트랜지스터 앰프 이야기 #1, 기본 그리고 관점전환

글쓴이 : SOONDORI

* 회로 이미지들은  ‘Designing Audio Power Amplifier, Bob Cordell 著’에서 발췌하였음을 미리 밝혀둡니다.

다음은 아주 전형적인 3단(Stage) 파워앰프 회로의 예이다. Q1, Q2로 구성된 차동(Differential) 회로로 유입 Noise를 제거하고 Q3로 “전압증폭을 한 후” Q4 및 Q6로 양의 파형을, Q5, Q7으로 음의 파형을 만들어 스피커를 “제어하고 있다”.

(IPS=Input Stage, VAS=Voltage Amplification Stage, OPS=Out Put Stage)

여기서 “증폭한다”와 “제어한다”는 개념상으로는 확연하게 의미가 다르다. “증폭한다”는 물리적으로 신호의 세기를 키우는 것이고 “제어한다”는 것은 스피커를 다룰 수 있는 제어 에너지를 만들어 냄과 동시에 그 양도 적절히 통제한다는 것이다.

제어용 에너지는 곧 전류이다. Push-Pull 종단회로를 구성하는 Q4, Q5, Q6, Q7 네 개의 트랜지스터들은 Q3가 만들어낸 신호의 ‘높낮이(=전압, 100~1000배)에 ‘종속된 전류’를 적절히 만들어 낸다. 단순논리로 최대전류량은 동작전압 70V(+35V와 -35V의 합산값)를 기준으로 (임피던스 개념을 무시하고) 스피커가 단순저항이라고 가정할 때… 스피커가 1오움이라면 70A, 8오움이면 8.75A, 16오움이면 4.3A이 될 것이다.

자꾸 전압이 아닌 전류가 거론되는 이유는? 일반 스피커는 코일 즉, 도체를 흐르는 전류가 만들어내는 자기장과 영구자석의 반발력에 의해 운동을 하는 일종의 엑추에이터(Actuator)이고 전자기장을 만들어내는 것은 전압이 아니라 도체에 흐르는 전류(=전하의 양)이기 때문이다.

전류가 흐를 때 스피커가 반응하는 것을 확인하기는 쉽다. 1.5V 건전지를 스피커 단자에 연결하여 전압(건전지) ÷ 저항(스피커) 에 해당하는 전류를 흐르게 하면 스피커는 앞 또는 뒤로 움직이는데 전류가 크면 많이, 작으면 조금만 움직인다. 크게 움직이면 펑!하는 느낌의, 파형의 높낮이와 폭이 큰 저음이 들릴 것이고 조금 움직인다면 모기가 앵앵거리는 듯한 작고 톤이 높은 소리가 날 것이다.

즉, 흐르는 전류의 양을 제어하면 스피커의 전/후 움직임을 제어할 수 있고 그렇다면 재생음도 적절히 통제할 수 있다는 이야기이다. 대비되는 사례로 일반 스피커가 전압변화에 따라 진동하는 Piezo 소자와 같은 특성을 가졌다면 당연히 전압이 먼저 거론되었을 것이고 그 경우 위와 같은 표준회로를 쓸 수 없다.

한편 통상 “이 앰프는 증폭도가 30배입니다”라고 할 때 그 기준은 전류가 아닌 RMS(Root Mean Square, 교류파형의 실효전압) 전압의 비율을 쓴다. Q1, Q2는 일종의 필터링 회로라고 간주하여 무시하고 Q3(100~1000)의 전압증폭에  Q4~Q7이 만들어내는 약간을 합친 후 R2, R3로 구성된 Feedback Loop의 감쇄분을 종합하면 증폭도가 나온다. 통상 30 내외이고 그 경우는 RMS 1V 입력이 들어와서 출력단에 RMS 30V 전압이 생성된다는 뜻.

바라보는 시선을 조금 달리하여… 스피커와 앰프의 관계를 ‘엑추에이터의 제어’라는 관점에서바라보면 공장의 대형모터와 그것을  끄고 켜는 제어시스템의 관계와 크게 다른 것이 없다. 그래서 응답특성, Over-Shoot, 목표값, 미분,적분 등 다양한 제어공학적 요소들은 거의 대부분 그대로 적용된다.

이상으로, ‘소리’라는 존재, 좋다 나쁘다라는 선호를 제외한다면 앰프는 질량(MASS)을 가진 물체인 스피커를 다루는 흔한 제어시스템 장치 중 하나이다.

(다음 편에 계속)