수요일, 8월 15, 2018
Home > EXPLORE > 트랜지스터 앰프 이야기 #4, CURRENT SOURCE

트랜지스터 앰프 이야기 #4, CURRENT SOURCE

글쓴이 : SOONDORI

파워앰프의 증폭도는 고정된 값을 유지하는 것이 바람직하다. 그런데 트랜지스터는 기본적으로 전류증폭소자이고 Collector Current와 전류증폭도 즉, Hfe(=Current Gain) 사이에는 비선형적 관계가 있어서 문제이다. 온도변화, 공급전압 변동 등 어떤 외란에 의해 전압증폭단(VAS; Voltage Amplification Stage) 트랜지스터의 Collector 전류흐름이 달라지면 증폭도도 수시로 변화할 것이니 난감한 일.

이를 해결하기 위해서 어떤 조건에서도 균일한 전류를 흘릴 수 있도록, 모종의 조치를 취해야 한다. 그리하여 전압변동과 무관하게 전류를 통제할 수 있는 Current Source(定電流源) 회로를 쓰게 되는데 그 구현 방법들은 다음과 같다.

1. 기본회로
아래 회로에서 R2, R3 분압비로 정해지는 2.7V가 Q1 Base에 인가된다고 가정한다. Q1 동작을 위한 Vbe 0.7V를 빼면 R1의 전압강하는 2.0V이고 그렇다면 R1을 통해 약 5mA(2V ÷ 400)가 흐른다. Ie=Ib+Ic인데 Ib가 워낙에 작으니 대략 Ie=Ic라고 간주할 때 R1을 통과하는 5mA가 Q1 Collector 전류가 될 것이다. 그렇다면 Collector전류는 5mA로 제한되어 있는 셈인데 이것은 Q1 Collector 전압에 무관하게 결정되었고 특히 RL에 걸리는 전압과도 무관하다.

실제로 아래 정전류원 회로는 예를 들어, 공급전압이 수 십%~절반 수준까지 떨어져도 RL 전류는 몇 %범위 내에서 항상성을 유지한다.

참고로 위 그림의 RL은 Current Source를 필요로 하는 어던 부하를 지칭한다. R1을 둔 것은 소자들의 온도변화로 전류량이 많아질 때 R1에 의한 전압강하량도 비례해서 커지고 어느 정도 트랜지스터 Vbe를 제한하는 효과가 있기 때문이다.

2. 기본회로의 변형들

Q1을 잘 제어하여 Constant Current Source를 만드는 것이 핵심이므로 Q1 Base 중심으로 동작을 더 안정화시킬 수 있는 아이디어들이 만들어졌다.

아래와 같이 R3를 PN접합 다이오드로 대체하면 그 자체가 일종의 저항체로 작용하여 전압강하가 생길 뿐만 아니라 Q1의 Base와 Emitter는 동일특성의 PN접합이므로 마치 양쪽 두 개의 PN 접합소자가 전원변동에 따라 함께 반응하는 듯한 상황이 된다. (이때 아래쪽 다이오드는 R1과 같다고 가정) 그러므로 RL 전류는 더 Constant하다.

더불어 다이오드는 온도에 비례해서 순방향 전류량이 증가하는 특성이 있다. IN1448 다이오드는 온도가 높아지면 더 많은 전류가 흐르게 되는데 이 현상이 Q1 Base→Emitter(이 역시 NPN 중 PN접합)로 가는 전류량을 줄임으로써 Q1  Collector 전류증가를 억제할 수 있다.

(R3를 0.6~0.7V × 2 다이오드로 대체한 경우, 필요에 따라 세 개, 네 개가 될 수도 있다.)

(R3를 LED로 대체한 경우,
LED는 구성물질이 다르나 그 기본은 다이오드이다.
작동전압은 1.8V로 일반 PN접합 다이오드보다 높음에 유의. 온도보상을 위해 기본회로의 R3를 대체한 경우)

(R3를 아예 Zenor 다이오드로 대체한 경우,
전압변동분에 관계없이 매우 일정한 전압이 유지될 것이고 그래서 RL의 전류흐름 안정도가 높아진다.)

3. Current Mirror

아래 회로에서 부하 RL의 존재를 무시한다면 Q1, Q2 구성이 완벽히 동일하고 base가 연결되어 있으므로 Q2 Collector 전류와 같은 전류가 Q1 Collector로 흐르게 될 것이다. Q1쪽 전류는 Q2쪽 전류를, 마치 거울에 반사된 것처럼 복사된 것이라 하여 전류거울(Current Mirror)라는 용어를 쓰고 있다.  Q2를 위 1항의 R3로 대체한다면 이 역시 Current Source가 될 것이다.

한편, Q1, Q2가 동일 특성 트랜지스터일 때 R1, R3의 비율에 따라 Current Mirror 배율이 달라진다. 현재 R3=R1이므로 복사배율은 1:1이고 100오움 대 50오움이라면 2:1이 될 것이다.

(가장 많이 사용되는 Current Mirror Source)

Current Source와 Current Mirror를 조합한 회로 예시는 다음과 같다.

Q1과 Q2로 구성된 차동회로는 Q3로 구성된 하나의 Current Source로 부터 동시에, 안정적인 동작전류를 공급받고 있다. 아래쪽에 Current Mirror가 배치되어 Q1, Q2는 완벽한 균형을 이루고 있고 Q1쪽 Input 신호가 없으므로 Q1, Q2에 의한 Differential Signal Output도 없는 상태이다.

이후 신호가 Q1 베이스에 전달되면 평형상태가 깨지고 Q2를 기준으로 하는 편차(差)가 차동이득 신호로서 Q12 Base에 전달된다. 차동회로를 쓰는 것은 잡음원에 대한 대응력을 높이기 위함이고 Current Source와 Current Mirror를 조합함은 안정적인 초단(初段) 회로를 구성하여 신호왜곡을 크게 줄이는데 그 목적이 있다.

(Current Source에 의해 동작되는 트랜지스터의 차동신호를 부하저항 R1으로 빼내는 경우)

댓글 남기기

이메일은 공개되지 않습니다. 필수 입력창은 * 로 표시되어 있습니다