클래스 AB 증폭기를 사용하여 오디오 왜곡을 40%까지 줄이는 방법은 무엇입니까?

직접적인 답변: 클래스 A 또는 클래스 B 디자인을 적절하게 편향된 디자인으로 전환하는 엔지니어 및 오디오 전문가 클래스 AB 오디오 전력 증폭기 일관되게 측정하다 총 고조파 왜곡(THD) 35~45% 감소 일반적인 청취 수준에서 - 실제 배포에 필요한 열 효율을 희생하지 않고. 개선이 달성되는 방법과 이를 최대한 활용하는 방법은 다음과 같습니다.

왜곡이 발생하는 이유와 클래스 AB가 이를 해결하는 이유

오디오 왜곡, 특히 크로스오버 왜곡은 증폭기 설계의 주요 불만 사항입니다. 이는 하나의 출력 트랜지스터가 다른 출력 트랜지스터로 전달되는 파형의 제로 크로싱 지점에서 발생합니다. 신호 극성이 필요할 때만 트랜지스터를 켜는 클래스 B 증폭기는 이 크로스오버 지점에 데드존을 도입합니다. 그 결과 특히 낮은 볼륨에서 중간 볼륨까지 청취자가 거칠게 인식하는 출력 파형의 뚜렷한 불연속성이 발생합니다.

클래스 A 증폭기는 두 트랜지스터를 항상 전도 상태로 유지하여 이를 완전히 제거하지만 효율성이 급격히 저하됩니다. 일반적으로 효율성은 25~30%에 불과합니다. 이는 끌어온 전력의 70~75%가 열이 된다는 의미입니다. 100W 앰프의 경우 230~300W의 연속 열 방출이 필요하므로 대규모 방열판이 필요하고 운영 비용이 크게 증가합니다.

클래스 AB 확성기 증폭기는 두 가지 문제를 동시에 해결합니다. 작은 순방향 바이어스 — 일반적으로 10~50mA 대기 전류 — 크로스오버 영역을 통해 두 출력 트랜지스터를 약간 켜진 상태로 유지하여 클래스 A의 전체 열 오버헤드 없이 데드존을 제거합니다. 그 결과 중간 효율에서 낮은 크로스오버 왜곡이 발생합니다. 50~70% 효율성 잘 설계된 단위로.

40% 왜곡 감소: 그 유래

40% 수치는 이론적인 수치가 아닙니다. 이는 동일한 테스트 조건에서 증폭기 토폴로지 간의 측정 가능한 THD N(총 고조파 왜곡 + 잡음) 비교에서 나타납니다. 아래 표에는 1kHz, 1W 출력(8Ω)에서 증폭기 클래스 전반에 걸쳐 측정된 일반적인 성능이 요약되어 있습니다.

일반적인 청취 전력(8옴 스피커에서 0.1~5W)에서 클래스 B를 잘 최적화된 클래스 AB 설계와 비교하면 왜곡 감소는 다음과 같습니다. 40~60% . 개선은 인간의 청력이 가장 민감한 100Hz~5kHz 범위에서 가장 두드러집니다.

왜곡 감소 정도를 결정하는 4가지 설계 요소

모든 클래스 AB 오디오 전력 증폭기가 동일한 왜곡 성능을 달성하는 것은 아닙니다. 40% 개선 수치는 다음 네 가지 영역에서 의도적인 최적화를 가정합니다.

1. 대기 바이어스 전류 설정

정지 전류(유휴 상태에서 두 출력 트랜지스터를 통해 흐르는 정지 전류)가 주요 레버입니다. 너무 낮으면 크로스오버 왜곡이 다시 나타납니다. 너무 높으면 열 방출이 클래스 A 수준으로 증가합니다. 일반적인 8옴 부하를 구동하는 Hi Fi 클래스 AB 앰프의 경우 최적화된 대기 전류는 출력 쌍당 20~40mA 최고의 왜곡과 효율성의 균형을 달성합니다. 온도에 따른 바이어스 전압 드리프트는 방열판에 결합된 열 추적 다이오드 또는 트랜지스터에 의해 관리됩니다.

2. 글로벌 부정적 피드백의 깊이

NFB(네거티브 피드백)는 설계자가 사용할 수 있는 가장 강력한 왜곡 감소 도구입니다. 출력과 입력을 비교하고 실시간으로 차이를 수정하는 피드백 루프는 루프 게인에 따라 THD를 10~100배까지 줄일 수 있습니다. 잘 설계된 Hi Fi 클래스 AB 앰프 적용 글로벌 NFB 20~40dB , THD를 출력 단계의 원시 0.5~1%에서 증폭기 단자의 0.003~0.05%로 낮추었습니다. 고주파수에서의 잠재적인 불안정성이라는 트레이드오프는 신중한 보상 네트워크 설계를 통해 관리됩니다.

3. 출력단 트랜지스터 매칭

스테레오 클래스 AB 전력 증폭기에서 출력 단계의 상보형 NPN/PNP 트랜지스터 쌍은 이득(hFE) 및 접합 특성에 대해 밀접하게 일치해야 합니다. 일치하지 않는 쌍은 비대칭 파형 처리를 생성합니다. 즉, 양의 반주기가 음의 반주기와 다르게 증폭되어 짝수차 고조파가 발생합니다. 내에서 일치하는 쌍 선택 5% hFE 내성 이는 고품질 빌드의 표준 관행이며 2차 고조파 왜곡을 눈에 띄게 줄입니다.

4. 전원 공급 장치 품질 및 레일 강성

앰프는 전원 공급 장치만큼 깨끗합니다. 부적절한 저장소 커패시턴스 또는 변압기 조절로 인해 발생하는 동적 부하 시 레일 전압 강하는 출력 신호를 변조하여 고조파 콘텐츠에 상호 변조 왜곡을 추가합니다. 고품질 스테레오 클래스 AB 전력 증폭기 사용 레일당 10,000~47,000μF 벌크 정전 용량 고전류 과도 현상을 통해 안정적인 레일을 유지하는 저조정 토로이달 변압기. 이 단일 요소는 최대 전력에서 측정된 THD N의 10~15% 개선을 설명할 수 있습니다.

클래스 AB와 기타 토폴로지: 오디오 애플리케이션에 대한 실제 비교

올바른 증폭기 클래스를 선택하는 것은 왜곡 수치뿐만 아니라 애플리케이션에 따라 달라집니다. 다음 비교는 엔지니어와 구매자가 정보를 바탕으로 결정을 내리는 데 도움을 주기 위한 것입니다.

고정 설치, 라이브 사운드 강화, 홈 하이파이, 전문 모니터링 등 가장 광범위한 오디오 애플리케이션을 위한 클래스 AB 스피커 증폭기는 가장 실용적인 고충실도 솔루션을 나타냅니다. 실제 열 관리를 달성할 수 있는 효율성 수준에서 제어된 청취 테스트에서 클래스 A와 청각적으로 구별할 수 없는 왜곡 수준을 제공합니다.

전력 범위에 걸쳐 왜곡이 어떻게 변하는가

자주 간과되는 점: 클래스 AB 오디오 전력 증폭기의 THD는 출력 전력 범위 전체에서 일정하지 않습니다. 이는 시스템 설계자가 이해해야 하는 중요한 특성 곡선을 따릅니다.

이 곡선은 일반적인 가정 청취 수준(평균 1~5W)에서 사용되는 100W 스테레오 클래스 AB 전력 증폭기가 가장 낮은 왜곡 영역에서 작동하는 이유를 설명합니다. 따라서 청취 환경에 비해 앰프의 크기를 늘리는 것은 과도한 엔지니어링이 아니라 왜곡 최소화를 위한 의도적인 전략입니다.

왜곡을 최대한 줄이기 위한 실제 설정 팁

잘 설계된 Hi Fi 클래스 AB 앰프라도 주변 시스템이 업스트림에 왜곡을 일으키거나 장치가 최적의 조건을 벗어나 작동하는 경우 성능이 저하됩니다. 다음과 같은 실제 단계를 통해 전체 왜곡 감소 잠재력이 실현됩니다.

• 임피던스를 올바르게 일치시키십시오: 증폭기의 입력 임피던스보다 최소 10배 낮은 소스 출력 임피던스로 증폭기의 입력을 구동합니다. 일치하지 않는 소스-입력 임피던스는 인지된 왜곡을 추가하는 주파수 응답 착색을 유발합니다.
• 적절한 워밍업을 허용합니다. 클래스 AB 바이어스는 온도에 따라 변합니다. 허용 15~30분 중요한 청취 또는 측정 전 워밍업; 대부분의 증폭기는 이 창 내에서 바이어스를 안정화합니다.
• 적절한 환기를 보장하십시오. 온도 상승으로 인해 편향이 증가하고, 소산이 증가하고, 온도가 더욱 상승하는 열폭주가 주요 고장 모드입니다. 방열판이 막히지 않았는지, 주변 온도가 앰프의 정격 작동 한계보다 낮은지 확인하십시오.
• 고품질 상호 연결 케이블을 사용하십시오. 접지 루프는 노이즈 플로어를 높이는 50/60Hz 험을 발생시켜 THD N 측정 및 가청 청결도를 악화시킵니다. 소스와 앰프 간의 밸런스(XLR) 연결은 전문 설치 시 공통 모드 잡음을 제거합니다.
• 클리핑 근처에서 달리지 마십시오. 앰프의 출력 레벨을 아래로 유지하십시오. 정격 출력의 70~80% 지속적인 프로그램 자료를 위해. 클리핑 근처의 THD 상승은 가파르고 듣기에 불쾌합니다.

클래스 AB 스피커 앰프가 가장 큰 이점을 제공하는 응용 분야

낮은 왜곡과 관리 가능한 열 오버헤드가 결합된 클래스 AB 토폴로지는 까다로운 오디오 환경에서 선호되는 선택입니다.

• 홈 하이파이 및 오디오 애호가 시스템: 0.05% 미만의 THD와 자연스러운 톤 특성이 주요 목표인 경우 Hi Fi 클래스 AB 앰프가 표준 참조 구현입니다.
• 고정 설치(상업용 AV, 예배당, 회의실): 클래스 AB의 효율성 수준은 연중무휴 환경에서 운영 비용을 관리할 수 있도록 유지하는 동시에 왜곡 수준은 까다로운 음성 명료도 및 음악 재생 요구 사항을 충족합니다.
• 라이브 사운드 강화: 전문 스테이지 앰프는 동적 프로그램 자료에서 낮은 IMD(상호 변조 왜곡)로 안정적인 고전력 전달을 위해 클래스 AB 출력 스테이지를 사용합니다.
• 스튜디오 모니터링: 믹싱 및 마스터링 결정이 녹음 내용을 정확하게 듣는 것에 달려 있는 경우 클래스 D 디자인에 존재하는 스위칭 아티팩트보다 클래스 AB 회로의 낮은 착색이 선호됩니다.
• 스테레오 및 다중 채널 홈 시어터: 고감도 라우드스피커를 구동하는 스테레오 클래스 AB 파워 앰프는 역동적인 영화 사운드트랙에 필수적인 조용한 노이즈 플로어를 생성합니다.

자주 묻는 질문