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앰프의 내부 구조 보기
3. 증폭부
최상균의 하드웨어 노트 [26]
글 최상균 2012-07-01 |   지면 발행 ( 2012년 7월호 - 전체 보기 )

 증폭부와 컨트롤부. 먼저 출력단과 증폭의 원리에 대해 간단하게 설명해 본다. 파워 앰프나 인티앰프는 스피커를 구동하기 위해서는 출력 소자를 갖고 있어야 한다. 가장 많이 쓰는 소자는 뭐니 뭐니 해도 트랜지스터다(FET도 제조 방법이나 구동 방식은 약간 다르지만 트랜지스터의 일종이다). 트랜지스터나 FET의 내부가 어떻게 생겼고, 그래서 어떤 원리로 동작하는지는 여기서 생략한다. 내용이 재미없고 너무 길어질 것 같다.트랜지스터는 세 개의 극을 가지고 있다(진공관으로 말하자면 삼극관이라고 할 수 있다). 각각의 이름은 컬렉터·베이스·이미터이다. 컬렉터와 이미터 사이에는 큰 전류를 흘릴 수 있는 높은 전압이 걸려 있다. 베이스는 여기서 밸브 역할을 한다. 수도꼭지를 잠가 두면 수압이 크게 걸려 있어도 물이 흐르지 않는 것처럼, 베이스에 전류를 흘리지 않으면 컬렉터와 이미터 사이는 꼭 잠겨서 아무런 전류가 흐르지 않는다.


그림 1. 트랜지스터의 구조를 이해하기 위한 회로도  간단한 예를 들어, <그림 1>의 간단한 회로를 보자. C(컬렉터)와 E(이미터) 사이에는 9V가 걸려 있고, 전기가 흐르면 빛을 발하는 LED와 저항이 연결되어 있다. 그런데 B에는 'Finger' 부분에서 선이 끊어져 있다. 이 상태라면 밸브가 꼭 잠긴 상태이므로 C와 E 사이는 완전히 부도체처럼 동작한다. 즉, LED는 켜지지 않는다. 그런데 'Finger' 자리에 손가락을 대면 우리의 손가락에 9V의 전원에서 나온 전류가 B로 흘러 들어가고 E로 나오는 폐회로가 형성된다. 물론 우리의 손은 저항이 몹시 크므로 아주 작은 전류만이 B로 흐를 것이다. 하지만 이 작은 전류로도 충분하다. 트랜지스터에서 베이스에 작은 전류가 흐르면 C와 E  사이는 그 전류의 수십-수천 배의 전류가 흐른다. 베이스에 전류를 조금 더 흘리면? 그러면 C와 E 사이에 흐르는 전류는 훨씬 더 커진다. 그러면 베이스에 음악 신호와 똑같은 복잡한 신호를 전류로 보내주면? C와 E사이에 흐르는 큰 전류가 음악 신호와 똑같이 흐르게 된다. 그렇다. 바로 이것이 트랜지스터의 증폭 작용이다. 전기에 대해 잘 모르는 사람들이 흔히 잘못 생각하는 것은, 앰프 입력에 들어온 신호가 증폭되어 그대로 스피커로 출력된다는 오해다. 앰프의 입력에 들어온 신호는 단지 강력한 전원부에 연결된 출력 소자를 구동하는 수도꼭지 역할을 할 뿐이고, 전원부로부터 큰 전류가 음악 신호에 맞추어 '복제'되는 것이다. 진공관의 다른 이름이 밸브라는 것도 이런 동작 방식 때문에 붙여진 것이다.그런데 앰프의 구동 대상이 되는 스피커라는 것은 LED처럼 단순하지 않기 때문에 작은 트랜지스터 하나로는 도저히 구동시킬 수가 없다. 전압도 높아야 하고, 흐르는 전류도 훨씬 더 커야 하는 것이다. 그래서 트랜지스터는 흘릴 수 있는 전류량과 견딜 수 있는 전압(이 두 가지를 곱한 것을 '전력'이라고 하고 단위는 와트(W)를 쓴다)에 따라 모양이 달라진다. 물론 트랜지스터는 대량으로 소모되는 공산품이므로 일종의 규격이 있어야 한다. 그래야 방열판이든 회로 기판이든 표준 규격으로 만들 수 있을 테니까.

 

사진 1. 트랜지스터의 종류
 <사진 1>은 트랜지스터 패키지를 전력이 큰 것부터 나열해 놓았는데, 오디오에서 출력석으로 많이 사용되는 것은 TO-3형이나 TO-264 또는 TO-218 타입이다. 가장 출력이 큰 TO-3은 캔 타입이라고 해서 보기에 늠름하고 출력도 커서 애호가들에게 가장 인기가 있는데, 몇몇 하이엔드 기기 메이커에서는 몰드 타입의 소출력 소자들의 소리가 더 낫다고 하여 이를 고집하는 경우도 많다.그런데 트랜지스터는 진공관과 여러 면에서 비슷하지만, 트랜지스터만이 갖고 있는 독특한 성질이 있다. 그것은 트랜지스터가 만든 형태에 따라 +만, 또는 -만 증폭 가능하다는 점이다. +만 증폭하는 것은 NPN형, -만 증폭할 수 있는 트랜지스터를 PNP형이라고 한다. 이렇게 전기적으로 똑같은 성질을 가지면서 +만 또는 -만 증폭하는 소자를 상보소자(Complementary Device)라고 한다. (진공관은 EL34라면 다 같은 EL34지, +만 증폭하거나 -만 증폭하는 것이 따로 있을 수 없다) NPN인지, PNP인지는 소자에 적혀 있다. 예를 들어 '2SC1815'라고 적혀있다면, S다음에 나타난 'C'가 이를 표시한다. 이 자리는 네 가지 종류로 구분되는데, A와 B는 PNP형으로 고주파용과 저주파용, C와 D는 NPN형으로 고주파용과 저주파용을 각각 의미한다. 2는 (바이폴라) 트랜지스터라는 것 외에 별 의미 없고, S는 반도체(Semi-Conductor), 그리고 뒤에 붙는 숫자는 모델 번호 정도로 생각하면 되겠다. 2SK~와 2SJ~로 써 있다고? 그것은 바이폴라 트랜지스터가 아닌 FET(Field Effect Transistor)이다.FET가 나왔으니 이에 대해 잠깐 언급하고 넘어가자. FET는 트랜지스터와 비슷한데, 세 극의 이름이 드레인(Drain, 트랜지스터의 컬렉터 역할), 게이트(Gate, 베이스 역할), 소스(Source, 이미터 역할)로 되어 있다. 트랜지스터가 베이스에 흐르는 전류로 밸브 작용을 하는 것에 비해, FET는 진공관과 같이 전압에 의해 구동된다는 점이 다르다. FET의 장점은 열 폭주 현상이 없다는 것과, 입력 임피던스가 무척이나 커서 전단 회로에 주는 부하가 적다는 것이다. 한편 트랜지스터가 홀수차 왜곡을 갖는 데 비해 FET는 진공관과 같은 짝수차 왜곡을 갖기 때문에, 음색 특성은 트랜지스터보다도 진공관과 유사하다고 흔히 이야기한다. 트랜지스터 앰프에 일부러 짝수차 왜곡을 섞었더니 진공관과 유사한 웜톤(Warm Tone)을 냈다는 글을 읽은 적도 있다. 한편 흔히 MOS-FET라고 하는 것은 FET 중에서 금속 산화막(Metal Oxide Semi-Conductor)을 써서 만든 것을 뜻한다.트랜지스터를 써서 전기 신호를 제대로 증폭하려면 NPN형과 PNP형을 함께 쓰는 것이 기본이다. 즉, NPN으로 +를 (또는 정상 신호를) PNP로 -를 (또는 역상 신호를) 증폭하는 것이다. 이런 것을 푸시-풀(Push-Pull) 회로라고 한다. 물론 NPN 하나로도 스피커를 구동할 수도 있을 것이다. 그런데 NPN은 +만을 구동할 수 있다고 했고, 음악 신호는 교류라서 +와 -를 넘나들므로 음악 신호에 +전압을 많이 더해 주어, 늘 음악 신호가 +영역에 있도록 유지시켜야 한다. 이렇게 더해 주는 전압을 바이어스(Bias) 전압이라고 하는데, 음악 신호가 '0'이어도 출력석에는 바이어스에 해당하는 큰 전류가 흐르게 되므로, 출력이 작다는 것은 차치하더라도, 무척이나 비효율적인 회로가 된다. 열도 무척이나 많이 날 것이다. 이것은 가장 간단한 A급 증폭의 원리가 된다. 진공관 앰프는 진공관 한 개로 교류를 증폭할 수가 있어서 싱글 앰프가 많지만, 트랜지스터 앰프에 싱글 앰프가 거의 없는 것은 이 때문이다.            <다음 호에 계속>http://blog.naver.com/casalsaudio 

<Monthly Audio>


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