일요일, 8월 9, 2020
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John Linsley Hood의 1969년형 A 클래스 앰프 (2)

글쓴이 : SOONDORI

전편 글에서 ‘JLH 1969 앰프’의 개관 그리고 그것을 설계했던 린슬리 후드(John Linsley Hood)라는 걸출한 인물에 대해 정리해 보았다.

* 관련 글 : John Linsley Hood의 1969년형 A 클래스 앰프 (1)

사실 음악 중심으로 빈티지 오디오를 즐기는 사람들 입장에서는 기술적인 내용들은 괜히 머리만 복잡하고 핵심어조차 종종 흘깃 듣고 놓쳐버리기 십상이다. 그럼에도 발 빠진 김에… 이제 린스리 후드의 1969년 판 표준회로를 찬찬히 살펴보고 입수가능한 부품들을 상정한 다음, DIY 자작용 회로를 그려보기로 한다. 물론 실제로 만들어 볼 것이고…

■ 기본발상

다음은 1996년 판에서 제시한 표준회로. 1969년 판에 대하여, RV1으로 정의되는 출력부 중성점 조정기능이 가필된 상태이고 소자들만 적절히 선정된다면 여전히 유효한 설계라는 필자의 언급이 있었다. 유효? 그래서 토씨 그대로인 중국제 DIY 보드들이 있는 것이겠고.

(1996년 판 원고에서 제시하는 표준회로)

이  표준회로에 대한 린슬리 후드의 설명은 다음과 같다. (참조문서 : JLH 1969 – Wireless World 기사)

……The basic class A construction consists of a single transistor with a suitable collector load. The use of a resistor, as in Fig 1(a), would be a practical solution, but the best power-conversi on efficiency would only be about 12%. An 1.f. choke, as shown in Fig. l(b), would give much better efficiency, but a properly designed component would be bulky and expensive, and remove many of the advantages of a transformerless design.


The use of a second, similar, transistor as a collector load, as shown in Fig. l(c), would be more convenient in terms of size and cost, and would allow the load to be driven effectively in push-pull if the inputs to the two transistors were of suitable magnitude and opposite in phase. This requirement can be achieved if the driver transistor is connected as shown in Fig. 2.

This method of connection also meets one of the most important requirements of a low distortion amplifier-that the basic linearity of the amplifier should be good, even in the absence of feedback. Several factors contribute to this. There is the tendency of the lc/Vb non-linearity of the characteristics of the output transistors to cancel, because during the part of the cycle in which one transistor is approaching cut-off the other is turned full on.

There is a measure of internal feedback around the loop Tr1, Tr2, Tr3 because of the effect which the base impedance characteristics of Tr1 have on the output current of Tr3. Also, the driver transistor Tr3, which has to deliver a large voltage swing, is operated under conditions which favour low harmonic distortion-low output load impedance, high input impedance……

이상에서… Tr2를 Tr1의 콜렉터 부하로 간주하면, 그리고 1A 정도 아이들 전류가 흐른다고 보면 Tr1을 기준으로 노멀 A급 앰프로 취급될 법하다.

그것에 Tr3에 의한 위상분할/전압증폭 기능을 결합, 교차부하를 줌으로써 소자들의 A급 동작부담을 덜고 Tr1, Tr2의 Ic/Vb 비선형성(=왜률 요소)을 상대적으로 축소시킨다는 논리의, 어찌보면 꽤 효과적이고 간명한 아이디어. 참고로 출력 트랜지스터들의 얼개는 Push-Pull과 비슷하지만 동작의 기본은 A급 앰프라는 린슬리 후드의 최초 의견에 대해 훗날 어떤 정의가 맞느냐는 설왕설래가 있었다.

그러든 말든… “The Simplest is the Best”를 신봉하는 자 입장에서는 부품들 몇 개로 그가 약속하는 좋은 소리가 나면 그만.

■ 설계 변수들

다음은 1969년 판 오리지널 원고에서 제시되었던 표준회로. 1996년 판의 VR1 대신 R5 고정값으로 출력점 조정한다는 것 빼고는 별반 차이가 없다. 그렇고… 주요 설계 변수들에 대한 린슬리 후드의 설명은 아래와 같다.

……A practical power amplifier circuit using this type of output stage is shown in Fig. 3. The open loop gain of the circuit is approximately 600 with typical transistors. The closed loop gain is determined, at frequencies high enough for the impedance of C3 to be small in comparison to R4, by the ratio (R3 + R4) /R4. With the values indicated in Fig. 3, this is 13. This gives a feedback factor of some 34dB, and an output impedance of about 160 milliohms.

Since the circuit has unity gain at d.c., because of the inclusion of C3 in the feedback loop, the output voltage, Ve, is held at the same potential as the base of Tr4 plus the base emitter potential of Tr4 and the small potential drop along R3 due to the emitter current of this transistor.

Since the output transistor Tr1 will turn on as much current as is necessary to pull Ve down to this value, the resistor R2, which together with R1 controls the collector current of Tr2, can be used to set the static current of the amplifier output stages. It will also be apparent that Ve can be set to any desired value by small adjustments to R5 or R6. The optimum performance will be obtained when this is equal to half the supply voltage. (Half a volt or so either way will make only a small difference to the maximum output power obtainable, and to the other characteristics of the amplifier, so there is no need for great precision in setting this.)……

위 글은 앰프 주파수특성을 결정하는 C3, R3, Tr4 개입 피드백 루프의 평형상태 내지 R1, R2, Tr1, Tr2의 조합, 두 가지 그룹변수들에 의해 최적 Ve가 결정된다는 것이 요지. 짐짓 당연한 말씀?

그 다음으로, 필자는 출력 커플링 C2와 Boostrap Capacitor 기능을 담당하는 C1의 계산 테이블을 다음과 같이 제시하고 있다. 8오움 부하 기준으로 250, 2500. 시중에 그런 부품 없으니까 220, 2200으로. 대략 1996년 판 예시회로와 일치되는 내용이다.

■ 사용 트랜지스터들

1969년 및 1996년 회로들에서 공히 배치되는 출력부 모토롤라 MJ480 CAN 트랜지스터는 말 그대로 성능이 그렇고 그런, 오래된 구형 트랜지스터. 당연히 시중에서 쉽게 구할 수 없다.

( V_ceo 40V, V_cb 40V, hfe 30~200, ~4Mhz, V_ce 15v에서 7A까지 균일하게 흘릴 수 있다. 출처 : https://partsmine.com/semiconductors/transistors/motorola-mj480-npn-power-transistor-40v-4a-5w-a19005/)

여러가지 조건들 고려하여 예의 중국제 Kaisaya 보드(실은 같은 내용의 여러 브랜드 제품들이 있으므로 특정하기도 어렵다)의 설계자는 MJ480을 2N3055(또는 이후의 2N3055H)로 변경했던 모양이다. 얼핏 그렇겠는데…

겉은 멀쩡한데 속에 엉뚱한 것 들어 있는 중국발 Fake들 세상이다. Digikey.com기준 CAN타입 On-Semi 2N3055 소매가격이 7천 원 대임을 고려할 때 제 아무리 중국산이라고 해도 DIY 키트 가격이 너무 저렴한지라 해당 CAN Tr.이 진품인지가 살짝 의심된다.

깨끗하고 반짝거리니까 더 더욱. 차라리 수 십 년 창고에서 잠만 자다 나온 듯, 거칠고 우중충한 것이 오히려 구품이면서 진품? 괜한 착각일 수도 있지만… 우려가 된다면, 확실히 오리지널 설계의 맛을 보자고 하면 보다 근본적인 대체/검증 방안을 찾아야겠다.

참고로 필자는 1) 두 출력 트랜지스터들의 Pair 맞춤이 왜율저감의 주요 변수라고 하고 2) 특히, Tr1에 더 높은 증폭도의 것을 배치해야 한다는 의견을 제시하고 있다.

굳이 왜 그런 말씀을? 실험실 수준의 트랜지스터 발명은 1947년. 추정하건데 1960년대 이전의 트랜지스터들은 품질이 균일하지 않았던 것이다. 동작은 하지만 Pair 맞춤은 아무래도 복불복이라는.

다른 소자들의 경우… Digikey를 기준으로 초단 2N3906은 일반 패키지 또는 3천 원 근접 CAN 타입 2N2907로, 위상분할/전압증폭용 2N1711/2N1613는 소매가 2천 원 대 CAN 타입으로 구매 가능하다.

(출처 : https://2betrading.com/2630-large_default/2n1711-npn-general-purpose-transistor.jpg)

이상의 내용들을 가지고 사용할 트랜지스터들을 미리 정의해두자면 1) 출력석은 CAN타입 On-Semi 2N3055H, 2) 드라이버단은 CAN타입 2N1711, 3) 초단은 CAN타입 2N2907으로.

작고 검은 일반 패키지와 둥글 둥글 은색 CAN타입 패키지는 그 느낌이 확연히 다르다. 빈티지 적격으로는 아무래도 후자.

■ 전원부에 대한 고려

AC 20V 정류하면 DC 약 28V이겠고… 필자는 비교적 항상성 있게 전류가 흘르는 A-클래스 앰프라는 점 고려하여 다음과 같은 전원회로를 제안하고 있다. 물론 요즘의 3A급 LM150(더 고품질인 LM350), 5A급 LM138(또는 338)과 같은 대용량 레귤레이터 IC 하나로 간단히 처리할 수 있는 내용이므로… 부품 선정 외 전원부에 대한 기술적 염려는 없다.

한편으로… ‘JLH 1969의 실험적 재현’이라는 기본취지를 생각한다면 눈 질끈 감고 표준회로 그대로 꾸며보는 것도 좋겠다는 생각.

* 관련 글 : John Linsley Hood의 1969년형 A 클래스 앰프 (3)

 

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