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앰프이야기-2

swooya|2008.01.06 21:24

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출력 소자의 특성 운운하며 트랜지스터가 진공관이나 FET 보다 디스토션이 큰 것처름 이야기하나, 이는 잘 못된 이야기입니다. 회로에서는 드라이브단이 거의 전류원으로 동작하여 출력 에미터 팔로어의 전류증폭률로 게인이 나타나나, 실제 출력 에미터 팔로어의 입력단에 대한 출력의 디스토션은 진공관 증폭기에 비해 수십 분의 일정도로 작습니다. 이 특성을 이용하여 NFB 없이도 0.1%정도의 THD를 가지는 앰프를 만들 수 있습니다.
출력단을 FET를 사용할 경우는 FET는 Second Breakdown이 없어 파괴에 강하고, 다수 전하 소자이기 때문에 사람이 들을 수 없는 고주파 신호의 연속적인 대 신호를 증폭해도 전하 축적에 의한 파손이 없다는 것 외는 음질적인 장점은 없을 것입니다.

Slewing Rate는 시간당 신호의 변화량이 제한 되는 것으로 앰프의 일부 증폭소자가 포화영역 또는 차단영역으로 들어 가버리는 현상입니다. 모든 앰프는 Slewing Rate의 제한이 있습니다. 일반적인 앰프에서는 위상 보정용 캐패시턴스(콜렉터 캐패시턴스를 포함하여)와 전단의 전류공급 능력에 의해 Slewing Rate의 제한이 생깁니다. 8옴 부하에서 100W의 앰프에서 100KHz신호를 최대출력을 내기위해 약 25V/uSec 이상의 Slewing Rate 특성을 가지고 있어야 합니다. 이 정도는 현대적인 트랜지스터로 쉽게 달성할 수 있습니다(빠르다고 자랑하는 앰프들은 100V/uSec 를 넘습니다). (유럽 지역에서는 전파방해방지를 위해 150KHz 이상의 전파신호를 증폭해서 안되기 때문에 대부분의 앰프는 100KHz이하에서 강제적으로 고주파신호를 차단하고 있습니다.)

Current Feedback(CF) 형 앰프는 게인과 주파수 특성의 곱에 무관하고, 디스토션과 Slewing Rate가 좋은 장점은 있지만 DC 중점 전압, 잡음, CMRR/PSRR 등에서 약점이 있어 Slewing Rate 가 거의 문제가 없는 현 시점에서는 소수의 앰프에서만 적용되고 있습니다.

앰프는 Earth를 시키지 않아도 됩니다. 어쓰는 안전을 위한 것이며 잡음과는 무관합니다. 앰프는 이중절연 조건에 맞게 설계가 되어 어쓰할 필요가 전혀없습니다. 그라운드 안된 PC를 비롯한 사무기기에 연결할 경우 약한 전기쇼크가 올 수 있으나, 이는 PC가 어쓰 되어야 하기 때문입니다(그라운드에 연결된 전원 콘센트에 연결하기).
Phono 단에 턴테이블을 연결할 때 앰프의 그라운드에 연결하는 것은 턴테이블의 암과 헤드쉘을 앰프의 그라운드에 연결하여 험을 줄이기 위한 그라운드와 차폐 기술에 관한 것으로 앰프자체의 어쓰와는 상관이 없는 것입니다.

진공관 앰프는 부품을 쉽게 바꿀 수 있어 남과 다른 무었을 찾는 오디오파일이라는 사람들의 취향에 맞아서 살아남은 제품입니다. 점점 도를 더해 가는 깡통 음악(옛날 사람들은 실연주 음악과 차이를 두기 위해 이렇게 오디오 음악을 분류했습니다만 지금은 컴퓨터 음악의 발달로 반대입장이 된 것 같기도 합니다)에 대한 반발일 수도 있겠다는 생각도 듭니다.
그러나 진공관 앰프의 물리적 특성중 현대적인 트랜지스터 앰프 보다 우수한 점은 없습니다. 단지 몇몇 사람들이 취미로 듣기에는 좋겠지요. ‘지금 기술로는 측정을 못하는 구동력’이 트랜지스터 보다 좋다는 것 등등의 소리를 내는 것은, 물리 용어를 훔쳐서 새로운 정의도 않고 감성적 자극 만으로 사용할려는 행위로, 과학 특히 물리학을 근본적으로 부정하는 행위입니다.
스피커를 움직이는 구동력은 고등학교 물리책에 잘 나와 있는 공식에 의해 보이스 코일에 흐르는 전류와 자계의 Vector 곱에 보이스 코일의 길이를 곱해 준 것으로 정의 되며, 파워 암프의 출력 전력에 의해 보이스 코일에 흐르는 전류가 결정 됩니다. 스피커에서는 자기를 움직이는 전력이 진공관에서 나오는 것인지, 트랜지스터 앰프에서 나오는 것인지를 알아내는 지능이 있을 수가 없습니다. A 급, B급 앰프에서 나오는 전력을 구분할 수 있는 지능도 있을 수 없습니다. 같은 파형의 같은 전력을 출력단의 종류와 동작 형태에 따라 효과가 다르다는 것은 물리학을 부정하는 종교의 광신도들의 경전 소리로만 들립니다.



앰프의 구조, OP AMP의 특성, 네가티브 피더백(NFB) 이론 등을 설계에 관한 것을 제외하고는 대충 다루어 본 것 같습니다.
오래 전에 올렸던 잡음에 관한 글을 찾아 앰프에 관한 부분만을 수정하여 다시 올립니다. 앰프의 구매시 제일 중요하게 생각해야 하는 것이 잡음입니다. 잡음이 작은 앰프가 좋은 앰프로 보시면 됩니다. 조용한 조건에서, 고효율 스피커에 연결하여, 스피커에 귀를 대어 들어 보는 것이 좋습니다.



앰프 내부에서 발생하는 잡음은 전자 소자 자신이 만드는 잡음과 회로간의 간섭에 의한 잡음이 있습니다.

내부에서 발생 되는 잡음은 회로 설계와 소자의 선택에 관계되며, 내부 회로간의 간섭 잡음과 외부에서 들어오는 잡음은 배선 처리와 회로 부품 위치선정과 PCB 패턴과 차폐와 그라운드 처리와 Decoupling 기술에 관계 됩니다.

소자에서 발생하는 잡음의 대표적인 것이 Thermal Noise(열잡음)과 Shot Noise와 Excess Noise 와 Popcorn Noise 등등이 있습니다.

열잡음은 저항값과 절대온도값과 대역폭을 곱한 값의 제곱근에 비례하는 전압이 저항체에서 발생하는 잡음으로 ‘쏴~~’ 하는White Noise(백색 잡음) 잡음입니다. 보통 섭씨 27도에서 1옴, 1 Hz 대역에서 0.13nV 정도 발생합니다. 열잡음은 저항에서 전자의 움직임에 의해 생기는 잡음으로 온도에 따르는 백색 잡음으로 이론적으로 피할 수 없는 잡음입니다. 오디오에서는 Phono단 외는 보통은 문제가 되지 않으며, 줄이는 유일한 방법은 낮은 온도에서 동작 시키는 것입니다.

Shot Noise는 Potential 이 있는 접합부에 흐르는 전류에 비례하여 나오는 잡음으로 반도체 소자에서의 주 잡음이며 백색 잡음에 가깝습니다.

Excess Noise는 전자 소자(저항기, 트랜지스터, 전자관, 다이오드)에 흐르는 전류에 어느 정도 비례하는 1/f잡음으로, 오디오에서는 ‘쏴~~와글 와글~~’ 하듯이 웅얼거리는 소리 같은 잡음입니다. 소자마다 발생 원인이 차이가 있으나, 주로 불완전한 접촉에 의해 발생하는 잡음입니다. 진공관, 저항기의 주 잡음으로 금속 피막 저항이 탄소 저항 보다 잡음이 작다는 것이 이 잡음이 작다는 것입니다.

Popcorn 잡음은 Burst성의 잡음으로 ‘뽀륵 뽀륵’ 하는 소리가 나는 잡음으로 오디오에서는 주로 IC(진공관에서의 flicker noise ??)에서 생깁니다. 반도체에서는 대부분이 생산 공정의 문제로 발생 되며, 근래의 IC에서는 문제없을 정도의 개선이 되었습니다.

내부 회로간 간섭에서 생기는 대표적인 잡음은 웅~~ 하는 험과, 찌~~ 하는 정류 회로에서 발생하는 험의 일종인 전원주파수의 고조파와, 입력선택 단자간에서 생기는 간섭과, 채널간의 크로스토크 등등이 있습니다.

내부 회로간의 간섭으로 발생하는 잡음은 소자에서 보면 외부에서 들어오는 잡음과 같습니다. 이 잡음은 전자파의 차폐와 그라운딩 기술과 Decoupling 기술에 의해, 회로 서로 간의 간섭을 막는 것으로 해결합니다.

기타의 잡음으로는 볼륨 등을 움직일 때의 섭동 잡음과 스위치에서 나오는 과도 잡음이 있습니다. 이러한 잡음도 부품 한 두개를 추가하면 개선시킬 수 있는 문제입니다.

외부에서 유입되는 잡음으로는 험과 라디오파와 전선을 통해 유입되는 잡음이 있습니다.
험은 전기기의 전력을 공급하는 전원의 교류전류 또는 그 배수 주파수의 전류가 신호에 유입되는 웅~~ 또는 찌~~ 하는 잡음입니다.
라디오파 잡음의 대표적인 것은 튜너 없는 앰프에서 라디오나 TV의 음성이 나오는 현상으로 웬만큼 잘 못 만든 앰프가 아니면 나오지 않습니다.

전선을 통한 것의 대표적인 것이 전원선의 험과, 전원선에서 나오는 냉장고 등 전기 제품이 켜지거나 꺼질 때 띡띡하는 소리가 나는 잡음과, 형광등에서 나오는 찌~~ 하는 전원 주파수의 고조파 잡음과, 잘 못 만든 PC 와 같은 콘센트에 연결된 암프에서 PC의 동작에 관련된 잡음이 들리는 경우 입니다.

입력 되는 신호에 포함된 잡음의 대표적인 것은 테이프의 히스 잡음과 LP 디스크의 스크레치와 럼블 잡음입니다. 이 잡음은 앰프 입장에서는 신호와 동일 합니다. LP시대의 앰프에는 스크레치와 럼블을 각각 억제하기 위한 필터가 있었지만 근래의 앰프에서는 대부분 생략 되고 있습니다.

메인 앰프(파워 앰프) 잡음

메인 앰프의 잡음은 자체의 험과 잡음, 연결문제로 발생하는 험이 있습니다. 메인 앰프의 입력 감도가 보통 1~5V에서 최대 출력이 나오게 설계되어 있어 대부분이 큰 문제가 없습니다.
다만 스피커 가까이에서 들으면 잘 못 설계된 것에서 (특히 다른 기기와 연결 시) 웅~또는 찌~하는 험 잡음이 들릴 수 있고, 대출력 앰프나 이상하게 설계된 앰프에서 솨~하는 잔류 잡음이 나올 수 있습니다.

웅~~또는 찌~~하는 험은 보통 그라운드선의 처리문제가 대부분입니다. 찌~하는 잡음은 험의 일종으로 전원 공급 장치에서 다이오드로 정류되어 평활필터 콘덴서로 흐르는 전류나 형광등 등에서 발생하는 전원주파수의 고조파 성분입니다.

어떤 앰프의 완성도를 이들 험으로 판단 합니다. 이 들 잡음은 OP 앰프 구조의 앰프에서는 전적으로 그라운드와 정류회로 등의 전원 회로부와 앰프회로의 인쇄기판의 패턴 설계에 의한 것이기 때문에, 잘된 앰프는 이 들 잡음이 나와서는 안되고, 나온다 해도 거의 들리지 않는 크기로 각 채널에 같은 크기로 나와야 합니다. 앰프의 금속 손잡이나 금속 부위에 손을 댈 때 크기가 변해서는 안됩니다.

솨~하는 잡음은 대부분이 Shot Noise 입니다. 트랜지스터 앰프에서는 열잡음이 들릴 가능성은 적습니다. 차동 증폭기를 사용하는 직결 앰프에서는 잡음이 작은 저항 값(100KΩ이하)을 사용할 수 있고, 초단 저항에는 수 μA의 베이스 바이어스 만 흐르기 때문에 초단에 현대적인 저잡음 트랜지스터를 사용하는 한 Excess잡음을 최소한으로 억제 할 수 있습니다. 대출력 메인 암프가 아니면 솨~하는 잡음도 나오지 않아야 정상 입니다.

메인앰프의 잡음 측정 방법은 입력을 단락시키고, 규정 부하저항을 스피커단자에 달아 그 양단 전압을 weighting filter를 거쳐서 RMS 전압을 측정하여, 규정출력 전압과의 비를 dB로 표시합니다. 메인앰프의 잡음은 볼륨의 이후이기 때문에 스피커에서 10dB~20dB이상의 잡음이 나오지 않는 것을 확인해야 합니다.

같은 SNR에서 출력이 작은 앰프의 잡음이 작습니다.
12”급 스피커의 평균적인 효율이 93dB/Wm 정도이고, 방안에서는 96dB/Wm 정도입니다. 이 스피커에 잔류잡음이 –86dBW이하가 되어야 스피커에서 수십cm 이내 거리에서도 잡음이 들리지 않습니다. 200W 급 앰프는 SNR이 109dB 이상이 되어야 하고, 50W 급은 103dB 이상이 되어야 합니다.

위에서 언급한 잡음외 채널간 크로스토크가 있습니다. 보통 28dB이상이면 5%정도 사람이 감지할 수 있다고 조사가 되어 있습니다. 대부분의 앰프는 40dB 이상이기 때문에 감지한 다는 것이 불가능 합니다. 70년이후 생산된 트랜지터 앰프는 PSRR 이 좋아 아무런 장치 없이도 50dB~80dB의 분리도를 가져 전원을 분리한다거나 모노 블록으로 만들 필요가 전혀 없습니다. 오히려 이러한 앰프들이 그라운드처리 복잡과 미숙으로 험이 많이 나는 것을 보았습니다.

제가 잡음 문제가 크지 않는 메인 앰프를 설명 하는 이유는 트랜지스터 앰프에서는 분리형 보다 Integrated 앰프 또는 AV 앰프가 가정용으로는 최적이라는 것을 추천하는 것입니다.
괜히 큰 출력의 메인 앰프를 두면, 별로 좋지 않으면서 인티앰프보다 비싼, 왜 비싸야 하는지도 모를 프리앰프도 별도로 있어야 하고, 잘못 만든 메인 앰프의 경우 연결시 험만 크고, 열 때문에 넓게 기계들을 펼쳐 설치하거나, 좁은 장소에서는 메인 앰프를 제일 위에 설치해야 하는데(특히 CDP와 DVDP를 가열하면 디스크를 읽을 때에 에러가 납니다.), 무거운 것을 높은 곳에…위험하고, 밑에서 찌그러지는 기기들…, 여기에다 잡음도 많고, 잘못하면 순간적으로 스피커를 해먹고…, 돈 들여서 고생할 이유가 전혀 없습니다.

메인 앰프의 기계적인 잡음의 대표적인 것은 대형 전원 트랜스에서 철심이 떠는 것입니다. 오래되었거나, 전원트랜스의 전류공급능력을 자랑하는 앰프에서 많이 발생 할 수 있습니다. 보통의 경우에 트랜스를 교환해야 합니다. 조용한 밤에 스피커의 연결을 끊고 전원 트랜스가 있는 곳에 귀를 대면 전원 트랜스가 떠는 소리를 들을 수 있습니다. 일부 오래 된 앰프 중에는 철제 cover가 전원 트랜스에 붙어 떠는 소리를 내는 것도 있습니다. 이 경우는 트랜스와 cover사이에 온도를 견딜 수 있는 고무를 끼우면 소리가 안 날 수도 있습니다.

프리앰프의 잡음

프리앰프에서의 잡음은 메인앰프보다 심각합니다. 낮은 입력전압 (LINE : 150mV, PHONO MC : 0.1mV MM : 2.5mV), 큰 입력 저항 (MM : 47kΩ, LINE : 10~100kΩ) 2m 전후의 긴 연결선 등 등 잡음이 탈 수 있는 요인이 메인 보다 많습니다.

프리앰프에서도 메인 앰프와 같이 웅~ 또는 찌~ 하는 험과 솨 하는 잡음으로 나눌 수 있으며, 마찬 가지의 방법으로 SNR을 측정합니다.

프리앰프에서도 볼륨이 최저 위치에서의 잔류 잡음레벨의 크기를 테스트해 봐야 합니다.

프리 암프에서도 메인 앰프와 같이 험으로 완성도를 알아 볼 수 있습니다. 입력을 모두 연결한 채로 모든 소스의 전원을 끄고, 100W정도의 메인 앰프에 연결 하여 볼륨 최소, 최대로 한 상태에서 `웅~ 또는 찌~ 하는 소리를 들어 봅니다 이때 Bass는 최대로 놓습니다.험은 Phono위치 외에서 능률 90dB/Wm이상의 스피커에서 볼륨에 관계 없이 들리지 않아야 하며, 솨~하는 잡음만 볼륨 최대에서 귀가 스피커 1m근처까지 가야 겨우 들리고 볼륨 최소에서는 귀를 스피커에 붙여야 겨우 들리는 상태가 되어야 합니다. 헤드폰을 들어도 마찬 가지 입니다.

Phono 위치에서는 톤암을 충격을 받아도 움직이지 않게 톤암 고정핀 (Tone Arm Rest)고정 시키고 마찬가지 조건에서 Bass, 볼륨 최대 조건에서 웅~, 찌~하는 소리가 1m 거리에서 들리지 않아야 하여 손을 톤암과 턴테이블의 금속부 앰프의 전면 어느 부분을 만져도 험이 들리지 않아야 합니다. 만일 웅~하는 험이 나오면 그라운드처리 미숙이고, 찌~ 하는 험이 나오면 그라운드 처리 미숙과 회로의 배선 처리 및 PCB Pattern 미숙입니다. 전면부 또는 톤암에 손을 대면 험소리가 늘거나 줄면 그라운드 처리에서 잘 못이 있다는 증거 입니다. 라디오가 잡히면 안됩니다.

채널 분리도는 메인 앰프에서와 같이 문제가 되지 않으나, 입력간의 분리도는 심각합니다. 입력을 모두 연결 한 상태에서 CDP만 전원을 넣고 전원을 넣지 않고 연결된 입력으로 들어 보십시오. 볼륨 최대 위치에서 고음만 조금 들려야 합니다.

근래 기기간 연결을 밸란스로 연결하는 것이 유행하는 것 같읍니다. 밸란스 연결은 두 기기의 연결에서 common mode 잡음의 즉 험의 유입을 억제하는 역할을 합니다. 즉 연결선이 길 때 웅~하는 험을 억제하기 위한 것입니다. 만일 가지고 계신 앰프로 위에서 설명한 대로 실험해서 웅~또는 찌~하는 소리가 들리지 않으면 밸란스 연결은 전혀 필요 없습니다.
웅~하는 소리가 날 때는, 앰프의 입력을 모두 빼고 입력을 단락을 시켜 다시 실험을 했을 때 계속 웅~하는 소리가 나면(조금 줄 수는 있습니다) 앰프 잘 못이고 웅~하는 소리가 완전히 사라 지면 앰프의 그라운드 처리 잘못 이거나 연결선이 문제 입니다. 이 경우는 밸란스 연결로 해결 될 수 도 있습니다(그러나 저의 경험으로 가정에서는 그런 경우는 못보았습니다).

고급 연결선을 사용하는 경우도 많지만은 이러한 선의 사용도 웅~하는 험과 라디오가 나오는 것을 잡고자 하는 것이나, 저의 지식으로는 험에 대해서는 거의 효과가 없고 고주파는 라디오 중계 안테나 바로 밑 외는 효과가 없는 것으로 판단됩니다.

전원선 잡음을 줄이기 위해 필터가 달린 콘센트를 사용하는 이야기가 있군요. 전원 필터는 약 100kHz에서 30MHz정도 까지는 효과가 있습니다. 냉장고 On-Off시 나는 소리에는 효과가 거의 없고 PC 에서 나오는 라디오파에는 효과가 있습니다.
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