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앰프 (음향기기)

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매킨토시 랩에서 만든 오디오 스테레오 파워 앰프
미션 사이러스 원 하이파이 인티그레이티드 앰프(1984) 내부 모습[1]

오디오 파워 앰프(audio power amplifier) 또는 파워 앰프는 수신기나 픽업과 같은 저전력 오디오 신호를 스피커나 헤드폰을 구동할 수 있을 만큼 높은 수준으로 증폭한다. 오디오 파워 앰프는 음향 보강 시스템, 전관방송, 홈 오디오 시스템, 일렉 기타 앰프와 같은 악기용 앰프를 포함한 모든 종류의 사운드 시스템에서 찾아볼 수 있다. 이는 오디오 재생 신호 체인에서 신호가 스피커로 전달되기 전의 최종 전자 단계이다.

이러한 체인의 이전 단계는 신호의 사전 증폭, 등화, 다른 입력 신호 믹싱과 같은 작업을 수행하는 저전력 오디오 앰프이다. 입력은 턴테이블, CD 플레이어, 디지털 오디오 플레이어 및 카세트 플레이어와 같은 다양한 오디오 소스가 될 수도 있다. 대부분의 오디오 파워 앰프는 이러한 저수준 입력, 즉 라인 레벨을 필요로 한다.

일렉 기타 신호와 같은 오디오 파워 앰프의 입력 신호는 단지 수백 마이크로와트에 불과할 수 있지만, 출력은 시계 라디오와 같은 소형 컨슈머 일렉트로닉스 기기의 경우 몇 와트, 홈 스테레오 시스템의 경우 수십 또는 수백 와트, 나이트클럽 사운드 시스템의 경우 수천 와트, 대규모 록 콘서트 음향 보강 시스템의 경우 수만 와트에 달할 수 있다. 파워 앰프는 독립형 장치로도 판매되며, 일반적으로 Hi-Fi 오디오 애호가 시장(틈새시장)과 음향 보강 시스템 전문가를 대상으로 한다. 그러나 인티그레이티드 앰프, 수신기, 시계 라디오, 붐박스 및 텔레비전과 같은 많은 컨슈머 일렉트로닉스 오디오 제품에는 프리 앰프와 파워 앰프가 단일 섀시에 모두 포함되어 있다.

역사

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리 디포리스트의 1914년 시제품 오디오 앰프

오디오 앰프는 1912년경 리 디포리스트에 의해 발명되었다. 이는 1907년에 그가 최초의 실용적인 증폭 전기 부품인 3극 진공관("밸브"라고도 함)을 발명했기 때문에 가능했다. 3극 진공관은 필라멘트에서 플레이트로 전자의 흐름을 조절할 수 있는 제어 그리드를 가진 3단자 장치였다. 3극 진공관 앰프는 최초의 AM 라디오를 만드는 데 사용되었다.[2] 초기 오디오 파워 앰프는 진공관을 기반으로 했으며, 이들 중 일부는 뛰어난 오디오 품질을 달성했다(예: 1947~9년의 윌리엄슨 앰프).

1961년 매킨토시 랩 MC240, 진공관 노출

트랜지스터 기반 오디오 파워 앰프는 1960년대 후반 저렴한 트랜지스터가 널리 보급되면서 실용화되었다. 1970년대 이후 대부분의 최신 오디오 앰프는 솔리드 스테이트 트랜지스터, 특히 접합형 트랜지스터(BJT)와 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)를 기반으로 한다. 트랜지스터 기반 앰프는 진공관 앰프보다 가볍고 신뢰성이 높으며 유지 보수가 덜 필요하다.

MOSFET은 1955년과 1960년 사이에 벨 연구소에서 발명되었다.[3][4][5][6][7][8] 1974년 도호쿠 대학의 니시자와 준이치에 의해 오디오용 전력 MOSFET으로 개량되었다.[9] 전력 MOSFET은 곧 야마하에서 Hi-Fi 오디오 앰프용으로 제조되었다. JVC, 파이오니아, 소니그룹 및 도시바도 1974년에 전력 MOSFET을 사용하여 앰프를 제조하기 시작했다.[9] 1977년, 히타치 제작소는 LDMOS (lateral diffused MOS)라는 전력 MOSFET 유형을 도입했다. 히타치는 1977년에서 1983년 사이에 유일한 LDMOS 제조업체였으며, 이 기간 동안 LDMOS는 HH 일렉트로닉스(V 시리즈) 및 애슐리 오디오와 같은 제조업체의 오디오 파워 앰프에 사용되었고 음악 및 전관방송 시스템에 사용되었다.[9] 클래스 D 앰프는 저렴하고 빠르게 스위칭되는 MOSFET이 출시된 1980년대 중반에 성공을 거두었다.[10] 많은 트랜지스터 앰프는 디스토션 곡선이 진공관 같은 특성을 가지고 있기 때문에 전력 섹션에 MOSFET 장치를 사용한다.[11]

2010년대에도 여전히 오디오 애호가, 음악가(특히 일렉 기타리스트, 일렉트릭 베이스리스트, 해먼드 오르간 연주자 및 전기 피아노 연주자 등), 오디오 엔지니어 및 음악 프로듀서는 진공관 기반 앰프와 "더 따뜻한" 진공관 사운드를 선호한다.

설계 매개변수

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음향 보강 시스템에 사용되는 5개의 랙 장착형 오디오 파워 앰프

오디오 파워 앰프의 주요 설계 매개변수는 주파수 응답, 이득, 노이즈, 디스토션이다. 이들은 상호 의존적이며, 이득을 높이면 노이즈와 디스토션이 바람직하지 않게 증가하는 경우가 많다. 음성 되먹임은 실제로는 이득을 줄이지만, 디스토션도 줄인다. 대부분의 오디오 앰프는 클래스 AB에서 작동하는 선형 앰프이다.

1970년대까지 대부분의 앰프는 진공관을 사용했다. 1970년대 동안 진공관 앰프는 무게가 더 가볍고, 신뢰성이 높으며, 유지 보수가 덜 필요한 트랜지스터 기반 앰프로 점차 교체되었다. 그럼에도 불구하고 진공관 프리앰프는 여전히 가정용 Hi-Fi 애호가, 오디오 엔지니어 및 음악 프로듀서(스튜디오 녹음에서 마이크 신호를 "따뜻하게" 만들기 위해 진공관 프리앰프를 사용하는)와 일렉 기타리스트, 일렉트릭 베이시스트 및 해먼드 오르간 연주자 등 틈새시장에서 판매되고 있으며, 이들 중 소수는 여전히 진공관 프리앰프, 진공관 파워 앰프 및 진공관 이펙터를 사용한다. Hi-Fi 애호가와 라이브 사운드를 처리하거나 스튜디오에서 트랙을 모니터링하는 오디오 엔지니어는 일반적으로 가장 낮은 디스토션을 가진 앰프를 찾지만, 블루스, 록 음악 및 헤비 메탈 등과 같은 장르의 일렉트릭 악기 연주자들은 진공관 앰프를 세게 밀어붙일 때 진공관 앰프가 만들어내는 자연스러운 오버드라이브를 선호하기 때문에 진공관 앰프를 사용한다.

클래스 AB 앰프보다 훨씬 효율적인 클래스 D 앰프는 현재 컨슈머 일렉트로닉스 오디오 제품, 베이스 앰프 및 음향 보강 시스템 장비에 널리 사용되고 있다. 클래스 D 앰프는 무게가 훨씬 가볍고 열을 훨씬 덜 발생시키지만 약간의 노이즈를 유발할 수 있다.

필터 및 프리앰프

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CD 및 DVD 플레이어, 라디오 수신기 및 테이프 데크를 포함한 최신 디지털 장치는 이미 라인 레벨에서 "평탄한" 신호를 제공하므로, 볼륨 조절 및 소스 선택 이외의 프리앰프는 필요하지 않다. 별도의 프리앰프에 대한 한 가지 대안은 단순히 수동 볼륨 및 스위칭 컨트롤을 사용하는 것인데, 이는 때때로 파워 앰프에 통합되어 인티그레이티드 앰프를 구성한다.

전력 출력단

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라인 레벨 소스의 출력을 헤드폰 또는 소형 스피커로 증폭하기 위한 마이크로 오디오 앰프. 변 길이 4 cm, 질량 16 g, 32 Ω 부하에 약 100 mW 출력.

프리앰프 다음의 최종 증폭 단계는 출력 단계이며, 여기서 트랜지스터 또는 진공관에 가장 높은 요구가 가해진다. 이러한 이유로, 출력 장치(예: 싱글 엔드 삼극관 앰프와 같은 단일 출력 단계의 경우) 또는 장치(예: 푸시풀 출력 단계의 경우) 주변에서 이루어진 설계 선택, 예를 들어 출력 장치의 작동 클래스는 종종 전체 파워 앰프에 대한 설명으로 간주된다. 예를 들어, 클래스 B 앰프는 각 사이클의 절반 동안 고출력 장치만 차단 상태로 작동할 가능성이 높으며, 다른 장치(예: 차동 증폭기, 전압 증폭기 및 심지어 드라이버 트랜지스터)는 클래스 A에서 작동한다. 트랜스포머리스 출력 단계에서 장치는 전력 공급 및 출력 부하(예: 스피커)와 본질적으로 직렬로 연결되며, 아마도 일부 대형 커패시터 및 소형 저항을 통해 연결된다.

추가 개발

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솔리드 스테이트 앰프가 도입된 후 몇 년 동안, 그들의 인지된 사운드는 최고의 진공관 앰프의 뛰어난 오디오 품질을 가지지 못했다 (진공관 오디오 앰프 참조). 이로 인해 오디오 애호가들은 "진공관 사운드" 또는 진공관 사운드가 진공관 기술 자체로 인해 본질적인 품질을 가지고 있다고 믿게 되었다. 1970년에 마티 오탈라는 이전에 관찰되지 않았던 형태의 디스토션인 과도 상호변조 왜곡(TIM)[12]의 기원에 대한 논문을 발표했는데, 이후 다른 사람들에 의해 슬루율 유도 왜곡(SID)이라고도 불렸다.[13] TIM 왜곡은 앰프 출력 전압이 매우 빠르게 증가할 때 발생하는 것으로 밝혀졌다.[14]

TIM은 1970년 이전에는 설계 엔지니어에게 감춰져 있던 정적 사인파 측정에서는 나타나지 않았다. TIM 왜곡 문제는 솔리드 스테이트 앰프의 개루프 주파수 응답이 감소하기 때문에 발생한다. 오탈라와 다른 저자들의 추가 연구는 슬루율 증가, 프리앰프 주파수 대역폭 감소, 앰프 입력 단계에 지연 보상 회로 삽입을 포함하여 TIM 왜곡에 대한 해결책을 찾았다.[15][16][17] 고품질 최신 앰프에서는 개루프 응답이 최소 20kHz로, TIM 왜곡을 상쇄한다.

고급 설계의 다음 단계는 영국의 피터 백선달이 만든 백선달 정리였다.[18] 이 정리는 앰프의 입력 왜곡과 출력 왜곡 간의 비율을 비교하는 개념을 도입했다. 이 새로운 아이디어는 오디오 설계 엔지니어들이 앰프 내의 왜곡 과정을 더 잘 평가하는 데 도움이 되었다.

응용

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팝 콘서트 무대 한쪽에 설치된 중간 규모의 음향 보강 시스템 후면 패널. 이 설정에는 음향 엔지니어(뒤에 서 있음)를 위한 오디오 믹서와 오른쪽에 19인치 랙에 부분적으로 쌓여 있는 파워 앰프가 포함된다.

중요한 응용 분야로는 전관방송 시스템, 연극 및 콘서트 음향 보강 시스템, 그리고 스테레오 또는 홈 시어터 시스템과 같은 가정용 시스템이 있다. 일렉 기타 앰프 및 전기 전자 키보드 앰프를 포함한 악기용 앰프도 오디오 파워 앰프를 사용한다. 어떤 경우에는 악기용 앰프의 파워 앰프가 프리앰프, 톤 컨트롤 및 전자 이펙터를 포함하는 단일 앰프 "헤드"로 통합된다. 이러한 구성 요소는 목재 스피커 캐비닛에 장착되어 "콤보 앰프"를 만들 수 있다. 독특한 공연 요구 사항 및 매우 강력한 증폭이 필요한 음악가들은 별도의 랙 마운트 프리앰프, 이퀄라이저 및 19인치 로드 케이스에 장착된 파워 앰프로 맞춤형 설정을 만들 수 있다.

파워 앰프는 독립형 장치로 제공되며, Hi-Fi 오디오 애호가 및 전관방송 시스템(PA 시스템) 및 음향 보강 시스템 설계자가 사용한다. Hi-Fi 사용자는 왼쪽 및 오른쪽 스피커를 구동하기 위한 스테레오 파워 앰프와 서브우퍼를 구동하기 위한 단일 채널(모노) 파워 앰프를 사용할 수 있다. 음향 보강 설정에 사용되는 파워 앰프의 수는 장소의 크기에 따라 달라진다. 작은 카페에는 2개의 PA 스피커를 구동하는 단일 파워 앰프가 있을 수 있다. 나이트클럽에는 메인 스피커용 파워 앰프 여러 개, 모니터 스피커(밴드를 향하는)용 파워 앰프 1개 이상, 서브우퍼용 추가 파워 앰프가 있을 수 있다. 경기장 콘서트에는 랙에 장착된 많은 수의 파워 앰프가 있을 수 있다. 대부분의 컨슈머 일렉트로닉스 사운드 제품(예: 텔레비전, 붐박스, 홈 시어터 사운드 시스템, Casio 및 야마하 전자 키보드, "콤보" 기타 앰프 및 자동차 스테레오)은 메인 제품 섀시 내부에 파워 앰프가 통합되어 있다.

같이 보기

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각주

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  1. ↑ “1 – Integrated Amplifier (All Versions)”. 2011년 4월 24일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 1월 16일에 확인함. Cyrus Audio: Product Archive: Cyrus One
  2. ↑ The Transistor in a Century of Electronics. nobelprize.org
  3. ↑ US2802760A, Lincoln, Derick & Carl J. Frosch, "Oxidation of semiconductive surfaces for controlled diffusion", issued 1957-08-13
  4. ↑ Frosch, C. J.; Derick, L (1957). 《Surface Protection and Selective Masking during Diffusion in Silicon》 (영어). 《Journal of the Electrochemical Society》 104. 547쪽. doi:10.1149/1.2428650.
  5. ↑ Lojek, Bo (2007). 《History of Semiconductor Engineering》. 스프링거 사이언스+비즈니스 미디어. 120쪽. ISBN 9783540342588.
  6. ↑ KAHNG, D. (1961). 《Silicon-Silicon Dioxide Surface Device》. 《Technical Memorandum of Bell Laboratories》. 583–596쪽. doi:10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5.
  7. ↑ Lojek, Bo (2007). 《History of Semiconductor Engineering》. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 321쪽. ISBN 978-3-540-34258-8.
  8. ↑ Ligenza, J.R.; Spitzer, W.G. (1960). 《The mechanisms for silicon oxidation in steam and oxygen》 (영어). 《Journal of Physics and Chemistry of Solids》 14. 131–136쪽. Bibcode:1960JPCS...14..131L. doi:10.1016/0022-3697(60)90219-5.
  9. 1 2 3 Duncan, Ben (1996). 《High Performance Audio Power Amplifiers》. 엘스비어. 177–8, 406쪽. ISBN 9780080508047.
  10. ↑ Duncan, Ben (1996). 《High Performance Audio Power Amplifiers》. Newnes. 147–148쪽. ISBN 9780750626293.
  11. ↑ Fliegler, Ritchie; Eiche, Jon F. (1993). 《Amps! The Other Half of Rock 'n' Roll》. 할 레너드 코퍼레이션. ISBN 9780793524112.
  12. ↑ Otala, M. (1970). 《Transient distortion in transistorized audio power amplifiers》. 《IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics》 18. 234–239쪽. Bibcode:1970ITAuE..18..234O. doi:10.1109/TAU.1970.1162117. S2CID 13952562.
  13. ↑ Jung, Walter G.; Stephens, Mark L.; Todd, Craig C. (June 1979). 《An overview of SID and TIM》. 《Audio》.
  14. ↑ Otala, Matti (June 1972). 《Circuit Design Modifications for Minimizing Transient Intermodulation Distortion in Audio Amplifiers》. 《오디오 공학회지》 20.
  15. ↑ Lammasniemi, Jorma; Nieminen, Kari (May 1980). 《Distribution of the Phonograph Signal Rate of Change》. 《오디오 공학회지》 28.
  16. ↑ Petri-Larmi, M.; Otala, M.; Lammasniemi, J. (March 1980). 《Psychoacoustic Detection Threshold of Transient Intermodulation Distortion》. 《오디오 공학회지》 28.
  17. ↑ 오디오 앰프에서 슬루율 제한 및 과도 상호변조를 유발하거나 줄일 수 있는 실제 설계 기능에 대한 논의는 예를 들어 Hood, John Linsley (1993). 〈Ch. 9〉. 《The Art of Linear Electronics》. Oxford: Butterworth-Heinemann. doi:10.1016/B978-0-7506-0868-8.50013-8. ISBN 978-0-7506-0868-8.에서도 찾을 수 있다.
  18. ↑ Baxandall, Peter (February 1979) "Audio power amplifier design" 보관됨 2022-06-09 - 웨이백 머신, Wireless World magazine
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