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[반도체소자] 다이오드의 전압강하 3부

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[소자]

2013. 1. 4.



#Class B와 Class AB 두가지를 통칭해서 푸시풀 증폭회로 라고 한다. 특별히 의미있는 용어는 아니다. 현실에서는 푸시풀이라고 표현한다면, AB급 오디오라고 알아 들어면 정확한 이해다. 여자중에는 고양이처럼 밀땅의 고수가 있다. 동일하게 푸시풀에서는 NPN에서는 전류를 밀고, PNP에서는 전류를 당기기 때문에 Push-pull이라고 부른다. 국산말로는 상보형 증폭회로라고 한다. 특별히 의미있는 용어는 아닌데, 광고문구에 왜 그렇게 자주 나오는지 신기할 따름이다.


최소한 오디오에서는 특별히 A급이나, D급의 표기가 없다면, AB급으로 여기면 정확한 이해입니다. C급도 있지만, 오디오하는 사람 입장에서는 만날 확률이 없음므로 바이패스하는게 상책입니다. 현실에서는 우리가 어떠한 증폭회로를 선택할 것인지는 선택의 여지는 별로 없습니다. 어느정도 이상의 출력을 원할 경우에는 AB급 아니면, D급 뿐입니다.


사실상 우리에겐 선택권은 별로 없습니다. 현실에서 B급은 시스템적인 결합으로 인해 탈락한 상태입니다. 그럼 A급은 시스템적으로 AB급 보다 우수하냐는 문제가 남았습니다. 많은 사람들이 A급은 시스템적으로 우수하다고 얘기는 많이 합니다. 저는 그런말에 눈꼽만큼의 동의를 안하는 입장입니다. 사실 A급은 단돈 1만원도 안되는 악기용 프리앰프에도 많이 사용되는 앰프 방식입니다. 아마 몇천원짜리 PC용에도 많이 있을 겁니다. A급이나, AB급이나 둘 다 시스템적으로 완벽하지도 못하지만, 또한 B급처럼 치명적인 결함도 없습니다. 당연히 양식(시스템)의 문제가 아니고, 어떻게 만들었냐? 가 중요한 문제입니다.


A급은 교차왜곡이 전혀 없는것 같습니까? 천만의 말씀입니다. A급도 역시 교차왜곡을 가집니다. A급의 경우, 보통 바이어스 전압의 불안정성으로 만들어지는 스토로크나 드리프트(#차후에 다룰 주제)라는 또 다른 용어를 사용하지만, 본질은 교차왜곡입니다. AB급은 두말하면 잔소리 입니다. 역시나 같은 문제를 안고 있습니다. 현실적인 전압강하를 아는 사람은 완벽한 바이어스 전압를 만들어 낸다는 것은 불가능한 것임을 잘 알고 있습니다. 역시나 치명적인 결함이 없는 양식이라면, 문제될게 없습니다. 어쭙잖게 급을 따지는 행동은 적절하지 않다고 생각합니다.


전편에서 B급 앰프의 치명적인 결함을 맛보았습니다. 그래서 B급의 시스템에 약간의 손질을 해서 새로운 AB급 앰프의 필요성이 생겼습니다. 이미 눈치채신 분도 있겠지만, AB급의 작명에는 다음같은 의미가 있습니다. B급과 동일한 푸시풀 증폭회로를 택하지만, A급 처럼 교차왜곡이 적은 신호를 만들어 낸다는 의미에서 AB급입니다. B급의 치명적인 교차왜곡을 치료했다면, 그 앰프는 AB급으로 새롭게 태어나는 것입니다. 다음 그림을 보겠습니다.



B급 회로도와 별차이가 없어 보입니다. 차이점이라면, 생뚱맞게 두개의 다이오드가 들어갑니다. 이게 B급이랑 AB급이랑의 차이입니다. 고작 저 두개의 다이오드로 어떻게 치명적인 교차왜곡을 치료했는지 의아할 정도로 간단합니다. 물론 모든 AB급이 다이오드만을 사용하는 것은 아닙니다. 하지만 원리는 단 하나 뿐입니다. [이미터와 베이스]사이를 오가는 제어신호에, 데드 존(Dead zone)을 벗어나는 바이어싱을 해준다면, B급에서 AB급으로 새롭게 태어난다는 것입니다. 그 데드 존은 -0.7V에서 +0.7V 까지의 구간입니다. 또 말씀드리지만, 마이너스 전류라는 것은 존재하지 않습니다. -,+ 표기는 방향성 표시입니다. 여기서 간단한 문제를 하나 내어 보겠습니다.


문제) 푸시풀 증폭회로의 트랜지스터에서 다루는 전류는 AC일까요? DC일까요?


ㅎㅎ 쉬운 질문 아닙니다. 각각의 트랜지스터가 다루는 전류는 국제적인 기준에서는 DC입니다. 국제적인 기준이 뭐냐고요? 한쪽방향만 가지는 전류는 DC입니다. 정류의 뜻을 괜히 공부한게 아니잖아요. 앰프에서 최종적으로 출력되는 전류는 당연히 AC입니다. DC 두마리가 협력해서 밀고, 당겨서 결국에는 AC가 되는 신비한 형색입니다. 회로상에서의 DC와 AC의 단순한 구분도 만냥 단순하지만은 않지요? 회로를 공부하시면, 이렇게 현실적인 전류의 흐름은 생각을 많이 해야 합니다. 저같은 경우는 수많은 회로도를 아예 통채로 외우고 있을때 조차도 회로상에서의 현실적인 전류의 흐름을 전혀 파악하지를 못했습니다.


뿐만 아니라, 많은 분들이 그런한 길을 간다고 생각합니다. 왜 그런 현상이 발생하냐면요. 첫번째 이유는 콘덴서에 대한 이해가 부족했고, 둘째는 바이어싱을 표면적으로만 공부하고 나서는 스스로 잘 알고 있다고 착각을 단단히 했기 때문입니다. 실제로 파워앰프가 스피커선으로 보내는 전류를 머릿속으로 현실 그대로 똑같이 그리기도 만만치 않은 사고입니다. 농담말라고요? 그냥 AC라고요? 그렇게 간단하면 얼마나 좋겠습니까? 나중에 스피커에 걸리는 전류만 따로 집중적으로 다루어 보겠습니다. 유닛에 걸리는 간단한 전류 조차도 표면적으로 알고 있는 그냥 막연한 AC의 세계가 아닙니다. 가상이 현실이 되는 매트릭스의 세계입니다. 헤드폰에서, 네가닥이 아닌 단 세가닥의 전선만으로 유닛을 오른쪽, 왼쪽 스테레오로 구동시킬 수 있는 이유를 남에게 설명할 수 없다면, 실제 전류를 전혀 모른다고 보시는게 맞습니다.


실제 전류의 흐름을 생각해 본다는 것은 아주 좋은 회로공부 방법이 됩니다. 저같은 경우에는 평시에는 고도의 집중을 할 수가 없어서 목욕할때만 실제의 전류 흐름은 어떻까? 하고 생각하는 습관이 있었습니다. 아르키메데스 흉내좀 내어 보았습니다.ㅎㅎ 그러니 진짜 유레카가 나왔습니다. 아주 기초적인 것들에 대한 생각이였습니다. 스피커에 걸리는 전류는 과연 사람들이 말하는 일반적인 평범한 AC가 맞는가? 콘덴서는 정말로 직류는 완벽하게 차단할까? 왜 전선(파워케이블)에는 열이 발생하지 않을까? 트랜지스터에 걸리는 복잡한 전류는 과연 책처럼 이루어 질까? 이렇게 너무나 당연한 것들을 고민했습니다.


이런 고민을 시작한 뒤로는 회로를 파악하는 능력이 급격하게 성장한다는 것을 스스로 느낄 수 있었습니다. 이론과 현실이 일치되니까 당연한 현상입니다. 실질적인 전류의 흐름을 파악하는 것은 책으로 얻을 수 없는 지식입니다. 스스로의 고민이 꼭 필요한 영역입니다. 이론만 외우고 있지, 현실을 파악 못하는 사람이 되고 싶지는 않을 것입니다.


회로를 한참 공부한 사람 조차도 [수학적인 음수의 개념으로 마이너스 전류가 존재한다고 믿고있는 미련한 사람들]이 꽤 있는데요! 정말 웃기는 일이고, 남일이 아닙니다. 현실적이고, 실질적인 전류의 흐름을 파악해 볼려는 노력을 전혀 안했기 때문에 그런 어이없는 생각을 가질 수도 있습니다. 책에서 맨날 마이너스 전류를 표기하기 때문에 그런 생각을 가지는 것도 무리는 아닙니다. 음수의 개념이 아니죠, 방향성이죠. 더 나아가서는 바이어스 전압을 기준으로 한 방향성 표식이죠. 방향성의 개념은 실질적인 전류의 흐름을 머리속으로 그릴 수 있을때 비로소 손에 잡히는 개념입니다. 아무리 친절한 서적이라도, 책에서는 일일이 다 전류의 흐름을 가르쳐 주지를 않습니다. 스스로 고민해 보아야 하는 영역이 실질적인 전류의 흐름입니다. 전류의 진짜 흐름을 파악 못하는 회로공부는 탁상공론에 진하지 않습니다. 방법론에 대한 아주 중요한 잡설입니다. 그럼 본론으로 가겠습니다.


다시 한번 위 그래프의 붉은색 대각직선에 주목하겠습니다. 왠지 이상하게? 어디서 많이 본듯한 행색을 하고 있습니다. 어디서 보았는지 확인을 해 보겠습니다.


이전에 본 다이오드의 전압강하 특성 그래프이네요! 행색이 고만 고만한게 위 그래프와 아주 비슷합니다. 다이오드와 트랜지스터가 아주 가까운 혈통이라는 점이 증명이 되었습니다.ㅎㅎ 그래프의 생명인 x축과 y축의 의미도 동일합니다. 모양이 비슷하긴 한데, 뭔가 억지스런 주장으로 보일 수도 있습니다. AB급증폭회로에서는 다이오드의 역방향 바이어스는 이용하지 않습니다. 바로 위 그래프는 역방향 바이어스까지 표시했기 때문에 완벽한 일치가 되지 않습니다. AB급에서 실제로 다이오드 두개가 직렬접속되어 있는 것처럼 순방향 바이어스만 가지도록 두개의 다이오드의 전압강하 특성을 그린다면 다음같은 그림이 만들어 집니다.



놀랍도록 데드 존을 표현한 그래프랑 완벽하게 일치하는 그래프가 탄생합니다. 그 어디에서도 이런 그래프는 구할 수가 없어서 기존 그래프를 좀 고쳐보았습니다. 제가 억지스럽게 만든 그림이 아니고, 현실입니다. 두개의 다이오드를 순방향으로만 직렬접속한 상태에서 그 사이를 0V의 기준을 잡은 실제 모습입니다. AB급 증폭회로에서 PN접합으로 야기된 문제는 PN접합으로 해결하자는 아이디어가 여기에서 튀어 나옵니다. 저는 이 그래프를 보고, 다이오드가 만들어 내는 바이어스 전압의 실체를 볼수있는 통찰력을 가지기를 바랍니다. 트랜지스터를 다룰때 시도때도 없이 튀어 나오는 바이어스라는 용어에 대해서 감각을 가지기를 기대합니다. 더 나아가서는 반도체 업계에서 주장하는 다소 이해하기 어색한 바이어스 전압의 실체를 꿰뚫어 보기를 기대합니다. 전혀 바이어스 전압을 마음대로 해석한 것이 아니고, 자연스런 해석을 반도체 업계에서 한다는 사실입니다. 개념자체에는 다를 바가 없습니다. 핵심적인 사고의 틀은 오직 하나뿐입니다.


데드 존을 향해서 돌진하는 0.1V전압을 가지는 전류가 있다면, 0.7V의 바이어스 전압을 가해서, 0.8V의 전압으로 만들어 보겠습니다. 그러면, 그 0.1V의 전압은 데드 존을 향해서 돌진하지 않고, 온전하게 증폭될 것입니다. 왜 온전하게 증폭되냐고요? 바이어스 전압으로 얻은 0.7V의 전압은 데드 존을 통과할때 고유전위장벽에서 징수하는 통과요금으로 대신 납부하고, 원래의 0.1V의 전압은 온전하게 유지해서 통과하기 때문에 온전하게 증폭이 일어나는 것입니다. 바이어스 전압을 거는 행동을 왜 전압위에 올라 태운다는 표현을 사용하는지는 생각해볼 문제입니다. 당연히 올라 태우니까 전위 수준?이 높아지는 표현입니다. 적절한 표현이지요. 다음 표현법은 자주 사용하는 표현으로 익혀두겠습니다. (#바이어스 전압을 거는 구체적인 방법은 나중에 커플링 콘덴서편에서 자세히 다루겠습니다. 지금 다루는 내용이 다이오드의 순방향 바이어스를 이용한 바이어스 전압 생성 방법입니다? 이러니 말만 정말로 복잡해지고 본질에서 멀어집니다. 당장은 그냥 그러니 하고 넘어가면 됩니다. 멀리 내다보고 전체적인 그림을 보는게 중요합니다. 바이어스 전압이 정말로 중요한 개념이라는 사실만을 인지한다면 당장엔 대성공입니다! 이해될듯 안될듯 한다면, 대단한 성공입니다!)


0.7V의 바이어스 전압을 걸어라. = 0.7V 위에 올라 태워라. #둘 다 똑같은 의미의 표현입니다.


이게 AB급 증폭회로가 밥먹듯이 하는 짓입니다. AB급에서 고민해야하는 것은 어떻게 0.7V의 바이어스 전압을 더 얻는냐는 것입니다. 이왕이면, 증폭 트랜지스터와 전압강하 특성이 비슷할 수록 좋다는 것입니다. 그런 고민 끝에 트랜지스터의 친척인 다이오드의 전압강하 특성을 역으로 이용하자는 것입니다. 당연히 트랜지스터 자체가 이용되기도 합니다. 아주 자세한 얘기는 나중에 또 하겠지만, 아래 그림이 바로 그러한 바이어싱을 한 AB급 증푹회로입니다. B급과 정말 종이한장 차이입니다. 감탄이 절로 나오는 기발한 발상이지만, 감동은 나중에 해도 늦지는 않습니다. 원래 AB급은 천재적인 발상의 회로입니다. 아주 과거에는 대출력 앰프의 제작 자체가 불가능했다고 합니다. B급의 등장으로 그 문을 열었고, 엔지니어의 도전은 그기서 멈추지 않고, AB급으로 발전해서 꽃을 피운 것입니다. 천재적인 발상의 회로이므로 당연히 지금까지 건재한 회로인 것입니다. 천재적인 회로 앞에 감탄할 수 있는 것도 능력이고 실력입니다. 그렇다면 당연히 기억은 평생 유지될 것입니다.



딸랑 다이오드 두개 만으로 B급에서 AB급으로 새롭게 태어났습니다. B급에서 시달렸던 심각한 교차왜곡은 사라지게 됩니다. B급을 알면, AB급은 뭐 별거 없습니다. A급은 가장 원초적인 증폭회로라 진짜 뭐 별거 없습니다. 위 그림이 잘 파악 안되는 것은 당연한 현상이니까 걱정마시기 바랍니다. 커플링 콘덴서에 대한 상당한 이해가 필요한 회로도이므로 당연한 현상입니다. 다 파악이 잘 된다면, 이런 글을 읽을 필요가 없습니다. 지금 당장 꼭 이해를 하자는 논지는 아닙니다. 다이오드는 특별한 전압강하를 가지는 반도체이며, 아주 특별하게 응용된다 사실과 바이어싱을 알아가는 과정 자체이므로 의미가 큽니다. 이 주제에 대해서 나중에 바이어싱에 대한 기반지식을 더욱 튼튼하게 만든 다음에 나중에 다시 한번 고민 해보겠습니다.


지금 당장은 첫발을 내딪는 시기이지만, 우리가 도대체 어느 방향을 바라보고 전진해야 하는지를 느낄 수 있다면 좋겠습니다. 사람들이 만냥 좋다고 말하는 그곳에는 우수한 시스템이 존재하지 않습니다. 어떻게 혼을 불어넣어야 하는 문제만 있을 뿐입니다. 또한 사소한 기초지식이 얼마나 중요한지를 느낄 수 있다면 이번 편은 대성공이라고 생각합니다. 고생 많았습니다. 감사합니다.

 

 

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