파워 앰프 너 뭐냐?

파워 앰프 너 뭐냐?

지난 몇 가지 문서의 번역을 통해서 시스템 세팅에 필요한 라인 레벨 세팅이라고 불리는 게인 스트럭쳐와 앰프의 선택 기준에 관련된 내용들을 정리하면서 설명에 빠져있거나 개념만 설명이 되어 있고, 흔히들 많이 오해하고 있는 –내지는 알고는 있지만 실제 의미는 희미한 – 앰프의 동작에 대해 정리를 해보고자 합니다. 사실 이 내용들은 이미 다른 문서들을 통해서도 많이 언급된 내용이지만 번역이나 설명의 한계로 인해 이해가 쉽지 않아서 다시 한번 정리할 필요가 있다는 생각을 했습니다.

이 기사는 PA에서 사용되는 일반적인 앰프들의 특성에 대해 다룰 거고 몇 가지 간단한 앰프 사양 값을 읽는 것에 대해서도 언급하겠습니다. 항상 그랬듯이 그럼에도 의문이 드는 내용은 알려주시면 추가하도록 하겠습니다.

앰프의 기능

먼저 앰프의 동작에 대해 살펴보겠습니다. 우리는 신호를 증폭하는 장비들을 보면 입력 신호는 그대로 있는데 노브를 돌리면 소리가 커지는 상황을 자주 보게 됩니다. 가장 흔한 게 믹서의 프리앰프 (게인)를 조절하는 노브가 되겠네요. 사실 이런 기능의 회로는 증폭도를 조절하게 되어 있습니다. 아주 작은 신호(마이크 신호의 경우 수mV)를 1V가 되도록 키우는 기능이니 사실 감쇄는 거의 없고 돌리면 증폭도가 증가하여 신호가 커지게 되는 거죠. 그런데 이러한 개념에 익숙하다 보니 앰프도 작은 신호를 항상 크게 키우는 거니 증폭-도!!!를 키운다고 생각하는 경향이 있는 것 같습니다. 그러나 앰프의 볼륨은 증폭도를 조절하는 것이 아닙니다. 앰프가 몇 배 증폭할 것인가는 이미 고정되어 있으며 사용자가 쉽게 바꿀 수 없고, 특히 볼륨 같은 방식으로 바꿀 수는 없습니다. 따라서 증폭비율(증폭도, 게인)은 고정되어 있으니 이제 우리가 앰프의 출력값을 조절할 수 있는 방법은 들어오는 신호를 줄이거나 아니면 출력되는 신호를 줄이는 방법밖에 없습니다. 그런데 출력되는 신호는 수십 볼트에 달하는 아주 큰 신호이고 특히 대용량의 전류를 흘릴 수 있기 때문에 이런 신호를 제어하는 것은 대단히 어렵습니다. 사실 신호의 품질이나 신뢰성, 가격 등을 생각하면 거의 의미가 없습니다. 그래서 우리는 그보다 훨씬 다루기 용이한 입력신호를 조절하게 되었습니다. 따라서 앰프에 있는 볼륨 조절기는 입력 신호를 조절하는 기능이라고 생각하면 됩니다. 특히 우리는 이 조절기를 어테뉴에이터 (감쇄기, Attenuator)라고 부르는데 이는 볼륨을 최대로 했을 때가 파워앰프의 입력단자로 나온 신호가 그대로 증폭이 되고 이 볼륨을 줄이기 시작하면 입력신호가 점점 줄어든다는 의미입니다.

이제 이런 동작을 생각하면서 파워 앰프의 가장 중요한 사양 값들 몇 가지를 살펴 보겠습니다.

몇 가지 공식

파워 앰프의 가장 중요한 역할은 신호를 증폭하는데 있는데 이를 좀더 들여다 보면 들어온 신호의 전압값과 전류값을 증폭하는 것입니다. 우리가 잘 아는 몇 가지 식을 한번 볼까요?

V=I x R (V-전압 , I-전류, R-임피던스)

W=I x V ( W-출력, 파워, 에너지, 전력….)

이 식을 풀어 설명하자면 임피던스는 앰프의 부하 즉, 스피커의 임피던스를 의미하고 V는 앰프의 출력 전압, I는 앰프의 출력 전류가 되겠습니다.

이 식으로부터 전압이 커지면 전류도 커져야 하는군요. 만약 스피커의 임피던스가 작은 제품으로 바꾸면 같은 전압을 준다고 생각할 때 전류는 커져야 하는군요. 거꾸로 임피던스가 큰 제품으로 바꾸면 전류는 더 조금 흘러도 되겠네요.

두번째 식이 우리에게 좀더 실질적입니다. 왜냐하면 우리는 앰프를 부를 때 항상 '몇 와트'짜리라고 부르기 때문입니다. 따라서 그 '몇 와트'가 뭘 의미하는지 알아봐야겠네요.

W는 출력으로 나가는 전압과 전류를 곱한 값입니다. 즉 전압이든 전류든 출력으로 나가는 것들이니 뭔가가 더 나가면 출력은 커지게 됩니다. 그런데 출력이 일정한 값으로 정해져 있다는 것은 그 장비의 힘이 정해져 있다는 의미입니다. 이 경우 전류를 더 많이 가져가면 전압은 반비례하니 줄어들어야 하고 전압이 커지면 전류는 줄어들어야 하겠네요. 마치 저수지에 물이 가득 차 있는데 (파워가 정해짐) 물을 조금씩 뽑아 쓰면 (전류가 작으면) 아주 오래 쓸 수 있고, 물을 많이 뽑아 쓰면(전류가 커지면) 금방 없어지는 것과 같습니다. 사실 이런 예는 다른데도 많아서~

그런데 이 두 개의 식을 섞어주면 우리는 부하(스피커) 임피던스와 출력과의 관계도 알 수 있습니다.

W = I X V = (V/R) x V = V^2/R 이 되네요. 그리고 V^2 = W x R 이 되구요. 이제 전류는 사라지고 파워와 전압과 임피던스와의 관계를 살펴볼 수 있게 되었습니다. 앰프의 출력은 정해져 있다고 했습니다. 그 상태에서 스피커의 임피던스가 작은 걸로 바꾸면 출력 전압은 같이 작아 지게 됩니다. – 비례하지는 않지만. 사실 앰프는 신호의 크기(전압)을 증폭합니다.

파워앰프의 사양서 읽기

먼저 통상 앰프 사양서에서 발견 할 수 있는 정보를 알아보겠습니다. 다음은 MC2 제조사의 특정 제품 사양입니다.

E45라는 제품이고 아래와 같은 사양서(데이터시트)를 제공하고 있습니다. 이 중 출력과 관계되는 몇 가지 중요한 항목만 살펴 보도록 하겠습니다.

Output Power

채널 당 출력 파워가 임피던스 마다 나와 있군요. 그런데 임피던스가 절반으로 줄어들면 출력은 두배로 커지네요? 어? 같은 제품인데 출력이 두배, 네배가 되다니 이게 웬 횡재? 할 수 있지만 앞서 우리가 살펴 본 식에서 보니 출력과 임피던스는 서로 반비례하네요. 그래서 출력을 볼때는 반드시 얼마짜리 부하(임피던스)를 연결할 때 얻을 수 있는 파워냐 하는 점을 명시하는 것이 반드시 필요합니다.

Gain/ Sensitivity(증폭도 / 감도)

이 두가지는 다른 사양인 것 같은데 한 항목 아래에 있군요. 그런데 사실 이 두 가지는 같은 의미를 가지고 있고 한쪽이 바뀌면 다른 쪽도 같이 바뀝니다. Gain은 말 그대로 입력 신호를 몇 배 증폭하는 지를 dB값으로 표현합니다. 그리고 센서티비티의 의미를 아는 것이 중요한데 이 값를 입력 신호로 넣었을 때 이 앰프의 정격 출력이 나온다는 의미입니다. 식으로 풀어보자면

앰프의 출력 = 감도 값(sensitivity) x 증폭도(gain) 입니다.

그런데 앰프의 출력은 고정이죠? 그러니 증폭도가 커지면 출력은 정해져 있으니 입력되는 감도값은 작아져야 하고, 증폭도가 작아지면 출력값은 정해져 있으니 입력신호레벨(감도값)이 커져야 됩니다.

그런데 이 항목을 보니 게인과 감도 모두 세 가지씩 있군요. 이는 이 앰프는 세 개의 증폭도 중에서 선택해서 사용할 수 있다는 의미입니다. 어? 증폭도를 바꿀 수 있네? 처음 언급할 때는 앰프의 게인은 정해져 있다고 하더만.. 그런데 이 게인 변경은 사용자가 조절하는 볼륨 조절기로 하는 것이 아니고 내부나 혹은 뒤에 스위치등으로 변경하도록 되어 있습니다. 즉, 장치의 상태를 아예 바꾸어 주는 값이지 임의의 값으로 볼륨처럼 조절할 수 있다는 것을 의미 하지 않습니다.

이제 한번 이 값을 계산을 해 보겠습니다.

8옴일 때, 1250W를 내주는 앰프이고, 게인은 26dB로 설정 되어 있다고 하죠.

V^2=1250 x 8 = 10000 이네요. 그럼 앰프의 출력 전압 V=100V 가 되는군요. 그럼 4옴에 연결되면 어떻게 될까요? V^2=2500 x 4 = 10000이 되네요. 어? 여전히 출력 전압은 100V네요. 2옴이라면 V^2=4200 x 2 = 8400 이 되네요. 요건 좀 작아지네요. 대략 92V정도. 그렇습니다. 케이블 로스나 임피던스가 낮아지면서 받는 영향으로 약간의 차이는 있지만 앰프에서 나가는 출력 전압은 거의 일정하게 됩니다. 결국은 앰프는 일정 전압을 내주는 증폭장치가 되는거죠.

이제 이 값에서 게인과 감도의 관계를 알아 보겠습니다. 출력 전압이 100V라고 가정하고, dB계산을 해야 하겠네요. 대상 단위가 전압이니

증폭 게인dB = 20log(Vout/Vin) 입니다. (Vout = 출력전압, Vin = 입력전압)

그럼 감도값이 4.7V라고 하면 (4.7V가 입력될 때 최대 출력)

20log(100/4.7) = 20log(21.28) = 20x1.33 = 26.6dB 정도가 되네요. 어? 게인 항목의 가장 첫번째 값인 26dB와 비슷하네요.

반대로 이번엔 26dB 게인으로 앰프를 설정했다고 하고 최대 출력을 얻기 위한 입력 신호를 계산해 보겠습니다. 역시 위와 같은 식을 사용합니다.

26dB = 20log(Vout/Vin) = 20log(100/Vin)

Log(100/Vin)= 1.3

100/Vin = 10^(1.3) = 19.95

Vin = 100/19.95 = 5V

정확히 같지는 않지만 이는 게인과 감도를 근사값을 넣어서 그렇습니다.

이런 식으로 32dB/2.4V, 36dB/1.5V 를 계산해보면 두 가지 항목은 같은 의미(앰프 증폭율)를 가지고 있음을 알게 됩니다.

덤으로 게인에 대해서도 알아보죠. 이 앰프의 게인은 26dB, 32dB, 36dB 중 하나로 사용할 수 있습니다. 이는 모두 전압에 대한 증폭율을 의미하고요 전압의 경우 20dB증폭이면 10배가 됩니다.

따라서 26dB = 20dB+6dB 가 되는데 이는 10배와 2배를 곱해준 20배 증폭을 한다는 의미입니다.

32dB = 20dB + 12dB 가 되어서 10x4 = 40배 증폭입니다.

36dB = 20dB + 16dB가 되어서 10x6.3 = 63배 증폭이 됩니다.

그래서 감도값의 첫번째, 두번째 값을 비교하면 증폭이 절반으로 줄어드니 감도값은 두배 정도 커졌음을 알 수 있네요. dB연산에 대해서는 추후에 다른 기사로 써보겠습니다.

앰프에서의 클리핑

이제 앰프가 실제 증폭하는 신호에 어떤 일이 생기는지 알아보겠습니다.

우리는 앞서 앰프의 증폭에 대한 중요 사양을 읽고 계산할 수 있게 되었습니다. 이를 근거로 계산하기 쉽도록 예를 들어 보겠습니다.

8옴 부하(스피커)에서 50W의 출력을 내주는 게인 26dB짜리 앰프가 있다고 합시다. 그렇다면 우리는 출력 전압이 얼마나 될지 계산 할 수 있습니다.

V^2=50 x 8 = 400, 출력 전압 V = 20V가 되네요.

즉, 이 앰프는 출력전압을 최대 20V까지 내 줄 수 있습니다. 그리고 게인이 26dB라는 의미는 20배 증폭한다는 거니 입력신호가 1V가 들어올 때 최대 값(20V)을 출력할 수 있겠네요.

이를 그림으로 그려보면 다음과 같습니다.

이 그림은 입력신호의 시간축에 대한 파형, 출력신호에 대한 시간축과 주파수축에 대한 파형 그래프가 그려져 있습니다.

먼저 위쪽 그림을 보면 1V짜리 입력 신호가 들어와서 앰프가 20배(26dB) 증폭했을 때, 20V 짜리 신호가 깨지지 않고 잘 증폭 되었습니다. 이를 시간의 흐름에 따른 교류신호가 아니라 특정 시점에서의 주파수 축에서 보게 되면 1KHz짜리 신호만 잘 나오고 나머지 체배주파수(하모닉스)들은 아주 미미 하게 나옵니다.

아래쪽 그림은 2V짜리 신호가 들어 오는 경우입니다. 입력 신호는 우리가 생각하는 최대 입력 신호인 1V를 두 배나 초과해서 들어왔지만 깨지지는 않습니다. 문제는 증폭할 때 발생하는데 우리는 예상 하기를 20배 증폭했으니 40V짜리 신호파형을 만들어 주길 원하지만 실제 이 앰프는 20V까지 밖에 증폭할 수 없기 때문에 (전압 스윙의 한계) 올라 가던 신호는 위 아래 +,- 10V 지점에서 더 이상 커지지 못하고 잘리게 됩니다. 우리는 이러한 현상을 클리핑이라고 부릅니다. 실제 오실로스코프에서 파형을 측정해보면 이런 현상을 볼 수 있습니다. 그런데 이런 클리핑 된 신호를 주파수 측면에서 보면 대단히 흥미롭습니다. 입력된 신호의 주파수인 1KHz는 위 그림과 비교해서 더 커지지 못하고 같은 크기로 있습니다. 왜냐하면 더 커질 수 있는 전원이 없기 때문입니다. 그런데 이 주파수의 체배주파수들이 커지지 시작합니다. 결국 위 그림에서 거의 보이지도 않던 체배 주파수들이 증폭이 되어버린겁니다. 이러한 주파수들이 합해지면 왼쪽의 클리핑 된 파형으로 시간축에서 보여지게 됩니다. 이는 낮은 주파수라고 하더라도 클리핑을 발생할 정도로 증폭을 하면 출력단으로는 원래 신호에 없던 고주파 신호를 만들어내서 하이 주파수를 손상시키고 소리가 깨지게 들리는 원인이 됩니다.

Written By YunSong Sim

Blog ; soundoflife.tistory.com

Website : www.hajuso.com (하주소, 하나님이 주신 소리)