밸브 앰프
Valve amplifier |
밸브 앰프 또는 튜브 앰프는 신호의 진폭 또는 출력을 증가시키기 위해 진공 튜브를 사용하는 전자 증폭기의 한 종류입니다.마이크로파 이하 주파수의 저전력 밸브 앰프는 1960년대와 1970년대에 솔리드 스테이트 앰프로 대체되었습니다.밸브 앰프는 기타 앰프, DirecTV 및 GPS와 같은 위성 트랜스폰더, 고품질 스테레오 앰프, 군사용 애플리케이션(레이더 등), 초고출력 라디오 및 UHF 텔레비전 송신기와 같은 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.
역사
오리진스
1947년 트랜지스터가 발명될 때까지, 대부분의 실용적인 고주파 전자 증폭기는 열전자 [1]밸브를 사용하여 만들어졌다.가장 간단한 밸브는 1904년 런던의 마르코니 회사에서 일하던 중 존 암브로즈 플레밍에 의해 발명되었다.다이오드는 한 방향으로만 전기를 전도했고 무선 검출기와 정류기로 사용되었다.
1906년 리 드 포레스트는 세 번째 전극을 추가하고 그가 오디오온이라고 이름 붙인 최초의 전자 증폭 장치인 3극 장치를 발명했다.이 추가 제어 그리드는 음극과 양극 사이를 흐르는 전류를 변조합니다.전류 흐름과 플레이트 및 그리드 전압 사이의 관계는 다이어그램에서 일련의 "특성 곡선"으로 표현되는 경우가 많습니다.회로의 다른 구성 요소에 따라 이 변조된 전류 흐름을 사용하여 전류 또는 전압 게인을 제공할 수 있습니다.
밸브 증폭의 첫 번째 적용은 장거리 전화 신호의 재생이었습니다.이후 밸브 증폭은 30대 초반부터 시작된 '무선' 시장에 적용됐다.적절한 과정으로 음악용 증폭기와 나중에 TV용 증폭기도 밸브를 사용하여 제작되었다.
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이 기간 동안 압도적으로 지배적인 회로 토폴로지는 싱글 엔드 3극 게인 스테이지로 클래스 A에서 동작했습니다.이 스테이지에서는 컴포넌트가 거의 없는 매우 단순한 회로에도 불구하고 매우 좋은 소리(및 합리적인 측정 왜곡 퍼포먼스)를 제공합니다.컴포넌트가 수작업으로 만들어지고 매우 비싼 시기에 중요합니다.제2차 세계대전 이전에는 거의 모든 밸브 앰프가 저이득이었고 선형성은 밸브 자체의 고유한 선형성에 전적으로 의존했으며, 일반적으로 최대 출력에서 5% 왜곡되었습니다.
네거티브 피드백(NFB)은 1927년 Harold Stephen Black에 의해 발명되었지만, 당시에는 이득이 높았기 때문에 처음에는 거의 사용되지 않았다.이 기술을 사용하면 증폭기가 왜곡 레벨 감소와 게인을 교환할 수 있습니다(출력 임피던스 감소 등 다른 이점도 얻을 수 있습니다.1947년 윌리엄슨 앰프의 도입은 NFB의 매우 성공적인 사용을 포함하여 오디오 파워 앰프 설계의 전환점이 되었으며, AB1 클래스에서는 푸시풀 출력 회로를 작동시켜 동시대 제품을 능가하는 성능을 제공했습니다.
전후 상황
제2차 세계 대전은 극적인 기술적 진보와 산업 규모의 생산 경제를 자극했다.전쟁 후 부유함의 증가는 실질적이고 확대된 소비 시장으로 이어졌다.이를 통해 전자 제조업체들은 보다 고급 밸브(튜브) 디자인을 저렴한 가격에 제작하고 판매할 수 있게 되었고, 그 결과 1960년대에 전자 축음기 플레이어의 보급이 증가하였고, 궁극적으로는 높은 충실도의 시작을 보게 되었습니다.Hifi는 풀 주파수 범위 확성기를 상당한 음량 수준으로 구동할 수 있었습니다(처음에는 다양한 주파수 대역의 여러 드라이버를 사용).이는 TV의 보급과 맞물려 밸브(튜브) 개발과 밸브 앰프 회로 설계에서 '황금시대'를 낳았다.
약간의 변화만을 수반하는 다양한 토폴로지가 급속히 보급되었다(특히 다른 위상 스플리터 배열과 테트로드를 위한 "초선형" 변압기 연결).이 디자인 패밀리는 오늘날까지 음악 어플리케이션에서 지배적인 고출력 앰프 토폴로지로 남아 있습니다.이 기간 동안 민간 무선도 지속적으로 성장하여 송신기와 수신기에 모두 밸브가 사용되었습니다.
사양
1970년대부터 실리콘 트랜지스터는 점점 더 널리 보급되었다.밸브 생산량이 급격히 감소했지만, 음극선관(CRT)은 예외였고, 증폭기 적용용 밸브의 범위는 축소되었습니다.널리 사용되는 저전력 튜브는 이중 3중극(ECCnn, 12Ax7 시리즈)과 EF86 펜토드이며, 전원 밸브는 간접 가열 방식의 빔 4중극과 5중극(EL84, EL34, KT88/6550, 6L6)이 대부분이었습니다.이 감소된 유형 세트는 오늘날 밸브 생산의 핵심으로 남아 있습니다.
소련은 냉전 기간 동안 대부분의 통신 및 군사 증폭 요건에 대해 트랜지스터를 [2]파괴하는 순간 과부하를 견딜 수 있는 밸브의 능력(특히 핵폭발에 의한) 때문에 서방보다 훨씬 더 많은 밸브를 보유했다.
트랜지스터를 기반으로 한 전자제품의 급격한 크기 감소, 전력 소비량 감소, 왜곡 수준 감소, 무엇보다 1970년대 이후 주류제품의 밸브는 더 이상 사용되지 않게 되었다.밸브는 고출력 RF 송신기 및 전자레인지와 같은 특정 용도, 특히 전기 기타, 레코딩 스튜디오 및 하이엔드 가정용 스테레오용 오디오 증폭 장비에서 계속 사용되었습니다.
오디오 사용률
오디오 애플리케이션에서 밸브는 대부분의 전문 사용자, 특히 녹음 스튜디오의 장비 및 기타 앰프에서 계속해서 높은 요구를 받고 있습니다.홈 리스닝에 튜브 앰프를 사용하는 것을 지지하는 오디오 애호가 집단이 있습니다.그들은 튜브 앰프가 "따뜻한" 혹은 "자연스러운" 밸브 소리를 낸다고 주장한다.아시아와 동유럽 기업들은 이 시장에 맞추기 위해 밸브를 계속 생산하고 있다.
많은 전문 기타 연주자들은 유명한 '톤' 때문에 '튜브 앰프'를 사용한다.이 용어의 '톤'은 음색 또는 피치 색상을 나타내며 수량화하기에 매우 주관적인 품질일 수 있습니다.대부분의 오디오 기술자와 과학자들은 밸브 튜브가 만들어내는 '짝수 고조파 왜곡'이 스타일에 상관없이 트랜지스터보다 더 듣기 좋게 들린다는 이론을 세운다.밸브 튜브가 기타 및 스튜디오 마이크 프리앰프의 업계 표준으로 유지되고 있는 것은 바로 밸브 튜브의 음색 특성입니다.
튜브 앰프는 신호 레벨이 근접하여 클리핑 지점에 도달하면 트랜지스터 앰프와 다르게 반응합니다.튜브 앰프에서 선형 증폭에서 한계로의 이행은 고체 유닛에서보다 덜 갑작스러우며, 그 결과 클리핑 시작 시 덜 격자 형태의 왜곡이 발생한다.이러한 이유로, 일부 기타리스트들은 올 튜브 앰프 소리를 선호한다; 하지만, 튜브의 미학적 특성은 기타리스트 [3]커뮤니티에서 논쟁의 주제이다.
특성.
전원 밸브는 일반적으로 트랜지스터보다 높은 전압과 낮은 전류에서 작동하지만, 솔리드 스테이트 작동 전압은 최신 장치 기술로 꾸준히 증가했습니다.오늘날 사용되는 고출력 무선 송신기는 킬로볼트 범위에서 작동하며, 다른 동등한 기술은 아직 없습니다.([전력 = 전압 * 암페어], 따라서 고전압, 고전압 또는 둘 다 필요함)
많은 전원 밸브는 선형성은 좋지만 게인 또는 트랜스컨덕턴스가 약간 있습니다.튜브를 사용하는 신호 증폭기는 매우 높은 주파수 응답 범위(최대 무선 주파수)가 가능하며, 대부분의 직접 가열식 싱글 엔드 트라이오드(DH-SET) 오디오 증폭기는 메가헤르츠 범위에서 작동하도록 설계된 무선 전송 튜브를 사용합니다.그러나 실제로 튜브 앰프 설계는 일반적으로 낮은 쪽의 대역폭을 제한하거나 변압기를 사용하여 유도적으로 양 끝의 대역폭을 제한하면서 캐패시티브한 단계를 "커플링"합니다.
이점
- 본질적으로 고전압 회로에 적합합니다.
- 많은 양의 열을 방출할 수 있는 규모로 구성할 수 있습니다(수냉식 장치도 있음).이러한 이유로 밸브는 대부분의 다른 애플리케이션에서 트랜지스터가 밸브를 대체한 시대로까지 라디오 및 TV 송신기와 같은 매우 고출력 애플리케이션에서 유일하게 실행 가능한 기술로 남아 있었습니다.
- 전기적으로 매우 강력하여 몇 분 동안 과부하를 견딜 수 있으며, 이로 인해 바이폴라 트랜지스터 시스템이 밀리초 내에 파괴됩니다.
- 매우 높은 과도 피크 전압을 손상 없이 견딜 수 있어 특정 군사용 및 산업용 용도에 적합
- 일반적으로 최대 용량보다 훨씬 낮은 전압에서 작동하여 긴 수명과 신뢰성을 제공합니다.
- 회로 과부하 시 부드러운 클리핑은 많은 오디오 애호가들과 음악가들이 주관적으로 생각하는 보다 즐겁고 음악적으로 만족스러운 사운드를 제공합니다.
단점들
- 특히 피드백 [4]계수가 미미한 경우 선형성이 불량합니다.
- 튜브에는 음극 히터가 필요합니다.히터 전력은 상당한 열 손실과 에너지 사용을 나타냅니다.
- 튜브는 유사한 전력 정격의 솔리드 스테이트 앰프에 비해 양극에 더 높은 전압을 요구합니다.
- 튜브는 동등한 솔리드 스테이트 소자보다 훨씬 크다.
- 높은 임피던스와 낮은 전류 출력은 많은 실제 부하, 특히 다양한 형태의 전기 모터의 직접 구동에는 적합하지 않습니다.
- 밸브는 다양한 고장 메커니즘(열, 음극 중독, 파손 또는 내부 단락 등)으로 인해 솔리드 스테이트 부품보다 작동 수명이 짧습니다.
- 튜브는 단일 극성으로만 사용할 수 있는 반면, 트랜지스터는 상호 보완 극성(예: NPN/PNP)으로 사용할 수 있으므로 직접 구현할 수 없는 많은 회로 구성이 가능합니다.
- 밸브 회로는 AC 히터 공급 장치에서 소음이 유입되지 않도록 해야 합니다.
- 마이크로폰 – 밸브가 소리나 진동에 민감하여 실수로 마이크처럼 작동할 수 있습니다.
작동
모든 앰프 회로는 "동작 클래스"에 따라 A, B, AB 및 C 등으로 분류됩니다.파워앰프 클래스를 참조하십시오.트랜지스터 설계와 비교하여 몇 가지 유의한 회로 토폴로지가 존재합니다.
- 그리드(입력 신호가 표시되는 곳)는 음극에 대해 상당히 음의 방향으로 편향되어야 합니다.따라서 트랜지스터 설계에서 일반적으로 수행되는 것처럼 밸브 한 개의 출력을 다음 밸브의 입력에 직접 결합하는 것이 매우 어렵습니다.
- 밸브 스테이지에는 수백 볼트(일반적으로 콘덴서, 때로는 커플링 변압기)를 견딜 수 있는 정격 구성 요소가 결합됩니다.커플링 네트워크에 의해 도입된 위상변화는 피드백이 있는 회로에서는 문제가 될 수 있습니다.
- 실리콘 회로의 "토템 극" 출력 단계에서 널리 사용되는 보완 장치의 밸브 아날로그는 없습니다.따라서 푸시풀 밸브 토폴로지에는 위상 스플리터가 필요합니다.
- 밸브의 매우 높은 출력 임피던스(트랜지스터와 비교)는 일반적으로 확성기나 커팅 선반 헤드와 같은 낮은 임피던스 부하를 구동하기 위해 일치하는 변압기가 필요합니다.변압기는 보통 작은 신호 및 드라이버 단계에서 사용되는 저항 대신 부하로 사용됩니다.사용 주파수에서 변압기 1차 임피던스의 반사 임피던스는 권선의 DC 저항(종종 킬로옴)보다 훨씬 높습니다.그러나 고성능 변압기는 엔지니어링 측면에서 심각한 문제를 야기하고 비용이 많이 들며 작동 중인 변압기는 이상적인 것과는 거리가 멀습니다.출력 변압기는 직결 트랜지스터에 비해 밸브 앰프 회로의 비용을 극적으로 증가시킵니다.그러나 튜브 및 솔리드 스테이트 암페어 모두에서 저손실 고임피던스/고전압 라인이 여러 개의 원격 확성기를 연결하는 데 사용되는 공용 주소 애플리케이션에는 일치하는 출력 변압기가 필요합니다.
- 밸브, 특히 트라이오드의 개방 루프 선형성을 통해 허용 가능한 또는 우수한 왜곡 성능(특히 소형 신호 회로의 경우)을 유지하면서 회로에서 음의 피드백을 거의 또는 전혀 사용할 수 없습니다.
토폴로지
- 선형 소신호 회로는 출력단을 포함한 싱글 엔드 게인 스테이지 토폴로지(클래스 A)에서 거의 항상 3중극을 사용한다.
- 광대역 밸브 앰프는 일반적으로 클래스 A1 또는 AB1을 사용합니다.
- 현대의 고출력 스테이지에는 일반적으로 푸시 풀(push pull)이 있으며, 단일 엔드 입력에서 차동/균형 구동 신호를 도출하기 위해 어떤 형태의 위상 스플리터가 필요하며, 일반적으로 출력 튜브 앞에 추가 게인 스테이지("드라이버")가 이어집니다.예를 들어 션트 조절 푸시풀 앰프)
- 매우 큰 밸브를 사용하는 싱글 엔드 전원단은 무선 송신기 애플리케이션에 존재하며 지배적이다.사이드바는 일부 오디오 애호가들이 선호하는 틈새 "DH-SET" 토폴로지가 매우 단순하고 일반적으로 라디오 송신기에 사용하도록 설계된 밸브 유형을 사용하여 구성된다는 관측이다.
- 보다 복잡한 위상(특히 활성 부하 사용)은 선형성과 주파수 응답을 개선할 수 있습니다(밀러 캐패시턴스 효과 제거).
출력 임피던스
튜브 플레이트 회로의 높은 출력 임피던스는 확성기나 안테나 같은 낮은 임피던스 부하와 잘 맞지 않습니다.효율적인 전력 전송을 위해서는 일치하는 네트워크가 필요합니다.이것은 오디오 주파수의 트랜스 또는 무선 주파수의 다양한 튜닝네트워크일 수 있습니다.
캐소드 팔로어 또는 커먼 플레이트 구성에서는 출력은 캐소드 저항으로부터 취득됩니다.음의 피드백(음극 접지 전압이 그리드 접지 전압을 상쇄)으로 인해 전압 게인은 단일성에 가깝고 출력 전압은 그리드 전압을 따릅니다.음극 저항은 바이어스 요건에 따라 많은 킬로옴이 될 수 있지만 신호 출력 임피던스는 매우 낮습니다(작동 증폭기 참조).
적용들
오디오 주파수(AF) 및 광대역 앰프
밸브는 기타 및 하이엔드 오디오 앰프에서 널리 사용되는데, 이는 밸브에서 발생하는 음질 때문입니다.트랜지스터에 비해 소비전력, 왜곡, 비용, 신뢰성 및 무게가 높기 때문에 다른 곳에서는 거의 사용되지 않습니다.
텔레포니
텔레포니가 원조였고, 오랜 세월 동안 오디오 증폭을 위한 구동 애플리케이션이었습니다.통신업계의 특정 문제는 여러 개의 (최대 1,000개의) 음성 회선을 다른 주파수로 단일 케이블에 다중화하는 기술이었습니다.
이 방법의 장점은 1개의 밸브 "리피터" 증폭기가 동시에 많은 콜을 증폭시킬 수 있다는 것입니다.이는 매우 비용 효율적입니다.문제는 증폭기가 매우 선형이어야 한다는 것입니다. 그렇지 않으면 IMD(Intermodulation Distribution)에 의해 멀티플렉스 채널 간에 "크로스톡"이 발생합니다.이는 단일 음성 채널의 명목상의 요구를 훨씬 넘어 낮은 왜곡에 대한 개발 강조를 자극했습니다.
오디오
오늘날 밸브의 주요 적용 분야는 하이엔드 하이파이 및 음악 퍼포먼스를 전기 기타, 전기 베이스 및 Hammond 오르간과 함께 사용할 수 있는 오디오 앰프입니다. 단, 이러한 애플리케이션은 동일한 기본 설계 기법이 일반적이고 광범위하지만 서로 다른 설계 타협을 초래하는 왜곡에 대한 요구사항이 다릅니다.오디오뿐만 아니라 모든 광대역 증폭 애플리케이션에 적용할 수 있습니다.
제2차 세계대전 후 대부분의 밸브 파워 앰프는 클래스 AB-1 "전원 풀" 초직선 토폴로지 또는 저비용 싱글 엔드(예: 6BQ5/EL84 전원 튜브)이지만, DH-SET 및 OTL 토폴로지를 사용하는 틈새 제품은 여전히 소수입니다.
계측 증폭기
기본 이동 코일 전압계 및 전류계 자체는 소량의 전류를 취하기 때문에 전류가 연결된 회로에 부하를 가합니다.이것에 의해, 측정 대상의 회로내의 동작 조건이 큰폭으로 변화할 가능성이 있습니다.진공관 전압계(VTVM)는 밸브의 높은 입력 임피던스를 사용하여 전류계의 부하로부터 측정되는 회로를 버퍼링합니다.
밸브 오실로스코프는 이 매우 높은 입력 임피던스를 공유하므로 매우 높은 임피던스 회로에서도 전압을 측정하는 데 사용할 수 있습니다.일반적으로 디스플레이 채널당 3단계 또는 4단계 증폭이 있을 수 있습니다.이후 오실로스코프에서는 전송선을 따라 동일한 거리에서 연결된 일련의 튜브를 사용하는 증폭기의 일종으로, 분산 증폭기로 알려져 디스플레이 튜브에 적용되기 전에 매우 높은 주파수 수직 신호를 증폭하는 데 사용되었습니다.밸브 오실로스코프는 더 이상 사용되지 않습니다.
밸브 시대가 끝날 무렵 밸브는 훨씬 현대적인 선형 전자 장치의 구성 요소인 "작동 증폭기"를 만드는 데까지 사용되었습니다.op-amp에는 일반적으로 차동 입력 스테이지와 토템 폴 출력이 있으며, 회로에는 최소 5개의 액티브디바이스가 있습니다.이러한 회로(일반적으로 두 개 이상의 유리 봉투 사용)를 하나의 모듈로 통합하여 더 큰 회로(아날로그 컴퓨터 등)에 연결할 수 있는 다수의 "패키지"가 제작되었습니다.이러한 밸브 op-amp는 이상과는 거리가 멀었고, 솔리드 스테이트 타입으로 대체되면서 빠르게 구식이 되었습니다.
협대역 및 무선 주파수 튜닝 앰프
역사적으로, 제2차 세계대전 이전의 "전송관"은 사용 가능한 가장 강력한 튜브 중 하나였다.이것들은 보통 전구처럼 빛나는 직접 가열된 필라멘트 음극이 있었다.일부 튜브는 양극 자체가 체리 레드(cherry red)로 빛날 정도로 강하게 구동할 수 있었습니다. 양극은 변형 없이 열에 견딜 수 있도록 (얇은 시트로 제작되지 않고) 고체 재료로 제작되었습니다.이러한 유형의 눈에 띄는 튜브는 845와 211입니다.이후 817 및 (직열식) 813과 같은 테트로이드와 펜토드도 (특히 군사용) 무선 송신기에 많이 사용되었다.
RF 회로는 광대역 앰프 회로와 크게 다릅니다.안테나 또는 후속 회로 스테이지에는 일반적으로 하나 이상의 조정 가능한 용량성 또는 유도성 구성 요소가 포함되어 있어 스테이지의 공진을 사용 중인 반송파 주파수와 정확하게 일치시켜 밸브와의 전력 전달을 최적화하고 이른바 "튜닝 회로"라고 합니다.
광대역 회선은 광범위한 주파수에서 평탄한 응답을 필요로 합니다.이와는 대조적으로 RF회선은 일반적으로 고주파에서 작동해야 하지만 종종 매우 좁은 주파수 범위에서 작동합니다.예를 들어 RF 디바이스는 144~146MHz(1.4%) 범위에서 동작해야 할 수 있습니다.
오늘날 무선 송신기는 마이크로파 주파수에서도 압도적으로 실리콘 기반입니다.그러나 점차 감소하는 소수의 고출력 무선 주파수 증폭기는 밸브 구조를 계속 유지하고 있습니다.
메모들
- ^ 고양이 수염 검출기, 산화 구리 정류기 또는 결정 검출기 다이오드와 같은 솔리드 스테이트 디바이스는 트랜지스터 이전에 알려져 있었지만 신호를 증폭할 수 없었습니다.자기 증폭기는 약 200kHz 이하로 제한되었습니다.유압 증폭기는 전자기기로서 직접적으로 유용하지 않았다.
- ^ '핵 전자기 펄스'를 참조한다.
- ^ 튜브 vs 트랜지스터 – 청각적 차이가 있습니까?
- ^ 오디오 파워앰프 설계 핸드북
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
- 라디오 통신 핸드북(제5판), 영국 라디오 협회, 1976년 ISBN0-900612-28-2
