Micro Electronic Circuit TEAM PROJECT Audio Amp TEAM : C r i t i c a l 팀원 이재호 2200259 조영호 2200841 김성환 2300735 김다려 2500808

< 목차 > 1. Project 선정이유 2. 오디오 엠프 구성 및 목표 3. 역할분담 4. 설계목표 5. 설계사양 6. 설계내용 7. 설계과정 8. 회로설계 및 해석 9. 결론

- Audio Amp 선정 이유- 일년 동안 전자회로에서 배운 것을 종합하여 증폭기, Bjt 소자 특성을 이해하고, 그 소자를 를 직접 설계해 보고 그 특성을 이해하며 실제 사용될 수 있는지 확인하기 위함입니다.

- 오디오 엠프 구성 및 목표- Audio Amp는 입력신호를 증폭해주는 Pre-amp와 출력단을 구동시켜주는 Power -amp를 포함하고 있는 Main amp로 구성되어 있다. 우리는 오디오 엠프의 전단에 놓인 파워 엠프를 작동시키기 위한 프리 엠프와 스피커 구동을 위한 파워 엠프를 살펴보고자 한다

- 역할분담 - - 참고 자료- 자료수집 이재호, 조영호, 김성환, 김다려 Pre amp 조영호 , 김다려 자료수집 이재호, 조영호, 김성환, 김다려 Pre amp 조영호 , 김다려 Power amp 이재호 , 김성환 설계 목표가 2개의 증폭기 설계 이기 때문에 2인 1조로 각 증폭기에 대한 설계, 검증 후 최종적으로 두 증폭기를 합치게 되었습니다. - 참고 자료- 마이크 전자회로 FIFTH EDITION www.national.com pspice 기초와 응용 ver8.0 <도서출판 정일>

- 응용 분야 - 각종 음향기기에 사용 될 수 있습니다. 예) 미니컴포넌트의 오디오 컴퓨터의 스피커 공연장의 엠프 가청주파수 범위 내에서 나올 수 있는 모든 스피커라면 다 응용 될 수 있습니다.

- 설계 목표 - Pre-amp 1.볼륨 컨트롤 확인 2.전압 증폭기능 확인 3.톤 컨트롤 기능 확인

- 설계 목표- Power-amp 1.차동 증폭기 베이스에 걸리는 DC전압이 일치하는지 확인. 2.각 트랜지스터의 VBE 측정 3.가변저항에 따른 출력파형 확인 4.Power amp 증폭도 측정 5.최대 입력 전압 측정 6.Power Amp 의 3db 주파수 및 phase 확인 7. Low-cut-off Frequency 측정 8. 입 , 출력 저항 측정 - 설계 목표- Power-amp

- 설계 사양- Spice Model Parameters

첫 번째로 Pre-Amp 에 대해 발표 하겠습니다.

Pre-Amp Pspice 회로도 전압 증폭단 Torn control 단 Volume control 단

(1) Volume Control 기능 ·Volume Control 은 음량의 조정을 말하는데 일반적으로는 가변저항을 사용하여 입력 신호를 감쇠시켜 음량의 크기를 조정할 수 있게 되어있다.

(1) Volume Control 기능 가변저항의 비를 먼저 1:0 으로 하여 증폭기에 들어가는 입력 전압의 크기를 측정 하였다. 가변저항의 저항비가 1:0 이 되면 다음과 같은 회로가 된다.

(1) Volume Control 기능 저항비가 1:0이면 증폭기의 입력 단에 들어가는 전압은 그라운드에서 들어가는 전압이 들어가기 때문에 증폭기의 입력 전압에는 어떤 신호도 들어가지 않는다. (전압 분배 법칙 적용) 계산 수식

(1) Volume Control 기능 Pspice 시뮬레이션 확인 가변저항 전의 신호는 1VP-P 이지만 가변저항이 지난 후의 신호는 0V에 가깝게 나타나는것을 확인 할 수 있다. 이 신호가 증폭기의 입력단에 들어가게 된다.

(1) Volume Control 기능 저항비가 0.5:0.5일 때 의 회로도

(1) Volume Control 기능 계산 식 및 시뮬레이션 결과 확인 입력 전압: 977mV 출력 전압: 483mV 계산 한 값과 시뮬레이션 결과 파형의 오차가 거의 없게 나타 났다.

(1) Volume Control 기능 가변 저항비가 0:1 일 때 회로도

(1) Volume Control 기능 계산 식 및 시뮬레이션 결과 확인 입력 전압: 951mV 출력 전압: 924mV 입력전압과 출력전압의 차이가 거의 없음을 보여준다.

(1) Volume Control 기능 위의 pspice 의 검증을 통하여 우리는 증폭기의 입력 단자에 들어가는 입력신호의 크기를 가변 저항을 통해 크기를 조정할 수 있음을 검증 하였다. 이러한 것은 Audio Amp 에 들어가는 볼륨을 조정 하는 Volume control 역할 을 한다고 볼 수 있다.

(2) 적절한 전압 증폭 기능 Pre amp의 전체 이득은 입력 신호와 출력에 놓일 main amp 의 입력 감도에 의해 결정 되지만, 일반적으로는 신호의 level 이 정해져 있으며 입력 신호가 pre amp 출력단에서 0.5~1V 사이로 증폭되는 값을 pre amp 의 이득으로 생각 하면 된다 0.5~1V의 출력 신호의 크기는 대부분의 파워 엠프를 구동 할 수 있는 입력 신호의 크기가 이 범주에 놓이기 때문이다. 전압증폭 회로

(2) 적절한 전압 증폭 기능 Pspice 회로도

(2) 적절한 전압 증폭 기능 수식 계산 및 시뮬레이션 결과 확인 증폭단의 회로도를 보면 증폭기의 (–) 단자로 feed back 되는 non-inverting 증폭기 즉 비반전 증폭기이다. 비반전 증폭기의 이득을 계산을 해보자. 계산한 출력 값은 11V이다 이제 pspice 를 통해 출력 값을 확인 해 보겠다.

(2) 적절한 전압 증폭 기능 Pspice 시뮬레이션 결과 파형 입력 전압: 939mV 출력 전압:10.343V 오차: 6% 계산한 결과와 시뮬레이션 결과는 차이가 거의 없다는것을 확인 할 수 있다.

(3)톤 컨트롤 기능 일반적으로 음악을 들을 때 각자 자기가 좋아하는 음색이 있다. 특히 음악을 다루는 사람은 소리에 굉장히 예민한 사람이 많이 있다. 저음을 강조해서 듣는 사람 또는 고음을 좋아하는 사람 등 각자 좋아하는 소리가 있다. 우리가 설계하는 pre amp 에는 이런 저음이나 고음을 강조 할 수 있는 Torn control 이 있다. Torn control 회로 청취자의 취향에 따라 음악의 고음과 저음을 강조하는 control 단자인 Bass 와 Treble 을 이용 하여 조절이 가능하다.

(3)톤 컨트롤 기능 저음을 강조하는 Torn control 저음을 강조하는 Torn control Bass가변저항 Treble 가변저항 저음을 강조하기 위해 Bass의 가변저항의 비를 0:1로 하고 Treble의 가변저항 비를 1:0으로 하였다. 이 때 증폭기는 미분기로 동작하게 되며 Low Pass Filter로 동작 한다.

(3)톤 컨트롤 기능 AC sweep을 통한 설계한 저음 Torn control 시뮬레이션 결과 파형 AC sweep 을 통하여 설계한 Torn control이 Low Pass Filter 로 동작 하는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 저음을 강조하는 Torn control 이 라고 할 수 있다. 특히 30Hz에서 증폭이 많이 되는 것을 확인 할 수 있다.

(3)톤 컨트롤 기능 고음을 강조하는 Torn control Bass가변저항 Treble 가변저항 고음을 강조하기 위해 Treble의 가변저항의 비를 0:1로 하고 Bass의 가변저항 비를 1:0으로 하였다. 이 때 증폭기는 적분기로 동작 하며 High Pass Filter로 동작 한다.

(3)톤 컨트롤 기능 AC sweep을 통한 설계한 고음 Torn control 시뮬레이션 결과파형 AC sweep 을 통하여 설계한 Torn control이 High Pass Filter 로 동작 하는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 고음을 강조하는 Torn control 이 라고 할 수 있다. 특히 17KHz에서 증폭이 많이 되는 것을 확인 할 수 있다.

두 번째로 Power-Amp 에 대해 알아보겠습니다.

Power-Amp Pspice 회로도 가변저항 차동증폭기 프리 드라이브단 출력단

BDW93c 와 BDW94c 를 만든 과정 Qbreakn >>> qbdw93c Qbreakp >>> qbdw94c

Power Amp 의 전체 회로도 모든 셋팅을 끝마친 상태

1. 초단 차동 증폭기 베이스 DC전압 측정 이론값 : base가 short to Gnd 이므로 0V가 된다. 시뮬레이션값 : 0.129V, 0.128V으로 일치하는것을 확인할 수 있다. 차동증폭기의 매칭이 안돼면 큰 전체 오류가 나기때문에 차동증폭기 단의 dc전압을 확인으로 매칭이 잘 되고 있는지 확인.

2. 각 트랜지스터(Q1 ~ Q4, Q6)VBE 전압 Q1 VEB = 0.64V Q2 VEB = 0.678V

각 트랜지스터(Q1 ~ Q4,Q6)VEB 전압 이론값 계산 Q6 VEB = 0.732V

각 트랜지스터(Q1 ~ Q4,Q6) Q1 Q2 Q3 VB VE VEB Simulation 계산값 13.359 14.05 0.64 129.214m 807.764m 0.678 129.216m 0.67 계산값 13.35 0.7

각 트랜지스터(Q1 ~ Q4,Q6) Q4 Q6 VB VE VEB Simulation -15 0.703 13.241 13.975 -14.3 -15 0.703 13.241 13.975 0.734 계산값 -0.7 13.35 14.05 0.7 BJT가 제대로 작동 하는지 확인 하기 위한 시뮬레이션으로 VBE를 측정 함으로서 0.7V가 전부 나오는 것을 보면 모두 BJT가 Forward active mode에서 동작하는 것을 볼 수 있습니다.

3. 가변저항 변화에 따른 출력 파형 가변저항 0V 가변저항 3V 0.2vp-p 와 100Hz의 입력신호를 주었을시 원래는 가변저항 4에 따른 사인파의 노이즈 상태와 파형의 찌그러짐을 확인 하려는 것이었는데 Maximum step을 사용하였기 때문에 변화를 알 수가 없었습니다

<100Hz, 0.2Vp-p 사인파를 인가> 4. Power-Amp 증폭도 측정 <100Hz, 0.2Vp-p 사인파를 인가> Output(Vp-p) 시뮬 2.9169V 계산 2.92V Gain=14.6 입력전압 0.2V 줬을때 출력전압 2.92V 나오므로 신호가 14.6배의 증폭 되었음을 볼수가 있었습니다.

<100Hz고정 입력Vp-p를 변화 시 관찰> 5. Power-Amp 최대 입력전압 측정 <100Hz고정 입력Vp-p를 변화 시 관찰> Vp-p가 1.3v일때 Vp-p가 1.4v일때 Vp-p가 1.4부터 Clipping 이 일어나는것을 관찰 할 수가 있었다. Clipping은 BJT의 동작영역이 바뀌거나 Vcc 한계점에 다다르면 생기는 것으로 일어나기 전까지가 최대 입력전압을 의미한다. 즉 Vp-p를 1.3v 까지만 주어야한다

6. Power-Amp 의 3dB-주파수 및 phase 측정 -이론 계산- 프리 드라이브단의 주파수 보상200p를 고려하여 밀러정리 이용하여 계산하면 이때 Feed back 을 고려하면

Gain이 3dB 떨어지는 주파수를 찾았더니 496.5kHz가 나왔다 이론 값 491.67kHz 와 유사하게 나왔다. -3dB Pspice 시뮬레이션- Phase=55.5도 3dB=496.5Khz Gain이 3dB 떨어지는 주파수를 찾았더니 496.5kHz가 나왔다 이론 값 491.67kHz 와 유사하게 나왔다. 가청주파수 한계보다 훨씬 높아서 Audio Amp로 쓰기에는 부족함이 없는 수치이다 가청주파수 20Hz~ 20KHz

7. Power-Amp 의 Low-cutoff-frequency 측정 Low-cutoff-frequency 측정을 위한 100u를 1u로 바꾸었습니다

FH= 10.36+9.30= 19.66HZ Low –cutoff-frequency Pspice 시뮬레이션 Phase=48.7도 3dB=27.3Hz 3dB low frequency 27.3Hz로 가청 주파수를 간신히 넘긴다. 그렇기 때문에 C를 100배가 높은 100up로 달아주는 것이다

8. 입 , 출력 저항 측정 출력저항 입력저항

Pspice 입력저항 Pspice 출력저항 0.002Ω이 나왔음 63.2kΩ 이나왔음 위의 결론으로 보면 입력저항과 출력저항은 입력전압의 주파수에 따라 달라진다. 주파수 100Hz가정하여 실시 한 것으로 입력저항이 매우 크고 출력저항은 매우 작아야 하는 Audio Amp의 특성을 잘 보여주고 있다. 또한 출력저항이 낮은 이유는 Feed Back 이 출력저항의 값을 줄여주는 기능을 하는것을 알아 낼수가 있었다. 하지만 Feed Back 사용은 Bandwidth를 증가시켜주긴 하지만 gain의 감소를 가져다 주게 된다.

- 요약 및 정리 - Pre-amp -volume control(저항비를 이용한 voltage divider) Input level을 조정함으로써 volume을 control -전압증폭 Op-amp를 negative feedback과 voltage divider를 이용하여 전압을 증폭시킨다. -Tone control Op-amp를 이용하여 가변저항을 포함한 미,적분기를 구성하고 그릴 통해 저음부를 증폭시키거나 고음부를 증폭시키는 기능을 한다. Pre-amp는 입력 신호를 control하고, 전압을 어느정도 증폭시키며 Tone control기능을 한다. 그리고 이를 power amp로 전달한다.

- 요약 및 정리- Power-amp 전압증폭단 : 차동증폭기로 전압을 증폭시킨다. 전압증폭단 : 차동증폭기로 전압을 증폭시킨다. Pre-drive단 : 큰 진폭의 신호를 만들어 주는 곳이다. 상당한 이득을 얻을 수 있는 구성이다. Drive단 : 최종 출력 단을 구동하는 회로이다. 출력단은 drive단과 함께 전류 증폭을 통해 출력전류 증폭 동작을 하는 회로, 전압증폭 단 및 pre-drive단에서 증폭된 전압에 대해 전류 증폭을 하여 큰 전류를 스피커에 흘리는 회로이다.

☆ Project 후기 ☆ Audio Amp에 대해 알아보았다. 우리가 배운 전자회로 원리를 이용하여 실생활에 사용할 수 있는 Amp를 만들 수 있다는 사실을 알수 있었고, Amp의 각 단마다의 역할을 자세히 알 수 있었다. 배우지 않은 Feed Back 역할을 이해하는데 다소 어려움이 있었지만 잘 마무리가 되었다.