
  • 싱글 회로: △
  • 푸시풀 회로: ◎
  • 차동푸시풀 회로: ○ (전력 효율은△)

■가설

전단차동푸시풀 · 앰프」의 소리가「푸시풀인데 이른바 푸시풀의 소리가 아니다」「푸시풀인데 싱글 같은 소리가 난다」라고 느낄 수 있는 이유에 대해서, 그 진상은 아직 알지 못합니다. 그러나, 지금까지 말한 것처럼, 싱글 앰프와 전단차동푸시풀 앰프는 그 전송계의 구조에서 닮은 점이 많이 발견되는데 대해, 푸시풀 앰프는, 많은 점에서 차이가 납니다.

푸시풀 앰프는, 저역 특성에 있어서는, 싱글 앰프에 대해서 압도적인 우위성을 자랑합니다만, 그런데도 더욱 싱글 앰프를 좋아하는 분이 많은 이유는 무엇일까요.「초 3회로」라고 불리우는 회로가 있습니다. 이것은, 싱글 회로에도 불구하고, 싱글 회로가 가지는 저역 특성의 약점을 상당히 극복 할 수 있는 뛰어난 회로로, 이 앰프의 소리는 매우 높은 평가를 얻고 있습니다. 저역 특성이 개선된 싱글 앰프라고 생각됩니다.

꽤 이전부터, 푸시풀 앰프의 평가가 양분되는 현상이 보여집니다. 가라사대「푸시풀 앰프는 소리의 안정도가 나쁘다」,가라사대「푸시풀 앰프는 정감이 없다라고요.  말로는 할 수 없어도, 푸시풀 앰프의 소리를 좋아하게 될 지 않는다라는  소리를 잘 듣습니다. 싱글 앰프가 가지는 결점은, 매우 명확하고 이론적으로도 설명이 가능한 것이 많기 때문에 , 푸시풀 앰프에서는, 싱글 앰프에서 문제가 된 결점의 대부분이 극복되기 때문에, 지금까지, 푸시풀 앰프의 문제점은 그다지 의논되지 않았습니다.

앰프의 우열을 논하는 경우, 부품이나 진공관의 형번이나 상표, 단간이나 음극 회로등에 존재하는 콘덴서의 수, 정류 방식, 정류관이나 정류 다이오드의 형번이나 상표, 부귀환의 방식이나 다과 유무, 주파수 특성, 덤핑 팩터나 일그러짐의 질이나 나오는 방식, 과도 응답 특성등 다양한 관점에서 문제가 지적되어, 많은 분들이 실험이나 연구하여 왔습니다. 그러나, 본고에서와 같이, 전송계 구조의 단순함이나, 복잡함이나, 역상 신호의 분할 · 증폭 · 합성이라고 하는점에서는 그다지 연구가 없었다고 생각합니다.

나는, 푸시풀 앰프가 가지는「1개의 신호를, 위상이 반대인 2개의 불평형 신호로『분할』해, 2개의 증폭 회로로 독립 증폭하여, 최종적으로 OPT로『합성』한다」라고 하는 복잡한 과정에 대해서 언급했습니다. 만약, 가령, 이 과정이 푸시풀 앰프의 약점이다라고 한다면, 지금까지 싱글 앰프가 받아 온 평가나, 최근, 전단차동푸시풀 앰프에 얻은 평가를,논리적으로 설명하는 것이 가능해지지 않을까요.

키무라토오루
2000.2.13(작성)
2000.2.14(가필)
2000.2.15(수정)

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