증폭기 크로스오버 왜곡이란 무어실까? Crossover디스토션오케이션!

증폭기의 크로스오버 왜곡

크로스오버 왜곡은 두 스위칭 트랜지스터의 비선형성이 입력 신호에 따라 선형적으로 변하지 않는 클래스 B 증폭기의 일반적인 특징입니다.

왜곡은 증폭기 출력에서 ​​입력 신호를 부정확하게 재현하는 것입니다. 2단계 설계로 인해 푸시풀 증폭기는 제로 크로스오버 지점 주변에서 출력 파형의 크로스오버 왜곡 문제를 겪습니다. 클래스 A 증폭기 구성 의 주요 단점 중 하나는 중앙 Q 포인트 주변으로 편향되어 전체 전력 효율 등급이 낮다는 것입니다.

그러나 우리는 앰프의 출력단을 클래스 B 푸시풀 유형 구성으로 변경하는 것만으로도 앰프를 개선하고 효율을 거의 두 배로 늘릴 수 있다는 것도 알고 있습니다. 그러나 이는 효율성 측면에서 보면 훌륭하지만 대부분의 최신 클래스 B 앰프는 트랜스포머가 없거나 출력 단계에 두 개의 트랜지스터가 있는 상보형입니다.

이로 인해 고유한 제로 컷오프 바이어스 배열로 인해 두 개의 트랜지스터가 파형의 양쪽 절반 출력에서 ​​완전히 결합되지 않는다는 점에서 푸시풀 증폭기에 하나의 주요 근본적인 문제가 발생합니다. 이 문제는 신호가 0 전압 지점에서 한 트랜지스터에서 다른 트랜지스터로 변경되거나 "교차"될 때 발생하므로 출력 파형 형태에 상당한 양의 "왜곡"이 발생합니다. 이로 인해 일반적으로 교차 왜곡(Crossover Distortion) 이라고 하는 상태가 발생합니다 .

교차 왜곡은 파형의 절반에서 다른 절반으로 교차할 때 출력 파형 모양에 0 전압 "평탄 지점" 또는 "불감대"를 생성합니다. 그 이유는 트랜지스터가 하나에서 다른 것으로 전환되는 전환 기간이 정확히 제로 크로스오버 지점에서 멈추거나 시작되지 않아 첫 번째 트랜지스터가 "OFF" 상태로 전환되고 두 번째 트랜지스터가 전환되는 사이에 약간의 지연이 발생하기 때문입니다. "에". 이 지연으로 인해 두 트랜지스터가 동시에 "OFF"로 전환되어 아래와 같은 출력 파형이 생성됩니다.

 

크로스오버 왜곡 파형

 

출력 파형의 왜곡이 없어야 하기 위해서는 베이스-이미터 전압이 0 바로 위로 상승할 때 각 트랜지스터가 전도를 시작한다고 가정해야 합니다. 그러나 실리콘 바이폴라 트랜지스터의 경우 베이스-이미터 전압이 0보다 높기 때문에 이것이 사실이 아니라는 것을 알고 있습니다. 베이스-이미터 pn 접합의 순방향 다이오드 전압 강하로 인해 트랜지스터가 전도를 시작하기 전에 최소 0.7v에 도달해야 하며 이로 인해 이러한 플랫 스팟이 생성됩니다. 이 크로스오버 왜곡 효과는 또한 출력 파형의 전체 피크 대 피크 값을 감소시켜 최대 전력 출력을 아래와 같이 감소시킵니다.

비선형 전달 특성

 

일반적으로 입력 전압이 상당히 크기 때문에 큰 입력 신호에서는 이 효과가 덜 두드러지지만 입력 신호가 작을 경우에는 증폭기에 오디오 왜곡이 더 심해질 수 있습니다.

교차 왜곡을 줄이기 위한 사전 바이어스

크로스오버 왜곡 문제는 입력 트랜스포머의 중앙 탭을 통해 두 트랜지스터의 베이스에 약간의 순방향 베이스 바이어스 전압(트랜지스터 튜토리얼에서 본 것과 동일한 아이디어)을 적용하여 상당히 줄일 수 있습니다 . 제로 컷오프 지점에서 바이어스되지만 대신 이 새로운 바이어스 전압에 의해 결정되는 수준에서 "사전 바이어스"됩니다.

사전 바이어스 기능이 있는 푸시풀 증폭기

 

이러한 유형의 저항기 사전 바이어싱은 두 트랜지스터가 원래 차단점보다 약간 높게 바이어스되므로 다른 트랜지스터가 "OFF"되는 것과 정확히 동시에 하나의 트랜지스터가 "ON"으로 설정됩니다. 그러나 이를 달성하려면 바이어스 전압이 트랜지스터를 "ON"시키기 위한 일반 베이스 대 이미터 전압의 최소 두 배 이상이어야 합니다. 이 사전 바이어싱은 아래 표시된 대로 두 개의 전위 분배기 저항을 바이어싱 다이오드 로 간단히 교체하여 상보형 트랜지스터를 사용하는 무변압기 증폭기에서도 구현할 수 있습니다.

다이오드를 사용한 사전 바이어싱

 

변압기 또는 무변압기 증폭기 회로에 대한 이 사전 바이어스 전압은 원래 차단점을 지나서 증폭기 Q점을 이동시키는 효과가 있으므로 각 트랜지스터가 활성 영역 내에서 1/2 또는 180o보다 약간 더 오랫동안 작동할 수 있습니다 . 각 반주기. 즉, 180o +  바이어스입니다. 트랜지스터의 베이스 단자에 존재하는 다이오드 바이어싱 전압의 양은 추가 다이오드를 직렬로 추가함으로써 여러 배로 증가될 수 있습니다. 그러면 일반적으로 클래스 AB 증폭기 라고 불리는 증폭기 회로가 생성되며 바이어스 배열은 아래와 같습니다.

클래스 AB 출력 특성

크로스오버 왜곡 요약

요약하자면, 클래스 B 증폭기에서는 증폭기가 차단 지점에서 바이어스되기 때문에 교차 왜곡이 발생합니다 . 그러면 파형이 0축을 통과하는 것과 동시에 두 트랜지스터가 모두 "OFF"로 전환됩니다. 저항성 전위 분배기 회로나 다이오드 바이어스를 사용하여 작은 기본 바이어스 전압을 적용하면 트랜지스터를 "ON"으로 전환하는 지점까지 가져옴으로써 이러한 크로스오버 왜곡을 크게 줄이거나 완전히 제거할 수도 있습니다.

바이어스 전압을 적용하면 일반적으로 클래스 AB 증폭기 라고 하는 다른 유형 또는 클래스의 증폭기 회로가 생성됩니다 . 그러면 순수 클래스 B 증폭기와 개선된 클래스 AB 증폭기의 차이는 출력 트랜지스터에 적용되는 바이어싱 레벨에 있습니다. 저항 대신 다이오드를 사용하는 주요 장점 중 하나는 PN 접합이 트랜지스터 온도 변화를 보상한다는 것입니다.

 

따라서 클래스 AB 증폭기는 사실상 "바이어스"가 추가된 클래스 B 증폭기라고 정확하게 말할 수 있으며 이를 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

• 클래스 A 증폭기 - 로드 라인 중앙에 바이어스되어 있으므로 교차 왜곡이 없습니다.
• 클래스 B 증폭기 – 차단 지점의 바이어스로 인해 많은 양의 크로스오버 왜곡이 발생합니다.
• 클래스 AB 증폭기 – 바이어스 레벨이 너무 낮게 설정된 경우 일부 크로스오버 왜곡이 발생합니다.

위의 세 가지 증폭기 클래스 외에도 전력 손실을 줄이고 효율성을 높이기 위해 다양한 스위칭 기술을 사용하는 스위칭 증폭기 설계와 관련된 고효율 증폭기 클래스가 많이 있습니다. 이러한 증폭기 설계 중 일부는 RLC 공진기 또는 다중 전원 공급 장치 전압을 사용하여 전력 손실 및 왜곡을 줄이는 데 도움이 됩니다.