第2高調波 優勢型 Amp

조회 수: 4523, 2012-06-30 10:11:26(2012-06-28)

-------제목이 생소 하지만 저의 시각에서 보는 이야기 입니다-------

2次 高調波 優勢形 Amp (2차 고조파 우세형 Amp)

1980년대에 시작된 High End Audio Industry 는 WE300B Amp 가 주도 했습니다. 그로부터 이미 30년이라는 세월이 지났습니다.

더 큰 출력을 추구하면서 300B 일색에서 벗어나서 이제는 대 출력 DHT 송신관으로 다양해 졌습니다. 회로 역시 생각할 수 있는 것은 모두 시도 되었고 좋다는 Amp 는 수백 가지가 나왔습니다. 그 제작 기사와 평론 들은 Internet 을 도배 하고 최고급 Amp 의 판매 값은 우리의 상상을 초월합니다. 

진공관 Amp 의 기술적 특색은 Amp 마다 고유의 DNA인 Harmonics- 高調波 (고조파)를 많이 만들어 냅니다. Amp 에서 나오는 음악 신호는 이 고조파 로 변조되어 그 Amp 만의 독특한 소리가 됩니다. 

이 고조파 의 내용 (spectrum) 이 소리의 “질” 을 좌우하게 되는 것입니다. 

일반적으로 우수차 고조파 (even harmonics) 는 부드러운 느낌을 주고, 기수차 고조파 (odd harmonics) 는 모가 난 딱딱한 느낌을 준다고 알려져 있습니다. 그러나 사람에 따라서 같은 고조파에 대한 반응도 모두 제각각 입니다. 한 예로 우수차 고조파에는 별 느낌이 없고 이보다 소량의 기수차 고조파 에는 예민하게 반응하는 사람도 있습니다.  

(저는 아주 옛 구닥다리 Signal analyzer 라는 Meter 가 달린 기계를 쓰고 있는 관계로 실제 측정에서 우수차 는 2차, 기수차는 3차 Harmonics 를 측정해서 비교/판단 합니다.설명에서도 2차 3차 고조파 를 주로 쓰겠습니다.) 

Harmonics 는 어려운 말로는 Distortion 을 분석하기 위해서 Time domain 신호를 frequency domain 으로 (Fourier) Transform 해서 2, 3, 4, 5 -- 차로 전개 되는 무한급수 입니다. 

Harmonics 가 뭔지 모르시는 분은 음악신호에 치는 Amp 내에서 만든 “양념” 이라고 생각하면 됩니다. 

보통 사람들에게 Harmonics 가 뭔지도 모르면서 2 차, 3차, 우수, 기수차,  고조파, 같은 전문용어를 쓰면 대단한 지식의 소유자로 믿어줍니다.

Linearity 가 좋은 진공관으로 SE amp 를 만들면 소 출력에서는 2次 高調波 優勢形이 쉽게 될 수 있지만, 출력이 증가하면서 3次 高調波 가 압도합니다.  PP회로는 출력 단에서 2次高調波가 상쇄 되여 3次 高調波 만 남아서 자연히 3次 高調波 優勢形 Amp 가 됩니다. 

최근에 송신관으로 만든 소리가 좋다는 High End Amp 의 공통점은 모두가 DHT의 SE회로 이고 신호통로에는 Trans 가 2개는 들어 있습니다. 

회로도에서 진공관 Amp 소리가 반도체 Amp하고 차별화 되는 것이 신호가 transformer 를 통과한다는 것과 출력측에 많은 양의 고조파 가 나오는 것입니다.

명기로 알려진 Amp 는 2次가 3次 高調波 보다 더 많이 나오는 Amp 라고 저는 생각합니다. 

위의 사진은 최근에 독일에서 만든 808Amp 로 2차 고조파를 강조해서 만든 Amp 입니다. 고급 Amp 의 Spec 에서 솔직하게 2% 로 공식 표기하는 것은 드문일 입니다. 

잘 만들어진 진공관 Amp 는 Total Harmonic Distortion (“총 잡음” 이라고도 함) 이 0.1% ~ 0.5% 정도까지 가능 합니다. 

이런 Amp는 일본사람들은 돌(石)소리가 난다고 합니다. 돌은 반도체를 의미하지만 딱딱하다는 의미로도 해석됩니다. 

참고로 고급 반도체 Amp의 고조파 함유량은 진공관 Amp 와는 비교도 안 되는 1/1000 % 이하입니다. 

진공관 Amp의 Distortion 이 아주 낮은 0.1% 수준이 되면 진공관의 종류나 회로방식 Harmonics 구성 – 이런 것을 우리 귀로는 구별이 안되고 (적어도 저에게는 – 그리고 아마 99%의 다른 분들도) 모두 같은 종류의 소리가 납니다. 

저의 Reference소리는 Amp 입력단자에 특성이 우수한 Monitor 용 Headphone 을 연결해서 듣는 소리 입니다. Amp에 들어가는 소리와 나오는 소리가 같은 것이 당연히 좋은 Amp 인 것입니다. (진공관 Amp는 예외) 

이런 면에서는 저는 진공관 Amp 를 모르는 사람으로 분류됩니다. 

진공관 Amp 의 좋은 “소리 만들기” 에서 반도체 소리를 벗어나기 위해서는 자기가 좋다는 harmonics 를 첨가하되 그 첨가량이 2% 를 초과하지 않는 선에서 이루어 저야 한다는 것이 저의 주장입니다. 

적어도 기본 바탕은 유지해야 합니다. 저의 진공관 Amp 소리 만들기의 기본 비결 입니다. 

Harmonics 함유량이 3-4%를 넘으면 소리가 원음에서 멀어져 탁해지기 시작하고 싸구려 Amp 나 다를게 없습니다. 

진공관 같은 Spec 변동이 +/- 20% 까지 되는 불 균일한 증폭소자가 주 업무를 수행하고 있어서 회로가 같다고 같은 소리를 기대할 수가 없습니다. 

또한 Distortion 수% 의 설계/부품오차 범위 내에서 “소리 만들기” 가 이루어 저야 하기 때문에 그냥 만들기만 해서 제대로 되는 확률은 그리 높지 않습니다. 

Aging 이 필요 하다면 수명 단축을 각오하고 Aging 도 해야 하고--. 다시 말하면 만들고 난 후에 많은 시청과 경험에서 오는 미세 조정 –Tweaking- 을 통해서 자기 맛에 맞는 Spectrum 의 Harmonics 가 나오게 만들면 완성 되는 것입니다. (엿장수 마음대로 쉽게 되는 것은 아니지만)

진공관을 포함해서 부품성능 편차가 워낙 커서 좋다고 검증된 부품들은 구하기도 어려워졌고 그 값도 금값이 되여 버렸습니다. 비싼 부품을 써도 소리의 개선은 보장되지 않습니다.

남이 못 쓴다고 버리는 최신 현대 관으로 전 출력 대에서 총 Distortion 이 1-2% 를 넘지 않으면서 이 Distortion의 대부분이 2次高調波로 구성된 Amp 즉 Low distortion 2次高調波 優勢形 Amp 제작에 도전해보려고 합니다. 

남보다 뛰어난 귀 만으로 “이거다” 하는 작품을 만드는 소리의 천재도 있지만 저는 그런 재주는 없고 측정기의 도움으로 Linearity가 좋은 진공관을 골라서 이들을 정밀 조정하여 만들어 보려고 합니다.  

 

저는 여기서 "고주파 전원" = SMPS,  즉 같은 의미로 썻습니다.

설명을 좀더 한다면

엄격히 따져보면 고주파 전원 이면서 Switch Mode 가 아닐수도 있고, SMPS (Switch Mode Power Supply) 이면서 고주파 영역에서 동작 안하고 저주파 영역에서 동작 하는것도 있습니다. 

SMPS 개발 초기에는 사용 주파수가 20Khz 로 음성주파수 대역 이였습니다. Switching Noise 가 많이 나오고 switching 에 쓰이는 반도체의 신뢰도가 나빠서 많은 고생을 했습니다. 

이제는 거의 모든 전자기기는 특별한 경우를 제외하고는 모두 SMPS 를 쓰고 있습니다. 저 역시 진공관 Amp 에도 SMPS 를 쓰고 있씁니다.

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"Shunt Regulator 회로를 사용하면 음질이 매우 좋게--" 아주 중요한 지적입니다. 

안정된 전원이라는것은 Load 상태가 변해도 전압은 변하지 않는 것을 의미합니다.
즉 전압 변동이 전혀 없다면 Load 측에서 전원을 볼때 전원 "Impedance" 가 "0" 입니다. 

delta 기호 가 없어서 "d" 로 표현하면

Z = dv/di 입니다 di 는 계속 변하는데 (0가 아님) dv 는 변동이 없으므로 "0" 가 되어서 결국 Z = dv/di = 0 가 됩니다 

전원은 전압을 공급함과 동시에 모든 Signal 의 Return Path 입니다. 이 Return Path 의 Impedance 가 "0" 가 아니어서 모든 문제들이 발생 합니다. 

앞으로 제가 쓰는 글에서 이 "Signal 의 Return Path" 의 중요성을 기회가 있을때 마다 강조 해보겠습니다. 

많은 전자 전문가들도 제대로 이해를 못하고 있는 부분 입니다

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저의 본문 설명이 부족한 것 같습니다. 

2차 고조파는 좋은 고조파 - 부드럽고 피로감이 없는 소리를 만들어 줍니다 
3차 고조파는 나뿐 고조파 - 모가 나고 꺼끄러운 감을 주고 듣는데 피로를 느낍니다

2차가 많이 나오도록 하는 이유 입니다..  무조건 많다고 좋은 것이 아니고 제가 정한 상한선이 2% 입니다. 3% 까지도 OK.
3-4% 를 넘게 되면 HI FI 영역 에서 벗어나 싸구려 Radio 소리 같이 됩니다. 좋은 양념도 너무 많이 치게 되면 맛을 버립니다.

많이 만들어보고 특성 재서 듣고 비교하고--- 혼자서 하고 있어서 이렇다 할 Data Base가 제대로 없습니다. 
한진동에도 이런데 관심있는 분이 계셔서 Data 교환도 했스면 좋겠습니다

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고주파 발진 (LC 공진 / Xtal ) 을 시켜서 고주파 송신기 와 같은 것을 만듭니다. 
원하는 전압이 여러가지인 경우 Trans 로 원하는 전압을 만들어 정류 합니다.

60Hz 전원하고 같은 원리입니다. 주파수가 높으므로 Trans 가 작아지고 권선수도 적어집니다.

SMPS 는 개발 초기에 10-20 Khz 를 많이 썼습니다. 고주파 라기보다는 음성주파수 대역입니다.

Kobayashi 씨의 300B Amp는 자기가 최고 라고 생각하는 회로를 CAD 로 설계해서 "이 이상은 없다" 하는 Amp 를 만든겁니다. 이 Amp 의 총잡음 특성을 보면 2차 고조파 우세형이 현실화 한것 같습니다

Voltage regulator 는 고주파 전원이라고 다를것이 없습니다. Pass Element 로 N channel Power MOS FET 를 많이 사용합니다. Application 을 알려주시면 좀더 구체적인 이야기를 해드리겠습니다'

그리고 고주파 고전압 정류는 Reverse Storage Time Trr 이 작은것을 택하고 경우에 따라서는 직열 연결을 해야 합니다. 
Peak reverse voltage 도 확실히 확인 하시고-'

고주파 고전압 정류에 사용하는 정류소자는 잘못 선택하면 쉽게 죽습니다.

Silicon Carbide Rectifier 가 좋을것 같은데 저는 써보질 않았습니다. 최근 정보는 없읍니다만 좋은 정류소자가 있슬겁니다. 
생각이나서 한마디 올렸습니다.

Kobayashi 300B Amp 의 Distortion graph (Tortal Harmonics Distortion) 는 나와 있는데 Harmonics 에 관한 다른 정보는 없는것 같습니다.

저는 Kobayashi 의 마감 말에 매우 호감이 갔습니다. 쏘련제 진공관 SV300B 가 Original WE300B 보다 못하지 않다는 결론입니다. 많은 일본 평론가나 원로들은 이런말을 하지 않습니다. WE300B 칭찬 일색입니다.
Kobayashi 는 반도체 회로 설계 전문 기술자라고 합니다

Table 4, 5 모두 Computer simulation 이고 제작후에 이 simulation 을 확인한 실측치 를 찾지 못했습니다. 

Total distortion 만 Figure 14 에 나와 있습니다

원체 교류 점화로 만든 진공관 을 가열 하면서 Heater 전원에서 해가 되지않는 Ripple 에는 신경쓸 필요가 없습니다. 

SMPS Ripple 은 Switching 주파수 Ripple 인데--? 
Heater측에 본다면 교류 점화란 100% Ripple 로 점화 한다고 볼수 있습니다. 
300B 도 원래 교류로 점화하는 진공관 입니다.

http://kr.mouser.com/catalog/catalogUSD/645/525.pdf 

저도 Silicon Carbidr Rectifier 살려고 알아 봤습니다.  

위 Mouser 에 들어가시면 개당 $2.88 에 C4D02120A 사실수 있습니다. 

지금 미국은 싸구려 중국제 SMPS 가 점령했습니다. 아직 저는 써본일은 없습니다. 

ruby 님이 올리신 미국 정부에서 발행한 재료 등 여러가지를 흥미롭게 봤습니다

여기 한진동에서 제작기사나 문제 질문에 많은 분들이 Hum 에 고생을 하시는 것 같습니다 
ruby 님 의 Hum 제거 경험담도 올려 주십시요 많은 관심이 있는 분야 일 것입니다.

제가 자랄때 Radio 에서는 원래 "붕" 하는 Hum 이 나는 것으로 알고 있었습니다. Dynamic Speaker 라고 해서 Speaker 에있는 자석용 Coil 을 전원의 Filter Choke Coil 로 끌어와서 사용했습니다. 1940 년대 가전 Radio 설계 방식 입니다..