진공관 프리앰프 프로젝트 [2] - 역 RIAA 필터 디자인

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패시브 포노 스테이지를 설계하기 전에 필요한 것이 하나 더 있다: 역 RIAA 필터.

포노 스테이지의 출력은 플랫하지 않고, RIAA 에서 정해 놓은 커브를 따른다. 시뮬레이션으로 이 커브에 따르는 필터 정수를 얻을 수 있지만, 실제 만들어 보면 딱 맞지 않는 경우가 많다. 그것은 증폭 소자의 특성이나 저항, 컨덴서 등의 값에 오차가 많기 때문이다. 게다가 패시브 포노 스테이지는 NFB를 쓰지 않기 때문에 소자의 오차에 영향을 많이 받게 된다. 일반적으로 구할 수 있는 1% 저항을 쓰고 프리미엄급 진공관을 선별해서 매치한다고 해도, NFB 없는 패시브로는 1dB 이상 오차가 난다. 일반적으로 받아들여지는 룰은, RIAA 커브 오차가 0.5dB 이내로 맞아떨어져야 한다.

그래서 패시브로 포노 스테이지를 만들 때는 시뮬레이션으로 대략의 정수를 구한 다음, 실제 회로를 구성해 놓고 동작시키면서 필터의 소자들을 이리저리 바꾸어 최적 정수를 찾을 수 밖에 없다. 이 때 필요한 것이 이 역 RIAA 필터이다 - RIAA 커브의 정확한 반대 특성을 가진 회로. 이놈을 포노 스테이지의 입구에 달아 놓고 시그널 제네레이터를 돌리면, 포노 스테이지의 RIAA 커브와 이 역 RIAA 필터의 커브 특성이 합성된 출력이 나온다. 역 RIAA 필터가 정확하고 또 포노 스테이지의 RIAA 특성이 정확하다면 그 출력의 주파수 특성은 플랫하게 된다.

RIAA의 용도는 그 외에도 있다: 역 RIAA 필터를 잘 설계해서 1KHz에서 약 40dB 정도 감쇠를 시키면, CD 같은 라인 출력을 포노 카트리지 출력과 비슷한 특성의 신호로 변환할 수 있다. 즉 포노 스테이지의 음색을 CD를 들으면서 체크할 수 있다는 것이다. 또 다 만든 포노 스테이지를 에이징 시키는 데 쓸 수도 있다.

다 만들어놓은 역 RIAA 필터를 돈 주고 살 수도 있지만, 아주 저렴한 비용으로 (만원 정도) 만들 수 있기 때문에 살 이유가 없다. 게다가 시중에 파는 역 RIAA 필터들은 그다지 정확하지도 않고… 제일 정밀하다고 하는 것이 0.5dB 정도 오차를 보인다. 직접 만들면 그보다 훨씬 정확한 특성을 얻을 수 있다.

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RIAA 커브는 3개의 시정수를 가진다: 3180us, 318us, 75us (마이크로세컨드). 이 커브는 다음의 수학 공식으로 얻을 수 있다 :

RIAA Gain = {1 + (3.18-4) * s} / {1 + (3.18-3) * s}{1 + (7.5^-5) * s}

변수 s 는 (2 * pi * 주파수) 이다.위 공식의 분자/분모를 뒤집으면 바로 역 RIAA 커브가 나온다:

Inverse_RIAA Gain = {1 + (3.18-3) * s}{1 + (7.5-5) * s} / {1 + (3.18^-4) * s}

이 공식을 사용해서 스파이스로 필터를 시뮬레이션하면 아래와 같이 된다:

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위 회로도는 이론상의 모델링이므로, 이번에는 실제 사용할 수 있는 필터를 시뮬레이션 해 보면:

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시뮬레이션 상으로는 20-20KHz 내에서 0.01dB 이하의 오차로 역 RIAA 커브와 일치한다. 감쇠특성은 1KHz에서 약 -37dB 이고 출력 임피던스는 약 1K 옴이다. 이상적으로는 감쇠특성 -40dB, 출력 임피던스 600 옴이지만 이 정도로 충분히 실용가능하다.

회로상의 74.3K, 883.3K 등의 저항값은 시중에서 구할 수 없고 또 컨덴서의 컨덕턴스 값 오차 (보통 10%) 를 보정해야 하기 때문에 가변저항(트리머)을 사용한다. 비셰이 제 정밀 트리머를 쓰고 1% 오차의 정밀 저항과 5% 스티롤/세라믹 컨덴서를 사용해서 실제 만들어 보았다.

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실제 측정 결과 가청주파수 대역 내의 오차는 0.1dB 이하, 20-10Khz 내의 오차는 0.05dB 이하로 나온다. 완전 패시브이므로 노이즈나 디스토션은 무시해도 좋을 것이다.

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다음 프로젝트 기사는 IC를 이용한 NFB 형 포노 이퀄라이저 만들기이다. 이걸로 음악을 들을 것은 아니고, 역 RIAA 필터를 실험하기 위해서, 또 진공관의 패시브 회로로 과연 의도한 대로 일반 시중에 나돌아다니는 보급형 포노 스테이지를 “특성상” 능가할 수 있는지 확인하기 위해서이다. 최신 고성능 IC로 어디까지 할 수 있나도 알아 볼 겸…

2005/11/15 04:44 2005/11/15 04:44

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