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오디오 앰프는 어떻게 작은 신호를 크게 증폭시키나요?
스피커에 연결하는 앰프가 마이크나 플레이어의 약한 신호를 큰 소리로 증폭한다고 배우는데, 연산증폭기가 어떤 원리로 신호를 왜곡 없이 증폭시키는 건지 궁금합니다.
2개의 답변이 있어요!
이 질문이 재미있는 게, 앰프를 작은 소리를 크게 만드는 기계로만 배우면 오히려 이해가 막힙니다. 실제로 앰프 안에서 벌어지는 일은 증폭이라기보다 조절에 가깝습니다. 전원부가 이미 큰 힘을 만들어 놓고 있고, 입력 신호는 그 힘을 얼마나 흘려보낼지 정하는 수도꼭지 손잡이 역할만 하는 겁니다. 손잡이를 돌리는 힘은 아주 작지만 쏟아져 나오는 물줄기는 세잖아요. 그 물의 근원은 손잡이가 아니라 수도관이고요.
그래서 앰프를 뜯어보면 부피의 절반 이상이 전원부입니다. 큼직한 트랜스와 통조림만 한 평활 콘덴서가 자리를 다 차지하죠. 저도 예전에 저가형 앰프를 쓰다가 드럼 킥이 들어가는 순간 저음이 힘없이 뭉개지는 걸 겪었는데, 원인은 스피커나 증폭 소자가 아니라 순간적으로 전류를 못 대주는 전원부였습니다. 카탈로그에 적힌 출력 숫자보다 전원부에 여유가 있느냐가 체감을 더 좌우합니다.
왜곡 없이 증폭된다는 부분이 사실 이 질문의 핵심인데, 증폭 소자 자체는 원래 정직하지 않습니다. 트랜지스터든 진공관이든 입력을 두 배 넣는다고 출력이 정확히 두 배로 나오지 않아요. 온도에 따라 변하고 개체마다 다르고, 신호가 커지면 특성 곡선이 휘어버립니다. 소자만 놓고 그냥 쓰면 왜곡이 몇 퍼센트씩 나옵니다.
이걸 잡아주는 장치가 부귀환, 그러니까 네거티브 피드백입니다. 출력의 일부를 다시 입력 쪽으로 되돌려서 원래 신호와 비교하게 만들고, 그 차이만큼만 증폭하는 구조예요. 연산증폭기는 혼자 있을 때 이득이 십만 배 수준으로 터무니없이 높은데, 이 과도한 이득을 일부러 피드백으로 깎아 씁니다. 그러면 소자가 만들어낸 오차가 그 이득 비율만큼 눌려서 귀에 안 들릴 정도로 작아집니다. 힘만 센 사람에게 정밀 작업을 시키되 눈금자를 계속 확인하게 시키는 것과 비슷합니다.
그래서 연산증폭기 회로는 두 가지만 기억하면 대부분 풀립니다. 하나는 출력이 두 입력 단자의 전압을 같게 만들려고 알아서 움직인다는 것이고, 둘은 입력 단자로 흘러 들어가는 전류가 거의 없다는 것입니다. 이 두 가지를 적용하면 증폭 배율이 소자 성능이 아니라 저항 두 개의 비율로 정해져 버립니다. 비반전 구성이면 피드백 저항을 접지 쪽 저항으로 나눈 값에 1을 더한 것이 그대로 배율이 되죠. 부품 편차나 온도에 잘 안 흔들리는 이유가 여기 있습니다.
다만 마이크 신호를 키우는 일과 스피커를 실제로 울리는 일은 성격이 완전히 다릅니다. 앞단은 전압을 키우는 일이라 연산증폭기가 잘 하지만, 스피커는 전류를 왕창 먹습니다. 8옴 스피커에 100와트를 넣으려면 대략 28볼트에 3.5암페어가 필요한데, 흔한 연산증폭기는 이 정도 전류를 못 뱉어냅니다. 그래서 뒤에 큰 출력 트랜지스터가 붙어서 전압 모양은 그대로 두고 힘만 실어주는 역할을 합니다. 프리앰프와 파워앰프가 따로 나뉘어 있는 이유가 이겁니다.
그럼 피드백을 많이 걸수록 좋으냐 하면 그것도 아닙니다. 신호가 회로를 한 바퀴 도는 데 시간이 걸리다 보니 높은 주파수에서 위상이 밀리고, 심해지면 앰프가 스스로 발진합니다. 급격하게 변하는 신호를 출력이 따라가지 못해서 생기는 왜곡도 있어서, 일부러 피드백을 적게 걸거나 아예 안 거는 설계도 존재합니다. 진공관 앰프 소리가 따뜻하다는 흔한 말도 결국 이 설계 차이에서 나오는 배음 성분 이야기예요.
실사용에서 제일 조심해야 할 건 클리핑입니다. 전원 전압이 감당하는 높이를 신호가 넘어서면 파형 꼭대기가 그대로 잘려 나가고, 이때 원래 없던 고주파 성분이 잔뜩 생깁니다. 그 성분이 트위터 쪽으로 몰리기 때문에, 작은 앰프를 한계까지 볼륨 올려 쓰는 편이 큰 앰프를 여유 있게 쓰는 것보다 스피커에 훨씬 위험합니다. 소리가 지저분하게 갈라지기 시작하면 볼륨을 줄이는 게 맞습니다.
마지막으로 스펙 보는 팁을 하나 더 드리면, 왜곡률 수치는 어느 출력에서 어느 주파수로 측정한 값인지 조건이 함께 적혀 있는지 확인해 보세요. 조건 없이 숫자만 큼직하게 적어 놓거나 순간 최대 출력만 강조한 표기는 비교 기준으로 쓰기 어렵습니다. 정격 출력이 몇 옴 부하에서 몇 채널을 동시에 구동했을 때 값인지도 같이 보시면, 실제로 내 스피커를 제대로 울려줄 물건인지 훨씬 정확하게 가늠할 수 있습니다.
채택된 답변오디오 앰프는 여러가지 방식을 사용합니다
흔히 요즘에는 클래스A 클래스AB 클래스B 클래스D 앰프등이 활용됩니다
기본적으로는 트랜지스터라는 전자부품을 활용합니다
그 밖에 진공관도 여전히 hi fi 시장에서 많이 사용되고요
간단하게 원리를 정리해주면
Class A: 출력소자가 항상 켜져 있음. 왜곡이 적지만 효율이 낮고 발열이 큼. 고급 Hi-Fi에 사용.Class AB: A와 B의 절충. 음질·출력·효율의 균형이 좋아 전통적인 Hi-Fi 앰프에서 가장 흔함.
Class B: 두 출력소자가 파형의 절반씩 담당. 효율은 좋지만 crossover distortion 때문에 Hi-Fi에서는 잘 안 씀.
Class D: 트랜지스터를 빠르게 ON/OFF하는 스위칭 방식. 효율 90%+, 작고 발열 적고 고출력. 요즘은 Hi-Fi에서도 음질이 매우 좋음.
진공관(Tube): Class와는 별개의 구분. 진공관을 증폭소자로 사용하며 Class A 또는 AB로 만들 수 있음. 발열·전력소모가 크고 출력은 상대적으로 낮지만, 특유의 따뜻하고 부드러운 왜곡 특성을 선호하는 사람이 많음.