!! 궁극의 프리앰프 프로젝트 !!

그 동안 프리앰프에는 일부러 - 라기보다 돈이 없으니 - 필요최소한의 투자만 해 왔었다. 음색이나 음악성은 무시하고, 특성상 신호를 해치지 않고 잡음을 내지 않으며 조작하기 쉬운데다가 가격이 비싸지 않은 프리앰프만을 써 온 거다.

첫 프리앰프는 OP앰프 IC(LF357)를 두 개 써서 날림으로 자작한 것으로, 소리는 엉망이었다. 두 번째, 맥킨토시의 C33 - 부서지기 일보 직전의 중고. 잡음이 심했지만 음은 좋았었다고 기억한다. 이건 금방 포기했고, 그 후 약 5년간 오디오 알케미의 DLC와 애널로그 디바이시즈의 AD712 OP앰프로 자작한 프리앰프를 번갈아가며 사용했다. 오디오 알케미의 DLC는 싼 가격과 단순한 내용에도 불구하고 소리가 꽤 괜찮았다... 요즘도 이베이에 종종 올라오는 걸 보면 찾는 사람들이 제법 있는 모양이다.

제대로 된 프리앰프는 3년 전에 구입한 맥킨토시의 C41이 처음이다. 거금 1500불을 주고 (물론 중고) 구입, 최근 내다 팔 때까지 아주 만족하며 잘 썼다. 맥킨토시 프리는 동사 파워앰프에 비해 별로 인기가 없지만 최근 제품들은 잡음도 안 내고 괴상한 음색(이게 좋아서 맥을 쓰시는 분도 많지만)도 없어서 좋다. 게다가, 맥킨토시의 전통에 충실하게, 포노 스테이지를 탑재하고 있는 것도 내게는 중요한 포인트였다.

각설, 그간 눈감아 온 프리앰프를 자작하기로 마음먹게 된 데는 이유가 셋 있다 : 첫째, 바로 그 맥킨토시 프리앰프의 포노 스테이지가 불만이었다... IC로 만든 거라, 특성으로나 음색으로나 범용을 면치 못하는 것이었다. (악명높은 NE5552를 쓰고 있다) 둘째로, 이제 슬슬 프리앰프에도 음악성을 요구해 볼까 하는 욕심이 들기도 했고. 마지막으로, 고성능에 음도 좋은 프리앰프를 이제는 어쩌면 만들 수 있겠다는 기술적인 자신감도 생겼다. 8년 전에 비하면 공부하고 경험한 바가 적지 않다고 자부하므로.

자, 이리하여, 대망의 프리앰프 프로젝트를 시작하기로 한 것이다. 죽을 때까지 쓸 물건을 만든다는 비젼으로... (절대 10년 이상을 안 가겠지만)

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자작을 하기 전에, 아니 기초 설계에 들어가기 전에, 반드시 해야 할 것이 두 가지 있다 : 우선, 지갑에 돈이 얼마나 있나 확인. 맥킨토시 팔고 받은 돈 1200불이 있다. 어림계산으로 이걸로는 모자란다는 것이 명확하다. 한 500불은 어떻겐가 융통이 가능하겠지. 그래서, 예산 합계 1700불.둘째로, 디자인 목표 설정이다. 왜 자작을 하려 하나? 1700불이면 중고로 쓸 만한 프리앰프를 얼마든지 살 수 있다. 1700불을 주고 살 수 없는 무엇인가를 원하기 때문에 자작을 하는 거라면, 그 원하는 것이 구체적으로 무엇인지 조목조목 확인을 해 둘 필요가 있다.

  • 디자인 목표 1. 저잡음 저왜곡에 RIAA 편차 극소의 포노 스테이지.
  • 디자인 목표 2. 특성상 흠잡을 데가 없고, 특히 다이내믹 레인지가 넓은 라인앰프.
  • 디자인 목표 3. 거기다 더하여, 직렬 3극에 평판이라는 (대단히 민감하면서도 후련한 성격의) 시스템에 음색적으로 위화감이 없을 뿐 아니라, 현재 약간 아쉬운 "농밀한 우아함" 을 보충할 것. 민감하고 다이내믹한 성격은 증폭소자와 회로 구성으로, 진한 음색을 더하는 것은 패시브 소자의 조합으로 달성한다.
이제 목표는 설정했고, 그럼 구체적인 디자인에 들어간다.

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1. 증폭소자 선택

목표 2번은 쉽다. 라인앰프는 앰프 중에서도 가장 쉬운 것이다. 3번도, 어떻게 달성할 지 대강 짐작이 있다. 1번, 1번 목표가 문제다... 제일 쉬운 것이 라인 앰프라면 앰프 중에 가장 어려운 것이 바로 포노 스테이지다!

MC 카트리지를 쓰는 경우, 증폭도는 중역에서 60dB - 즉 1000배 - 필요하고, 저역에서는 무려 10000배 증폭을 해야 한다. 전자 한 두개 정도가 움직이는 수준의 입력 신호를 다루어 1만배 증폭을 하는 것이라, 잡음은 나노볼트 레벨 이하로 떨어져야 하고, 왜곡 역시, 1만배 증폭도를 유지하면서 0.1% 이하를 달성해야 한다. 게다가 역시 0.1% 이하의 RIAA 편차도 달성해야 한다. IC로 만든 포노 스테이지가 별볼일 없는 것이 이런 기술적인 요구사항들 때문이다. 최근의 괄목할 만한 발달에도 불구하고, 최고급 JFET IC로 달성할 수 있는 잡음 레벨은 10nV 수준. MM 카트리지를 쓴다면 순시 트렌젼트 +30dBu의 입력에 찌그러지지 않는 광대한 헤드룸이 필요한데, NFB를 거는 OP앰프로서는 이것 역시 대단히 힘겨운 요구이다. 그러한 이유로, IC는 쓰지 않는다.

그럼 JFET와 BJT 트랜지스터를 섞어 디스크릿으로 설계하든지, 아니면 진공관이란 얘기다. 그런데, 디스크릿 트랜지스터 디자인에도 문제가 있다: 저잡음을 위해 초단에 JFET 디퍼런셜 페어를 쓰지만, JFET는 왜곡이 많다. 왜곡을 낮추기 위해서는 NFB를 많이 걸어야 하는데, JFET는 증폭도도 낮기 때문에 곤란하다. 게다가 주파수 특성이 심하게 변하는 포노 스테이지 같은 앰프에서 NFB를 써서 왜곡을 낮춘다는 것 자체가 기술적으로 나쁜 아이디어이다... 저역에서는 높은 증폭도를 달성해야 하기 때문에 NFB 양이 줄고, 따라서 왜곡이 올라간다. 고역에서는 상대적으로 대량의 NFB가 걸려 안정성이 나빠진다. 그것도 모자라서, 문제가 더 있다 -- NFB로 RIAA 필터링을 하게 되면 저역에서 다이내믹 레인지가 줄어든다 (헤드룸이 부족하다.) 트랜지스터로 NFB 걸지 않고 설계할 수도 있지만 (Pass Labs의 Xono 처럼) 우수한 특성을 얻기가 대단히 어렵다. Nelson Pass 같은 천재나 할 수 있을까... 마크 레빈슨의 프리앰프가 전설의 명성을 얻었던 것도 바로 천재 존 컬이 디자인한 포노 스테이지 때문이었지 않은가. 내게는 그런 재주가 없다. 트랜지스터도 아웃.

그럼, 진공관이다. 진공관으로 잘 설계하면 잡음을 1-3 나노볼트까지 내릴 수 있다. 높은 입력 임피던스와 전원 잡음만 잘 컨트롤하면 진공관으로 저잡음을 달성하는 것은 그리 어렵지 않다. 즉, 존슨 노이즈와 전원 노이즈만 걱정하면 되고 증폭소자 자체의 노이즈 (이걸 리콤비네이션 노이즈라 한다) 는 크게 문제될 것이 없다는 거다. 입력 전류 잡음이 원리상 발생하지 않는다는 장점도 있고. (일부러 흘리지만 않는다면, 진공관의 그리드 전류는 없다고 봐도 된다. JFET도 입력전류가 없다고들 하지만, 게이트 누설전류가 무시하기에는 좀 많다.) 게다가, 진공관은 본래 왜곡이 대단히 낮은 소자이기 때문에 NFB를 쓰지 않아도 0.1% 왜곡률을 어렵지 않게 달성할 수 있다.

포노 앰프를 진공관으로 구성하면서 라인앰프에 트랜지스터나 IC를 써서 복잡하게 만들 이유가 없다. (사실 별도 섀시에 라인앰프를 짜면 디스크릿 트랜지스터 회로로 문제가 없지만... 솔직히 말하자면, 앞뒤로 쭉 다 진공관인데 라인앰프만 딸랑 반도체로 하기가 뭐해서 그러는 거다.) 이로써 증폭소자 결정 -- 증폭소자는 진공관, 그것도 왜곡이 극히 낮은 3극관. 진공관 종류는 이미 마음에 둔 선택이 있다: 내 사랑하는 RCA의, 그것도 RCA 최고의, 5691과 5692. 옥탈관을 쓰는 이유는 세 가지이다: 첫째, 옥탈관은 마이크로포닉 노이즈가 미니어쳐관보다 일반적으로 낮다. 5691, 5692는 그 낮은 마이크로포닉 노이즈로 특히 이름난 옥탈관들이다. 원래 미사일에 들어가기 위해 개발된 다마들이니까. 둘째, 5691과 5692가 비록 비싸지만 프리미엄 급 미니어쳐관 -- 예컨대 텔레풍켄 E802CC -- 보다는 훨씬 저렴하고 구하기도 쉽다. 세번째, 옥탈관이 미니어쳐관보다 납땜하기가 쉽다. 기판을 쓰지 않을 것이므로 (기판은 대량생산하는 경우 생산성과 퀄리티 컨트롤 면에서 유리한 외에는 포인트 투 포인트 와이어링보다 모든 면에서 불리하다) 공간이 넉넉한 옥탈관이 기판을 쓰지 않고 자작하기에 훨씬 유리하다.

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2. 회로 토폴로지 선택

이미 NFB를 쓰지 않기로 했다. 그럼 RIAA 필터는 자동적으로 액티브가 아닌 패시브가 된다. 패시브 RIAA 필터링은 두 개 (혹은 그 이상)의 증폭단 사이에 저항, 컨덴서, 코일 등의 패시브 소자로 구성된 필터를 삽입하여 RIAA 커브 보정을 하는 회로이다. 진공관 소자 자체가 압도적으로 헤드룸이 높은데다가, 패시브 필터 역시 다이내믹 레인지 면에서 액티브 필터보다 훨씬 유리하다. 증폭단은 전압 증폭에 적합하고 또 심플한 셀프바이어스의 커먼 캐소드 회로를 쓴다. 이건 3번 목표 달성을 위한 것이다 - SRPP나 뮤 폴로워는 특성상 약간 더 유리하지만 (고증폭도, 전원에 덜 민감함) 음색적으로는 커먼 캐소드의 자연체 음색보다 확실히 뒤떨어진다. 케스케이드나 케스코드, 액티브 로딩 등 다소자 복합 증폭회로에 따라다니는 문제점은 고특성에도 불구하고 자연스런 음색이 잘 안 나온다는 것이다. 증폭도는 커먼 캐소드 회로로도 이미 충분하고, 커런트 소스 등 액티브 로딩을 하지 않아도 다이내믹 레인지나 슬루 레이트 역시 부족함이 없으며, 전원 노이즈 역시 달리 생각해 둔 대책이 있으므로, 굳이 음색에 손해를 보면서 복잡한 다소자 복합 회로를 쓸 필요가 없다. 게다가, 패시브 RIAA는 소자에 극히 민감하다... 소자 숫자가 늘어나면 음색 컨트롤이 기하급수적으로 어려워진다.

라인앰프에도 마찬가지로 NFB 걸지 않은 심플 커먼 캐소드 회로. 그런데, 라인앰프 특유의 문제가 있다 : 라인앰프는 출력 임피던스가 낮아야 한다. 일반적으로 1KOhm 이하라야 한다. 보통 진공관 라인앰프는 이 문제를 캐소드 폴로워 회로를 써서 해결하지만, 캐소드 폴로워는 별로 음이 좋은 회로가 아니다. 캐소드 폴로워 말고 출력 임피던스를 낮추는 방법은 두 가지를 생각해 볼 수 있다 : 출력관을 다수 병렬해서 플레이트 내부 저항을 낮추거나, 아니면 츨력 트랜스를 쓰거나. 첫번째 방법의 문제는, 출력관을 적어도 5개에서 10개 병렬해야 출력 임피던스를 1KOhm까지 내릴 수 있다는 것이고, 두 번째 방법의 문제는 보통 구할 수 있는 라인 출력 트랜스의 임피던스가 3KOhm 정도로 낮기 때문에 사용할 수 있는 진공관이 한정된다는 것이다. 트랜스와 출력관의 임피던스 매칭이 되지 않으면 주파수 특성과 트랜젼트 특성이 급격히 나빠진다.

위의 두 방법을 병용하면 세 번째 방법이 생겨난다... 다수 병렬한 출력관에 트랜스를 다는 방법. 일반적으로 라인앰프에 많이 쓰는 6SN7을 쓰는 경우, 두 개만 병렬해도 플레이트 내부 저항이 3 - 4KOhm 까지 떨어진다. 이로써 흔히 나돌아다니는 3KOhm 짜리 출력 트랜스를 정격에 맞게 쓸 수 있다.

트랜스 출력이므로 출력 임피던스가 100 - 600 Ohm으로 충분히 낮을 뿐만 아니라, 부하 저항 변동으로부터 출력관이 격리되어 회로가 극히 안정하고, 출력에 커플링 컨덴서가 필요없으며, 여하한 상황에서도 - 예컨대 고장이나 오동작 - 출력에 직류가 흐를 염려가 없다.

회로 토폴로지 선택: 부귀환 없는 심플한 3극관 커먼 캐소드 회로, 패시브 RIAA 필터링, 출력 트랜스 채용.

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3. 전원부 선택

진공관으로 프리앰프를 만드는 경우 전원은 흔히 반도체로 구성된 레귤레이터를 쓴다. 이것은 사실 기술적으로 별나게 유리하기 때문이 아니라 상품으로 개발하는 경우 생산 및 퀄리티 컨트롤이 훨씬 싸게 먹히기 때문에 흔히 채용하는 것이다. 단 1대만 만들면 되는 자작의 경우 음색적으로 뒤떨어지는 레귤레이터를 쓸 이유가 없다. (레귤레이터는 NFB를 뜻한다. 이미 앰프에 NFB를 쓰지 않는데 왜 전원에 NFB를 써서 소리를 버릴까? 앰프의 슬루 레이트와 다이내믹 레인지, 왜곡 특성은 증폭부와 전원부의 곱하기이므로, 둘 중 하나만 나빠도 나빠진다. 게다가 앞서 말한 다소자 복합회로의 문제점이 전원부에도 그대로 적용된다.)

그럼, 반도체로 정류를 하고 레귤레이션을 하지 않으면 어떨까? 반도체정류는 대전류가 필요할 때 유리하지 프리앰프처럼 수십 밀리암페어로 충분한 경우 전혀 득이 없다. 게다가, 반도체 다이오드는 스위칭 잡음이 심하다. 커먼 캐소드 회로는 전원에 민감하므로 스위칭 잡음 같은 특별히 듣기 괴로운 종류의 잡음은 절대 사절이다.

그럼 진공관 정류에 노 레귤레이션. 진공관은 역시 RCA의 80, 구할 수만 있다면 80 중 최고라는 280 벌룬. 한 가지 문제는, 진공관 정류의 경우 대용량 필터 콘덴서를 쓸 수 없으므로 레귤레이션을 하지 않는다면 리플이 많아져서 험이 발생한다. 이걸 해결하는 방법은: 쵸크 인풋. 그것도 씨리즈로 두개 써서 24dB/Oct. 의 로패스 필터를 구성한다. 이렇게 구성해서 리플 전압은 360볼트 전원전압에서 20마이크로볼트! (약 0.002퍼센트, 또는 -94dB. 믿거나 말거나) 이건 레귤레이션으로도 달성하기 어려운 초저잡음 전원부이다. 완전 패시브이므로 레귤레이션에 따라 다니는 슬루 리미트가 발생하지 않는다. 게다가 정류관 자체가 소프트 스타트이므로 전원을 켰을 때 비싼 증폭관과 필터 콘덴서들을 갑작스런 전압 인가로부터 보호할 수 있다.

불행히도, 히터 전원만큼은 어쩔 수 없이 반도체 정류를 해야 하겠다. 음색상으로는 히터를 교류 점화하는 것이 가장 좋지만... 험 때문에, 포노 스테이지에는 교류 점화를 할 수 없다. 그 다음으로는 션트 / 씨리즈 복합 레귤레이션이 좋지만 회로가 제법 복잡해지는데다가 단순한 패시브 직류전원보다 월등히 우수하지도 않으므로 (진공관의 히터는 자체적으로 커런트 리미팅을 한다) 그냥 단순한 패시브 정류 직류점화를 하기로 한다. 이것 하나만이, 전체 회로에서 내가 유일하게 타협하는 부분이다.

전원부 선택: 쵸크 인풋 진공관 정류에 노 레귤레이션. 쵸크/컨덴서 필터는 두 개를 직렬로 쓰고 진공관은 직렬관인 RCA 80. 히터 전원은 반도체 정류에 역시 노 레귤레이션.

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어떤 회사에서 이렇게 만든 프리앰프를 팔까? 내가 아는 한, 2천 - 3천만원 이하로는 없다. 내가 선택한 옵션들은 대량생산하는 상품에는 절대 채택할 수 없는 것들이기에. 이런 식으로 프리앰프를 만들게 되면 부품 -- 예컨대 출력 트랜스 -- 의 단가가 대량 구매를 해도 그다지 싸지지 않는 데다가 한 대 한 대 개별적으로 신중하게 조정해야 한다. 수 백 수 천 대 만들어 팔 것이라면 그렇게 할 수 없다는 거다. 하지만, 단 1대 만드는 자작의 경우 오히려 싸게 먹히고, 어차피 1대만 만들 것이므로 개별적인 신중한 조정 역시 문제가 아니다. 이렇게, 1700불을 들여서 1700불 아니라 17000불로도 얻기 어려운 프리앰프를 만들겠다는 야심이다.

다음 단계는 구체적인 회로 설계가 되겠다. 이건 시간이 좀 걸리니까, 다음 업뎃 때...

2005/11/12 14:50 2005/11/12 14:50

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