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[반도체소자] 다이오드의 전압강하 2부

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[소자]

2013. 1. 4.

 

다이오드의 전압강하 그 자체로도 특별하지만, 오디오 회로에서 다이오드는 아주 특별하고, 천재적으로 응용되고 있기 때문입니다. 이번에는 다이오드와 관련해서.... 아마도 많은 사람들이 궁금해 하시는 증폭회로의 종류에 대해서 얘기좀 해보겠습니다. 지금 당장에 증폭회로의 종류를 탐구한다는 것은 무리수입니다. 폭회로의 종류를 나누는 기준은 바이어싱을 어떻게 이용했냐?는 것인데. 아직은 바이어싱이 뭐가 뭔지 잘 모르는 상태입니다. 그 뿐만 아니라 커플링 콘덴서에 대한 상당한 이해가 동반되어야 증폭회로의 종류를 어느정도 이해할 수 있습니다. 커플링 콘덴서의 근본적인 원리의 이해는 굉장히 난해한 분야로 유명합니다. 그것도 아주 아주 난해하기로 손을 꼽습니다.


그러나, 다이오드의 전압강하를 통해서 증폭회로의 종류에 따른 방향성을 일찍 잡을 수 있을 것입니다. 쉽게 말해서, 미리 좀 전체적인 그림은 지금도 충분히 그릴 수 있는 능력이 있습니다. 미리 조금 더 먼 곳을 볼 수 있다면, 우리는 쓸데없이 에너지를 낭비하는 일은 피할 수 있을 것이고, 오디오를 바라보는 편견도 어느정도 지울수 있습니다. 무엇보다도 오디오에 대한 우리의 방향성을 제시해줄 것입니다.


남자들은 보통 군대를 갔다오기 때문에 A급은 좋은거다. B급은 후진거다는 선입견을 가지고 있다고 봅니다. 그냥 문자상만으로 그런 정보가 뇌를 자극하는 것은 당연하다고 봅니다. 그러나, 오디오의 증폭회로의 종류는 국가에서 지급하는 보급품이 아니죠. 역시나 이성적인 판단을 한다는 것은 쉬운일이 아닐것입니다. 시대가 어느 시대인데, 아직도 고급 오디오는 A급 증폭회로를 가지고, 후진놈은 B급 증폭회로를 가진다는 선입견을 심어주는 정신나간 세력도 만만치 않습니다. 최소한 제대로 된 오디오는 현실에서는 B급 증폭회로는 아예 존재하지도 않는데 말이죠.ㅎㅎ


혹은 자신도 이해 못할 용어로 장황하게 A급, B급, AB급 증폭회로의 종류를 설명하는 글은 인터넷에 수도 없이 널려 있습니다. 더욱 놀라운 사실은 그런 글을 읽고, 글의 내용이 이해가 되고, 도움이 많이 되었다는 사람도 있습니다. 이거 굉장히 웃끼면서도 신기한 현상입니다. 저도 옛날에는 사람들이 하도 A급이니, AB급이니 자주 언급하길래 궁금한 마음에 공부를 해 보았지만, 남는건 극심한 시간낭비 뿐이였습니다. 기초전기 지식이 없으니 당연한 현상입니다. 그 당시 지식으로는 도저히 대적할 수 없는 내용인 것입니다. 너무나 당연한 얘기겠지만, 증폭회로의 종류를 대충이라도 이해하기 위해서는 회로를 거의 대부분을 공부하고 난 뒤에나 소화가 가능한 영역이라는 것입니다.


도움이 많이 되었다고 하는 사람들은 아마도 커플링 콘덴서 정도는 가지고 놀수 있는 수준인 모양입니다. 실제로 그런 사람이라면, 증폭회로의 종류같은 그딴 내용은 찾아볼 필요가 없지요. 왜냐고요? 그 정도 수준이라면, 이미 다 자연스럽게 알게되는 문제고, 현실적으로 별 필요도 없는 내용이라는 점을 너무나 잘 알기 때문니까요. 정말 신기한 현상입니다. 하고싶은 말은 다음 입니다. 표면적인 표현들로 사람들에게 그저 편견만 심어주는 글 밖에 안되는 것입니다. 편견을 가지게 되어서 고맙다고 말하는 사람들이 있다는 사실은 전혀 새로운 사실도 아닙니다. 충격적인 내용을 인터넷으로 본적이 있습니다. 내용은 다음같습니다. 수준 떨어지는 D급 증폭회로는 주로 PA에서 사용한다고 설명하는 사람도 본적이 있는데요, PA의 앰프에 D급이 있는것은 사실이나. 실제로는 90%이상이 AB급을 사용합니다. D급은 집이나, 차량의 서브우퍼용으로 더욱 활발하게 이용되는 증폭회로 입니다. 헛소리가 끝이 없습니다.


제가 가장 걱정하는 오디오 문화가 한가지 있습니다. 사람들은 A급 증폭회로를 무엇인지도 전혀 파악도 못하면서, A급 오디오를 고급성의 상징으로 삼는 문화입니다. 아직도 완전한 전역을 하지 못한 모양입니다. 예전에 클라스의 구분으로 오디오의 질을 따지는 행위는 임피던스 매칭으로 이루어내는 폭풍같은 소리 변화에 비하면 쓰레기같은 구분이라고 말한적이 있습니다. 왜 이런 말을 했는지 다이오드와 관련해서 잡설을 진행해 보겠습니다.



B급의 회로도를 보겠습니다. 아직은 파악은 안되겠지만, 알고 있는 지식을 총 동원해 보겠습니다. 도대체 뭘 해석해야 하는지 감을 못 잡겠습니다. 누구나 다 똑같습니다.ㅎㅎ 이번에 우리가 집중해야할 주제는 B급 증폭회로는 왜 현실에서는 사용하지 않는 회로임을 추론해야 합니다. 우선 트랜지스터에 표기된 NPN, PNP 라는 영문표기에 집중에 주시기 바랍니다. ㅎㅎ 복잡한 얘기할 생각은 전혀 없습니다. 바로 앞편에서 다이오드는 PN접합 반도체라는 것을 알아 보았습니다. PN, PNP, NPN 다 비슷한 표현으로 고만 고만합니다. 그리고 전류가 실리콘 다이오드의 고유전위장벽을 통과하기 해서는, 일정한 값의 약 0.7V의 전압을 헌납한다고 배웠습니다. 다이오드와 트랜지스터는 아주 가까운 친척이고, 기본적인 구조도 똑같습니다. 당연히 트랜지스터의 전압강하 특성은 다이오드와 동일합니다.


뭐가 똑같은지 간단한 설명만 하고 넘어가 보겠습니다. 하지만, 중요한 내용이니까 집중 부탁드립니다. 우리는 아직 기반지식이 부족하기 때문에 장황한 원리에 대한 설명보다는, 우선은 형편에 적합하게 문장중심의 설명을 하겠습니다. 반도체 업계에서 주장하는 바이어스 전압을 다시 한번 보겠습니다.


PN접합 반도체에 전류가 통과할 수 있도록 하기 위해서는 고유전위장벽을 낮추어 주어야 한다. 고유전위장벽을 낮추어 주기 위해서 외부에서 가하는 전압을 바이어스 전압 이라고 한다.



위 정의에서의..... PN접합이란, P에서 N으로 전류를 통과시키기 위해서 일정 수준 이상의 전압이 필요하다는 얘기입니다. 지금 당장은 물질의 성질이 다른 두가지 반도체 물질을 P와 N으로 표현하는 것이라 간단하게만 생각하겠습니다. 주로 실리콘에 어떤 불순물을 첨가하는가에 따라서, N 물질인지, P 물질인지를 구분하는 것 뿐입니다. 당연히 트랜지스터의 주제료는 실리콘입니다.(#복잡한 반도체 얘기는 나중에....)



#IT기술의 성지 ~하필 왜 실리콘 밸리라고 부를까? 생각해 보면, 실리콘이 어디에 사용되는 물질인지를 파악해 보면 탁월한 작명임을 알 수 있다.


당연히 반도체에서는 P에서 N으로 전류가 흐르는 것이 정상적인 흐름이고, 순방향 바이어스를 가하는 것입니다. 그 반대는 당연히 역방향 바이어스를 가하는 것입니다.



위 그림은 그냥 그러니 하고 넘기시면 됩니다. 다이오드의 PN접합을 표현한 그림입니다. P에서 N으로의 전류의 흐름을 순방향 바이어스를 가한다는 표현만 알면 됩니다. 다만. 실리콘 다이오드의 경우 0.7V를 통과요금으로 징수한다는 사실도요!



트랜지스터의 NPN접합구조 한가지만 보겠습니다. 위 그림에서 이거 딱 한가지만 기억해 두겠습니다. 스스로 관찰하셔야 합니다. 트랜지스터는 다이오드의 샌드위치 구조다. 베이스에서 이미터로 흐르는 전류는 PN접합의 다이오드와 동일한 전압강하 특성을 지닙니다. 왜냐고요? 보세요! 베이스에서 이미터로 이어지는 부분은 PN접합으로 다이오드와 구조가 완전히 똑같잖아요. 당연히 동일한 고유전위장벽을 가집니다. ㅎㅎ 트랜지스터에서 베이스에서 이미터로 전류가 통과하기 위해서는 다이오드와 동일하게 0.7V의 전압을 통행요금으로 징수한다는 사실을 캐치할 수 있어야 하겠습니다.


PNP접합의 경우는 반대로 이미터에서 베이스로 전류가 흐릅니다. NPN접합에 비해서 그냥 전류흐름에 대해서 반대특성만 가질 뿐입니다. 반대특성이 무조건적인 반대특성은 아닙니다. 원칙은 있습니다. 두가지 다 그냥 P에서 N으로 순방향으로 전류가 흐릅니다. 이것만은 단순한 사실이네요. [P에서 N으로]기억해 두겠습니다. 트랜지스터 심블에서 화살표 방향은 P에서 N쪽으로 표시한다는 단순한 사실은 누가 말해주지 않아도 추론할 수 있어야 하겠습니다. TR 심블의 화살표를 외울것이 아니고, [P에서 N으로]라는 순방향 바이어스를 알아야 합니다. 아이고 트랜지스터 복잡하죠? ㅎㅎ 다이오드를 깊게 공부하는 길이 트랜지스터를 가장 빨리 파악하는 지름길 입니다. 다이오드에 적용되는 이론은 똑같이 트랜지스터에서도 그대로 적용됩니다.


B급 증폭회로가 왜 현실에서는 사용하지 않는 회로인지를 보겠습니다. 그러니까 회로를 진진하게 공부해 보겠다는 의사가 전혀 없는 사람이 B급 증폭회로에 대해서 표면적으로 알아 보았자 아무짝에도 도움도 안되고 쓸모도 없습니다. 최소한 오디오에서는 현실에는 B급은 존재하지도 않습니다. 이점이 굉장히 웃기는 현상입니다. 말그대로 그런 사람들에게는 극심한 시간낭비일 뿐입니다. 그러나 회로를 진지하게 공부하고자 하는 사람들에게는 다릅니다. 우리가 반파정류를 실제로 오디오에서 자주 사용해서 공부하는게 아니죠. 브리지 정류로 발전된 사고를 갖기 위해서, 반파정류는 아주 좋은 밑거름이 됩니다. 예~ 비현실적인 회로이지만, 우리에게 좋은 [생각의 도구]를 제공하기 때문입니다. B급 증폭회로도 마찬가지 입니다. 실제로 현실에서 B급 오디오를 사용하지는 않습니다. 그러나 AB급 증폭회로에 대해서 발전된 사고의 밑거름이 됩니다. 아주 훌륭한 생각의 도구를 비현실적인 B급 증폭회로가 제공하기 때문에 더욱 열심히 B급을 다루는 것임을 잊지 말아야 하겠습니다. 지금 당장 트랜지스터가 궁금하다고, 바로 뛰어들어 보았자, 자신의 배경지식으로는 도저히 대적할수 없는 영역임을 깨닫을 뿐입니다. 비현실적인 이론을 무시한다든지. 급한 진격은 [회로공부 포기]와 동의어일 뿐입니다. 차분하게 한걸음식 비현실적인 이론도 공부하고, 생각의 도구를 날카롭게 갈고 닦은 다음에 도전해야 하겠습니다. 참고로 이번편의 주제는 트랜지스터 얘기가 많지만, 핵심 주제는 엄연히 다이오드의 전압강하입니다. 트랜지스터 속에 숨어있는 다이오드이며, 나아가서는 PN접합 이야기입니다.




트랜지스터는 [베이스와 이미터] 사이를 오가는 소출력으로 [컬렉터와 이미터] 사이를 오가는 대출력을 제어 합니다. 물론 그 대출력의 원천은 전원부에서 수혈받습니다. 그러니까 오디오 전원부의 수준은 훈련병에 비유할 수 있습니다. 잘 훈련된 훈련병이 나중에는 실전에서 뛰어난 군인이 되는 것입니다. 우리가 듣는 소리의 과거 모습은 전원부에 만들어 내는 DC인 것입니다. 실제로 스피커를 통해서 듣는 소리(Signal)의 본질은 전원부에서 훈련시킨; 신호(Signal)를 아주 싫어하는 DC에서 만들어진다는 아이러니한 얘기지만, 진심으로 사실입니다. 역시나 아이러니 하게도 현실을 잘 이해하기 위해서는 비현실을 잘 파악해야 하겠습니다. 비현실이 무엇인지 잘 알고 있다는 것은 현실 또한 잘 알고 있다는 것이겠지요. 이론! 또 잡설이 길었습니다. 그럼 말만으로 설명한 트랜지스터의 전류의 흐름을 그림으로 보겠습니다.



두가지의 화살표를 임의로 그려 보았습니다. 붉은색 화살표는 [베이스와 이미터; 제어를 가하는 전류] 사이의 전류의 흐름 표시입니다. 파란색은 [컬렉터와 이미터; 제어를 당하는 전류] 사이의 전류의 흐름을 나타낸 것입니다. [베이스와 이미터] 사이을 흐르는 전류는 순방향 바이어스를 가집니다. 당연히 [베이스와 이미터] 사이를 오가는 소출력은 [P ==> N]으로 순방향 바이어스를 가지기 때문에 외우고 할게 없습니다. 그냥 트랜지스터 심블의 화살표만 보면, PNP형인지, NPN형인지 바로 견적이 나와야 합니다. 두가지 형태의 트랜지스터를 동시에 설명하자니 복잡합니다.ㅎㅎ NPN형 트랜지스터에만 집중해 보겠습니다. PNP형은 스스로 충분히 유추할 수 있는 능력이 있습니다. 여기서 문제를 하나 내어 보겠습니다.


문제) 위 그림 NPN형 트랜지스터에서 베이스에서 이미터로 흐르는 전류의 전압강하는 얼마인가?


제가 출제하는 문제는 문제가 너무 막연하다는게 문제입니다.ㅎㅎ 다이오드오와 트랜지스터의 물리적인 구조는 동일하다고 했습니다. PN접합을 통과한 전류는 역시 동일한 전압강하를 가집니다. 위 문제의 답으로 약 0.7V의 전압강하를 가진다고 대답한다면, 제가 정말 원하는 답변입니다. 트랜지스터에서 소출력으로 제어하는 [베이스와 이미터] 사이를 오가는 전류는 다이오드처럼 약 0.7V의 전압강하를 가진다는 사실을 이제 알고 있습니다. 그 단순한 사실만을 밑천삼아 B급 증폭회로의 비현실성를 파헤쳐 보겠습니다.



위 그림에서 커플링 콘덴서와 저항의 분압비를 이용한 심오한 바이어싱은 일단은 무시를 하겠습니다. 나중에는 장난처럼 파악될테니 그냥 넘기겠습니다. 초장부터 복잡하면 안되죠. B급 앰프의 트랜지스터 이미터에서 받는 전류만 생각해 보겠습니다. 위 그림에서 NPN형 트랜지스터 이미터에서는 0V기준으로 상단반파만을 받습니다. PNP형에서는 하단반파를 받습니다. 그림에도 아주 친절하게 받아들이는 파형이 표기되어 있네요. OV의 기준과 전류 얘기가 나와서 잠깐만 언급해 보겠습니다. 편리상 마이너스 전류로 표기하지만, 실제로는 마이너스 값을 갖는 전류는 존재하지 않습니다. 방향성를 나타낸 값임을 인지하고 있어야 합니다. 정확하게 말하면, 위 그림의 NPN형 베이스는 전류를 받는 입장이고, PNP형 베이스는 전류를 보내주는 입장입니다. 당연히 둘다 P에서 N으로 순방향 바이어스를 가집니다.


그림 상부의 NPN 트랜지스터에만 주목해 보겠습니다. 트랜지스터라는게 소출력을 받아서 닮은꼴의 대출력을 만들어내는 녀석이 아니겠습니까? 그림의 NPN 트랜지스터 이미터에 0.6V의 전압을 걸어 보겠습니다. 그랬더니, 앰프가 작동합니까? 당연히 안합니다. 0.6V의 전압으로는 PN접합 반도체의 고유전위장벽을 통과 할 수가 없습니다. 0.7V이상의 전류만 통과하고 증폭이 됩니다. 그러니까 이렇게 말할 수 있을 것입니다. B급 앰프에서 베이스에 인가되는 전류의 전압이 0.7V이하의 제어신호라면, 있으나 마나한 전류인 것입니다. 이런 수준이하의 전압으로는? 아무런 증폭이 일어나지 않습니다.


그래서 B급 앰프에는 제어신호가 인가되어도 아무런 증푹이 일어나지 안는 구간이 존재합니가. 그것을 데드 존(Dead zone) 이라고 합니다. 그 데드 존이 야기하는 왜곡을 교차왜곡(Cross distortion)이라고 합니다. 다음 그래프를 보겠습니다.



아주 극심하게 중요한 그래프이므로 집중 부탁드립니다. 이런 스타일의 그래프는 트랜지스터의 본질을 한방에 설명한 그림이므로 반드시 정복해 보겠습니다. 문장으로 긴말이 필요가 없습니다. 딱 한장의 그래프로 데드존에서 발생하는 교차왜곡이 무엇이지를 파악하면 그것으로 끝입니다. 그래프의 파악은 이만하면 스스로 하시면 되겠고요.


현실에서 자주 대하는 이상한 현상에 대해서 약간의 잡설을 진행해 보겠습니다. [대각의 붉은 직선]을 보겠습니다. 그림처럼 완벽한 직선은 이론상으로만 존재합니다. 직선은 보시는 바와 같은 완벽한 증폭을 상징합니다. 기울기가 급격할수록 증폭률은 높아집니다. 실제의 트랜지스터는 이러한 완벽한 직선을 그리지 못합니다. 소위 자칭오디오 전문가라는 사람들이 앰프의 리니어리티가 어쩌니 저쩌니 하면서, 용어의 의미를 지 맘대로 해석하는 경우가 많이 있습니다. 리니어리티(Linearity)는 말 뜻 그대로 얼마나 직선에 가깝냐를 표현하는 말입니다. 트랜지스터의 리니어리티가 좋다고 말한다면, 그 트랜지스터의 증폭률이 아주 이상적으로 가깝게 증푹성능이 좋다는 말입니다. 잠깐 소리를 듣고, 그런 미세한 리니어리티까지 논하는 모습은 상당히 의아하고 미스터리합니다. 문맥상으로 볼때 전혀 어울리지도 않게 리니어리티 어쩌구 저쩌구 하는데, 엄연히 확실한 의미가 있는 용어이므로 정확하게 용어를 사용해야 하겠습니다. 오디오에서는 역시 볼륨에도 리니어리티라는 용어를 자주 사용하는 편인데, 이미 다루었지만, 오디오 불륨에는 리니어리티 성향의 불륨은 사용하지 않습니다. 오디오 볼륨에 대고 리니어리티를 논한다면, 아주 웃기는 일입니다. 리니어리티는 아무때나 바르는 용어 아닙니다.


B급 증폭회로가 만드는 교차왜곡을 확실하게 이해 해보겠습니다. 그래프의 파악은 스스로 하셔야 합니다.(#충분한 시간을 두고 그래프를 잘 파악해 보기를 바랍니다. 어려운 그래프는 절대 아닙니다.) 저는 그저 그래프 해석을 도와줄 수 있는 기반지식만을 다룰 뿐입니다. PN접합의 고유전위장벽을 모르고서는 온전하게 교차왜곡을 이해한다는 것은 불가능한 일입니다. 아무것도 모르는 사람에게 교차왜곡 어쩌니 저쩌니 하면서 설명한다고 해도 기반지식이 미약할때는 아무 의미가 없는 것입니다. 별거 아닌것 같지만 무엇이든 손에 잡히는 개념을 잡기 위해서는 힘든 길을 가야합니다.ㅎㅎ B급 오디오에서는 교차왜곡이 발생한다고, 한마리 그냥 툭 던진다고 끝이 아니라는 얘기입니다. 교차왜곡은 정도의 차이가 있을뿐 모든 증폭회로가 다 겪는 현상입니다. 특히나 B급 증폭회로에서 극심하게 심각한 왜곡이 발생한다는 것입니다. 따라서 교차왜곡은 B급 오디오만의 전유물이 아닙니다. 지금 이순간 부터는 교차왜곡이라는 말만 들어도 교차왜곡의 매커니즘이 떠오를 것입니다. 그게 손에 잡히는 개념이고, 평생 함께 갈수 있는 컨셉입니다. 표면적인 표현들 외워봤자 그냥 쓰레기일 뿐입니다.


그래프를 보시다시피 교차왜곡은 아주 극심하게 심각한 왜곡입니다. 정확하게 말하면, 왜곡이라는 표현도 틀린 표현일 수도 있습니다. 정상적인 신호를 그냥 블랙홀처럼 삼켜버립니다. 아주 그냥 산채로 생매장해서 죽여버리지요. 그래서 그러한 구간을 Dead zone 이라는 시적으로 뛰어난 작명을 한 모양입니다. 교차왜곡 보다는 데드 존 이라는 용어의 어감을 잘 기억해 두기를 바랍니다. 따라서 B급 증폭회로의 심각한 교차왜곡(데드 존)을 극복하기 위해서 비로소 AB급 증폭회로가 탄생하게 됩니다.내용이 길어지는 관계로 다음편으로 넘기겠습니다. 감사합니다.

 

 

참조 : http://blog.naver.com/his76?Redirect=Log&logNo=30126485061