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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 7816      
  8-6.전압증폭회로의 설계와 계산-7 (입력회로)

 

전압 증폭 회로의 설계와 계산-7 (입력 회로)


입력 회로는

메인 앰프로에서도, 프리앰프에서도, 반드시 있는 것이 입력 회로입니다. 입력 회로는, 앰프에 있어서, 외부와 인터페이스 하는 중요한 위치에 있습니다.그래서, 일부러「입력 회로」라고 제목을 붙여, 독립 장으로 설명합니다.

입력 회로를 결정하는 요소에는,

  • 입력 impedance
  • 입력 용량
  • 입력 신호 레벨
  • 최대 입력 신호 레벨 · · · 특히 프리앰프인 경우
  • 평형, 불평형 · · · 통상은 불평형인 것이 많음
  • 입력 단자의 형상 · · · RCA 잭이 아닌 것도 있다
  • 디지탈, 아날로그 · · · 본장에서는 아날로그에 한함
  • 오디오 신호 이외의 목적에도 사용여부 · · · 마이크 입력등
등이 있습니다. 그리고, 입력 회로의 특성에는, 세상의 상식이라는 것이 있고, 그것은 시대와 함께 변화해 오고 있습니다. 30년전의 상식은, 1990년대의 후반에는 통용되지 않는 것도 있기 때문에, 더욱 주의가 필요합니다.


입력 impedance와 신호 레벨

일반적으로, 전단에 접속되는 앰프등은, 후속이 되는 앰프의 입력 impedance가 있는 일정 이상의 값으로, 일정한 입력 감도인 것을 기대해 설계되고 있습니다.

소스 입력 impedance 입력 신호 레벨
로 · impedance · 마이크로폰 200Ω∼1kΩ(트랜스입력)
수 kΩ(저항 입력)
0.2mV전후
하이 · impedance · 마이크로폰 10kΩ∼50kΩ 1mV전후
MC카트리지 수십Ω(트랜스입력)
수백Ω(저항 입력)
0.05mV∼0.5mV
MM카트리지 47kΩ( 50kΩ) 2mV∼10mV
FM/AM 튜너 100kΩ이상(옛날),50kΩ이하(지금) 100mV전후(옛날),0.5V전후(지금)
재생 장치 재생 100kΩ이상(옛날),50kΩ이하(지금) 100mV전후(옛날),0.5V전후(지금)
TV음성,비디오 음성 100kΩ이상(옛날),50kΩ이하(지금) 100mV전후(옛날),0.5V전후(지금)
CD등 100kΩ이상(옛날),50kΩ전후(지금) 100mV전후(옛날),0.5V전후(지금)
프리 녹음 출력 - 100mV전후(옛날),0.5V전후(지금)
프리 출력 - 0.5V∼2V
메인 입력 100kΩ이상(진공관),50kΩ이하(반도체) 0.5V∼2V


마이크로폰

마이크로폰은, 그 구조상, 마이크로폰 본체중에 impedance 변환용 트랜스가 넣어지는 것이 많아,  트랜스의 2차측 impedance에 의해서, 앰프측의 입력 impedance가 하이,로로 변화합니다. 그러나, 하이 · impedance · 마이크로폰은, 그 impedance가 높아 노이즈가 발생하기 쉽기 때문에, 십수년이 지난 지금, 완전히 자취을 감추었습니다.

종래, 마이크로폰 출력은, 입력 트랜스로 받아, 그 때 ,impedance · 매칭을 하였습니다. 600Ω의 마이크로폰은, 600Ω의 트랜스로 받는 것입니다. 트랜스를 사용하지 않고, 앰프로 받는 경우는, 마이크로폰의 impedance보다도 수배 높은 저항 부하로 받습니다. 만약, 600Ω의 마이크로폰 출력을, 600Ω의 저항 부하로 받게 되면, -6dB의 이득의 로스가 생겨 버리기 때문입니다.

그렇기 때문에, 로 · impedance의 마이크로폰 입력에서는, 입력에 3kΩ∼5kΩ정도의 저항을 넣는 마이크로폰 · 앰프가 일반적입니다. 이것은, 평형 · 불평형에 관계없이 치유되는 것입니다.


Phono 카트리지

Phono 카트리지는, 크게 나누어  로 impedance의 MC형태와  하이 impedance의 MM형태에 분류됩니다. MC형태 카트리지는, 출력 전압이 너무나 미소하여, 이 신호를 앰프로 받아 증폭하는 것은 불가능하다고 말해지고 있었습니다. 그 때문에, 아무리해도 트랜스에 의한 승압에 의지하지 않을 수 없었습니다. 뛰어난 저잡음 성능을 가진 반도체가 등장 하게 되어, 간신히, MC출력을 앰프로 받아 증폭 할 수 있도록 되었습니다.

한편, MM형태 카트리지는, 구조상, 발전을 위한 코일을 많이 감는 것을 할 수 있기 때문에, 수 mV정도의 출력 신호를 얻을 수 있습니다. 그 때문에, 진공관에 의한 증폭 회로를 사용해도, 실용적인 잡음 성능을 얻을 수 있습니다. 부하 impedance를 47kΩ(50kΩ)를 표준으로서 정했기 때문에, 어느 MM형태 카트리지도, 47kΩ의 부하 저항을 주었을 때에, 플랫인 주파수 특성을 얻을 수 있게 설계되게 되었습니다.

부하 저항을 큰 것으로 변화 시키면, 고역의 10kHz∼20kHz근처에 피크가 나타납니다. 반대로, 부하 저항을 작은 것으로 변화 시키면, 주파수 특성은 얌전하게 되어 , 고역 특성이 열화합니다. MM형태 카트리지는, 부하 저항의 값에 의해서 주파수 특성이 극단적으로 변화합니다. 특히, record player로부터 프리앰프의 Phono 입력까지의 쉴드 cable이 길면, 부하 저항에 콘덴서 용량이 더해집니다. MM형태 카트리지는 용량 부하에 매우 약해, 10kHz∼20kHz근처에서 날카로운 피크를 낳기 쉬워지기 때문에 주의가 필요합니다.

MC형태 카트리지의 대표 선수, DENON DL103의 출력 전압은 공칭 0.3mV, 실측 0.4mV정도이기 때문에, 이 출력을 트랜스로 승압하는 경우, 승압비는1:10정도가 필요하게 됩니다. 코일비 1:10의 트랜스의 impedance비는 1:100이기 때문에, 이 트랜스를 입력 impedance 50kΩ의 MM입력에 접속하면, 트랜스의 1차측의 impedance는, 500Ω이 됩니다. 덧붙여서, DL103의 코일의 직류 저항은 약 40Ω이기 때문에, 신호의 감쇠는, 500/(500+40)=0.926배가 됩니다.

ortofon SPU 시리즈입니다, 출력 전압은 공칭 0.05mV이기 때문에, 승압비는 적어도1:50정도가 필요하게 됩니다. 코일비1:50의 트랜스의 impedance비는1:2500이기 때문에, 이 트랜스를 입력 impedance 50kΩ의 MM입력에 접속하면 ,트랜스의 1차측의 impedance는, 20Ω이 되고 SPU 시리즈의 코일 직류 저항은 약 2Ω이기 때문에, 신호의 감쇠는, 20/(20+2)=0.91배가 됩니다.

MC형태 카트리지용의 헤드 앰프를 제작하는 경우는, 입력 impedance는, 100Ω∼1kΩ정도로 설계하면 좋겠죠. MC형태 카트리지는, MM형태와 달라, 부하 impedance에 의해서 거의 주파수는 변하지 않고, 꽤 뛰어난 플랫 특성을 유지합니다.

그런데, 이 홈 페이지에는, 진공관(ECC83)을 초단으로 한 MC형태 카트리지 입력을 가진 프리앰프를 소개하고 있습니다. 진공관 고유의 잡음 이론값으로 생각하면, 0.3mV정도 의 미소 입력에서는 실용이 되지 않은 것으로 됩니다만, 굳이 실험해 봐 보았더니, 실용 레벨의 앰프로 억지로 사용은 가능합니다.


라인 레벨

위 표의,「FM/AM 튜너」로부터 밑은, 라인 레벨이라고도 불리고 있는, 0.1V∼1V정도 범위의 신호 레벨을 가지고 있습니다. 라인 레벨의 신호의 크기도, 시대에 따라 변화해 오고 있습니다. 지금부터 30년 이상전의 프리앰프에서는, 100mV전후가 당연했습니다. 시판의 프리앰프의 라인 입력 레벨은, 50mV∼200mV정도의 범위인 것으로 기억합니다.

Marantz로 대표되는 당시의 프리앰프기는, 라인 입력부터 프리 출력의 사이에 10배 정도의 이득을 가지고 있는 것이 보통이었습니다.그 러나, 요즈음의 FM튜너도, CD플레이나도, 출력의 기준 레벨이 자꾸자꾸 높게 설정되게 되었기 때문에, 현재는, 라인 입력으로부터 프리 출력의 사이에 거의 이득이 없어도 충분히 실용이 가능합니다.

그 때문에, 시판의 프리앰의 라인 입력 레벨도 시대와 함께 상승 경향에 있어, 최근에는 200mV∼400mV정도로 하는 것이 당연하게 되어 오고 있습니다. 실제, 이 홈 페이지에서 소개하는 프리앰프에서는, 라인 입력부터 프리 출력의 사이의 이득은 1.0배에 지나지 않습니다.  프리앰프를 생략해, CD출력을 직접 메인 앰프에 입력 하는 구성도, 몇년도 전부터 넓게 행해지게 있읍니다.

그런데, 라인 레벨의 입력 impedance입니다만, 진공관 시대에서는, 100kΩ이상이 당연했습니다. 그 이유의 하나가, Phono 이퀼라이저 · 앰프가 많고 12AX7/ECC83의 2단구성 이 많은 것에 기인합니다. 12AX7/ECC83에 의한 전압 증폭 회로에서는, 후속의 입력 impedance가 100kΩ이하면, 나이득이 현저하게 저하해 버리기 때문입니다. 그렇기 때문에, 진공관 전성기의 프리앰프의 라인 레벨의 입력 impedance는, 200kΩ이상이라는 것이 하나의 상식이 되었습니다. 이 문제는, LUX 제 SQ38FD에서도 이와 같이 존재합니다.

그러나, 트랜지스터 앰프가 보급되기 시작하면서, 라인 레벨의 입력 impedance는 단번에 저하하기 시작합니다. 그 이유는 2개 있습니다. 하나는, 트랜지스터 앰프에서는, 진공관 앰프에 비해서 출력 impedance가 매우 낮게 되기 때문에, 높은 입력 impedance로 받을 필요가 없어진 것이고. 다른 하나는, 트랜지스터 회로에서는,  입력 impedance가 낮은 것이 많아, 높은 입력 impedance를 얻으려고 하면 오히려 회로가 복잡하게 되어 버리기 때문입니다.

이 변천은, 프리앰프로로 사용되는 볼륨 · 콘트롤의 저항값에 보면 알 수 있습니다. 진공관 앰프 시대에서는, 500kΩ∼1MΩ이 보통이었습니다 .트랜지스터화된 Marantz 7T에서는, 아직 진공관 시대의 상식을 두고 있어, 변함없이 · · ·이 사용되고 있습니다. 초기의 보급형 트랜지스터 앰프인 Pioneer SA50( 1970년경)에서는 250kΩ로 줄어들어, 이윽고 100kΩ이나 50kΩ이 당연하게 됩니다.

같은 경향은, 재생 장치의 녹음 입력에도 나타나 있습니다. 그 런데, 만약, LUX SQ38FD를 사용하고 있는 사람이, SQ38FD의 녹음 출력에 최근의 재생 장치를 이으면 어떻게 될까요. SQ38FD의 Phono 이퀼라이저는 12AX7의 2단증폭이기 때문에, 출력 impedance 는 높게 되고 있습니다. 그곳에, 입력 impedance가 50kΩ정도인 재생 장치가 접속된 경우, 우선, Phono 이퀼라이저 회로의 2단의 이득이 현저하고 감소하고, 이것에 의해서, 저역 에코라이징 특성에 지장이 나옵니다. 그리고, 출력측의 콘덴서가 0.1μF이기 때문에, 후속 회로의 입력 impedance와의 사이에서 로컷 오프 필터가 형성되어 버립니다. 0.1μF와 50kΩ의 편성에서는 32Hz(-6dB/oct)가 됩니다. 이 2가지 이유에 의해, 밝은 저역 특성의 저하가 나타납니다.

이와 같이, 진공관 앰프와 반도체 기기와의 혼용에는, 꽤 큰 리스크가 생깁니다.


프리 출력 · 메인 입력

1V의 입력 신호에 있어서 최대 출력을 얻을 수 있는 메인 앰프라고 하는 것이 일반적입니다. 0.5V의 입력 신호로 최대 출력을 얻을 수 있는 메인 앰프는 감도가 높다고 말해지고, 역으로, 2V의 입력 신호가 필요한 메인 앰프는 감도가 낮은 부류에 들어갑니다.

그러나, 같은 1V의 입력 신호로 최대 출력을 얻을 수 있는 2개의 메인 앰프가 있어, 각자 최대 출력이 3W와 50W라고 하면, 어떻게 생각하면 좋은가요 3W의 출력과 50W의 출력에서는, 8Ω에 있어서의 신호 전압은 각자 4.9V와 20V입니다. 3W의 앰프의 이득은 4.9배, 50W의 앰프의 이득은 20배로 4배입니다. 같은 조건으로 이 2개의 메인 앰프를 사용한 경우, 같은 음량으로 들으려고 하면, 50W 앰프의 볼륨은 낮게됩니다..

중요한 것은,  각자의 시스템에 있어서, 메인 앰프의 이득 이 어느 정도이면,쓰기에 좋을까 하는 것입니다.

메이커제의 프리 메인 앰프를 가지고 있는 사람이 많고, 볼륨 각도가 9시 ∼10시로 사용하고 있는 광경이 잘나타납니다.. 이것은, 앰프의 이득에 낭비이고 일상상 가장 좋게 듣 때의 볼륨 각도가 11시 ∼1시 정도가 되는 것이 좋은 이득 밸런스라고 생각합니다.

일반 가정에서, 라인 입력부터 스피커까지의 이득은 10배 ∼20배정도가 됩니다. 꽤 소음량으로 듣는 사람의 경우는 5배 ∼10배정도, 꽤 큰 소리양으로(듣는 사람의 경우는 20배 ∼40배정도 라고 봐도 좋겠죠. 이것은 메인 앰프의 최대 출력에는 관계가 없는 이야기입니다.

이것을, 앞의 3W와 50W의 앰프에 적용시켜 생각해 보면, 3W의 앰프에서는 ,0.25V∼0.5V입력으로 최대 출력( 즉 3W), 50W의 앰프에서는, 1V∼2V입력으로 최대 출력( 즉 50W)를 얻을 수 있는 것처럼 설계하면 좋은 것이 됩니다. 이 경우, 프리앰프의 이득은 1배(0dB)로 하면 좋습니다. (물론, 스피커의 능률이나, 방의 음향 조건에 의해서 이 값의 기준이 변화합니다.)

메인 앰프의 입력 impedance는, 트랜지스터에 의한 SEPP-OTL 회로가 출현한 때에 일대 전환기를 맞이했습니다. 그것은, 초기의 SEPP-OTL 회로에서는, 그 회로 특성상, 입력 impedance가 20kΩ정도로 낮게 되어버렸습니다. 진공관 회로에서는, 입력 impedance는 설계상의 제약은 있지 않았기 때문에,5 00kΩ에서도, 100kΩ으로도, 10kΩ으로도 모두가능합니다.

문제는, 100kΩ이하의 낮은 입력 impedance의 메인 앰프를 사용하고 싶은 경우로써, 프리앰프가 진공관식의 케이스입니다. 진공관식의 프리앰프는 대부분, 100kΩ이하의 낮은 입력 impedance에서도 문제없이 성능을 발휘 할 수 있도록은 만들어져 있지 않은 것이 많습니다.


최대 허용 입력

Phono 이퀼라이저 앰프로 특히 문제가 되는 것이, 최대 허용 입력입니다. 프리앰프의 음량 조절은, 보통, Phono 이퀼라이저 앰프보다 뒤, 프리 출력을 위한 라인 앰프 또는 버퍼 앰프의 앞에 위치하고 있습니다. 큰 신호가 입력된 때, 음량 조절보다 앞에 있는 앰프군은, 과대 입력에 대해서 무방비라고 하는 것이 됩니다.

최대 허용 입력의 여유(마진)를 어느 정도로 보는냐는 ,여러가지 견해가 있습니다. 10배(+20dB)있으면 좋다는 의견도 있고, 100배(+40dB)않으면 안된다는 의견까지 있습니다. Phono 카트리지로부터는, 

여기서 중요한 것은, Phono 이퀼라이저 앰프의 감도가 아니고, 실제로 사용하는 카트리지의 출력 전압입니다. DENON의 DL103 밖에 사용하지 않는 사람은 0.3mV를 기준으로 생각하면 변명합니다. 가지고 있는 MM카트리지의 출력 전압이 3mV∼8mV의 범위에 있으면, 최대의 8mV를 기준으로 생각하면 됩니다. 카트리지의 실제 출력 전압은, 카탈로그 스펙보다도 1∼3할정도 좀 높은 것이 대부분이므로, 그것도 고려에 넣습니다.

그렇다면, DENON DL103에서는 0.42mV, 후자의 예에서는 12mV가 기준이 됩니다. 경험칙입니다만, 이 값의 10배(+20dB)의 신호를 허용 할 수 있으면 문제는 없다라고 생각합니다.

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