원문은 https://www.valvewizard.co.uk/dccf.html 일일이 타이핑을 하면 더 이해가 잘 될까봐 해봤는데 여전히 뭔 소린지 모르겠군요. ㅡ.ㅡ
많은 기타 앰프에 사용되는 캐팔 회로는 매우 일반적임. 주로 톤 스택을 구동하는데, 일반적인 gain 스테이지로 구동했다면 매우 큰 부하를 주고, 상당한 감쇄가 발생하는 부분이 캐팔에 의해서 대체되고 있음. 캐팔의 낮은 출력 임피던스는 큰 부하를 연결해도 쉽게 전류를 흘려줄 수 있음
위는 기술적인 관점이고, 반대로 기타 앰프에 사용되는 캐팔에는 상당히 특이한 부분도 있음. 단순히 톤 스택을 구동할 뿐만 아니라 더 많은 디스토션을 만들어낼 수 있기 때문임. 매우 gain이 큰 기타 앰프에 보면 반드시 어느 한 부분에는 캐팔이 사용되고 있음. 여러 개가 사용되기도 함. 재미있는 것은 교과서적 관점에서 보면 잘못 설계된 캐팔이 매우 듣기 좋은 소리를 만들어냄.
대개 ECC83을 gain을 얻기 위해 사용하는데 여기에 ECC83 캐팔이 붙어 있는 그림임. 100K 부하 저항을 공유하고 있고 앞단의 바이어스는 그리 중요하지 않아서 일반적인 시정수를 씀. 그래서 이 회로의 뭐가 재미있다는 것인지 알려면 로드라인을 보면 나옴. 위의 예에서는 300V B+가 걸렸는데 저것도 실제 몇 볼트를 거는지가 중요하지도 않음
위의 로드라인에서 바이어스 포인트는 어디로 하든 상관없으나 주로 가운데 부분을 씀. 위의 예에서는 -1.5V (녹색점) 인데 quiescent voltage는 195V 정도임. 이 로드라인이 왜 나쁜 설계인가 하면 gain stage의 플레이트 전압이 너무 높다는 것임. 교과서에 보면 더 큰 저항을 쓰거나 더 작은 바이어스를 걸어서 HT의 약 1/2을 선택하라고 나와 있음.
위는 캐팔의 로드라인인데, x축은 anode-to-cathode 전압임. 하지만 우리는 cathode-to-ground 전압도 보려고 하기 때문에 그래프의 맨 위에 적은 것 처럼 (Vk) 좌우를 뒤집어서 표기해 주면 됨. (플레이트에 전류가 흐르지 않으면 캐소드 전압이 0V가 된다는 뜻임)
일반 동작에서 캐소드 전압은 그리드 전압보다 몇 볼트 높다는 것을 알고 있지만 그냥 195V로 둘이 같다고 하겠음. 녹색 점을 보면 이미 바이어스 0V 부근에 가까이 있는데, 실제로는 캐소드 전압이 몇 볼트 더 높아야 하므로 동작점은 그래프보다는 더 높을 것임. 여기서 생기는 문제는 증폭단의 높은 플레이트 전압에 의해 캐팔이 Hot 바이어스 쪽으로 이동하게 되면서 그리드 전류를 땡기기 시작한다는 점. 이러면 앞단의 플레이트 전압을 끌어내리게 되고 캐팔단의 캐소드 전압을 올리게 됨. 이러다가 언젠가는 균형점에 도착해서 그리드 전류가 더 이상 증가하지 않을 정도의 바이어스 지점에 멈추게 될 것임. 다른 말로 하자면 그리드 전류가 계속해서 캐팔로 흐르게 되는데 실험을 해보면 0.4mA 정도로 흐르는 것을 볼 수 있었음.
위의 이야기가 왜 이 회로가 “잘못” 설계되었는지에 대한 두 번째 이유임. 우리는 ECC82같이 더 작은 플레이트 저항값을 가지는 관을 썼어야 함. 그러면 그리드 커브가 더 서게 되고 “normal” 바이어스가 걸렸을 것임. 다른 방법이 있다면 캐팔의 부하 저항을 키웠어야 함. 위의 로드라인에서 보면 220K 같은 경우임.이러면 -0.75V 정도에서 바이어스가 정상적으로 걸렸을 것임.
아무튼 “잘못” 설계한 탓에 캐팔이 앞단의 전류를 계속 까먹고 있는 회로를 얻었는데, 그래서 뭐? 정현파의 x축 아래 부분이 증폭단을 지나갈 때는 캐팔의 그리드 전압이 “일반” 영역으로 가서 그리드 전류가 흐르지 않게 됨. 하지만 정현파의 y축 윗 부분이 증폭단을 지나갈 때는 그리드 전압이 더 올라가서 더 많은 그리드 전류가 흐르게 됨. 그러면 증폭단의 플레이트 전압이 줄어들게 되어서 아래와 같은 파형이 되고 이 결과로 큰 2차 배음이 만들어지게 됨.
이런 현상은 오직 DC coupled 캐팔로만 얻을 수 있고, 이걸 얻기 위해서 고출력 기타 앰프에 DC 캐팔이 그렇게 많이 사용되는 것임. 너무 많은 고차 배음을 가진 신호를 “warm up” 해주게 되고, 좀 fuzzy한 사운드를 rich, creamy distortion 사운드로 바꿔줌. 그 효과를 더 키우려면 캐팔의 부하 저항을 줄이면 됨. 위에 20Vpp 1KHz 정현파 측정이 나와 있는데 100K 대비 47K가 더 큰 왜곡을 만드는 것을 볼 수 있음. 이 때의 전류는 0.8mA 정도임. 괜히 커플링 캡 비싼거, 카본 콤포지트 저항 비싼거 찾아다닐 필요가 없음.
위의 파형은 20Vpp, 1KHz 출력인데 gain stage의 그리드 입력을 반전해서 좀 줄인 후 겹쳐놓은 것임. x축 위의 부분만 영향을 받는 것을 볼 수 있고, 부하 저항을 줄이면 더 찌그러지는 것을 볼 수 있음.
이 회로가 원저자의 최애 회로인데 추가된 저항과 다이오드는 톤에 영향을 주지 않음.
유용한 “Mod”
기타 앰프에서는 tone stack 앞에 DC coupled 캐팔 회로를 흔하게 볼 수 있는데, 문제점이 하나 있음. 아직 캐소드가 cold인 start up 도중에 그리드는 즉시 HT까지 올라가버림. 이 문제는 1N4007같은 정류 다이오드와 저항을 그리드와 캐소드 사이에 넣어주면 해결됨 (그림 a.) 이렇게 해주면 캐소드를 수십 V 이내로 잡아줌. 일단 열을 받으면 캐소드가 그리드보다 더 전압이 올라가므로 다이오드가 연결을 끊게 되므로 없는 것이나 마찬가지가 됨. 저항을 넣은 이유는 기타 앰프에서 회로를 혹사시키는 세팅으로 갈 때 혹시 있을지도 모르는 스위칭 노이즈를 제거하기 위한 것으로 하이파이 앰프는 그럴 일이 없으니 빼도 됨.
다이오드가 동작을 멈추게 되는 상태는 캐패시터와 좀 비슷한 일을 하게 되는데 10pF 단위의 캐패시턴스임. 물론 걱정할 필요는 없는 것이 그리드와 캐소드 사이의 캐패시턴스는 follower의 open-loop gain으로 나눈 값이므로 1pF 보다 작아질 거임.
b.는 다른 형태의 해결책인데 일반적인 neon 전구를 사용하는 것임. 그리드-캐소드 사이의 전압이 약 90V를 넘어가면 네온 전구가 나서게 됨. 물론 90V라는 값은 ECC88처럼 그리드-캐소드 간격이 매우 좁은 고 gm 관에서는 좀 안괜찮을 수도 있음.
Bootstrap for more gain
캐팔은 임피던스 버퍼처럼 동작하므로 이것을 앞단을 bootstrap 하는 용도로 쓸 수도 있음. 앞단의 플레이트 저항을 같은 값의 둘로 나눠서 캐팔단의 캐소드에 커패시터를 통해 연결해주는 것임. 그러면 캐팔단은 R2 값을 bootstrap 해서 (곱하기 뻥튀기해서) 이게 CCS처럼 보이게 만듬. 그러면 앞단의 gain이 증가해서 mu 값에 가까울 정도가 됨. 그리고 또 하나의 이점은 캐소드 바이패스 캡을 안 달아도 gain이 ECC83인 경우 85~90배에 달하게 됨. 바이캐스 캡이 없으면 blocking distortion이 줄어들고 오버드라이브 사운드에서 “fizzy”한 소리가 더 crunch 해지는 이득이 있음. 한 번 해보시기 바람.
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