Only BJT Headphone Amp. 제작

1. 제작 목적

- 간단한 트랜지스터 헤드폰 앰프 회로를 직접 설계하고 시뮬레이션으로 bias 및 gain을  확인하고 조정한다.

- 가능한 구하기 쉽고 가격이 싼 트랜지스터 및 부품을 사용한다.

- PCB 회로를 직접 설계하고 PCB제작 업체를 통해 제작한다.

- 직접 만든 앰프로 음악을 즐긴다!

2. 회로 설계

헤드폰용 앰프이므로 출력은 그렇게 클 필요가 없겠죠  약 500mW이하의 앰프면 충분할 것입니다.

회로는 전자회로 교재에도 나와 있는 일반적인 Class AB 회로를 차용했습니다. 트랜지스터도 일반적으로 구하기 쉬운 2N3904(NPN)와 2N3906(PNP)를 사용하였습니다. 참고한 책과 책에 나와 있는 회로는  아래와 같습니다.

<그림 1> 교재와 원 회로도

휴대용으로 생각하기에 전원은 9V 배터리를 사용하기로 하였습니다. 이에 따라 bias와 gain등을 다시 설정합니다.

LTSPICE에서 시뮬레이션을 돌리고 결과를 확인합니다.

아래는  LTSPICE 회로도입니다. 기본적으로 책에 나와 있는 회로를 그대로 사용하였고 diode 대신 트랜지스터의 콜렉터와 베이스를 연결하여 다이오드처럼 사용하였습니다. 그리고 C2, R10은 고주파 노이즈를 감쇄 시키기 위해 피드백 용으로 추가하였습니다.

<그림 2> LTSPICE 회로

초단은 Common Emitter 회로입니다. gain을 크지 않게 조정하기 위해 R5를 삽입하였습니다. 이경우 Q1의 전압 이득은 대략적으로 아래와 같이 계산 됩니다. Beta를 100으로 가정하여 base입력 저항을 계산 합니다. emitter 저항 re는 26mV/Ic로 계산한 값입니다.

Av1 =  R3/(re + R4||R5 + (R1||R2)/100) = 1K/(16+257) = 3.6 (* Ic는 1.6mA이므로 26/1.6 = 16.25)

두번째 단은 push-pull Class AB 증폭회로입니다. Q3,Q4는 diode와 같은 기능을 하여 Q5와 Q6의 Vbe 전압을 잡아 줍니다. Q2는 Q5, Q6의 bias current를 결정하고 초단 출력을 다시 한번 증폭합니다.

증폭률 계산은 아래와 같습니다.

Av2 = Av1*((R6||R7)/(R6||R7)+R3)*(R8/(R9+re+(R6||R7)/100) = Av1*(2705/(2705+1000))*(3300/(1000+27.3+27.05) = Av1*0.73*4.5 = 3.6*0.73*3.12 = 8 정도가 됩니다. 최종 출력은 에미터 팔로워 이므로 10%정도 이득이 줄어 듭니다. 따라서 최종 이득을 Avo라고 할 때

Avo = 8*0.9 = 7정도가 됩니다.

위의 계산은 근사치로 한 값이고 Beta값이 simulation model 및 실제와는 차이가 있을 수 있으므로 정확한 것은 아닙니다. 대략적으로 이정도 나올 것으로 예상하고 일차로 저항 값을 결정해 줍니다. 이후에 시뮬레이션을 통해 원하는 값으로 튜닝해나가면 됩니다.

<그림 3> 시뮬레이션 결과

1KHz sine 파 +-100mV를 입력으로  했을 때 시뮬레이션 하면 출력은 +-665mV정도 나와서 gain은 약 6.5배 인 것을 알 수 있습니다. 따라서

시뮬레이션 상의 Avo = 6.5 입니다. 근사 계산치와 비슷하게 나왔습니다.

참고로 이것은 출력을 개방하였을 때고 부하 저항이 달리면 gain은 그에 비례해서 줄어 듭니다. 그림 2.에서 처럼 부하 저항이 24옴인경우

출력 저항을 3.3K/Beta로 계산할 수 있고 Beta를 150이라고 가정하면 출력 저항은 22옴이 됩니다. 이경우 부하에 걸리는 전압은 아래와 같이 gain을 다시 계산하여 입력 전압에 곱해 줍니다.

Av = Avo *(24/(22+24)) = 6.5* 0.5 = 3.3

따라서 100mV입력일 때 부하에 걸리는 전압은 약 330mV가 될 것임을 알 수 있습니다.

3. PCB 설계

PCB 설계는 KiCAD라고 하는 무료 소프트웨어를 이용하였습니다. 인터넷에서 튜토리얼 영상 몇 개 찾아 보고 따라해 보니 그리 어렵지 않게 할 수 있더군요. 요즘 세상 참  좋아졌습니다.^^

아래는 최종 PCB pattern 입니다.

<그림 4> Kicad PCB pattern

이렇게 PCB 패턴을 그리고 나면 거버 파일을 출력하고 인터넷으로 업체에 주문하면 됩니다. 저는 아래 사이트를 이용했는데 비교적 비용도 저렴한 것 같습니다.

https://jlcpcb.com/

4. 조립 및 테스트

<그림 5> 실장 테스트

일단 한 쪽 채널만 부품 실장하고 테스트 해 봅니다. 뒤에 보이는 캔은 나중에 수납하여 완성할 케이스 입니다.

<그림 6> 오실로 스코프 측정 화면 - 입력 파형 데이터

<그림 7> 오실로 스코프 측정 화면 - 출력 파형 데이터

LTSPICE 시뮬레이션과 동일하게 약 6.5배 증폭되는 것을 알 수 있습니다.

5. 음악 청취

드디어 헤드폰을 연결하여 음악을 들어 봅니다. 아이폰에 연결해서 들어 봤는데 솔직히 막귀라 그런지 음질의 차이는 잘 모르겠습니다 ㅠㅠ.

나빠지지 않은 것만 해도 다행이겠죠 ㅎㅎ. 암튼 처음으로 직접 회로 설계하고 PCB 제작해서 조립까지 하고 음악을 들을 수 있으니 소기의 목적은 달성했습니다.^^ 

아마 직접 만들어서 그런지 들으면 들을 수록 괜찮은 느낌입니다. 이런 게 자작의 기쁨이겠죠. 

일단 헤드폰 앰프로 앰프의 기본 원리를  배웠으니 향후 파워 앰프까지 자작해 보는 것이 목표입니다.

<그림 8> 헤드폰 청취