본문내용
1. 오디오 앰프
1.1. 실험 목표
실험 목표는 오디오 앰프의 동작 원리와 특성을 이해하고 실험을 통해 검증하는 것이다. 구체적으로 다음과 같은 내용을 확인할 예정이다.
첫째, 입력 신호를 넣지 않고 모든 트랜지스터의 베이스, 컬렉터, 이미터의 직류 전압을 측정하여 동작점을 확인하고 시뮬레이션과 비교한다.
둘째, 입력 신호로 10mV, 1kHz의 사인파를 넣고 출력 전압의 크기와 입출력 신호의 진폭을 관찰하여 전압 증폭률을 구한다.
셋째, 입력과 출력 신호를 비교하여 위상차를 확인한다.
넷째, 신호 발생기에서 주파수를 50Hz부터 100kHz까지 바꾸어 입력하면서 증폭률의 변화를 관찰하여 앰프의 주파수 응답(크기 응답, 위상 응답)을 구한다.
이를 통해 오디오 앰프의 동작 특성과 성능을 종합적으로 분석하고자 한다.
1.2. 관련 이론
1.2.1. 커플링 커패시터
커플링 커패시터는 AC 신호를 결합하고 DC 신호를 차단하는 역할을 한다.
커플링 커패시터는 두 회로 간의 전기적 절연과 결합을 위해 사용된다. AC 신호는 커플링 커패시터를 통과할 수 있지만 DC 신호는 차단된다. 이를 통해 입력과 출력 회로를 분리하여 DC 바이어스 전압의 영향을 차단할 수 있다.
예를 들어, 증폭기의 입력단과 출력단 사이에 커플링 커패시터를 연결하면 DC 전압은 차단되어 증폭기의 동작 점에 영향을 주지 않으면서 AC 신호만 전달될 수 있다. 이를 통해 증폭기의 선형성을 유지할 수 있다.
또한 커플링 커패시터는 저주파 대역의 신호를 통과시키는 고역통과 필터 역할도 한다. 커플링 커패시터의 용량이 클수록 저주파 대역의 신호를 더 잘 통과시킬 수 있다.
종합하면, 커플링 커패시터는 AC 신호와 DC 신호를 분리하여 회로를 안정적으로 동작시키는 데 사용된다고 할 수 있다.
1.2.2. 디커플링 커패시터
디커플링 커패시터는 전원선에 실려있는 고주파 성분의 노이즈를 전원에 연결된 회로와 분리시키는 역할을 한다.
전자 회로에서는 전원으로부터 전달되는 노이즈가 증폭기나 다른 회로 소자에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 디커플링 커패시터를 사용한다. 전원선 상의 고주파 성분들은 디커플링 커패시터에 의해 신속하게 흡수되어 접지로 바이패스되므로, 회로 내부로 유입되는 것이 차단된다.
이를 통해 전원 상의 노이즈가 회로에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 디커플링 커패시터는 바이패스 커패시터와 유사한 역할을 하지만, 전원선 상의 노이즈 제거에 중점을 둔다는 점에서 구분된다. 즉, 디커플링 커패시터는 전원 공급 회로와 증폭 회로 간의 격리를 위해 사용된다.
디커플링 커패시터는 대개 전원 공급 회로에 병렬로 연결되며, 고주파 신호를 신속하게 흡수하여 접지로 바이패스하는 역할을 한다. 이를 통해 증폭기와 같은 회로 소자에 전달되는 노이즈를 효과적으로 차단할 수 있다. 디커플링 커패시터의 용량은 회로의 특성에 따라 달라지며, 일반적으로 0.01μF~10μF 정도의 범위에서 선택하여 사용한다.
1.2.3. 바이패스 커패시터
바이패스 커패시터는 AC의 그라운드 역할을 하며, DC는 개방 목적으로 사용된다. 빠르게 움직이는 고주파 신호를 충•방전 시 따라갈 수 없게 노이즈를 소거시키는 역할을 한다.
오디오 앰프 회로에서 바이패스 커패시터는 고주파 성분을 빠르게 충•방전 시켜 노이즈를 제거하는 중요한 역할을 한다. 전원 공급선에 병렬로 연결되어 있어 AC 신호에 대해서는 저항이 거의 없어 신호를 곧바로 접지로 보내주며, DC 전압에 대해서는 개방 상태를 유지하여 DC 전압이 다른 부분으로 새는 것을 막아준다.
이러한 바이패스 커패시터의 작용으로 인해 전원선에 실려 있는 고주파 노이즈가 증폭기 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한 증폭기의 입력단과 출력단 사이의 고주파 신호 누화 현상도 막을 수 있어 안정적인 동작을 보장한다.
따라서 오디오 앰프 회로에서 바이패스 커패시터는 전원 공급선의 고주파 노이즈를 제거하고 안정적인 동작을 보장하는 핵심적인 소자라고 할 수 있다.
1.2.4. 상보형 회로
상보형 회로(Complementary Circuit)는 PNP 트랜지스터와 NPN 트랜지스터를 사용하여 구성된 회로이다. 이 두 종류의 트랜지스터는 특성이 서로 반대이지만 전압과 전류의 방향은 반대이다. 즉, PNP 트랜지스터는 양극성(+)의 전압과 전류를 증폭하고, NPN 트랜지스터는 음극성(-)의 전압과 전류를 증폭한다.
상보형 회로를 병렬로 연결하면 푸시-풀 증폭기와 같이 동작할 수 있다. 푸시-풀 증폭기는 입력 신호의 (+)와 (-)의 반주기를 각각 증폭하여 출력하기 때문에 전력 효율이 높고 출력 파형의 왜곡이 적은 장점이 있다.
상보형 회로는 트랜지스터의 사용 특성을 활용한 것으로, 전압 증폭과 전류 증폭의 특성을 모두 가지고 있다. 또한 바이어스 전압을 잘 조절하면 A급, B급, AB급 증폭기 등 다양한 형태의 증폭기 회로를 구현할 수 있다.
PNP 트랜지스터와 NPN 트랜지스터를 상보형으로 연결하면 입력 신호의 (+)와 (-)의 반주기를 각각 증폭하여 출력할 수 있다. 이는 전력 효율을 높이고 출력 파형의 왜곡을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 따라서 상보형 회로는 오디오 증폭기, 전력 증폭기 등 다양한 분야에 활용되고 있다.
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