파워앰프
1. 전력 증폭기
1.1. 오디오
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음향(오디오)에서 사용하는 앰프 종류. 프리앰프 후단에 위치하여 신호의 전압을 증폭해주는 역할을 한다. 스피커(또는 패시브 크로스오버) 바로 앞에있는 스피커를 직접적으로 울리는 큰 출력을 내는 앰프이다.
프리앰프 뒤에 위치하지만 입력단이 없이 증폭단만 있진 않다. 기본적인 입력단이 있어 바로 소스기기를 물려 사용하기도 한다. 그러므로 인티앰프중 일부는 따로 프리단을 구성하지 않고 파워앰프의 입력단에 볼륨과 셀렉터를 다는 방식으로 만들기도 한다.
증폭 소자에 따라 진공관 앰프와 TR 앰프가 있으며, 이 둘을 절충한 것을 하이브리드 앰프라고 한다.[2]
현대에는 디지털 방식을 사용하여 증폭하는 기술 등 여러 가지 방식이 나와있는데, 기본적으로 TR 앰프에 기반한다.
증폭시 바이어스 제어방식과 신호처리 방식에 따라 class 가 나뉘며, Class A, Class AB, Class C, Class D로 나뉜다.
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프리 파워가 나눠진 방식을 분리형이라고 하며 고급형 오디오에 쓰이는 방식. 파워 앰프 회로와 프리 앰프 회로가 따로 있는게 더 음질이 좋다고 전문가들은 말한다. 똑같은 케이스에 프리 앰프 회로만 있으면 프리 아웃 전압이 좀더 높고 출력단에 의한 음질 열화가 없다는 주장이다. 그러나 기술적으로는 분리를 한다고 음질이 좋아질 이유는 없다. 현대에는 프리앰프에 요구되는 성능을 IC 수준에서 오버스펙으로 구현할 수 있다.
1.2. 무선
철자는 1번 항목과 같다.
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오디오와 마찬가지로, 시그널을 안테나로 복사하기 위해 충분한 전력을 공급해야 한다. 이때 오디오가 프리앰프->파워앰프로 가듯이 무선시스템에서도 프리앰프->파워앰프 순으로 연결된다.
1.3. 방식
1.3.1. 이론
앰프 구성에서 TR 이든지 진공관이든지 특유의 수식에 따른 입력값과 출력값이 특정한 상수나 수식에 따라 증감하는 구간이 있다. 이를 선형구간이라고 부른다. 이 구간 내에서 증폭소자는 입력에 유효한, 의도했던 출력을 발생하게 된다. 따라서 앰프는 이 구간 내에서 선형 동작을 해야하는데, 선형 동작이 되면 출력이 없어도 입력한 전력이 대부분 열로 나감을 의미하게 된다.
위 이미지에서 빨간 선의 A 포인트(포화영역) 과 B 포인트(정지영역) 사이를 TR 의 선형구간이라고 부른다.
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진공간의 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.
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.
1.3.2. Class A 증폭제어
Class A 증폭제어는 두 증폭소자 혹은 1개의 증폭소자가 정지상태에서 선형영역과 포화영역의 경계에 있는 상태를 의미한다. 이름에서 보이듯이 class A 영역에서 작동한다고 Class A 증폭제어라고 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. 이는 21세기에도 Class A 앰프가 계속 나오게 되는 잇점으로, 아무리 미세한 신호라도 증폭이 가능하다. 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.
1.3.3. Class B 증폭제어
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 ''휴대용''무선기기의 전반이 채택하는 증폭방식.
1.3.4. Class AB 증폭제어
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. 상용 앰프 대다수에 사용된다. 무선은 데드밴드 상의 신호에 둔감하여 거의 쓰지 않는다. 디지털 무선변조이 대중화되면서, 데드밴드는 신경 쓰지 않아도 되었다.
일부 오디오필은 Class A보다 못하다고 주장하기도 한다. 그러나 인간 감각으로는 인지할 수 없고, 측정해도 파형은 칼같이 나온다. 오히려 고출력을 쉽게 구현할 수 있다는 점은 Class AB가 월등하다.
1.3.5. Class D 증폭제어[3]
스위칭 방식의 증폭방식. 증폭소자의 선형 영역에는 어쩔 수 없이 전력의 손실이 발생하게 된다. 손실에 민감하면 TR 이나 진공관의 작동을 포화영역과 정지영역 사이를 스위칭하도록, 즉 on과 off 만 존재하도록 구동하게 된다. 진공관은 소자 자체의 전력소모가 많아 이런 식으로는 쓰이지 않는다. TR 혹은 FET 혹은 IGBT!![4] 소자로 만들어진다.
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. 이때 Pulse 가 증폭소자의 On 상태에 해당하는 구간이 되된다. 따라서 펄스의 높이는 TR 이 On 상태일 때, 즉 전원전압과 동일해진다. 넓이의 경우 PWM 에서는 톱니파를 사용하여 비례제어를 하게된다. Pwidth=(input/maximum)/cycle 이라는 아주 간단한 방법으로 펄스 길이가 정해진다. 톱니파의 주파수가 높아질수록 정밀한 스위칭이 가능해지며, 오디오용 앰프라도 스위칭 주파수가 낮아지면 지멘스 옥타브 와 동일한 원리로 미세하게 섞인 고주파의 노이즈가 귀에 들리게 된다.
이렇게 입력된 신호는 펄스의 폭으로 비교적분되어 증폭소자를 제어하게 된다. 증폭소자는 포화구간과 정지구간에서 바이어스가 움직이므로 손실전력이 거의 없다.[5] 고전압을 사용해서 제어해도 마찬가지로 열폭주를 할 일이 없다보니 고출력 제작에도 용이하다.
하지만 고주파수의 신호로 갈수록 신호 제현이 어려워지는 큰 단점이 있다. 스위칭 속도는 크게 제한되어 있는데[6]이로 인해 원본 입력의 주파수가 높아질수록 출력파형이 심하게 깨지게 된다. 게다가 보통 스위칭 주파수가 출력되지 않도록 출력단에 Low-pass filter 가 있다. 따라서 고음역대의 손실이 상당히 크다.
전력소비에 민감한 휴대용 기기의 외부스피커용 앰프나 서브우퍼, 미드레인지용 앰프, 혹은 SR처럼 아주아주 높은 출력이 필요할 때 사용된다.AB 앰프로 3KW 가 넘어가면 보통 발열량은 2KW, 전력 소비는 5.5KW 가 넘어간다.
뜬금없지만, 전동차나 전기기관차 에서 쓰는 VVVF 제어도 이것과 동일한 원리로 작동한다.
1.3.6. Class H 증폭제어
입력 레벨이 따라서 출력을 가변적으로 사용하며, 불필요한 열화를 방지하여 에너지 효율이 좋다.
고출력 SR용 파워앰프에서 이 방식을 채택하고 있다.
2. 음악 재생 애플리케이션
파워앰프(애플리케이션) 참고.
[1] 거의 오디오 용으로만 쓰인다. 무선 대역을 디지털PWM로 변환이 어렵다.[2] 대부분 입력 버퍼부분에 진공관 사용. [3] 거의 오디오 용으로만 쓰인다. 무선 대역을 디지털PWM로 변환이 어렵다.[4] IGBT 로도 오디오 앰프 제작을 한다. 주로 SR 쪽 파워앰프.[5] 실제로는 FET 의 경우 Rds 값에 의해서, IGBT 의 경우 Vds 값에 의해 손실이 나타나지만 컬렉터 손실보다는 매우매우낮다.[6] 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.