나그라 쇼룸(김편 제공)© News1

오디오는 그냥 들어도 된다. 사실, 시디(CD)나 엘피(LP), 디지털 음원을 플레이시켜 앰프로 증폭한 후 스피커로 들으면 그만이다. 그런데 오디오를 좀 하다보면 자꾸 어떤 ‘벽’에 부딪히게 된다. 일단 이 세계의 용어가 너무 어렵다. 태생이 미국이라 용어 자체가 영어이고, 때문에 우리말로는 거의 난센스 수준으로 번역되는 경우가 많다. 또한 오디오는 기본이 전기공학이라 원리 이해도 쉽지 않다. 특히 문과 출신의 '선량한' 애호가들은 오디오 스펙을 읽다가 난독증을 호소하기까지 한다. 역시 문과 출신의 필자가 이런 분들을 위해 ‘오디오를 하기 위한 핵심 개념’ 몇 가지를 준비했다.

◇교류·직류 및 출력* 교류(AC)
1. 교류의 최대전압 = 1.414 * RMS V(=220V or 110V)(1.414 = √2)
2. 교류의 RMS전압 = 0.7071 * 최대전압(0.7071 = 1/√2, RMS = Root Mean Square)
3. 따라서 국내 220V는 RMS 전압이며, 최대전압은 여기에 1.414를 곱한 311V다.

* 교류를 직류로
1. 교류는 전압이 0이 되는 순간이 있기 때문에 오디오에서는 직류로 바뀐 전류를 사용해야 한다.
2. 이 역할을 하는 것이 정류기(Rectifier) + 평활회로(Smoothing Circuit. DC리플 제거. 코일과 캐패시터로 구성)
3. 전원트랜스(Transformer. 또는 외부 어댑터)는 교류의 전압을 다운 or 업시켜주는 장치
4. 파워서플라이는 전원트랜스 + 정류기 + 평활회로 or 전해 캐패시터(Reservoir Capacitors. DC리플 제거)로 구성
5. 초크트랜스는 교류의 잔류성분인 리플을 제거한다.

* 소리의 크기 vs 고음/저음
1. 주파수의 높낮이(진폭) = 소리의 크기 결정. 전압의 크기(V)
2. 주파수의 사이클 = 소리의 고음과 저음 결정. 헤르츠(Hz)* 병렬 vs 직렬
1. 저항을 병렬 연결하면 각 저항(부하)에 걸리는 전압은 똑같다 = 가정집 전원기구에는 모두 220V가 흐른다.
2. 저항을 직렬 연결하면 전압을 나눌 수 있다 = 가변저항(볼륨)으로 소리 크기(전압)를 조절한다.

* 푸쉬풀 앰프의 마지막은 위상반전
1. 푸쉬풀 앰프에서 2개의 출력관을 각각 빠져나온 정상과 역상 신호는 출력트랜스 1차 코일로 들어오는데, 2차 코일로 넘어가는 과정에서 역상 신호에 대한 위상반전이 이뤄져야 한다.
2. 안그러면 소리가 사라진다.

* 플레이트 팔로워(plate follower) vs 캐소드 팔로워(cathode follower)
1. 진공관 플레이트를 빠져나온 출력신호는 그리드에 들어온 입력신호에 대해 언제나 역상이다.
2. 캐소드를 빠져나온 출력신호는 그리드에 들어온 입력신호와 언제나 위상이 같다 = 대신 이득(gain)은 1 미만이다.

* 바이어스 전압이 마이너스인 이유
1. 캐소드에 저항을 달아 접지(0V)에 연결시키면 언제나 + 전압(저항 양단에 걸리는 전위차)이 생긴다. 
2. 이 때 그리드에 전압이 걸리지 않았더라도 캐소드 입장에서는 그리드에 '상대적으로' - 전압이 걸린 것처럼 보인다.
3. 바이어스 전압을 공급하기 위해 통상 캐소드 저항, 가변 저항, 캐패시터 그리고 고정바이어스 방식의 경우 별도 전원을 활용한다.

* 3극 접속(triode mode)
1. 5극관을 사용해 왜곡 없는 깨끗한 음과 작은 출력 임피던스를 얻고자 할 경우에 사용하는 방법
2. 스크린 그리드(제2그리드)를 플레이트에, 서프레스 그리드(제3그리드)를 캐소드에 접속시켜 마치 3극관처럼 작동
3. 참고로 울트라 리니어(ultra linear) 방식은 스크린 그리드와 플레이트를 연결할 때 출력트랜스를 사용해 부하 임피던스를 조절

* 출력트랜스
1. 진공관의 높은 출력 임피던스와 스피커의 낮은 임피던스를 매칭시켜준다.

* 입력트랜스
1. 앞단에서 들어오는 낮은 임피던스를 진공관의 높은 입력 임피던스에 맞춰준다.

* 커플링(coupling)
1. 진공관을 거쳐 증폭된 신호는 직류전기에 음악신호인 교류전기가 혼재해 있는데, 전압이 수백 볼트(V)에 달하는 이 직류전기를 다음 진공관이나 스피커로 보낼 수 없기 때문에 직류전기를 따로 필터링해야 한다. 이 역할이 바로 ‘커플링’이다.
2. 출력관에서 스피커로 전기를 보낼 때에는 출력트랜스가 직류를 걸러낸다.
3. 그러나 두 진공관 사이에 커플링이 필요할 때는 보통 ‘커패시터’ 방식을 쓰는데, 캐패시터는 저항을 함께 사용하기 때문에 음질이 저하된다. 또한 대용량 커패시터는 반응속도가 느려 고역이 깎이고 저역이 죽는 단점도 있다.
4. 그래서 등장한 것이 ‘트랜스 커플링’ 방식이다.

* 인터스테이지 트랜스(interstage transformer)
1. 직류를 차단하고 교류만 다음 스테이지로 넘겨준다.
2. 반응속도가 빠르고 투명한 음색과 광대역 재생이 가능해진다.
3. 보통은 인터스테이지 트랜스 대신에 커플링 커패시터를 단다.
4. 또 하나 인터스테이지 트랜스의 장점은 ‘음악신호에 에너지를 실어 보낼 수 있다’는 것이다 = 에너지를 흡수하는 저항이 빠진 덕분이다.
5. 다만 싱글 구동시에는 트랜스가 포화될 위험이 크지만 푸쉬풀 구동시에는 전기가 교대로 흐르기 때문에 포화현상이 없다.

* 초크트랜스(choke transformer)
1. 전원부에서 교류를 직류로 바꿔줄 때 나오는 노이즈(리플)를 줄여준다.
2. ‘목을 조르다’는 의미에서 ‘초크'(choke)다. 
3. 통상 초크트랜스 대신에 저항을 쓰는데 이러면 전원 임피던스가 높아지는 단점이 생긴다.

* 커패시턴스
1. 증폭소자의 커패시턴스 값이 높아질수록 고음이 다 빠져나간다.
2. 트랜지스터 = 에미터와 베이스 사이의 커패시턴스가 0.8nF
3. 진공관 = 캐소드와 그리스 사이의 커패시턴스가 0.4pF
4. 따라서 트랜지스터가 진공관에 비해 1000배 정도 높다.

◇데시벨(decibel, dB)의 모든 것

* 기초
1. 특정치의 전력, 전압, 전류, 음압 등의 크기를 기준치와의 비(比)로 나타낸 것 = Ratio(level)
2. 특정치가 기준치(0벨)보다 10배 크면 1벨, 100배 크면 2벨, 1000배 크면 3벨…
3. 특정치가 기준치(0데시벨)보다 10배 크면 10데시벨, 100배 크면 20데시벨, 1000배 크면 30데시벨…

* 소리의 경우만은 기준치가 절대값으로 정해져 있다.
1. 기준치 = 음압 0.0002dyn/㎤
2. 10dB = 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리의 10배 크기 : 절대치
3. 20dB = 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리의 100배 크기 : 절대치
4. 30dB = 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리의 1000배 크기 : 절대치
5. 결국 20dB의 소리는 10dB의 소리보다 10배 큰 소리 : 절대치
6. 결국 30dB의 소리는 20dB의 소리보다 10배 큰 소리 : 절대치
7. 그러면 40dB의 소리는 20dB의 소리보다 몇 배 클까 = 100배 크다 : 절대치
8. 그러면 70dB의 소리는 40dB의 소리보다 몇 배 클까 = 1000배 크다 : 절대치

* 전력레벨 : 10log(배율)
1. 1배는 0dB
2. 2배는 3dB : 출력이 2배 늘었다 = 배율이 2다 = 10 * log2 = 10 * 0.30102 = 3.01dB = 3dB 늘었다
3. 4배는 6dB
4. 10배는 10dB
5. 100배는 20dB
6. 1000배는 30dB

* 전압레벨, 전류레벨, 음압레벨 : 20log(배율)
1. 1배는 0dB
2. 2배는 6dB : 음압이 2배 늘었다 = 배율이 2다 = 20 * log2 = 20 * 0.30102 = 6.02dB = 6dB 늘었다
3. 3배는 약 10dB(정확히는 9.54dB)
4. 10배는 20dB
5. 100배는 40dB
6. 1000배는 60dB
7. 15배는 3배 * 5배 = 10dB + 14dB = 약 24dB(정확히는 23.52dB)
8. 20배는 2배 * 10배 = 6dB + 20dB = 26dB
9. 100배는 10배 * 10배 = 20dB + 20dB = 40dB
10. 1000배는 10배 * 10배 * 10배 = 20dB + 20dB + 20dB = 60dB

* 1배 이하의 배율(감소)은 마이너스로 표현 : 전압레벨, 전류레벨, 음압레벨의 경우
1. 0.9배는 1.11분의 1이므로 -0.82dB(1.1배는 0.82dB) : 10% 감소
2. 0.8배는 1.25분의 1이므로 -1.93dB(1.25배는 1.93dB) : 20% 감소
3. 0.7배는 1.42분의 1이므로 -3.04dB(1.4배는 3.04dB) : 30% 감소
4. 0.66배는 1.5분의 1이므로 -3.52dB(1.5배는 3.52dB) : 33% 감소  
5. 0.5배는 2분의1이므로 -6dB(2배는 6dB) : 반으로 줄었다.
6. 0.25배는 4분의 1이므로 -12dB(4배는 12dB) : 4분의 1로 줄었다.
7. 0.2배는 5분의 1이므로 -14dB(5배는 14dB) : 5분의 1로 줄었다.
8. 0.1배는 10분의 1이므로 -20dB(10배는 20dB) : 10분의 1로 줄었다.

* 음압레벨(Sound Pressure Level)
1. SPL = 특정음압이 기준음압보다 얼마나 큰지 혹은 작은지 나타내주는 것 : 상대치
2. SPL이 6dB다 = 음압이 2배 늘었다 : 상대치
3. SPL이 -6dB다 = 음압이 반(1/2)으로 줄었다 : 상대치

◇임피던스의 모든 것

* 저항(R) vs 임피던스(Z)
1. 저항(단위는 '옴') = 직류를 방해하는 힘. 주파수와 상관없다.
2. 임피던스(단위는 '옴') = 교류를 방해하는 힘. 주파수와 상관있다.

* 커패시터 vs 코일
1. 커패시터 = 직류 차단. 주파수가 낮을수록 저항값이 높다. 직류일 때보다 전류가 잘 흐른다.
2. 코일 = 직류 통과. 주파수가 낮을수록 저항값이 낮다. 직류일 때보다 전류가 잘 흐르지 못한다.

* 커패시턴스(C) vs 인덕턴스(L)
1. 커패시턴스(단위는 패럿 'F') = 커패시터의 용량계수. 정전용량. 이값이 클수록 교류가 잘 통과한다.
2. 인덕턴스(단위는 헨리 'H') = 코일의 유도계수. 유도용량. 이값이 클수록 교류가 잘 통과하지 못한다.

* 리액턴스(X)
1. 커패시터 또는 코일에서 발생해서 교류를 방해하는 힘(단위는 '옴')
2. 리액턴스 = 전압의 변화량(해당 캐패시터나 코일에 전압강하가 얼마나 일어났는가) / 전류의 변화량(저주파냐, 고주파냐)
3. 리액턴스 값이 크다(V / R) = 교류 저항값이 크다(R)

* 용량 리액턴스(XC)
1. 커패시터에 발생하는 임피던스
2. 직류 차단
3. 고주파일수록 잘 통과시킨다
4. 저주파일수록 리액턴스 값이 높아진다
5. 저주파일수록 커패시터에 걸리는 임피던스가 커진다(반비례)
6. XC = 1/(2파이 * f * C)
7. 커패시턴스(C)가 높을수록 리액턴스 값이 줄어든다(반비례. 주파수값이 일정할때).

* 유도 리액턴스(XL)
1. 코일에 발생하는 임피던스
2. 직류 통과
3. 저주파일수록 잘 통과시킨다
4. 고주파일수록 리액턴스 값이 높아진다
5. 고주파일수록 코일에 걸리는 임피던스가 커진다(비례)
6. XL = 2파이 * f * L
7. 인덕턴스(L)가 높을수록 리액턴스 값이 높아진다(비례. 주파수값이 일정할때)

* 저주파 입력시
1. 용량 리액턴스 = 높다.
2. 유도 리액턴스 = 낮다.

* 고주파 입력시
1. 용량 리액턴스 = 낮다.
2. 유도 리액턴스 = 높다.

* 임피던스
1. 저항과(R)과 리액턴스(X)의 합산치
2. 임피던스(Z)는 저항(R), 용량 리액턴스(XC), 유도 리액턴스(XL)의 값에 따라 달라진다(종속변수).
3. 주파수에 따라 값이 달라진다.
4. 저주파 : XC는 높지만 XL이 낮다.
5. 고주파 : XC은 낮지만 XL이 높다.

* XC vs XL
1. XC = 1/(2파이 * f * C) = 저주파일수록 용량 리액턴스 값이 커진다. 전압의 위상이 전류보다 90도 늦다.
2. XL = 2파이 * f * L = 고주파일수록 유도 리액턴스 값이 커진다. 전압의 위상이 전류보다 90도 빠르다.

* 출력 임피던스 vs 입력 임피던스
1. 출력 임피던스 = 내부 저항. 교류신호 발생원에서 출력단자까지 존재하는 기기 내부의 모든 임피던스의 합성값. 출력을 방해한다.
2. 입력 임피던스 = 부하저항. 입력단자로 들어오는 교류 전류에 대한 기기 내부의 모든 임피던스의 합성값. 입력을 방해한다. 

◇오디오 필수 암기공식 

* 옴의 법칙
1. V = I * R : 전압(V) 1V는 1A의 전류가 1Ω의 저항을 통과케 하는 전압의 크기다.
2. R = V / I : 저항(R) 1옴은 1V의 전압을 가할 때 1A의 전류가 흐르는 저항의 크기다.
3. I = V / R : 전류(I) 1A는 1V의 전압을 가할 때 1Ω의 저항을 통과하는 전류의 크기다.

* I = V / R
1. 전압이 일정할 때 전류와 저항은 반비례한다.

* 전력 vs 전압
1. P = V * I = (I *  R) * I : 전력(P) 1W는 1주기 1A의 전류가 1V의 전압이 걸린 회로를 돌다가 1옴의 저항에서 소비되는 에너지다.
2. V = P / I  = (I * I *R ) / I : 전압(V) 1V는 1A의 전류가 1W의 출력으로 변환될 때 1옴의 저항 양단에 걸리는 전압의 크기다.

* P = V * I = V * (V / R) = (V * V) / R
1. 전력(출력)은 전압이 일정할 때 저항에 반비례한다.

* V = I * R
1. 전압은 전류가 일정할 때 저항에 비례한다.

* 직렬
1. V = V1 + V2
2. R = R1 + R2
3. I = I1 = I2

* 병렬
1. V = V1 = V2
2. I = I1 + I2
3. R = 1(1/R1 + 1/R2)

◇진공관의 3정수

* 전압증폭률(μ) = 내부저항(Rp) x 전류증폭률(gm)
1. 진공관의 3정수 : Mu = Rp * gm
2. 전압증폭률 = Mu, Amplification Factor(앰플리피케이션 팩터)
3. 내부저항 = Rp. Plate Resistance(플레이트 저항), 단위는 '옴' 
4. 전류증폭률 = gm. Transconductance(상호컨덕턴스), 단위는 'mA/V'(예전에는 ohm을 거꾸로 한 mho)
5. 12AY7(쌍3극관) = 전압증폭률이 40, 내부저항이 20k옴, 전류증폭률이 20으로 황금비율을 이루고 있다. 

* 전압증폭률
1. 전압증폭률이 높으면 고속스위칭이 가능해 전압변화에 재빠르게 대처할 수 있다.
2. 전압증폭률이 너무 낮으면 출력과 구동력이 약해진다.
3. 오디오관은 전압증폭률이 3~6 정도로 낮아야 한다. 높을수록 바이어스가 적게 걸리기 때문이다.
4. 5654(5극관) = 전압증폭률이 높아 전압레어디렉터로 활용된다.
5. 300B(3극관) = 전압증폭률이 낮아(3.85) 푸쉬풀로 구동하는 경우도 있다.

* 전류증폭률
1. 전류증폭률이 낮을수록 발진이 일어나기 어렵다. 
2. 발진이 안될수록 프리앰프 신호증폭용으로 적합하다.
3. 전류증폭률을 높이려면 그리드 선을 가늘게 써야 한다.
4. 6DR7(복합3극관) : 전류증폭률이 작아서(6.5) 발진이 일어나기 어렵다.
5. 6485(5극관) : 전류증폭률이 극단적으로 높다(11).
6. 408A(5극관) : 전류증폭률이 낮아(5.6) 프리앰프 신호증폭용으로 사용된 경우가 많다.

* 내부저항
1. 출력관은 내부저항이 낮을수록 좋다.
2. 내부저항이 낮으면 대전류를 흘릴 수 있다.
3. 내부저항이 낮아야 저음을 잘 낼 수 있다.
4. 6DR7(복합3극관) : 내부저항이 낮다(925).
5. 7233(3극관) : 내부저항이 가장 낮다(230).
6. EL34(빔관) : 내부저항이 높다(1500). 그래서 싱글로 쓰면 안된다(출력관과 임피던스 매칭이 안된다).
7. 300B(3극관) : 내부저항이 낮아(790) 대전류를 흘릴 수 있다.

* 심화-전압증폭률
1. 전압증폭률(μ) = 플레이트 전압 변화율(V) / 바이어스 전압 변화율(V)
2. 바이어스 전압을 변화시켰을 때, (같은 플레이트 전류에서) 플레이트 전압이 어떻게 변하는가.
3. 그래서 전압증폭률이고 단위는 없다.
4. Ep-Ip 곡선에서 가로축(Ep. 플레이트 전압)의 변화로 나타난다 = 바이어스 전압 변화에 따른 두 Ep-Ip 곡선간의 가로 간격
5. 이 가로 간격이 좁을수록 [전압증폭률이 작다]고 말한다.
6. 3극관
= 바이어스 전압을 높이 걸어도(-) 각 Ep-Ip 곡선간의 가로 간격이 조금씩밖에 안좁아진다.
= 플레이트 전류가 높으면 전압증폭률은 조금씩 커진다 : 위로 갈수록 가로 간격이 멀어진다.
= 플레이트 전압이 높으면 전압증폭률은 조금씩 작아진다 : 오른쪽으로 갈수록 가로 간격이 좁아진다.
= 한마디로 어느 정도 범위라면 3극관에서는 전압증폭률을 기준점으로 삼을 수 있다.
7. 다극관
= 바이어스 전압에 상관없이 각 Ep-Ip 곡선은 거의 누워있다 : 전압증폭률이 언제나 아주 높다, 의미가 사실상 없다.

* 심화-전류증폭률
1. 전류증폭률(gm) = 플레이트 전류 변화율(I) / 바이어스 전압 변화율(V)
2. (플레이트 전압을 고정시킨 상태에서) 바이어스 전압을 변화시켰을 때, 플레이트 전류가 어떻게 변하는가.
3. 그래서 전류증폭률이고 단위는 [mA/V]이다.
4. Ep-Ip 곡선에서 세로축(Ip. 플레이트 전류)의 변화로 나타난다 = 바이어스 전압에 따른 두 Ep-Ip 곡선간의 세로 간격
5. 이 세로 간격이 좁을수록 '전류증폭률이 작다'고 말한다.
6. 3극관
= 바이어스 전압을 높이 걸어도(-) 각 Ep-Ip 곡선간의 세로 간격이 조금씩밖에 안좁아진다.
= 플레이트 전류가 높으면 전류증폭률은 '눈에 띄게 커진다' : 위로 갈수록 세로 간격이 훨씬 멀어진다.
= 플레이트 전압이 높으면 전류증폭률은 '눈에 띄게 작아진다' : 오른쪽으로 갈수록 세로 간격이 훨씬 좁아진다.
= 한마디로 변수가 너무 많아 3극관에서는 전류증폭률을 기준점으로 삼기 어렵다.
7. 다극관
= 바이어스 전압을 높이걸수록(-) 각 Ep-Ip 곡선간의 세로 간격이 '눈에 띄게 좁아진다'.
= 플레이트 전류가 높으면 전류증폭률은 '눈에 띄게 커진다' : 위로 갈수록 세로 간격이 훨씬 멀어진다.
= 플레이트 전압이 높아져도 전류증폭률은 거의 변화가 없다 : 오른쪽으로 가도 세로 간격의 변화가 거의 없다.
= 따라서 플레이트 전류만 잘 컨트롤할 수 있다면 다극관에서는 전류증폭률을 기준점으로 삼으면 된다.

* 심화-내부저항
1. 내부저항(Rp) = 플레이트 전압 변화율(V) / 플레이트 전류 변화율(I)
2. (바이어스 전압이 일정한 상태에서) 플레이트 전류를 변화시켰을 때 플레이트 전압은 어떻게 변하는가.
3. 결국 R = V / I, 그래서 단위는 [옴]
4. 달리 말하면 특정 동작점에서 Y축에서 바라본 Ep-Ip 곡선의 기울기 : V / I
5. Ep-Ip 곡선이 수평에 가깝다(X축에서 바라봤을때) = 플레이트 전류에 비해 플레이트 전압이 크게 는다 = Rp 값이 크다.
6. Ep-Ip 곡선이 수직에 가깝다(X축에서 바라봤을때) = 플레이트 전류에 비해 플레이트 전압이 적게 는다 = Rp 값이 작다.
7. 다른 의미로는 Rp 값이 작을수록 플레이트 전류가 커진다 : I = V / R
8. 3극관
= Ep-Ip 곡선의 기울기(Rp)가 처음에는 완만하다가 점점 가파라진다(X축에서 바라봤을 때).
= 플레이트 전압이 높아질수록 Rp값이 점점 작아진다 = 수직에 가까워진다.
= 플레이트 전압이 낮아질수록 Rp값이 점점 커진다 = 수평에 가까워진다.
= 한마디로 어느 정도 범위내에서 3극관에서는 내부저항을 기준점으로 삼을 수 있다.
9. 다극관
= Ep-Ip 곡선이 항상 수평선에 가깝다(X축에서 바라봤을 때).
= 언제나 Rp 값이 높다.

* 이득(A. gain)
1. 3극관의 이득 = 전압증폭률(Mu) * {부하저항(RL) / (내부저항(Rp) + 부하저항(RL)} : 전류증폭률(gm)이 빠졌다.
2. 다극관의 이득 = 전류증폭률(gm) * 부하저항(RL) : 전압증폭률(Mu)과 내부저항(Rp)이 빠졌다.

* Rp = Mu / gm
1. 결국 세상 모든 이치는 옴의 법칙이다.
2. 직류시 : R = V / I
3. 교류시 : 리액턴스 = 전압의 변화량 / 전류의 변화량

* R = V / I vs gm = I 변화율 / V 변화율
1. 저항과 전류증폭률은 분모분자식이 서로 거꾸로 돼있다.
2. '옴' = 1 / [mA / V]
3. 그래서 gm 단위를 예전에는 'ohm'을 거꾸로 쓴 'mho'라고 표현했다.
4. 1mA/V = 1000마이크로mho


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