앰프; Amplifier

프리앰프

 

 

 

파워앰프

믹서 다음단에 위치하여 라인레벨 시그널을 증폭하여 스피커를 통해 큰 소리로 만들어주는 장치이다.

파워앰프와 믹서가 결합된 일체형 앰프도 있다.

증폭 소자에 따라 진공관 앰프와 TR 앰프로 분류하며, 이 둘을 절충한 것을 하이브리드 앰프라고 한다. Live나 Recording Studio 환경에서는 주로 TR앰프가 주로 사용된다.

증폭시 바이어스 제어방식과 신호처리 방식에 따라 class 가 나뉘며, Class A, Class AB, Class C, Class D로 나뉜다.

Class A

입력된 시그널을 선형구조로 변형 없이 출력하는 방식이다.

입력이 없어도 계속 전력을 소비하며 소리를 낼 때보다 작동 대기 중인 TR 앰프의 소비전력이 더 높을 때도 있다.

Class B

음향 시그널이 없을 때는 전혀 전력을 소비하지 않으며 출력이 증가할수록 소모전류가 높아지는 비선형 구조로 전력 효율성에서는 Class A보다 좋다.

대부분의 Class B 앰프는 Class A 앰프보다 음질이 좋지 않다.

휴대용무선기기의 전반이 채택하는 증폭방식이다.

Class AB

시그널이 없을 때는 Class B와 같이 전력소모가 없다가 시그널이 발생하면 Class A처럼 선형적으로 출력하는 구조로 Class A와 B의 장점만 모은 효율적인 방식으로 오디오에서는 현재까지 가장 좋은 방법이다.

대부분의 음향앰프가 이 방법을 채택하고 있다.

Class D

스위칭 방식의 증폭방식으로 TR 혹은 FET 혹은 IGBT소자로 만들어진다.

음량에 대한 소비전력제어기능(PWM; Pulse Width Modulation 방식) 때문에 에너지 효율이 좋지만 음질이 Class A, Class B, Class AB와 비교해 않좋다.

PWM
펄스의 넓이를 사용해서 변조를 하는 방식

제한된 스위칭 속도 때문에 입력 주파수가 높아질수록 출력 파형이 심하게 왜곡되어 고음역대의 손실이 크다.

전력소비에 민감한 휴대용 기기의 외부스피커용 앰프나 서브우퍼, 미드레인지용 앰프, 혹은 SR처럼 아주아주 높은 출력이 필요할 때 사용된다.

그러나 2020년 현재 기술로 만들어진 Class D를 채택하고 있는 고급 앰프의 경우 음질의 한계를 극복하여 고출력 앰프 시장에 주류를 이루고 있다.

이와 같은 고출력 앰프 중에 어떤 앰프는 입력 레벨이 따라서 출력을 가변적으로 사용하며, 불필요한 열화를 방지하여 에너지 효율을 높인 Class H로 구분된다.[3]

파워 앰프 출력 사용법

노멀 접속과 BTL 접속 / 출처 : 음향영상 설비메뉴얼 2007~2008 111p

노멀; Stereo

앰프의 2채널을 각각 사용하는 경우를 말한다.

개별 모노로 사용하거나 스테레오로 활용한다.

BTL 접속의 예 / 출처 : 음향영상 설비메뉴얼 2007~2008 111p

BTL(Mono Bridge Tied Load; 병렬 브릿지)

 

위상이 반전된 파형을 두 개의 앰프에 넣어 스피커에서 합쳐지도록 연결하는 방법이다.

스피커에 공급할 수있는 전력이 증가해도 증폭기의 총 가용 전력은 증가하지 않는다.

이렇게 사용하면 약 3배~4배 정도 출력이 증가하고 음질도 향상된다.

브리지 앰프의 경우 감쇠 계수(Damping Factor)가 절반으로 줄어 든다.

브리지 출력은 플로팅이므로 절대 접지해서는 안된다. 그렇지 않을 경우 앰프가 손상될 수 있다.

병렬 증폭기 구성의 대표적인 회로도 / 출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Bridged_and_paralleled_amplifiers

두 개의 증폭기가 동일한 전원 공급 장치를 사용하여 반대 극성으로 사용되기 때문에 증폭기와 부하 사이에 DC 차단 커패시터를 사용할 필요가 없으며 비용과 공간을 절약하고 커패시터로 인해 저주파에서 전력 감소가 없다.

그러므로 이 방법은 두 채널이 서로 완벽하게 위상이 맞아야해서 하나의 스테레오 앰프에서 주로 사용한다.

일반적으로 앰프에서 BTL기능을 지원하는 경우에 이 기능을 선택하면 내부의 회로에서 접속이 바뀐다.

스피커는 위의 그림과 같이 앰프의 +단자에만 연결해야 한다.[5]

서브 우퍼 앰프에 자주 사용하는 방식이다.[4]

 

Q&A

Q : Class A, B, A/B, C, D 는 뭔가요?

A :

오디오 앰프 클래스 구분 (A클래스 / AB클래스 / B / D클래스..?)

4Ω 파워앰프로 6Ω 또는 8Ω의 스피커를 사용할 수 있는가?

파워앰프의 임피던스 값은 사용 가능한 최소 임피던스 값이며 그 값 이상의 스피커를 사용할 수 있으며, 그 이하 임피던스 값의 스피커를 사용 할 경우 앰프가 손상될 위험이 높다.

예를 들어 4Ω, 100w 파워앰프에 6Ω 스피커을 연결하면 대략 75w 정도 출력되고 사용이 가능하지만, 반대로 8Ω의 파워앰프에 4Ω 스피커를 사용하면 앰프에 과부하가 걸리고 손상 될 위험이 있다.

8Ω 스피커는 한 주파수 범위에서 2Ω의 임피던스를, 다른 주파수 범위에서는 20Ω의 임피던스를 가질 수 있다. 이렇게 임피던스 값은 주파수마다 다르며 정확하지 않다.

파워앰프는 일반적으로 다양한 임피던스 (예를 들면 4~8Ω, 4~16Ω, 2~16Ω 등)에서 작동하도록 설계된다.

댐핑 팩터(Damping Factor, 감쇠 계수)^[1]

오디오 시스템에서 댐핑 팩터는 소스 임피던스에 대한 라우드 스피커의 정격 임피던스 비율을 의미하는 계수이다. 라우드 스피커 임피던스의 저항 부분에만 적용되는 앰프 제품 사양 중 하나이다.

여기서 소스 임피던스의 기준은
파워앰프의 저항성과 연결된 케이블의 임피던스가 포함된다.

댐핑 팩터의 계산식은 다음과 같다.

Z_load : 부하 임피던스

Z_source : 소스 임피던스

댐핑 팩터 DF = Z_load / Z_source

소스 임피던스 Z_source = Z_load / DF

라우드 스피커 시스템에서 특정 라우드 스피커와 특정 증폭기 사이의 댐팽팩터 값은 스피커 시스템의 공진 주파수 근처에서 스피커 콘의 불필요한 진동을 억제하는 증폭기의 능력을 수치로 표시한다. 일반적으로 저주파 스피커 드라이버에서 사용되며, 특히 자력을 이용하여 다이어프램을 움직이는 전기 역학 스피커 드라이버의 경우에 사용된다. 

다이어프램의 질량과 바깥쪽의 강한 자력으로 인해 스프링(반동 시스템)과 같은 운동성이 있어 앰프로부터 온 오디오 시그널의 전기 신호(예를 들면 펄스)에 의해 기계적인 콘 진동 후 관성(운동상태를 지속하려는 성질)에 의한 잔여 진동이 파생될 수 있다. 보이스 코일이 있는 드라이버는 콘과 서스펜션에 코일이 부착되어 있고 그 코일이 자기장에 잠겨 있기 때문에 전류 발생기 역할도 한다. 코일로 인해 발생한 진동은 파워앰프와 같이 전기적으로 연결된 장비에서나 볼 수 있는 전류가 발생된다. 실제로 파워앰프의 출력 회로는 "보이스 코일 전류 생성기"의 주요 전기 부하이기도 하다. 부하의 저항이 낮으면 전류(A; 암페어)가 커지고 음성 코일이 더 강하게 감속된다. 높은 댐핑 팩터 (앰프 출력에서 낮은 출력 임피던스를 필요로 함)는 스피커의 기계적 진동에 의해 유도된 원치 않는 원뿔 형태의 움직임을 매우 빠르게 억제(댐핑)하여 보이스 코일 모션에서 "브레이크"와 같은 역할을 하게 된다. 일반적으로 (보편적이지는 않지만) 음성 코일 동작을 보다 엄격하게 제어하는 것은 더 좋은 음질에 기여하는 것으로 여겨지기 때문에 바람직하다고 생각된다.

댐핑 팩터 숫자(값)가 높으면 증폭기 특히 스피커 드라이버의 기계적 공진의 공진 주파수 주변의 저음 영역에서 스피커 콘의 움직임을 더 잘 제어할 수 있음을 의미하는 것이다. 그러나 드라이버 보이스 코일은 주파수에 따라 값이 달라지는 복잡한 임피던스를 갖고 있기 때문에 특정 주파수에서 댐핑 팩터가 달라진다. 또한 모든 보이스 코일의 전기적 특성은 온도에 따라 변한다. 높은 전력 레벨은 코일 온도를 증가시켜 저항을 증가시킨다. 마지막으로, 패시브 크로스 오버 (비교적 큰 인덕터, 커패시터 및 저항으로 구성됨)는 앰프와 스피커 드라이버 사이에 있으며 주파수에 따라 달라지는 방식으로 만들어져 있어 댐핑 팩터 값에도 영향을 미칠 수밖에 없다.

오디오 파워 앰프의 경우 이 소스 임피던스(또한 출력 임피던스)는 일반적으로 0.1 Ohm (Ω) 보다 작으며 드라이버 보이스 코일의 관점에서 거의 단락(쇼트, 합선)이 발생한다. 라우드 스피커의 공칭 부하 임피던스(입력 임피던스)는 일반적으로 약 4 ~ 8Ω이지만 다른 임피던스 스피커를 사용할 수 있으며 경우에 따라 1Ω 까지도 낮아질 때가 있다.

댐핑 회로

움직이는 보이스 코일에 의해 생성된 전압은 다음 세 개의 저항을 통해 전류로 흐른다.

• 보이스 코일 자체 저항

• 상호 연결 케이블 저항

• 앰프의 출력 저항

보이스 코일 저항의 영향; Effect of voice coil resistance 

이는 출력 변압기를 사용하지 않는 증폭기의 출력 회로에 있는 다른 저항보다 값이 크기 때문에(일반적으로 4 ~ 8Ω 사이) 전기적으로 달성할 댐핑의 양을 제한하는 핵심 요소이다(시장에 나와있는 거의 모든 Solid-State 앰프의 경우).

Solid-State; 솔리드 스테이트
반도체 부품이나 집적회로(IC) 등 고체 접합에 기초한 반도체들을 지칭하는 용어이며
과거에는 회로를 제작할 때 진공관 등 비고체 성 소자로 만들었었기 때문에 그에 반대되는 의미로 사용하게 된 용어이며 특별히 깊은 의미가 있는 용어는 아니다.
참고로 솔리드 스테이트는 전력 소비량 ·발열량이 적고, 진동에 강할 뿐 아니라 수명이 길며 스위치를 넣으면 즉시 작동하는 등 이점이 많아 소형의 간편한 휴대용 기기로서 아주 적당하다. 따라서 휴대용 라디오나 테이프 리코더, 소형 텔레비전 수상기 등은 거의 모두 반도체화, 즉 솔리드 스테이트로 되어 있다.^[2]

라우드 스피커의 플라이백 전류는 증폭기 출력 회로뿐만 아니라 라우드 스피커 자체의 내부 저항을 통해서도 소실되므로 같은 종류의 앰프에 다른 종류들의 스피커들을 연결하면 다른 댐핑 팩터가 발생한다.

플라이백; Flyback
날아서 원래 있었던 자리로 되돌아온다는뜻으로 피드백을 의미하는 형용사이다.

케이블 저항의 영향; Effect of cable resistance

댐핑 팩터는 스피커 케이블의 저항에 어느 정도 영향을 받는다. 스피커 케이블의 저항이 높을수록 댐핑 팩터 값이 낮아지는데 이런 현상을 전압 브리징(Voltage Bridging)이라 한다.

앰프 출력 임피던스; Amplifier output impedance

왜곡을 제어하기 위해 상대적으로 높은 수준의 네거티브 피드백을 사용하는 최신 솔리드 스테이트 앰프는 매우 낮은 출력 임피던스(피드백 사용의 많은 결과 중 하나)를 가지고 있다.

네거티브 피드백; Negative feedback; Balacing feddback
시스템, 프로세스 또는 메커니즘 출력 기능 중 하나로 입력의 변화 또는 다른 장애로 인해 발현되는 출력 변동을 줄이는 기술^[2]

따라서 높은 댐핑 팩터 값 그 자체로는 시스템의 품질을 대변할 수 없다. 대부분의 최신 앰프들은 이런 기능(네거티브 피드백)이 있음에도 불구하고 앰프마다 품질이 서로 다르다. 댐핑 팩터 값이 높은 스피커가 반드시 더 좋은 것은 아니다.

Spec Mnl Xti2 Operation 06-12 by heinhome

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참조 및 출처

[1] en.wikipedia.org/wiki/Damping_factor

[2] en.wikipedia.org/wiki/Negative_feedback

[3] namu.wiki/w/%ED%8C%8C%EC%9B%8C%EC%95%B0%ED%94%84

[4] en.wikipedia.org/wiki/Bridged_and_paralleled_amplifiers

[5] 음향영상설비메뉴얼 2007~2008, SRmusic

[6]

 

 

 

 

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참고서적

Damping_factor by EAW by heinhome

PCB Power Driver & Powe... by Yetrox on Scribd

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Power Amplifiers With Valves by Alowfera on Scribd

Hand Book of Tube by Luciën Jansen on Scribd

Valve & Amplifier Desig... by Valve Data on Scribd

Stereo Tube Amplifier by Jefri Erlangga on Scribd

RadioCraft Library Tube Amp... by Kevin Haworth on Scribd

Williamson 1952 the William... by kimbalsummers801 on Scribd

Williamson Amplifier by aallstars on Scribd

Practical Amplifier Diagrams by Sandipanni Bhardwaj on Scribd

143 Tube Amplifier Schemati... by ettorreit on Scribd

Tubes Audio Design Handbook by paullvalery on Scribd

12AX7 6V6 Single Ended Clas... by Oz Heat on Scribd

Valve & Amplifier Desig... by Valve Data on Scribd

The Vintage Valve Amp by agusjakaswara on Scribd

Mullard Circuits for Audio ... by Richard Smith on Scribd