증폭기(Amplifier) 찌그러짐(Distortion)의 여러가지 형태 - 진 히라가

조회 수: 176, 2015-05-19 00:51:42(2015-05-18)

http://milbert.com/articles/sound_of_distortion

증폭기(Amplifier) 찌그러짐(Distortion)의 여러가지 형태

진 히라가   (KYJ 역)

역자 주: 이 글은 잘 알려진 오디오 구루인 진 히라가가 불어로 작성한 원문을 2005년 5월호 글래스 오디오에  영역하여 계재한 글을 번역한  것이다.  진 히라가는 프랑스인 어머니와 일본인 아버지를 둔 혼혈인으로 주로 프랑스에서 활동한 사람으로 알고 있다.  그는 SET 암프가 서구 세계에 전파되는 과정에서 지대한 영향을 끼친 사람 중의 한 사람이라는 평가를 받고 있다.  또한 프랑스의 오디오 잡지의 편집인이기도 하다.

 

오디오에서 찌그러짐 (Distortion)이란  충실도의 결여로 정의 되는데 이를 증폭기에 적용한다면 증폭기의 출력 신호가 투입된 입력신호와 정확히 동일하지 않은 경우에 찌그러짐이 발생하였다고 말한다.  증폭기의 찌그러짐은 여러 종류로 구분이 가능하다 하더라도  음악 신호가 존재하는 “현장”에서 이를 (정량적으로: 역자 부기)인식하는 것은 매우 어려운 문제로 남아있다.

처음 저주파수에 응용할 목적으로 증폭기가 개발된 이래 설계자들은 재생된 출력신호를 왜곡시키는모든 종류의 찌그러짐을 경감시키기 위한 연구를 해 왔다.  기본적으로 찌그러짐은 여러 종류로 구분될 수 있지만 그 중 에서 “비 직선성” 혹은 “진폭 찌그러짐”으로 알려져 있는 형태가 있다.  이것은 또다시 여러 형태로 존재한다: 주파수-진폭 비직선성, 고조파 찌그러짐,  혼변조 (이는 증폭기 입력에 두개 혹은 그 이상의 상이한 주파수의 신호가 입력되었을 때 발생한다), 과도 찌그러짐,  위상 찌그러짐, 주파수 찌그러짐(증폭도가 주파수에 따라 달라지는 경우), 그리고 진폭 찌그러짐 (증폭도가 입력 신호의 진폭에 따라 달라지는 경우)

전력 증폭기(즉 main amplifier)의 경우 이러한 다양한 형태의 찌그러짐들이  스피커 드라이버와 스피커 통에 의해 발생된 찌그러짐과 함께 혼재하게 된다.  그리고 이런 혼합된 찌그러짐은 증폭기 자체의 안정성에 문제를 일으킬 수도 있고 스피커에 의해 발생된 역기전력은 증폭기 입력측에 다시 투입되기도 한다.  이 문제는 뒤에 다시 논의하겠다.

정상상태와 과도기의 고조파

증폭기가 입력신호에 대응한 출력신호로 (추가적인) 고조파를 발생시킨다면, 예를 들어 1KHz의 정현파 입력에 대하여 하나 혹은 그 이상의 고조파를 발생시킨다면, 즉: 2 KHz, 3 KHz, 4 KHz, 5 KHz, 10 KHz정현파, 등등,  이 증폭기는 고조파 찌그러짐이 있다고 말하게 된다.  이런 종류의 찌그러짐은 원래의신호 및  그 고조파 구성비율을 다소간 크게 변경시킬 것이고 음색에 변화를 가져온다.  이 문제는 전기음향학의 시초부터 이를 평가하고 정량화 하며  분류하려는 시도의 주제가 되어왔다.

고조파 찌그러짐을 논의하려면 또한 화음과 불협화음에 대하여도 약간의 논의가 있어야 할 것이다. 그 기본 원리는 음악에 그 유명한 12 음을 구성하게 하였다.  화음과 불협화음에 대해 인간이 얼마나 예민한가에 대하여는 설명이 필요하다.  빛과 시각의 경우에는 청색과 노란색이 혼합된 경우 일종의 조화를 이룬 녹색이 된다.  이 경우 녹색이 독자적으로 존재하는 경우에 인간은 그 원래의 구성요소 (즉 청색과 노란색)를 더 이상 식별할 수 없다.

소리에 대한 인간의 감각기관은 이와는 사뭇 다르다.  만일 피아노로 두개의 음 “도”와 “솔”을 동시에 내도록 하면  우리는 두개의 음의 융화된 음을 듣지만 동시에 두개의 음의 존재를 식별할 수 있다. “흰색”은 무지개의 일곱 가지 색갈의 완전한 조화를 이룬 혼합으로 간주할 수 있지만 우리의 눈으로는 그 구성 요소들을 식별하는 것이 불가능하다.  이런 사례는 빛과 시각과의 관계에는 적용되지만 음과 청각의 관계는 전혀 다르다.

백색 광에 대응시킬 수 있는 백색잡음 (white noise)은 매우 복잡한 소리이지만 수만가지의 순수한음 (tone)이 완전하게 융화된  소리로 들리지 않는다.  그것은 실제로 매우 많은 수의 음으로 들린다. 즉 많은 종류의 음이 거칠게 혼합되었다는 인상을 준다.

백색잡음과 같은 복잡한 소리를 분석해 낼 수 있는 인간 청각의 탁월한 능력은  이런 음(tone)들의 수가 얼마나 많고 혹은 그 음들이 서로 얼마나 근접해 있나에 관계없이 그것들을 하나의 단일한 소리로 융화시키는, 그래서 그 소리를 “백색잡음”으로 인식하도록 하는 데에는 충분치 않다는 사실을 증명한다.  이런 법칙은 독일 물리학자로서 전압과 전류의 기본 공식을 만들어 낸 Georg S. Ohm 에 의한 것으로 “음향학의 옴의 법칙”으로 알려져 있다.

화음과 불협화음

화음과 불협화음에 대한 연구는 수세기 전으로 거슬러 올라간다.  흥미있는 독자는 Zarlin (16세기 이태리 사람)의 저작들을 참고하기 바란다.  이 사람은 “물리학자들의 음계” 혹은 “온음계”라고도 불리는 “Zarlin 음계”의 저자이며  음계와 이를 구성하는 12음의 정확한 피치에 대한 논의와 연구를 수행하였다.  또한 “일반 화음”이라는 유명한 논문의 저자인 Marin Mersenne의 저작들이나 혹은 1862년 “음의 느낌에 대하여”라는제목으로 논문을 발표한 Herrmann von Helmholz 의 저작들을 참고하기 바란다.

이런 저작들로부터 우리는 우리의 청각기관들의 기본적 특성들을 추론해 낼 수 있다. 한 옥타브 안에서 어떤 간격의 음들이 어느 정도로 화음이 되며 불협화음이 되는지를 알 수 있다.  우리는 또한Fletcher, Zwicker, S.S. Stevens, 그리고  Steinberg 들과 같은 다른 연구자들의 연구결과로 부터도 도음을받고 있다.  이들은 순수음(pure tone) 간의 주파수 차이와 그들간의 화음과 불협화음의 정도에 관한 중요한 문제를 다루고 있다.  이러한 연구들은 증폭기로부터 발생된 고조파 찌그러짐이 끼치는 주관적 영향의 연구를 용이하게 해 주고 있다.

특히 두 연구자, Wegel 과 Lane이 1930년에 행한  “증폭기의 고조파 찌그러짐과 그 주관적 영향” 에 대한 중요한 연구는 많은 도음을 주고 있다.  이 두 과학자는 순차적인 고조파 차단과  다수의 고조파에 대한 효과를 연구 함으로서  마치 고조파가 결여된 순수한 음으로 인식될 때의 고조파 수준을 상당히 정확하게 결정하였다.  그들은 기본 주파수가 400Hz의 신호가 76dB의 음압을 가졌을때 제 2, 3, 4 고조파들이 인식될 수 있으려면 각각 61dB, 58 dB, 50 dB의 음압을 가져야만 한다고 결론을 내렸다.

당시의 측정 방법으로는 더 이상의 고차 고조파에 대한 분석이 허용되지 않았었다.  이 연구는 1960년대부터 실현될 수 있었는데  이 때의 연구 결과는 15차부터 20차 까지의 고조파가 총 음향출력 에너지의 0.0008% 이하로 함유되어 있는 경우에도 영향을 끼칠 수 있다는 것을 보여주고 있다!   이들 잘 수행된 연구 결과는 왜 측정상으로 완벽해 보이는 성능을 가진 증폭기들 조차도 대단히 큰 찌그러짐, 특히 불안정한 형태의 찌그러짐을 발생시키게 되는가를 이해하도록 한다.  왜냐하면 이들 찌그러짐은 근본적으로 (변동이 심한) 과도적 음악신호로 부터 결과된 것이기 때문이다.  이는 또한 왜 어떤 진공관증폭기 (그렇지만 모든 진공관 증폭기가 그런 것은 아니다.  실제로는 그것과는 거리가 멀다) 혹은 트랜지스터 증폭기들이 매우 아름다운, 매우 화음이 된 소리를 내는지를 설명해 준다.

그렇더라도 이러한 발견들은 전후 관계를 따져서 받아들여야 한다.  증폭기나 스피커들은 흔히 여러증폭단들이 직렬로 혹은 루프를 이루며 연결되어 있다는 사실을 고려해 보자.  이들 매 증폭단들은 자체로서의 특별한 형태의 찌그러짐을 발생시키며 동시에 다른 증폭단들과 융합되어 전체 시스템을 구성한다.  이때 (측정을 위한) 정현파를 음악신호로 교체하는 순간 실험실 내에서 (찌그러짐의 특성을) 이해하기는 거의 불가능하다.

"연성 찌그러짐 (Soft Distortion)" 과 "경성 찌그러짐 (Hard Distortion)" 

그림 A부터 그림D까지에서는 거의 모든 가청수파수 대역을 포함하는 3개의 주파수, 즉 40Hz, 1 KHz,그리고 10 KHz의 주파수에서 고조파 찌그러짐을 출력의 함수로서 보여주고 있다.   그림 A의 곡선들은 연성 찌그러짐이라고 불리는데 흔히 부궤환을 걸지 않은 증폭기에서 발견된다.  여기서는 비교적 적지 않은  찌그러짐이 관찰되는 반면 찌그러짐이 출력의 증가에 따라 매우 규칙적인 증가를 보이고있다.

이 (찌그러짐)특성중 최선은 대부분의 가청주파수 대역에서 동일 출력일 때 동일 수준의 찌그러짐을 발생시키는 잇점을 가진 경우이다.   이런 연성 찌그러짐의 특성을 갖는 대부분의 증폭기들은 또한 연성 클리핑 (Clipping)의 특성을 보인다.   (이런 증폭기에서) 정현파 신호가 클리핑이 되면 정현파의 상부가 (확연하게) 잘려나가는 것이 아니라 단지 정현파의 상부가 약간 평평해 지게 되고  따라서 (출력)포화가 시작되는 경우에도 귀에  덜 거슬리게 된다.

그림 B의 곡선들은 “경성” 찌그러짐으로 불린다.  이는 대량의 부궤환의 결과로 인한 경우가 보통이다.  여기서는 고조파 찌그러짐이  전 가청주파수 대역에서 (비교적) 작거나 혹은 매우 작다.

고조파 찌그러짐은 (출력이) 포화점에 이를 때 (급격히) 증가한다.  이경우에 정현파 신호는 거의 항상 평평하게 잘린 모양을 갖게 되고 고차의 고조파 찌그러짐을 발생시키며 매우 귀에 거슬리는 소리를 내게된다.

그림 C의 곡선들은 증폭기의 비직선성으로 인해  특정 주파수 혹은 특정 출력 수준에서의 찌그러짐이 증가 혹은 감소하는 경우이다.  이 경우는 MOSFET를 출력회로에 사용하였거나 입력 커패시턴스가큰 능동소자를 채용한 증폭기들에서 관찰되는 수가 있다.  또는 혼합 소자 회로 (Hybrid)에서 관찰 될 수도 있는데 이 경우에서는 한 증폭단에서 발생된 찌그러짐이 다른 증폭단에 의해 부분적으로 보상되는 경우 음질이 그 때 그 때 달라지는 경우이다.

그림 D의 곡선들은 모든 증폭기에서, 진공관, 트랜지스터, 혹은 혼합 (Hybrid) 소자 증폭기들에서 관찰될 수 있다.  이 경우에서는 높은 주파수 대역에서 더 높은 수준의 찌그러짐이 발생하는 사례인데 이런 증폭기는 딱딱하고 모래가 갈리는 듯한 소리가 나거나 혹은 듣기 거북한 음질을 보이게 된다.

전원부의 불안정성

대부분의 증폭기들에는 정류기에 연결된 한 개 혹은 두어개의 2차 코일을 가진 전원트랜스와 정류기에 이어 있는 RC 혹은 LC 파이 평활회로로 구성된 전원부가 있다.  흔히 이 전원부는 증폭기의 양 채널을 구성하는 각 증폭단에 공용으로 사용되며 각 채널을 구성하는 여러 증폭단에 필요한 전원을 공급한다.   입력 신호가 (각 채널의) 증폭단들을 거치면서 증폭되는 과정에서 (각 증폭단에서는) 위상이 바뀌거나 지연된  여러 상이한 전류가 요구되는데  이는 여러 상이한 현상들과 회로 소자들에 관련된 아래와 같은 이차적인 효과를 발생시키게 된다:

• 평활 회로 커패시터가 충, 방전을 되플이하는 과정에 관련된 여러 형태의 관성

• 전원 트랜스, 정류기 그리고 평활회로의 과도적 동작 특성

• 전원트랜스에서 발산되는여러 형태의 자장과 이에 의해 오디오 회로에 끼칠 수 있는 영향

• 증폭하려는 입력신호가 공급 전원의 주파수와 관련이 있을 때 (예를 들면 50Hz, 100Hz, 150Hz: 미국이나 한국에서라면 60Hz, 120 Hz, 등등: 역자 주) 보일 수 있는 비 정상적 동작 형태

• (높은 진폭의 팔스 신호와 같은) 과도적 신호가 연이어서 입력된 경우 그 결과에  기인한 덜컥거리는 듯한(rattling) 현상.  이런 경우에  남는 잔류적인  불안정성.

• 증폭기가 (지속적인) 부하상태에 있을 때,  전원부 출력전압의 강하.  흔히 상당한 전압강하가 관찰된다.  (전압안정 회로가 결여된 진공관 암프의 경우 양극 전압의 강하는 50V 에 이를 수 있다)  이런 경우각 증폭단은 그 동작점이 달라지고 그 결과 심한 불안정성에 접어들 수 있다.  여기에 (전원 평활 회로의) 평활 커패사터의 충전시간과 관계된 관성 현상이 추가될 수 있다.

전원부에 의해 발생하는 이런 종류의 찌그러짐은 그림 1의  측정회로를 가지고 쉽게 증명할 수 있다. 이 회로에서 음악 신호가 입력된 측정 대상의 증폭기의 전원부로부터 직류차단  캐패시터를 통해 불안정 전압의 교류 요소를 추출해 낸 다음 이를 추가의 증폭기에 입력시켜 증폭하고 그 주파수 구성과 진폭 변화 (Amplitude envelope)를 청취해 보고 동시에 스펙트럼 분석기에 넣어 스펙트럼을 관찰한다. 

이 청취시험의 신호는 여러가지 형태를 취할 수 있다: 아무 소리가 나지 않거나, 예리한 소리가 나거나, 혹은 고음의 짜증나는 소리가 날 수 있다.  (증폭기) 전원부가 이런 저런 전압안정 회로나 혹은 어떤 종류의 회로를 포함하고 있을 때  그 증폭기는 과도적 신호가 입력될 때 일제 사격과 같은 형태로,혹은 폭발적으로 찌그러짐을 발산시킬 수 있다.  이는 마치 라디오를 동조시킬 때 정확한 주파수에서 약간 벗어났을 때 나는 소리를 연상시킨다.

전력 인터페이스 혼변조 찌그러짐 (Power Interface IIM)

인터페이스 혼변조 (IIM) 라는 모호한 찌그러짐의 근원은 핀란드의 연구자인 마티 오탈라 (Matti Otala)가 밝혀냈다. 새로운 측정방법의 결과로 밝혀진 이 새로운 형태의 찌그러짐은 불완전한 증폭기 설계에 기인한다: 즉 과도적 신호(transient)가 입력 되었을 때 각 증폭단의 대역폭,  각 증폭단에 의해 삽입된 그룹 전파(Propagation) 시간이  부궤환 룹에 끼치는 영향의 문제다.

이런 형태의 찌그러짐이 존재한다는 것을 증명하는 측정방법으로 제안된 측정전략 중에서 스피커나 스피커 통에 의해 발생된 역기전력이 일으킬 수 있는 찌그러짐을 재현 하는 방법에 대한 관심은 매우높다.  이 역기전력은 증폭기가 이미 다른 주파수를 재생하는 순간에 전압의 형태가 아닌 에너지의 형태로 증폭기의 출력측에 재 투입된다.  

실제로 전통적인 찌그러짐 측정 방법 (SMPTE의 표준 측정방법에 따른 고조파 찌그러짐, 혼변조 찌그러짐) 으로는 이 찌그러짐이 감지되지 않는다.  이 측정방법의 기본적인 형태는 일본 동경의 무사시대학의 연구자들이 20년 전에 제안한 것이다.  그러나 이 측정방법은 현재에도 적절하다.  약간의 확장된 부분을 포함한 이 측정방법을 그림 2에 보였다.

이 측정방법은 피 시험 증폭기의 입력에 1 KHz의 정현파를 입력시키고 출력이 15W정도가 되도록 입력전압을 조절하는 것으로 시작된다.  여기서 증폭기의 부하는 8 Ohm 저항을 사용하거나 혹은 스피커를 부하로 해도 좋다.  여기서 출력단자에 250Ohm/1000W의 무유도 저항과 이에 직렬로 1KHz신호를 상쇄할 수 있는 LC 필터를 연결하고 이를 통해 50Hz의 신호를 주입한다. (1KHz 노치 필터는 7.5 mH/15A의 인닥터와 3.3 uF의 캐패시터로 구성된다)  이렇게 해서 피 시험 증폭기의 스피커 단자에 존재할 수 있는 복합 신호를 재현한 것이다.  다음 스펙트럼 분석기에 이 신호를 입력시킨다.

그림에서 볼 수 있는 대로 이 (증폭기 출력과 스피커 시스템으로 부터 발생된 역기전력의: 역자 주) 복합신호는 부궤환 룹을 통해 증폭기의 입력에 재 투입된다.   두번 째 신호 (즉 역기전력의 신호: 역자주)를 주입함에 의해 현재 증폭되고 있는 신호보다 현저히 낮은 역기전력의 신호를 모사 (Simulate)해준 것인데 이 신호가 실제 스피커에 입력되는 신호가 된다.

이 두번째 신호는 증폭 중에 있는 신호의 최고치 파형 (peak envelope)을 충실히 따르다가 다소간 빠르게 감쇄하고 다소간 빠르게 그 주파수가 감소한다.  이 두가지 현상은 (스피커 콘의 구조물과 같은) 움직이는 질양, 혹은  진동판의 공기 부하에 대한 전기 기계적 제동 (damping)과 기계적 마찰로 인한 결과이다.  따라서 전체 움직임은 감속되어 움직이는 부분이 원래의 위치에 이르면 정지하게 된다.

 

그림 3에서 1번 곡선은 순수한 저항 부하에서 측정되는 원래의 복합신호 (의 스펙트럼)를 보여준다. 왼쪽에 보이는 스펙트럼이 50 Hz 신호이고 저주파 발진기로부터 생성된 100Hz의 잔류 고조파가 보인다.  2번 곡선은 IIM이 전혀 없는 매우 고성능 증폭기의 시험 결과를 보여준다.   반면에 3번 곡선은 매우 훌륭한 고조파 및 혼변조 특성을 가진  증폭기에 대한 시험 결과이다.  (이 증폭기는 정격출력의 절반의 출력에서 측정했을 때 오디오 대역폭의 중간 주파수에서의 찌그러짐이 0.008% 이하이고 고역에서는 이보다 약간 높은 정도의 찌그러짐을 보여주고 있다.)  그러나 이 시험 조건에서는 저 출력에서도 대단히 큰 IIM 찌그러짐을 보인다.

이 증폭기를 약간 높은 출력조건에서 시험하면 4번 곡선에서 보는 대로 그 동작행태가 변하면서 3번곡선에서 보여 준 스펙트럼과는 전혀 다른, 더 큰  IIM찌그러짐을 보여주는 것은 상당히 주목할만 하다.   이 시험 결과가 시험을 거친 증폭기에 따라 매우 변화가 심한 결과를 보여준다는 사실은 이 현상이 재생된 음질에 어떤 영향을 끼치게 되는지를  추구하게 한다.

스펙트럼 분석기를 통해 보았을 때 3번 곡선과 4번 곡선과 같은 괘상한 특성을 보이는 증폭기를 청취해 보면 음질에 정교함이 결여되어 있거나, 음색이 거칠다거나, 혹은 이해 할 수 없게 딱딱하다는 느낌을 받는다는 사실을 효과적으로 보여주고 있다.   그러나  소량의 부궤환 만을 적용했다는 이유로 비교적 높은 수준의 (고조파) 찌그러짐을 가지고 있는 증폭기들이 이런 IIM  측정시험에서 듣기에 거북하지는 않지만 심히 혼란스러운 결과를 보일까?  많은 시험 결과는 전혀 그렇지 않다는 것을 보여준다.  그 결과는 5번 곡선에서 보여주고 있는데 이는  10A/801A를 사용한 3극관 모노 암프의 경우이다.

 5번 곡선은 2 KHz의 2차 고조파와 50Hz 신호에 의한 고조파로 구성된 상당히 높은 수준의 찌그러짐을 보여준다.  그러나 3번 곡선에서 보이는 것과 같은 다른 찌그러짐은 보이지 않는다.  (스펙트럼 분석기에서 보여주는) 명백한 결점에도 불구하고 청취시험에서 이 암프는 2번 곡선의 암프에 비등한 좋은 음질을 들려주고 있다.  어쨋던 여기서는 그 설계철학이 매우 상이한, 그래서 정격 출력 또한 매우다른, 그래서 모든 다른 형태의 찌그러짐이 같을 가능성이 없는 두개의 다른 증폭기를 시험하고 있다는 사실을 간과해서는 안된다.

증폭기나, 혹은 증폭기와 스피커로 구성된 복합 시스템에서 발생하는 단 한 형태의 찌그러짐에 대하여 논하는 데에도 수십 페이지의 지면이 충분하지 못하다.  이런 이유로 여러가지 제약 조건이나 오류의 위험성에도 불구하고 엄격한 절차를 거친 세밀한 청취 시험의 중요성이 대두되는 것이다.  이것이 음악을 시험 신호로 사용하며 동시에 수 많은 변수를 모두 고려했을 때의 유일한 평가 방식으로 보인다.  

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