TL082 오피앰프로 고성능 클래스 B 푸시풀 오디오 앰프 제작

부품 및 재료

• 6V 배터리 4개
• 듀얼 오피앰프 (TL082 권장 – Radio Shack #276-1715)
• 1개 NPN 파워 트랜지스터, TO-220 패키지 (TIP41, #276-2020 또는 동등품)
• 1개 PNP 파워 트랜지스터, TO-220 패키지 (TIP42, #276-2027 또는 동등품)
• 1개 1N914 스위칭 다이오드 (Radio Shack #276-1620)
• 1개 47µF 전해 커패시터, 35WVDC (Radio Shack #272-1015 또는 동등품)
• 2개 0.22µF 무극성 커패시터 (Radio Shack #272-1070)
• 1개 10kΩ 리니어 테이퍼 포텐셔미터 (Radio Shack #271-1715)

높은 슬루 레이트(slew rate)의 오피앰프를 사용하세요. LM741이나 LM1458은 필요한 µV/s 전환을 따라잡을 수 없으므로 피하세요.

최고 성능을 위해 NPN과 PNP 트랜지스터를 밀접하게 매칭하세요. TIP41/TIP42 쌍이 이상적이며 각각 65W 소산 능력을 가집니다. 구하기 어려우면 TIP3055로 대체 가능. 큰 TO-3 디바이스는 오피앰프가 베이스 드라이브에 어려움을 겪을 수 있으니 피하세요.

참조

• Lessons In Electric Circuits, Vol. 3, ch. 4: "Bipolar Junction Transistors"
• Lessons In Electric Circuits, Vol. 3, ch. 8: "Operational Amplifiers"

학습 목표

• 상보적 바이폴라 트랜지스터로 푸시풀 클래스 B 앰프 구성
• 푸시풀 단계에서 크로스오버 왜곡이 나타나는 방식 이해
• 오피앰프를 통한 부정 피드백으로 비선형성 보정 적용

회로도

삽화

지침

이 앰프는 소형 라디오, 테이프 데크, CD 플레이어 또는 모든 라인 레벨 오디오 소스의 신호를 증폭하도록 설계되었습니다. 스테레오 출력을 위해 두 개의 동일한 유닛을 제작(채널당 하나)하고 입력을 오디오 기기에 연결하세요:

이 회로는 고품질 모듈러 스테레오 구성 요소와도 훌륭하게 작동합니다. 대형 스피커에 인상적인 전력을 공급하며 히트 싱크 없이도 작동할 수 있지만, 선택한 스피커로 설정을 테스트하여 열 안정성을 확인하세요.

앰프는 입력 파형을 충실히 재현하려 합니다. 편차(왜곡)는 원치 않는 톤을 도입합니다. 완벽한 충실도는 불가능하지만, 왜곡의 근원을 이해하면 설계를 개선할 수 있습니다. 이 모듈은 오디오 파워 단계에서 흔한 클래스 B 푸시풀 토폴로지에 초점을 맞춥니다.

클래스 B 구성에서 한 트랜지스터는 양의 반주기 동안 부하를 구동(푸시)하고 다른 하나는 음의 반주기(풀)를 처리합니다. 각 트랜지스터는 주기의 절반 동안 오프 상태를 유지하여 유휴 전력과 열을 줄입니다. 그러나 이 효율성은 독특한 비선형성인 크로스오버 왜곡을 도입합니다.

순수한 사인파(일정한 진폭, 일정한 주파수)를 고려하세요. 푸시풀 단계에서 트랜지스터가 파형 절반을 번갈아 증폭합니다. 인계가 완벽하게 동기화되지 않으면 출력이 영점 교차에서 평탄해져 친숙한 '데드 존'이 생성됩니다:

이를 완화하려면 트랜지스터를 바이어스하여 턴온 임계값이 약간 겹치게 하여 둘 다 잠시 전도하는 클래스 AB 영역을 만듭니다. 이는 왜곡을 줄이지만 무부하 전류를 증가시켜 추가 열과 잠재적 열 드리프트를 유발합니다.

이 설계는 오피앰프의 부정 피드백을 사용하여 순수 클래스 B(동시 전도 없음)를 유지합니다. 오피앰프가 데드 존을 감지하고 트랜지스터 베이스를 신속히 다시 전도 상태로 구동하여 클래스 AB의 전력 페널티 없이 크로스오버 왜곡을 크게 줄입니다.

가장 왼쪽 오피앰프는 버퍼 역할을 하여 입력 커패시터/저항 네트워크를 분리하고 DC 바이어스가 스피커에 도달하지 않게 합니다. 이 버퍼가 없으면 저주파 응답이 저하되고 고주파가 불균형하게 증폭됩니다.

두 번째 오피앰프는 10kΩ 포텐셔미터로 볼륨을 설정하는 반전 증폭기 역할을 합니다. 입력과 출력 간 선형 관계를 유지하면서 필요한 이득을 제공합니다.

오피앰프 피드백 경로 없이 푸시풀 쌍은 1.4V 데드 존(두 Vbe 강하)을 경험하여 눈에 띄는 왜곡을 유발합니다. 일반적인 해결책은 베이스 드라이브에 두 개의 직렬 다이오드를 삽입하여 ~1.4V를 강하시켜 트랜지스터를 전도 임계값 바로 위에 유지하는 것입니다. 그러나 트랜지스터 Vbe는 온도에 따라 변하는 반면 다이오드 강하는 일정하여 클래스 AB 동작으로 드리프트하고 추가 열을 발생시킵니다.

이미터 레그의 온도 보상 저항으로 이를 완화할 수 있지만, 출력 전류를 제한하는 직렬 저항을 도입합니다.

우리의 해결책은 오피앰프의 높은 슬루 레이트를 이용해 트랜지스터를 정확히 켜진 상태로 유지하는 것입니다. 단일 다이오드가 0.7V 바이어스를 제공하여 데드 존을 절반으로 줄입니다. 오피앰프 피드백이 이미터 단자에 연결되어 실제 부하 전류를 감지하고 드라이브를 조정합니다. 이는 순수 클래스 B 전도를 유지하면서 왜곡을 최소화합니다.

우수한 슬루 레이트를 가진 TL082 오피앰프는 저왜곡 작동에 필요한 빠른 전압 스윙을 추적하는 데 필수적입니다. LM741이나 LM1458 같은 느린 오피앰프는 지연되어 왜곡이 스며들게 합니다.

두 커패시터가 회로를 완성합니다: 바이어스 다이오드와 병렬인 47µF 전해 커패시터가 0.7V 레퍼런스를 안정화하고, NPN 베이스-이미터에 걸친 0.22µF 커패시터가 저음량 크로스오버 왜곡을 션트합니다.

관련 워크시트

• Class B BJT Amplifiers Worksheet