1. 설명
Amp (Amplifier)신호의 크기를 크게 만들어 주는 전자기기를 뜻한다. 주로 증폭기를 의미하는 앰플리파이어의 약자인 앰프라고 불린다. 전기신호 이외에도 빛이나 자기장 같은 신호를 증폭시키는 기구도 앰프라고 칭하는 경우도 있기는 하지만 보통 앰프라고 하면 주로 전기장치에 대해 다룬다.
무선통신 장비, 스피커 앰프, 센서 종류 등 출력이나 통신에 관련된 모든 전자/전기 장비에는 앰프가 들어있다고 봐도 무방하다. 외부에서 공급되는 에너지로 신호를 증폭시켜 내보내야하기 때문에 능동소자로 만들어진다. 연산 증폭기(Operational Amplifier, OP AMP), 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)와 MOSFET이 주류 소자이다. 다양한 영역에서 사용되는지라 수십 원에서 수억 원에 달하는 매우 많은 종류의 앰프들이 반도체 제조회사들에 의해 만들어진다.
2. 증폭 방식
증폭 소자의에는 입력값과 출력값이 특정한 상수나 수식에 따라 증감하는 구간이 있다.[1] 이를 선형구간이라고 부른다. 이 구간 내에서 증폭소자는 입력값들에 대해 유효한, 의도했던 출력을 발생하게 된다. 일반적인 아날로그 앰프를 설계할 때에는 소자가 선형 모드에서 동작하도록 만들어야 한다.[2]
위 이미지에서 빨간 선의 A 포인트(포화영역) 과 B 포인트(정지영역) 사이를 TR 의 선형구간이라고 부른다.
진공관의 선형구간은 Vgrid 전압에 따라 달라지나 보통은 중간 정도부터 사용하게 된다. 특유의 증폭률 차이(2차함수와 매우 유사하다.)로 인해 소리가 상당히 변화하게 된다. 이것이 빈티지 오디오에서 말하는 감성의 핵심요소다. 고가의 진공관으로 갈수록 TR 수준의 선형이 나온다.
문제는 선형 동작이 되면 출력이 없어도 입력한 전력이 대부분 열로 손실된다. 이 문제를 해결하고자 포화영역만 이용하는 D 클래스 증폭기가 생겨나게 되었다. 일부 RF 응용에서는 앰프의 선형성이 크게 중요하지 않기 때문에 Class C 같은 비선형 앰프를 사용하기도 한다. 모바일 기기 같은 경우는 소비전력을 줄이기 위해 비선형 앰프를 사용할 수 있는 변조 방식을 채택하기도 한다.
오디오와 무선의 파워앰프단은 보통 직류 양전원으로 구성하게 된다. 이는 교류 단상3선전원2)공급과 비슷하게 중간의 0V 구간을 두고 핫 와이어 2개가 대칭의 전압을 만들어내는 식이다. OPAMP 를 실험해보면 알겠지만 OPAMP 에는 +Vcc 와 -Vdd 가 있다. OPAMP 는 양전원이 있어야 정상적으로 작동하므로 전원단의 양전원 공급 능력이 필요해진다.
이러한 양전원을 통해 앰프는 별도의 디커플링 캐퍼시터 없이 일반적으로 2개의 증폭 소자를 통해 증폭이 가능하게 된다. 단전원으로 하는 방법도 있다. 그러나 이 경우 보통은 내부에 양전원으로 된 회로가 있고 출력단에 4개의 증폭 소자를 넣어 Push-Pull 구조로 작동하게 된다. 무선용 앰프는 Push-Pull, 다른 말로 H-bridge 방식으로의 회로구성이 보통 불가능하다.
2.1. Class A
Class A 증폭기는 두개 또는 하나의 증폭소자가 정지상태에서 선형영역과 포화영역의 경계에 있는 상태를 의미한다. 이름에서 보이듯이 Class A 영역에서 작동한다고 Class A 방식이라고 한다. 진공관도 Class A 로 구분하는데, 이는 그리드 전압이 음전압을 띄는 구간에서 작동하기 때문이다. 둘 다 지칭하계 된 계기는 다르지만 원리는 같고 불리는 방식도 Class A 다.입력 신호에 대한 반응에 암구간(deadband) 없이 무조건 증폭을 해준다는 점이 Class A 증폭제어의 가장 큰 특징이다. 아무리 미세한 신호라도 증폭이 가능하기 때문에 21세기에도 Class A 앰프가 계속 나오고 있다. 선형영역의 끝에서 시작해서 컷오프 방향으로 TR 의 작동점이 이동하므로 설계상 문제가 없으면 대개는 출력 왜곡이 발생하지 않는다.
그러나 전류 낭비가 큰 단점이 있다. 1증폭소자든 2증폭소자든 Class A 구동시 입력이 없어도 바이어스 전압이나 게이트전압이 항상 높은 상태에 유지된다. TR은 컬렉터 전류가 최대치며, 진공관은 캐소드 작동 중간점 전류가 계속 흘러 전류 낭비가 엄청나다. 심지어 출력이 나갈 때보다 작동 대기 중인 TR 앰프의 소비전력이 훨씬 높을 때도 있다.
애초부터 전력사용량이 많지 않으며, 적은 잡음이 요구되는 프리앰프 종류들이 이 증폭방식을 많이 사용하며, 소출력[3] TR 인티앰프, 파워앰프들도 Class A가 종종 있다. 오디오 전성기의 일본 앰프들은 저출력에서는 클래스 A, 일정 출력 이상부터는 클래스 B 또는 클래스 AB로 작동한다. 야마하 같은 곳은 아예 변환 셀렉터를 두었다. 국내 인켈, 아남, 태광 앰프들 중에서도 소출력 클래스 A나 클래스 A 앰프들이 꽤 있다. 마크레빈슨, 에소테릭 같은 곳들은 자세한 설명은 생략한다. 어느정도 출력을 가진 앰프에서는 방열 문제 때문에 최고급 제품에만 사용되나, 회로 자체의 구조는 매우 단순하기 때문에 초저가 앰프들도 Class A를 사용하기도 한다. 100원 미만의 초저가 시장과 1000만원 이상의 초고가 시장에서 동시에 사용되는 극단적인 가격 분포를 가진 앰프이다.
2.2. Class B
Class B 증폭제어는 A 증폭제어와 정 반대로 작동하게 된다. TR이나 진공관이나 비 작동영역에서부터 시작된다. 특징도 완전히 반대로 나타난다. 정지영역과 선형영역 사이에 기본적으로 베이스전압이나 그리드전압이 세팅되어서 평상시에는 전혀 소자에 전류가 흐르지 않는다. 역시 진공관이나 TR 이나 Class B 로 불린다.Class B 증폭제어는 평상시에 전류가 흐르지 않아 효율이 높다. 게다가 작동 중에도 포화영역으로 가는 방식으로 작동하므로 출력이 증가할수록 소모전류가 높아진다. 따라서 전력 효율에서는 Class A보다 비교할 수 없게 높다.
정지구간에서 선형구간으로 넘어가기까지의 입력이 충분하지 않으면, 그 데드밴드에 있던 신호들은 출력에 전혀 나타나지 않는다는 단점이 있다. 바꿔 말하면 왜곡이 심하다. 즉, 고출력에 섞여있는 미세한 파동은 나타나는데, 낮은 진폭에 있던 신호들은 어디로간건지 보이지도 않게 된다. 실제적인 앰프의 작동도 선형적인 특징을 띄지 않게되며 수식으로 풀어보자면 y= x-*deadband && y=*deadband<|x| 과 같이 된다.
데드밴드 상의 파형에 둔감하며 전력소모에 민감한 휴대용무선기기의 전반이 채택하는 증폭방식.
2.3. Class AB
Class B 증폭제어에서 bias 전압을 적용해 증폭소자를 선형영역 하단에 머무르게 하는 제어방법이다. Class A처럼 처음부터 선형구간에서 증폭소자가 계속 작동하지만, 정지구간에서 살짝 위에만 존재하기 때문에 이 때 발생하는 손실전력은 적당히 낮다. 그리고 출력시에도 선형 구간에서 바로 시작하므로 Class A 와 같이 신호를 다 사용할 수 있게 된다.현재로선 가장 완벽한 오디오용 앰프의 제어 방식이다. 따라서 Hi-Fi 앰프 대다수에 사용된다. 무선은 데드밴드 상의 신호에 둔감하여 거의 쓰지 않는다. 디지털 무선변조가 대중화되면서, 데드밴드는 신경 쓰지 않아도 되었다.
일부 오디오필은 Class A보다 못하다고 주장하기도 한다. 그러나 인간의 청각으로는 인지할 수 없는 수준이고, 계측장비로 측정해봐도 A 클래스에 거의 필적하는 성능을 내 준다. 오히려 고출력을 쉽게 구현할 수 있다는 점은 Class AB가 월등하다.
2.4. Class D
PWM 등 스위칭 기술을 사용하는 증폭방식이다. 증폭소자의 선형 영역에는 어쩔 수 없이 전력의 손실이 발생하게 된다. 증폭소자를 포화영역과 정지영역 사이에서만 동작하도록 하면, 즉 on과 off 만 존재하도록 구동하게 된다면 이 손실이 크게 적어진다. 대체로 출력용 IC칩을 사용한다.이 방식의 핵심은 PWM(Pulse Width Modulation) + PDM(Pulse Density Modulation)인다. 보통은 전자 방식을 쓰며, 후자는 SACD 혹은 DSD 포멧을 바로 재생할 때 쓰이는 방식이다. 따라서 PWM 에 대해 설명한다.
PWM은 펄스의 넓이를 사용해서 변조를 하는 방식이다. Class D 증폭기는 펄스 발생기와 증폭소자, 저역 통과 필터로 구성된다. PWM 에서는 톱니파를 사용하여 비례제어를 하게된다. Pwidth=(input/maximum)/cycle 이라는 아주 간단한 방법으로 펄스 길이가 정해진다. 톱니파의 주파수가 높아질수록 정밀한 스위칭이 가능해지며, 스위칭 주파수가 낮아지면 노이즈의 대역이 가청영역대와 가까워지게 되어 지멘스 옥타브와 동일한 원리로 고주파의 노이즈가 귀에 들리게 될 수도 있다.
이렇게 입력된 신호는 펄스의 폭으로 비교적분되어 증폭소자를 제어하게 된다. 증폭소자는 포화구간과 정지구간에서 바이어스가 움직이므로 손실전력이 거의 없다.[4] 고전압을 사용해서 제어해도 열폭주를 할 일이 없다보니 고출력 제작에도 용이하다.하지만 고주파수의 신호로 갈수록 신호 제현이 어려워지는 큰 단점이 있다. 스위칭 속도는 크게 제한되어 있는데[5]이로 인해 원본 입력의 주파수가 높아질수록 출력파형이 심하게 깨지게 된다. 게다가 스위칭 주파수가 출력되지 않도록 출력단에 저주파 통과 필터가 있다. 따라서 고주파 영역의 손실이 상당히 크다.
발열이나 전력소비에 민감한 휴대기기의 내장 앰프, 고출력이 필요한 서브우퍼용 앰프 혹은 PA 처럼 아주아주 높은 출력이 필요할 때 사용된다. AB 앰프로 3KW 가 넘어가면 보통 발열량은 2KW, 전력 소비는 5.5KW 가 넘어간다. 반면 D 클래스 앰프의 경우 거의 90프로 이상의 효율을 유지한다.
SMPS나 전동차나 전기기관차에서 쓰는 VVVF 인버터도 이것과 비슷한 원리로 작동한다.
2.5. Class H
입력 레벨이 따라서 출력을 가변적으로 사용하며, 불필요한 열화를 방지하여 에너지 효율이 좋다.고출력 SR용 파워앰프에서 이 방식을 채택하고 있다.
3. 오디오 앰프
3.1. 개요
앰프 중에서 주로 가청영역대의 음향신호를 증폭하는 장비이다.3.2. 특징/분류
크게 프리앰프와 파워앰프로 구분된다. 인티앰프는 이 둘이 합쳐진 형태다.프리앰프는 턴테이블이나 마이크, 악기 등의 소스기기에서 출력되는 약한 신호를 파워앰프에 보내기 전 적절하게 증폭하는 역할을 한다.[6] 파워앰프는 이 신호를 받아서 스피커에 보낼만한 큰 에너지 신호로 바꾸는 역할이다. 이는 진공관 시대의 산물로, 두 역할을 분리하지 않으면 기기가 너무 크고 복잡해지기 때문이었다. 현재는 고급 기기가 아니면 인티앰프가 주류이고, 특별한 경우를 제외하고는 프리앰프, 파워앰프를 따로 분리할 이유가 없다는 의견이 있기도 한데, 그렇지만은 않다. 파워앰프는 출력을 담당하기 때문에 발열이 심해서 인티앰프의 대부분을 차지한다. 그렇기 때문에 공간을 쥐어 짜서 프론트 패널 뒤 같은 곳에 프리앰프를 둔다. 근래에는 OP AMP로 간단히 프리앰프를 짜서 넣는데, 물론 이만해도 충분하지만 하이파이로서는 글쎄? 하고 고개를 갸우뚱하게 된다. 오디오에 OP AMP와 IC가 충분히 보급된 이후의 일본 프리 앰프들은 파워앰프만한 크기에 기판을 3층으로 깔고 온갖 IC들을 병렬로 깔아 놓는 등 엄청난 물량을 투입했다. 그게 사람의 청감으로 구분되느냐의 다른 영역이긴 하지만.
진공관, 접합형 트랜지스터, MOSFET, IC 등 다양한 소자가 있다. 소자는 신호를 증폭하는 핵심 부품이다.
진공관 앰프는 신호증폭을 진공관이 담당하는 물건으로, 왜곡이 크고 효율도 떨어진다. 기묘하게도 이 왜곡된 소리가 편안하게 들려 낡은 기술임에도 선호하기도 한다. 진공관 앰프에서는 소리에서 긍정적 효과를 발생시킨다 하는 짝수 배수의 화음이 더 강조되기 때문이다. 하지만 하이파이에 관심없는 사람이 별 생각 없이 들으면 일반적인 소리와 크게 달리 들릴 정도는 아니다. 진공관 앰프에는 임피던스 매칭을 위한 매칭 트랜스가 있다.
트랜지스터 앰프는 트랜지스터 소자를 이용하여 진공관 방식과 비교하면 왜곡이 거의 없고 효율도 높다. 트랜지스터 소자 개발은 80년대에 거의 완성되었고 앰프 기술도 이때 완숙된다.
현재는 앰프는 저렴하게 고효율, 대출력을 낼 수 있어 가정용 싸구려 앰프로도 소규모 공연장 정도는 빵빵하게 울릴 수 있다. 물론 그런 환경에서 가정용 제품은 오래 쓰기 어렵다. 공연이나 행사용 앰프·음향 제품은 PA(Public Address)에 속한다. 이들은 높은 내구성과 신뢰성을 우선한다.
MOSFET은 세세한 차이가 있으나 구성은 트랜지스터 앰프와 유사하다. IC는 앰프의 여러 구성 요소를 칩 하나에 집적한 형태다.
프리앰프나 입력 버퍼에는 진공관을, 파워앰프부에 트랜지스터를 사용하거나, 두 소자 모두 증폭시에 사용하는 하이브리드 앰프도 있다.
출력단의 형태에 따라 나누기도 한다. 그 중 오디오 앰프로 주로 사용되는 형태는 Class A, Class AB Class D Class H..등이다.
오디오용 앰프는 20Hz ~ 20kHz의 신호 사이에서 노이즈가 얼마나 적고 신호가 얼마나 균일하게 증폭되는지가 중요한 요소이다. 기술의 발전에 비해 측정을 기반으로한 하이엔드급 생산 업체가 매우 적다. 다양한 측정을 바탕으로 검증된 제품을 선택하자.
3.3. 경향
이 항목은 출력만 다룬다. 다른 사양도 있지만, 설명이 복잡해지므로 개괄적인 이해를 위해 제외한다.진공관 시절에 앰프는 값비싼 고수준 기술의 제품이었다. 초창기에는 5W 정도만 되어도 대출력이었다. 현재는 만원짜리 싸구려 PC 스피커도 출력은 2~5W 가량 되고 스마트폰 스피커도 1W급은 된다. 어쨌든 이 시절에는 스피커는 최대한 효율이 좋은 방식으로 만들어야 했다.[7] 확성기나 뿔피리처럼 소리가 증폭되는 구조를 채용하여 스피커가 만들어졌다. 이들 중 걸작으로 꼽히는 스피커 일부는 아직도 시판되는데, 느긋하고 중후한 소리를 낸다. 비트가 빠르고 강한 현대 음악과는 잘 어울리지 않는 편.
트랜지스터 앰프 시대에 들어서는 대출력 구현이 저렴해졌다. 이것은 단지 음악 감상의 폭이 넓어졌음만을 뜻하지 않는다. 새로운 기술의 등장으로 음악 표현의 장이 넓어진 것이다. 트랜지스터 앰프의 등장이 1960년대이고, 락이나 뉴에이지 음악의 영역이 1960년대에 넓어진 연유는 유관하다. 트랜지스터가 없으면 전기기타나 신디사이저는 대중화되기 어려운 기술인 것이다. 대출력 구현이 쉬워지면서 스피커는 음압이 낮더라도 박력있는 소리를 낼 수 있는 설계로 방향성이 바뀐다.
1970년대에 트랜지스터 앰프 기술은 완숙기에 들어간다. 1980년대에는 기술이 완성되고 활력이 크게 줄어든다. 1980년대와 현대 앰프를 비교하면 음향적이나 기술적인 면에서 큰 차이가 없다. 완성도도 높아 오래 사용할 수 있고, 어지간하면 버려지지도 않는다. 즉 점차 수요가 줄어들 수밖에 없다. 관련 업체들은 실용성보다는 마케팅 측면에서 대출력 앰프들을 대거 출시하게 된다. 채널 당 60~120W에 이르는 제품도 손쉽게 찾을 수 있다. 그러나 실상은 소음 문제 때문에 마이클 잭슨이나 빌 게이츠의 거대 저택 같은 곳에서만 쓸 수 있는 출력이며, 집안에서 빵빵하게 틀어봤자 최대 출력의 1/10~1/5도 사용하지 못한다. 1990년대 들어서 오디오에 대한 관심이 점차 시들해진 이유도 기술이 완성 단계에 이르러 덕후들의 관심을 더이상 끌 수 없게 된 점도 한몫한다. 자동차나 카메라, 시계 등의 취미가 지금도 인기가 좋은 이유는 끊임없는 신기술 개발로 인한 신제품들이 한몫하고 있기 때문이다. Class D라는 새로운 방식이 등장했지만 오히려 스마트폰이나 텔레비전의 내장 스피커를 위한 앰프로 널리 사용되었지 이로 인해 오디오 시장이 부흥하진 못 했다. 대신 매우 작은 크기와 높은 효율로도 대출력이 가능해져 블루투스 스피커나 IoT 스피커가 등장하는데 도움을 주긴 했다.
앰프의 역사는 오디오 흥망의 역사와 함께한다. 자동차에 비유하면 앰프는 엔진에 속하고 스피커는 바퀴 정도 역할이다. 어쨌든 현재는 오디오가 가정 필수품으로 인식되지 않고 수요도 많이 줄어 관련 업체들은 고민이 깊다.
3.4. 악기용 앰프
전자신호를 보내는 악기의 소리를 증폭한다. 여기에도 프리 앰프와 파워 앰프가 있다. 프리 앰프는 입력단에 있으며 악기의 미세한 신호를 증폭 시켜서 파워로 보내주는 원리에서 동일하다.3.5. 오디오 앰프의 종류
3.6. 관련 항목
[1] 많은 소자들은 전달함수가 실제로 선형이 아니다. 하지만 일반적인 사용에 있어 전달함수를 선형으로 간주할 수 있는 구간이 존재한다.[2] 예외로 일렉트릭 기타의 디스토션 페달 같은 경우는 의도적으로 선형상태를 벗어나게 만든다. 이름부터 디스토션이다. OPAMP를 사용한 비교기도 게인이 엄청나게 높은 OPAMP를 사용하여 디스토션을 일으키는 방식이다.[3] 주로 0.5kW에서 1kW를 넘지 않는다. 1kW 이상의 Class A 앰프는 가격이나 만드는 건 둘째치고 사실상 가정용으로는 사용하기가 힘들다.[4] 실제로는 포화상태에서도 소자에 약간의 전압이 걸리기 때문에 손실이 나타나지만 활성 모드의 손실보다는 매우 낮다.[5] 진공관빼고 반도체 증폭소자는 입력이 시작될 때 부터 Tondead(입력 들어와도 이전 상태를 유지하는 시간) Trise(출력값이 뜨고 상승하는 시간) 이후 정상출력에 도달하며 입력이 0일 때에는 Toffdead(입력이 없어도 이전 상태를 유지하는 시간) Tfall(출력이 최대에서 하강하는 시간)이후 출력이 없어지며 이 사이에 또 Tdead(동작 직후 입력을 걸어도 작동을 안하는 시간) 가 존재하므로 스위칭 주파수를 높이기 힘들다.[6] 라인 레벨 신호를 출력하는 소스기기는 사실상 프리앰프가 필요없다. 그래서 내부에 증폭기가 없는 패시브 프리도 있다. 그러나 소스나 파워앰프에 볼륨이 있으면 이것도 사실상 필요없다. 그러나 임피던스 매칭이나 음색을 생각하여 프리앰프는 사용하는 것이 좋다.[7] 스피커의 효율은 음압이라 부른다. 표시 단위는 dB. 이 숫자가 높을수록 고효율.