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풀레인지의 역사상 가장 유명한 사람 한 명을꼽으라면 누구를 골라야 할까? 많은 사람들이 아마 로더의 창시자요 트랙트릭스 혼의 주창자인 P. G. A. H. Voigt 씨를 들 것으로 생각한다. 하지만 비슷하게 많은 수의 오디오파일들이 이에 반대하며 Edward James Jordan이야말로 그 영예의 주인이라고 주장할 것이다. 로더에 비겨 조금도 손색이 없는 불후의 풀레인지, Goodmans Axiom80을 디자인한 바로 그 사람. 이 사진이 Axiom 80이다. 최근 이베이에 나온 한 조는 그리 깨끗한 상태가 아니었는데도 3500불이라는 가격에 낙찰되었다:

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이후 조던 와츠라는 자신의 브랜드를 설립하여 10센티미터 구경의 알미늄 합금 진동판 유닛을 개발해 세인들의 이목을 집중시켰었다. 이 사진이 조던 와츠의 오리지날 사각형 드라이버 유닛인데, 지금도 간혹 중고가 돌아다닌다. 대역도 좁고 아주 작은 소리밖에 나지 않지만 그 아름다운 톤은 일품이다:

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테드 조던 씨는 지금도 살아있고, 여전히 풀레인지를 만들고 있다. 한 10년쯤 전인가 자신의 오리지날 디자인을 업데이트하여 JX92라 이름붙여 내 놓았었는데, 대역은 오리지날보다 한결 늘어났지만 여전히 능률이 낮고 가격이 비싸서 별로 인기를 끌지 못했던 것으로 기억한다. 그 때만 해도 풀레인지라면 모두들 로더를 기준으로 생각했기 때문에, 싱글 진공관 앰프로 울리기 어려운 소구경 저능률 풀레인지는 대중적인 어필이 부족했을 것이다. 얼마 전 조던 씨가 그 JX92를 다시 업데이트해서 JX92S라고 이름을 바꿔 시장에 내 놓았다. 괄목할 만한 개선점은 능률이 86에서 88dB로 대폭 향상되었다는 것. 86dB에서 88dB는 얼른 듣기에 그리 큰 발전이 아닌 것 같지만 사실은 1.5배의 음향출력을 뜻하는 것으로 사실 대단한 변화라 할 수 있다. 저역의 대역폭도 40Hz까지 신장되었다고 한다. 가격도 그리 비싸지 않아 조에 35만원으로 나왔다. 이 정도 되면 사지 않고는 못 배길 판이다. 작년 연말까지만 해도 대리점이 영국, 독일, 홍콩 이렇게 밖에 없어 침만 질질 흘리고 있었는데, 지난 1월 이 신개발 조던 유닛의 미국내 직판이 개시되었다. 기다리는 사람이 많은 관계로 선주문 해놓고 오래오래 기다린 끝에 마침내 차례가 돌아와, 급기야 손에 넣게 되었다. 


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조던 씨는 옛날부터 풀레인지의 구경은 10cm가 최적이라 주장해 왔고, 이 유닛 - JX92S - 도 딱 그 싸이즈다. 모델명에 나타난 숫자가 바로 실효구경, 즉 92mm를 뜻하는 것이다. 보통 메탈콘이나 그라파이트, 케블러 콘 등 고강성 재질로 만든 드라이버들은 음속을 드라이버의 반지름으로 나눈 주파수에서 공진한다. 이전 포스트에 나온 씨어즈의 L15나 이 조던이나 약 9센티미터 지름이므로 8KHz에서 공진하게 되어 있는 것이다. 여기서 조던 씨의 오랜 풀레인지 설계 경력이 드러나는데, 콘의 형상이 스트레이트가 아니고 (거의 모든 고강성 콘 유닛들은 콘 프로파일이 직선이다, 즉 깔때기 모양이다) 엑스포넨셜 커브를 그리고 있다. 공진점이 분산되는 것이다. 아래 그래프가 실제 측정 결과이다 - 8KHz의 공진이 완전히 사라진 것은 아니지만 매우 잘 컨트롤되어 있는 것을 확인할 수 있다. 고역 전반에 걸쳐 음압이 치솟고 있는데, 청감상 고역 과다로는 들리지 않는다. 10센티미터 구경이므로 약 5KHz부터 지향성이 나빠지기 시작하기 때문이다. 한 가지 놀랐던 것은 아주 타이트한 퀄리티 컨트롤. 두 샘플 간의 리스폰스 차이는 0.3dB 이내, 임피던스는 0.5% 이내로 매치하고 있다. 이런 레벨의 품질관리는 빈티지 드라이버에서는 물론이고 현대 고가격 유닛들 사이에서도 보기 어려운 것이다.


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풀 스페이스 상태에서의 능률은 85dB 정도로, 발표된 스펙 88dB는 하프스페이스 시의 능률인 것 같다. 이 유닛으로 평판 (조던을 평판에 달아 듣는 사람 많이 있음)을 만들어 들으면 저중역에서 6dB의 능률 신장을 기대할 수 있으므로 약 91dB의 고능률을 얻을 수 있을 것이다, 즉 싱글 진공관으로 구동이 가능하다는 얘기다. 혼에 달아 듣는다면 (넬슨 패스 씨가 이 프로젝트를 시도하였다고 한다) 얼추 95dB까지도 가능하다. 하지만 일반적인 박스형 스피커에 단다면 약 3-4dB의 배플 스텝 코렉션이 필요하므로 역시 85dB 정도의 능률밖에 얻을 수 없다. 그렇긴 해도 4인치도 안되는 싱글 콘으로 그나마한 능률을 얻을 수 있다는 것은 대단한 엔지니어링이다. 대다수의 스피커 자작 팬들은 이 유닛을 트랜스미션 라인 통에 넣어 사용한다. 나는 개인적으로 트랜스미션 라인 토폴로지를 그리 좋아하지 않기 때문에, 게다가 현재 리스닝 공간이 아주 협소한 관계로, 보다 일반적인 상자에 넣고 싶다. 조던씨가 권장하는 박스 싸이즈는 밀폐형 3리터, 저음 반사형 8리터이다. 하지만 실측한 데이터를 바탕으로 시뮬레이션한 결과 14리터 밀폐형 통에 넣었을 때 가장 밸런스 좋은 소리를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 저음 반사형도 가능하긴 한데, 저음의 능률과 대역폭은 신장되지만 군지연특성이 너무 나빠진다 - 30Hz 부근에서 거의 20ms의 딜레이가 발생한다. 이렇게 저음에서 딜레이가 피크를 이루게 되면 저음의 질감이 깨끗하지 않고 퍼석퍼석하며, 잘못 설치된 카 스테레오처럼 원노트로 붕붕거리게 된다. 11리터 통에 R-19 흡음재를 채우면 용적이 겉보기로 늘어나 약 14.5리터가 되므로, 11리터들이 상자에 넣어 보았다. 저음반사형이 시뮬레이션과 달리 의외로 결과가 좋을 수도 있으므로, 포트를 만들어 달아 두었다 - 소리가 좋지 않으면 막아버리면 되니까. 아래 그래프들은 첫 번째가 저음 튜닝의 시뮬레이션, 두번째가 실제 측정 결과이다:

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아니나 다를까, 저음반사형은 저음의 양만 많고 질은 엉망이다. 튜닝을 이리저리 만져 보아도 그리 개선되는 것 같지 않으니, 이 유닛은 저음반사형에 잘 맞지 않는다고 결론 내릴 수밖에 없겠다. 이에 반해 밀폐형의 저음은, 10초도 지나지 않아 이것이 정답이라는 것을 알 수 있을 만큼 훨씬 깔끔하고 아름답다. 저역의 차단점은 70Hz로, 숫자상으로나 그래프상으로는 저음이 하나도 안 날 것 같지만 사실은 아주 만족스러운 양의 저음이 나온다 - 유명한 BBC 모니터 LS3/5A의 저역 차단점이 90Hz인 것을 생각해 보면, 밀폐형 스피커의 저역은 스펙 상에 나타난 것 보다 더 뻗는다는 것을 짐작할 수 있다. 이 대로는 중역이 강조된 깽깽거리는 음으로 듣기에 좋지 않으므로 - 상자형 스피커의 숙명인 배플 스텝 로스 때문에 - 1.5mH 코일을 5옴 저항으로 바이패스해서 유닛에 직렬로 연결해 보았더니 근사하게 밸런스가 잡혔다. 이 배플 스텝 코렉션 회로는 내가 디자인한 게 아니고 조던씨가 권장하는 그대로 따라 한 것이다. 아래 그래프가 중역을 주저앉히는 이 회로를 장착하고 측정한 주파수 특성과 임피던스 특성이다.


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이러구러 한 1주일 남짓 듣고 있는데, 결론부터 얘기하자면 이렇게 고해상도와 저왜곡, 광대역을 겸비한 풀레인지는 처음이다. 메탈 콘 채용의 하이테크 유닛이라서 좀 차갑고 크리티컬한 소리가 날 것으로 짐작했었는데 - 왠걸, 아주 밸런스 좋고 따뜻하며 화사한 음이 나온다. 사실 이 음 경향은 옛날의 그 사각형 오리지날도 마찬가지였다. 발전한 것은 향상된 자기회로와 서스펜션으로 인한 저왜곡, 고능률, 대진폭이다. 고능률... 이라는 것은, 싸이즈를 고려했을 때 비교적 고능률이란 얘기고 보통 사람들이 풀레인지를 논할 때의 능률 기준에는 형편없이 미치지 못한다. 이 스피커의 단점이라기보다 제한사항은 바로 능률인 셈이다. 다이내믹 레인지가 좁으므로 대음량은 물론이고 대편성 음악도 들을 수 없고, 헤비메탈 같은 것도 곤란하다. 시청위치에서 90dB에 근접하는 대음량 재생을 시도해 보았더니 소리가 시끄러워지고 딱딱하다 - 왜곡이 급증하고 있는 것이다. 게다가 베이스드럼 등의 연타에서 보터밍을 일으킨다. 밀폐형은 그렇지 않아도 능률이 낮은데다가 콘의 진폭이 저음반사형보다 한결 커지므로, 비록 조던 유닛이 대진폭형이긴 하지만 (9밀리미터) 90dB 이상은 무리인 모양이다. 역시 10센티미터 풀레인지로 강도높은 박력 재생은 할 수 없는 것이다. 하지만 소편성의 제즈나 클래식을 일반적인 음량에서 울리면 아주 점잖고 품위있는, 아름다운 음을 얻을 수 있다. 구심적이고 생생하며 통일감 있는 풀레인지만의 장점들도 어김없이 챙기고 있다. 마치 "더 뭘 바라십니까?" 이렇게 말하는 듯하다. 오디오를 잊어버리고 음악에 탐닉하고 싶어지는, 그런 음이다...

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테드 조던의 개인 웹싸이트 : http://www.ejjordan.co.uk/index.html 
Esoteric Audio Devices (제작 및 공급업체) : http://www.esotericaudiodevices.com/


2008/04/23 00:52 2008/04/23 00:52

**** 이 디자인은 2회 업데이트되었다. 분산되어 올라왔던 포스트들을 하나로 합쳐 다시 올린 것이 이 포스트이다. 블로그형 싸이트에는 맞지 않는 편집이지만 지난 포스트들의 내용이 산만하고 정보전달이 잘 되지 않는 듯하여 하나로 합쳐 다시 편집했다. ****


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베리티의 파르지팔 모니터를 쓰면서 최신 고성능 소형 유닛에 대한 인식을 새로이 하게 되었다. 물론 오디오테크놀로지4H 유닛은 가격으로나 스펙으로나 일반적인 소형 유닛의 범주를 벗어나는 드라이버이다. 하지만 드라이버 설계 및 제조 기술이 그간 상당히 발전했다는 것은 틀림없는 사실이고, 이 발전이 비교적 저렴한 유닛들에도 반영되어 있을 것이라는 생각을 하게 되었다. 이런 이유로, 여러 해 동안 시도하지 않았던 심플한 소형 2웨이 프로젝트를 기획하게 되었다.

1. 디자인 목표

이 프로젝트는 비교적 저렴한 비용으로 작은 공간에서 필요충분한 성능을 발휘할 수 있는 시스템을 목표로 한다. 객관적인 성능은 1) 50Hz - 20KHz 대역 내에서 +/- 3dB의 평탄한 주파수 특성 2) 8옴 노미널, 미니멈 5옴 이상의 다루기 쉬운 임피던스 특성 3) 85dB 내외의 능률 4) 넓은 수평/수직 방향 디스퍼젼 5) 매우 낮은 디스토션 6) 그리고 시청위치에서 90dB 이상의 다이내믹 레인지를 실현하는 것을 지향한다.

이상의 성능 지표는 별로 대단하게 보이지 않을런지 몰라도, 사실은 엄청 야심적인 것이다. 잡지에 흔히 올라오는 메이커 발표 스펙은 한 50% 할인해서 보아야 하는, 믿을 수 없는 것들이다... 예를 들자면, 보통 4-5인치 미드베이스를 쓴 미니모니터들 주파수 특성을 40Hz까지 내려가는 것으로 보고하곤 하는데 이것은 대부분 하프스페이스 즉 벽에 가까이 설치했을 때의 특성이다. 풀스페이스의 무향실 측정으로 말하자면 70Hz 밑으로 내려가는 소형 모니터는 거의 없다. 능률도 90dB 근처의 특성을 발표하곤 하지만 대부분 실지 능률은 80에서 83dB 정도밖에 되지 않는다. 내입력도, 3퍼센트 디스토션을 기준으로 했을 때 20와트를 넘어가는 소형 스피커는 대단히 드물다.

위와 같은 디자인 목표는 물론 수퍼 하이엔드 드라이버를 채용하면 비교적 쉽게 달성할 수 있다. 오디오 테크놀로지의 4H나 15H, 또는 스캔스픽15W 같은 미드베이스를 쓰고 고역에 스캔스픽의 7000 혹은 그 레벨의 트위터를 달면 가능하다. 그렇지만 그런 구성으로는 유닛 가격만 해도 150만원 가까이 든다. 이 프로젝트는 그런 막대한 예산을 들이지 않고도 비슷한 성능을 얻을 수 있느냐 하는 질문에 대한 대답이다.

2. 유닛 선택

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4-5인치 구경 미드베이스 중 가장 탁월한 성능을 보이는 것은 위에서 언급한 오디오 테크놀로지나 스캔스픽의 레벨레이터 우퍼들이다. 하지만 이미 그런 비싼 유닛을 쓰지 않는 것을 방침으로 하였기 때문에, 비교적 저렴하면서도 하이엔드급의 성능을 갖춘 드라이버를 찾아 보니 씨어즈L15RLY/P가 걸렸다. 이것은 5인치 구경의 (콘 구경은 4인치) 알미늄 다이어프레임 유닛으로, 개당 6만원 정도 하는 보급형 드라이버다. 이 가격대에 비슷비슷한 드라이버들이 많지만 굳이 이 유닛을 고른 이유는 1) 베이스 리플렉스에 쓰기 좋은 T/S 파라미터 2) 대진폭 3) 대단히 낮은 디스토션 4) 그리고 40Hz 중반까지 내려가는 낮은 공진주파수 등이다.

씨어즈의 유닛들은 비교적 싼 가격에 우수한 성능을 얻을 수 있는 잘 만든 드라이버들로, 다른 하이엔드 유닛 메이커들과 비교했을 때 한 가지 두드러지게 우수한 면이 있다: 씨어즈의 유닛들은 득성편차가 매우 적다. 비파나 피어리스의 유닛들은 어떤 때는 50% 이상 스펙에서 어긋나는 것들도 있다. 스캔스픽의 새로운 유닛들은 버전별로 특성이 자주 바뀐다. 특성편차가 극악한 하이엔드 유닛 메이커의 대표는 모렐이다. 특성편차는 대량생산하는 스피커 제조업체의 경우 많은 양의 유닛을 구입해 선별하므로 문제가 되지 않지만 딸랑 한 조만 만들게 되는 자작의 경우 심각한 문제가 된다.

이 유닛의 한 가지 문제점은 8KHz 부근의 강한 공진이다. 메탈 콘 유닛들은 항상 특정 주파수에서 공진을 일으키는데, 비록 공진점이 8KHz로 높아도 크로스오버상에서 이것을 -30dB 정도로 완전히 죽여 버리지 않으면 반드시 귀에 들리게 된다. 낫치 필터를 면밀하게 미조정하여 이 공진을 솜씨좋게 죽이는 것이 크로스오버 설계시의 관건이 되겠다.

트위터는 스캔스픽의 9500이다. 정평이 나 있는 음질과 10만원 내외의 비교적 싼 가격, 그리고 무엇보다도 매우 낮은 왜곡과 공진주파수가 선택의 이유이다. 왜 9700을 쓰지 않느냐... (7000 이상의 고가격 유닛은 안 쓰기로 했으니까 제외) 9700은 여러 가지 면에서 일반적이지 않은 트위터이다. 자성유체를 쓰지 않기 때문에 임피던스의 피크가 복잡하고 큰데, 크로스오버에서 이것을 솜씨좋게 처리하지 않으면 괴상한 소리를 내기 십상이다. 모양은 9300이나 9500과 거의 똑같지만 내용이나 소리는 매우 다르다. 9500은 자성유체를 쓰고 있고 또 많은 자작 설계에 채용되어 소리가 어떤지, 어떻게 다루어야 하는지가 비교적 널리 알려져 있다. 사실 같은 씨어즈의 트위터들 중에서 골라도 되겠지만 개인적으로 이 스캔스픽 트위터의 소리를 좋아한다.

3. 토폴로지 선택

스피커 설계시 토폴로지라는 것은 대개 두 가지로 나누어 말할 수 있다. 그 첫번째는 인클로저 유형이다. 혼이냐 밀폐냐 트랜스미션이냐 저음 반사형이냐... 등등의 선택이 그것이다. 씨어즈의 L15RLY/P는 저음반사형에 최적화된 설계이므로 고민할 필요 없이 베이스 리플렉스 인클로져를 쓰면 되겠다.

두번째 선택해야 할 토폴로지는 크로스오버 유형이다. 크로스오버 지점을 선택하는 것이 시스템 설계의 미묘한 부분인데, 유닛의 대역폭, 지향 특성과 디스토션이 이것을 결정한다. L15는 위에서 언급한 고역 공진이 관건이다. 공진점을 2.5로 나눈 지점에서 3차, 5차 고조파 왜곡이 피크를 치기 때문에 (이것은 강하게 공진하는 모든 유닛이 다 그렇다) 이 지점보다 크로스오버가 낮아야 한다. 8000 나누기 2.5 하면 3200, 즉 크로스오버의 상한점은 3KHz가 된다. 또한 두 유닛의 위치 관계상 약 63마이크로세컨드의 위상차가 발생하는데, 이만큼의 위상차가 주파수특성과 수직 지향특성에 해를 끼치지 않으려면 크로스오버 포인트는 최적 2Khz, 최소한 3KHz보다는 낮아야 하고 차단특성은 가팔라야 한다. 물론 배플을 경사지게 하거나 계단을 만들어 위상차를 줄이는 방법을 쓰면 완만한 차단 특성의 크로스오버도 쓸 수 있겠지만... 그런 방법은 통 만드는데 상당한 노가다를 요하므로, 목공기술이 빈약한 나로서는 곤란하다. 대음량 재생을 지향하는 경우 2KHz는 보급형 트위터로는 아슬아슬한 낮은 크로스오버 포인트이지만, 스캔스픽의 9500은 최저공진 주파수가 500Hz로 대단히 낮고 또 왜곡 특성이 워낙 뛰어나므로 무리가 없다. 크로스오버의 토폴로지는 2 - 2.5KHz 내외에서 4차로 자르는 것으로 한다.

4. 인클로저 설계

L15의 실측 T/S 파라미터를 시뮬레이션 소프트웨어에 넣고 돌린다. 내가 이 용도로 늘 쓰는 것은 리니어 팀WinISD Pro이다. 공짜인데다가 드라이버 데이터베이스가 충실하고 기능도 손색이 없으며, 무엇보다 대단히 정확한 예측을 제공한다. 표준 설정으로 시뮬레이션을 해 보면 8리터 통에 50Hz 튜닝이라고 나온다. 이것은 가장 흔하게 쓰는 QB3 (준버터워스 3차) 튜닝인데, 이 튜닝은 실제로 만들어보면 거의 언제나 소리가 별로다. 차단점까지 플랫하게 뻗는 튜닝은 방의 영향으로 저음이 붕붕거리게 될 가능성이 높기 때문이다. 방 구조나 취향따라 조금씩 다르겠지만 내 경우 약간 마르고 깊이 뻗는, 타이트한 저음을 좋아하므로 좀 더 여유있는 튜닝을 하기로 한다. 처음에는 EBS (Extended Bass Shelf) 라는 튜닝을 채용했는데, 실측 결과 상자의 리키지 로스가 설계치와 맞지 않아 SBB4 튜닝으로 바꾸었다. SBB4는 4차 수퍼 붐박스의 약자로, 평균보다 큰 통과 낮은 포트 튜닝이 특징이다. 베이스리플렉스 얼라인먼트 중 가장 군지연특성이 좋은 것이 장점인데, 통 크기에 비해 저음의 양이 적으므로 상업성이 없어 메이커제 스피커에는 잘 채용되지 않는다. 이 튜닝으로 설계하면 11리터 통에 47Hz 튜닝으로 나온다. 낮은 튜닝은 유닛의 최대진폭이 작은 경우 위험하지만, L15는 5인치 구경으로서는 이례적일 만큼 대진폭(10밀리미터) 설계이므로 별로 문제가 되지 않는다. 포트는 1.5인치 구경으로 4.9인치 길이가 되겠다. 포트 구경이 이보다 작으면 대음량시 컴프레션과 윈드노이즈가 심각하게 발생한다.

11리터 내용적의 상자를 직접 만들어도 되겠지만 마침 PartsExpress에서 딱 요 크기의 캐비닛을 팔고 있다. 내 손으로 만드는 것이 재미도 있고 또 내 마음내키는 대로 할 수 있는 장점이 있지만, 귀찮기도 하고 돈도 더 많이 들 것 같아서 그냥 사 쓰기로 했다. 직접 만들고자 한다면 14인치 높이, 8인치 폭, 10인치 깊이로 3/4인치 두께의 MDF나 자작 합판으로 만들면 된다. 이 비율은 바꾸면 안 된다. 이따가 말하겠지만 배플의 크기/형태에 따른 디프랙션이 변하고 따라서 크로스오버 설계가 달라지기 때문이다. 배플의 주변부 역시, 반드시 0.5인치 반경으로 라운딩해야 한다. 인클로져 내부는 블랙홀 5를 한 겹 발랐다. 사실은 비싼 블랙홀 대신 일반적인 R19 유리솜이나 다른 흡음재를 써도 무방하고, 소리에 별 차이나는 것을 느낄 수 없다... 갖고 있던 것을 소비하는 차원에서 블랙홀을 사용한 것 뿐이다. 다만 흡음재의 양은 가급적 최소한으로 하고, 미드베이스 유닛과 포트 사이의 공기 유통을 흡음재가 방해하지 않도록 해야 한다.

인클로져 설계시 예상외로 민감한 부분이 배플 크기 및 형태와 유닛 배치이다. 이것을 잘 하지 않으면 크로스오버 설계할 때 애를 먹게 된다. 일단 두 유닛의 중심이 크로스오버 주파수의 파장 길이보다 가까워야 하는데, 2.5KHz로 보면 5.5인치 또는 14센티미터가 된다. 저음 유닛의 구경이 5인치로 작으므로 이것은 큰 문제가 되지 않는다.

그 다음 중요한 것은 배플의 크기와 형태, 유닛 위치의 상관관계에 따른 디프랙션 효과이다. 디프랙션이라는 것은 스피커의 경우 크게 두 가지로 나누어 이야기할 수 있는데, 그 첫 번째는 저음역 능률의 감소이다. 음파는 다른 모든 종류의 파장과 마찬가지로 파장 길이가 반사면보다 커지는 낮은 주파수에서는 360도 전방향으로 전파하게 되므로, 배플에 반사하여 180도로 전파하는 부분보다 능률이 저하된다. 이 스피커는 배플의 폭이 0.2미터이므로 600Hz 언저리를 중심으로 약 6dB의 하락이 일어나게 되는 것이다. 실제로는 방의 영향으로 약 4dB 정도의 손실이 일어난다. 두 번째 디프랙션 효과는 배플의 주변부에서 일어나는 음파의 급격한 회절 현상이다. 배플 면을 따라 평탄하게 전개하던 음파가 배플의 가장자리에서 약 90도로 꺾어지면서 산란하게 되는데 이 산란하는 음파는 원 음파보다 위상이 뒤지게 되어 복잡한 간섭현상을 일으킨다. 이 에지 디프랙션 효과는 축상에서 그 영향이 현저하고 트위터의 정면을 조금 벗어나면 약해지므로, 스피커를 축상 기준으로 설계할 시에는 트위터를 배플 중앙에서 비껴 다는 것이 보통이다. (유닛에서 배플 가장자리까지의 거리가 불균일하게 만드는 것) 프로토타입은 트위터를 배플 중앙에서 1.25인치 비껴 달아 만들었는데, 음장감과 설치의 유연성이 기대한 것보다 좋지 않아서 두 번째 시작기에서는 중앙에 달았다. 트위터를 이렇게 배플 중앙에 달게 되면 에지 디프랙션 효과를 상쇄하기 위해 축을 약간 벗어나서 듣는 것이 원칙이다. 디프랙션을 가능한 한 억제하기 위해 배플 가장자리에 라운딩을 넣기도 하는데, 근본적인 대책은 아니지만 약간의 효과는 있다. 시작기에서는 0.5인치 반경의 라운딩을 배플 가장자리에 넣었다. 아래 그림이 배플 도면이다 - 측정 유닛은 모두 인치이다.

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5.유닛 측정과 크로스오버 설계

아래 그래프가 유닛을 인클로져에 부착한 상태에서 실측한 주파수 특성/위상 특성/임피던스 특성이다. 측정에는 늘 쓰는 Audiomatica의 Clio Standard System을 사용했다. 크로스오버 설계에는 실제로 측정한 이 세 가지 특성이 다 필요하다. 이 그래프들은 게이팅과 니어필드 측정을 병용한 가상무향실 특성이므로, 풀 스페이스 특성으로 간주하면 된다 - 즉 방의 영향을 대체로 배제한 특성이라는 말이다. 위에서 언급한 저역방향의 능률 하락이 일어나는 것을 볼 수 있다. 그래프상의 500Hz 딥은 바닥 반사로, 실제 스피커에서 나는 소리와는 무관하다.

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두 차례의 프로토타이핑을 통틀어 도합 열 한 종류의 상이한 크로스오버를 시뮬레이션하고 (모두 축상 특성으로는 플랫함) 또 만들어서 들어 보았는데, 이 쪽으로 경험이 좀 있는 분이라면 동의하겠지만, 축상 특성이 플랫하다고 소리가 좋은 것이 아니고 또 주파수 특성이 비슷하다고 해서 비슷한 소리가 나지도 않는다. 최종적으로 가장 마음에 든 크로스오버가 아래 회로도에 나와 있는 것이다. R1011과 R1021은 실제 저항이 아니고 코일의 직류저항 값을 나타내는 것이다. 마찬가지로 R2031도, 1.3옴이라고 되어 있는데 1옴을 쓰면 된다. 코일의 저항값을 0.3옴 정도로 보기 때문이다.

(1) 저역 크로스오버 회로

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(2) 고역 크로스오버 회로

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(3) 저역 크로스오버 트랜스퍼 펑션

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(4) 고역 크로스오버 트랜스퍼 펑션

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디프랙션에 의한 저음 하락의 보정은 처음에는 3.5dB 정도로 잡았다가 나중에 4.5dB로 바꾸었다. 크로스오버의 차단 특성은 링크위츠-라일리 4차, 포인트는 2.2KHz이다.


6. 제작과 실측

크로스오버는 저역측과 고역측을 따로 만들어 바이와이어링이 가능하도록 제작했다. 코일은 모두 공심인데, 저역에 직렬로 들어가는 코일은 직류저항이 낮아야 하므로 좀 비싸지만 14게이지 짜리 굵은 놈으로 했다. 다른 코일들은 모두 18게이지 공심이다. 콘덴서류는 모두 솔렌의 패스트캡을 썼는데, 다른 이유는 없고 오차가 5%로 낮고 가격이 싸기 때문이다. 크로스오버 소자가 확정되고 나면 좀 더 나은 것으로 바꾸어 볼 수도 있겠지만, 내 경험으로는 콘덴서 브랜드에 따른 소리 차이는 미미하다. 저항들은 모두 2%급의 무유도형 10와트 권선저항이다. (크로스오버에 쓰는 저항은 무유도형 -- Non-Inductive -- 라야 한다. 이것은 낫치 필터를 구성하는 경우 특히 중요하다.) 내부 배선은 14게이지의 수프라케이블을 썼는데 아무거나 16게이지 이상의 고품질 와이어면 되겠다. 소자 선택시 L1021과 C1021의 값은 정밀해야 한다 - 이 두 소자가 바로 우퍼의 8KHz 피크를 잡는 낫치 필터인데, 조금만 값이 어긋나도 공진점에서 빗나가기 때문이다. 3% 내로만 맞추어 주면 된다.

아래 그래프들은 최종 버전의 실제 측정 결과이다:

(1) 저역 튜닝

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(2) 크로스오버 써메이션

역상 접속시의 딥이 매우 깊고 좌우대칭이며, 또 정확히 크로스오버 포인트 - 2.2KHz - 에서 발생하고 있다.

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(3) 수평 지향특성 (적색: 좌우 30도 오프)

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(4) 수직 지향특성 (적색: 위로 15도, 녹색: 아래로 15도)

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(5) 시스템 임피던스 (황색: 시스템 A, 적색: 시스템 B)

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(6) 좌우 편차 (황색: 시스템 A, 적색: 시스템 B)

이 그래프를 누구든 스피커 설계에 경험이 있는 사람에게 보이면 감탄하거나 아니면 거짓말이라 할 것이다. 0.5dB 이내로 타이트한 매칭을 보이고 있고, 그것도 1KHz와 20KHz 근방의 작은 편차를 제외하면 거의 좌우를 구별할 수 없을 만큼 똑 같다. 가정용 스피커 메이커 중 이 수준의 앰플리튜드 매칭을 실행하고 있는 회사는 ATC, Revel, Verity, Wilson, 그리고 YG Acoustics 정도에 불과하다.

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(7) 파워 스펙트럼

20dB 디비젼의 보드플롯이다. 이 그래프는 무향실 특성이 아닌, 실제 방에서 연주할 때의 파워 리스폰스를 나타낸다. 저음이 35Hz까지 신장되어 있는 것을 볼 수 있다. 2KHz 부근에서 약 2dB 가량 처져 있는데, 이것은 스피커 설계할 때 자주 의도적으로 꺼지게 만드는 부분으로 흔히 BBC Dip이라 부른다 - 실제음량보다 작은 소리로 모니터링을 하도록 설계된 BBC 모니터 스피커들에 채용되었던 때문이다. 사람 귀의 주파수 특성은 리니어하지 않고 소음량시 중음 대역에 선택적으로 민감하므로 (플레쳐-맨슨 커브라고 하는 것) 통상 가정에서는 생음보다 작은 음량으로 음악을 듣는 사실을 감안하여 이것을 보정하기 위한 것이다.

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-3dB의 저역 차단 지점은 약 45Hz이고, 40 - 20KHz 대역 내에서 +/- 3dB의 플랫한 특성을 보이는 것을 알 수 있다. 혹시 이 스피커를 아주 데드한 방에서 쓰려고 할 경우, 크로스오버를 손 댈 필요는 없고 단지 스피커를 조금 더 벽에 가까이 놓고 축상 정면에서 혹은 거의 정면에서 들으면 된다. 고음이 너무 강하다고 느낀다면 - 그럴 리는 없을 것 같지만 - 저항 R2011을 1옴에서 1.5옴이나 2옴 정도로 바꾸면 될 것이다. 반대로 소리가 너무 점잖다고 생각되면 R2011을 빼 버리면 된다.

임피던스 곡선은 6옴에서 더 밑으로 꺼지지 않고 또 위상이 +30도, -45도 정도로 완만해서 비교적 드라이브하기 쉬운 부하이다. 그래도 싱글 진공관 앰프로는 좀 울리기 어렵겠고 한 30와트 정도는 필요할 것이다. 이 스피커의 객관적 성능 중 가장 두드러지게 우수한 것은 지향특성으로, 상하 15도 까지 대체로 평탄한 특성을 유지하고 수평방향으로는 30도까지 평탄하다.


6. 시청

이 시스템의 청감상 특징은 아주 듣기 편안하고 부드러운 음색과, 약간 가볍지만 대단히 깊이 뻗는 저음, 그리고 소형 답지 않은 대음량 재생 능력이다. 아마도 취향에 따라서 어떤 분은 이 소리가 너무 유하다고 느낄 지도 모르겠다... (그런 경우 위에 적어놓은 대로 R2011을 빼 버리면 된다.) 무엇보다 뿌듯하게 생각하는 것은 5인치의 소구경 우퍼를 쓴 미니 모니터로서는 믿기지 않을 만큼 본격적인 저음을 낸다는 점. 그리고 이 밸런스가 상당한 대음량 (옆집 사람이 전화 올 정도) 으로 울렸을 때에도 무너지지 않는다는 점이다.

첫 시작기에서는 음장의 깊이와 높이가 다소 부족한 감이 있었는데, 유닛 배치를 가운데로 바꾼 두 번째 시작기는 썩 훌륭한 음장 재현 능력을 보여 만족스럽게 생각한다. 소스의 결점에 대해 좀 엄격하여 녹음이 시원치 않은 CD를 걸면 용서없이 그것을 부각시키는 것은 아무리 크로스오버를 만져 보아도 개선되지 않아서, 이 스피커의 성격이라고 생각하기로 했다.

스피커 자작을 해 온 지 20년 이상 되었지만 이번처럼 소리가 마음에 쏙 드는 프로젝트는 처음이다. 기쁜 나머지 한 번도 하지 않았던 짓을 했다 - 이 스피커에 이름을 지어 붙인 것이 그것인데, David 라 부르기로 했다. 조그맣지만 거인을 상대하여 이길 수 있다는 뜻이다. 프로젝트의 수확이 있다면, 근래에 개발된 보급형 유닛들을 다시 보게 되었다는 것. 물론 예로부터 싸이즈를 초월한 성능을 자랑하는 유닛들은 있어 왔지만 언제나 무시무시한 가격을 달고 있었지 이 씨어즈 유닛처럼 10만원 이하 가격대에서 이런 수준의 성능을 내 주는 물건은 없었다. 1-2KHz 어름에서 디스토션이 조금 높아지긴 하지만 상당히 공격적인 음량에서도 무너지지 않는 강인함은 그야말로 기대조차 하지 않았던 부분. 이 때문에, 지금 한창 인클로저 형태를 궁리하고 있는 조던 와츠의 신개발 풀레인지 - JX92S - 에도 크게 기대하고 있다. 아마도 이게 다음 프로젝트 업데이트가 될 모양이다.

저음 크로스오버에 쓰인 낫치필터 설계의 노하우는 Dennis Murphy 씨와 John Krutke 씨의 디자인을 참고하였다. 상업 용도가 아니라면 이 디자인은 Creative Commons License에 준하여 마음대로 복사, 배포, 응용이 가능하다.

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2008/04/13 23:43 2008/04/13 23:43

젠센과 LE85 드라이버의 2웨이 평판으로 재미를 보았으므로 수프라복스를 베이스로 쓴 혼 2웨이를 시도해 보려고 했다. 아래의 사진이 그 결과물이다:

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음... 결과는, 긴 얘기를 짧게 줄이자면, 별로였다. 수프라복스가 아무리 강력하다 해도 젠센에 비하면 진동판 면적이 반도 되지 않는다. 혼 드라이버의 고역에 비하면 에너지가 모자라는 것이 역력히 드러나서 음이 만들어지지를 않았다. 물론 음압은 고역 드라이버를 깎아서 맞출 수 있지만... 유닛 자체의 음량이 15dB 이상 차이가 나게 되면 데시벨의 차이 뿐 아니라 음의 에너지의 차이가 귀에 들린다. 아무리 고역을 깎아도 이 차이는 사라지지 않아, 결국 포기했다...

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수프라복스는 마침내 가장 심플하고 깔끔한 소형 평판으로 되돌아갔다. 크기가 작으니 저역은 뻗지 않지만, 희한하게도 전체적인 음의 모양은 원래 쓰던 대형 평판보다 이 싸이즈가 가장 좋았다. 평판의 재질도 자작 합판에서 애스펜 (미국산 포플라의 일종) 집성목으로 변경. 24인치 폭에 39인치 높이, 정확하게 황금비다. 바닥에서 약 1.5인치 정도 떨어뜨려 놓으니 저역의 양과 질감이 중고역과 잘 맞아떨어진다.

이 평판으로는 대음량 재생은 물론이고 대편성 음악도 들을 수가 없다... 하지만 그런 것을 들으려면 아예 다른 시스템을 써야 할 것이다. 금욕적이고 제한된, 그러나 독자적인 미의식을 주장하는 이 소리가 바로 풀레인지 다운 음이라고, 어떻게 보면 체념과 비슷한 결론에 도달했다...

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뭐 그렇다고, 좋아하는 풀레인지 장난을 그만 두겠다는 건 절대 아니다. 여전히 장난은 계속되고 있다. 일단 나의 첫사랑, JBL의 LE8T를 다시 꺼내어 최근 구입한 포스텍스의 F200A와 비교해 보는 장난도 그 동안 치고 있었다. 사실 F200A는 포스텍스가 일본인들에게 예로부터 인기있었던 LE8T를 능가해 보겠다는 야심으로 개발한 드라이버. 아래가 사진인데, 둘 다 T/S 파라미터는 거의 비슷하기 때문에 같은 통에 달아 비교할 수 있었다.

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이것도 결론만 얘기하자면, JBL의 승리. 포스텍스가 음의 확산이나 해상도, 대역의 넓이, 내입력 등 제반 스펙에서 한 수 위인데도, JBL의 음을 따라잡지 못한다. 천재의 작품과 그것을 흉내낸 모방의 차이랄까, JBL이 들려주는 그 독특한 음악세계 -- 비록 세련되거나 고상한 세계가 아닐 망정 -- 는 포스텍스에는 없다. F200A도 열심히 잘 만든 풀레인지임에는 틀림없지만, 적어도 내 귀에는 모자랐다. 포스텍스는 구입한 지 보름도 되지 않았고 또 흠집이 나지 않도록 조심해서 썼기 때문에 반품해 버렸다.

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사실은 JBL도 금방 다시 창고로 돌아갔는데, 새로 사귄 오디오 친구가 클랑필름 kl.L307을 빌려 주었기 때문이다. 클랑은 내게 있어 스피커의 성역이라 할 수 있다. 비록 307이 스테이지에 메인으로 놓이는 시스템이 아니라 영사실 모니터나 휴대용 영사기 스피커로 개발된 것이라 해도, 왕가의 혈통은 틀림없이 이져 있다. 떨리는 가슴을 안고 시청해 보니, 과연, 소구경 풀레인지로서는 궁극의 소리다. 차분하고 구심적이면서도 날카로운 맛이 있다. 선이 굵고 명석한 클랑의 성격은 이 작은 307에도 이어져 있어서, 비록 스케일은 작지만 당당한 소리를 울린다. 저음은 튜닝을 아무리 만져 봐도 그다지 뻗지 않고 고음 쪽으로도 한 8KHz가 고작이지만, 밸런스가 좋고 또 대역내에 이상한 버릇이 전혀 없다. 품위를 잃지 않으면서도 낭랑하게 노래하는 것이 너무 마음에 든다. 이제껏 들은 어떤 풀레인지도, 이 레벨에 도달한 것은 없었다. 웨스턴의 755도 이보다는 떨어진다...

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이것으로, 소구경 풀레인지의 마지막 역에 도착한 것 같다. 로더로부터 출발한 이 여정은 참으로 길었는데, 풀레인지의 그 구심적인 세계에 이끌리면서도 종내 나의 오디오 고향인 대형 혼의 세계를 잊지 못하고 양자를 조합해 보려고 고투한 여정이었다. 그것이 불가능하다는 것, 그리고 스케일과 중량감을 풀레인지에서 구하면 구할 수록 풀레인지 고유의 매력을 상실하게 된다는 것을 깨달은 건 불과 2년 전. 이제 클랑필름 307을 듣고 그 깨달음에 체험으로 날인을 한 셈이다. 원 주인에게 돌려주어야 하기 때문에 밀월은 한 달도 채 가지 않았지만 그 간 참으로 즐거웠고, 또 고마운 가르침을 얻었다.

그럼 이제 풀레인지는 안녕이라는 얘기? 오 노. 아직 안 가본 데가 있기 때문에 여행은 계속 된다. 다만 앞으로는 궁극의 메인으로 쓰려고 풀레인지를 찾아 방황하는 일은 없을 것이다. 안 가 본 데라는 것은, 4-5인치 구경의 극소형 풀레인지를 말하는 것이다 -- 이 싸이즈에 유난한 음의 세계가 있다는 것은 예로부터 자주 이야기되어 왔는데, 그 원조로는 조던 와츠를 꼽을 수 있겠고 대중적인 예로는 보스를 들 수 있겠다. 어쩐 일인지 10년 이상 풀레인지를 사랑하고 들고 파면서도 그 쪽으로는 고개를 돌려 보지 않았는데, 야심이 소박해지고 다소 누긋해진 마당에 앞으로는 그 가보지 않았던 동네를 들러 보려 한다...

2006/05/07 00:02 2006/05/07 00:02

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앰프는 직렬 3극관으로 정해놓고 있지만, 이런저런 실험이나 측정 및 비상용으로 TR 앰프가 필요한 때가 있다. 트랜스결합된 진공관앰프는 출력임피던스가 높아 이론대로 정전압동작을 하지 않는다. 음악듣는 데는 별 문제 없지만 스피커유닛을 측정한다든지 크로스오버를 설계한다든지 할 때에는 진공관앰프로는 좀 곤란하다. 게다가 3극관 싱글 앰프로는 아무리 능률이 높다 해도 복잡한 크로스오버를 장착한 멀티웨이 스피커는 울리지 못한다... 크로스오버가 설계대로 동작하지 않기 때문이다.

그러한 이유로, 이전부터 TR로 제대로 된 앰프를 하나 만들어 두자고 생각하고 있었는데 근래에야 손대어 완성하게 되었다. 사실 TR로 어디까지 할 수 있는지도 궁금했다. 여지껏 TR앰프를 만들어 쓰지 않은 것은 아니지만, 제대로 마음먹고 만든 적이 없기 때문에... 이번에는, 기왕 만드는 김에 감상용으로도 손색없는 고성능 앰프를 만들기로 했다.

1. 기본 설계

1) 우선 용도에 따른 파라미터 결정. 감상 뿐 아니라 측정 등 실험용으로도 쓸 작정이므로 괴상한 음색을 지니거나 다루기 불편한 회로는 안 된다. 표준적인 회로와 우수한 객관적 성능, 그리고 무엇보다도 여하한 부하에서도 안정동작하는 신뢰성이 필요하다. 출력이 너무 작아도 안 되겠고... 8옴 부하에서 최소 50와트는 필요하다. 4옴까지는 문제없이 풀파워를 낼 수 있어야 하겠고, 비록 풀파워의 정전압동작은 못 하더라도 2옴 이하의 부하에서도 안정해야 할 것이다. 또, 측정용으로 쓰기 편하기 위해 모노블록으로 2대 만든다.

2) 토폴로지 선택. 위와 같은 제한사항을 걸어놓고 보면, A급 동작은 안 된다. 50와트의 순 A급 앰프라는 것은 말이 쉽지 실제로 좋은 음과 안정성을 겸비한 물건을 만들기는 대단히 어렵다. 그래서, 출력단의 동작 형식은 B급. (흔히 말하는 AB급이라는 것은 사실 오버바이어스의 B급인데 정상적인 B급보다 성능이 뒤떨어질 때가 많다.) G클래스나 S클래스 등의 회로도 재미는 있지만 B급보다 월등히 우월하지도 않은데다가 회로가 복잡해지고 따라서 안정성에도 불안요소가 있다.

출력단의 회로 방식은 SF - 사이언스 픽션이 아니고 소스 폴로워 - 로 정한다. 왜곡률만 따지면 컴플리멘터리 피드백 방식이 더 낫지만, 100퍼센트 가까이 국부귀환을 거는 CF 방식에 비해 소스 폴로워는 절대 안정하다는 장점이 있다. 저증폭도에 피드백을 조금만 거는 회로도 요즘 간혹 사용되지만 일반적이라 할 수는 없다. 무조건 피드백으로 다 해결하려는 자세는 바람직하지 않지만, 안정성과 음질에 해를 주지 않는 범위 내에서 적극적으로 부귀환을 활용한다.

대량의 부귀환을 걸어야 한다면, 고전적인 Lin 3단증폭을 채용할 수밖에 없다. 현대 반도체파워앰프의 99.9퍼센트가 Lin 3단증폭이다... 패스의 알레프나 X 씨리즈처럼 2단증폭 앰프도 있지만 역시 일반적이라고 할 수 없는데다가, B급 출력단을 쓰는 경우 2단증폭은 적합하지 않다. 반도체의 Lin 3단증폭은 제 1단에서 전류증폭, 2단 전압증폭, 3단에서 다시 전류증폭이다. 즉 트랜스컨덕턴스 앰프 두 개 사이에 트랜스임피던스 앰프를 끼워 놓은 것이다. Lin 회로의 가장 큰 장점은 대량의 부귀환을 걸어도 쉽게 안정한 앰프를 설계할 수 있다는 것이다. 지금 나의 경우 안정성이 가장 중요한 디자인 골인 만큼 이것은 중요한 포인트이다.

3) 소자선택. 출력소자로는 음질만을 놓고 본다면 바이폴라 정션 트랜지스터가 좋지만 열적/동적 안정성과 회로의 단순함을 생각해 볼 때 이 경우 MosFET가 더 적합하다. 파워 MosFET도 종류가 여러가지인데, 오디오용으로는 V-FET보다는 래터럴 FET가 더 낫다... 일단 Vgs가 낮아서 효율이 좋고 또 바이어스 걸기도 쉽고. 하이엔드 오디오 앰프에 널리 쓰이는 2SK1058, 2SJ162 페어를 쓴다. (골드문트 앰프의 출력석으로 유명한 트랜지스터 페어.) 비싸기도 하고 구하기가 쉽지는 않지만, 정평이 나 있는 음질과 날려먹기가 거의 불가능하다고 알려진 튼튼함에 믿음이 간다.

입력단과 전압증폭단에는 일반적인 바이폴라 정션 트랜지스터를 쓴다. 요즘 JFET를 쓰는 회로도 많지만 비싸기도 하고 페어매칭도 어려운데다가, 출력석과는 달리 안정성이나 성능 면에서 별반 득이 없다. 그래서, 흔해 빠진 2N5401, 2N5551 페어를 선택 - 사실 100V 내압에 50mA 용량이면 아무거나 상관없지만 이 TR도 오디오용으로 많이 쓰는데다가 무엇보다 이미 잔뜩 갖고 있기 때문이다.

4) 기본정수 계산. 8옴 부하에서 60와트 출력으로 계산하면, 스피커에 걸리는 출력 전압은 21.91볼트. 대충 22볼트라고 치고, 이것은 RMS값이므로 1.414를 곱해서 피크값으로 바꾸면 31볼트가 나온다. 푸시풀 회로이므로 플러스와 마이너스 양쪽 방향으로 31볼트의 전압 스윙이 필요한데, 바이어스 회로의 손실 및 출력석의 소스 저항 손실 등을 감안할 때 공급전압은 +/- 35볼트가 되겠다. 4옴까지 정전압동작을 시킨다면 필요한 전류는 5.5암페어이고, 약간 까서 5A면 되겠고, 전원 트랜스의 정격은 5A 풀 부하시 양파 25볼트가 나오면 되겠다. 양파 27볼트 5암페어 정도를 구입하면 대충 맞을 것이다. (메이커제 앰프의 경우 60와트 정격이면 3-4A 트랜스를 쓸 것이다... 스테레오 앰프라면 아마 5A 트랜스 한 개로 양 채널을 다 먹일 거고. 메이커에서는 비용절감을 위해 그러는 건데, 이렇게 50% 이상 줄여도 가정에서 음악 듣는데는 사실 별 지장 없다. 하지만 3A 트랜스나 5A 트랜스나 딸랑 한 개 사서 DIY하는데 드는 비용에는 차이가 별로 없으므로, 나는 이론대로 나간다..)

실출력 120와트급의 앰프이므로 효율을 50%라고 치면 열손실은 60와트. 그럼 방열판 규격은 0.7도/와트가 필요하다. (실온을 25도라고 보고 출력석이 절대 안전한 온도를 65도로 보면 최대출력에서 40도 상승하면 된다. 40 나누기 60 하면 0.66) 실제로는 흔하게 구할 수 있는 1도/와트 짜리 방열판으로 아무 문제없다. 하지만 스테레오 앰프인 경우 최소 0.5도/와트라야 할 것이다. MosFET 소스 폴로워는 열보상이 필요없어 방열판을 여러개로 나누어 쓸 수 있기 때문에, 2도/와트의 작은 방열판을 출력석 하나마다 하나씩 달아 써도 되겠다. 섀시를 알미늄이나 듀랄민 등으로 만들면 그냥 섀시를 방열판으로 써도 큰 지장은 없을 것 같다.

최대출력을 120와트로 잡으면 싱글 페어 출력석으로는 좀 불안하지만 기분학상 문제이고 계산상으로는 전혀 문제없다고 나온다... MosFET는 바이폴라TR과 달리 고전류동작시 베타드룹이라는 문제가 발생하지 않고, 이 덕분에 출력석을 다병렬하지 않아도 정격만 오버하지 않으면 특성이나 안정성에 지장이 없다. 우선은 1페어만 달아 들어보기로 한다 - 과연 문제가 없는지. 문제가 있거나 나중에 기분내키면 증설해 볼 수 있겠지.

... 이걸로 일단 설계를 시작하는 데 필요한 산수는 끝났다. 그럼 설계 시작.

2. 회로 설계

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위 그림은 전원부와 보호회로를 생략한 회로도이다. (그림을 클릭하면 큰 화면으로 볼 수 있다) 전원은 15A 100V 다이오드를 쓴 전파정류이고, 평활 컨덴서는 10,000마이크로 63볼트짜리를 +/- 두 개 썼다. 용량이 좀 작은 것 같지만 사실 10와트당 1000마이크로면 떡을 친다... 메이커제 앰프에 무지막지한 용량의 정류컨덴서를 집어넣는 이유는 보통 트랜스 용량이 모자란 것을 싸게 커버하기 위한 것으로, 지금 나의 경우 필요없다.

TR앰프 회로치고는 아주 간단하고 평범해 보이지만... 이 회로, 보기보다 그리 평범한 회로가 아니다. 뭐 내가 대단한 아이디어를 발명해서 집어넣은 건 물론 아니고, 더글라스 셀프라고 유명한 앰프 설계/회로이론 하는 양반이 있는데 이 양반 이론을 따라 한 것이다. 보기보다 간단하지 않은 부분들을 하나씩 짚어보면:

1) 1단의 차동앰프는 커런트 미러를 아랫도리에 달고 있다. 이 커런트 미러는 능동부하로서 초단의 전류 게인을 올리고 슬루 레이트를 신장시키는 역할과, 차동회로의 +/- 양 쪽 게인을 트랜지스터의 베타와 상관없이 강제로 동일하게 만드는 역할 - 따라서 왜곡이 급격히 감소한다 - 또 마이너스측 전원의 리플을 1/베타로 감소시키는 3중의 역할을 동시에 수행한다.

2) 차동TR 머리 위에 올라앉은 100옴 저항은 Q1, Q2 두 TR의 Vbe를 균등하게 조절해 주는 버퍼 역할, 바이폴라 TR의 에미터 내부저항이 비선형인 것을 보정하고 국부귀환을 걸어 직선성을 향상시키며 커런트미러로 인해 게인이 너무 커지는 것을 막는 등등의 여러가지 역할을 한다.

3) 초단과 2단에 전원을 공급하는 회로는 NFB를 사용한 액티브 커런트소스이다. 이 커런트소스는 회로정수와 무관하게 초단과 2단의 동작전류를 고정시키고, 능동부하로서 전압증폭단이 레일 전압까지 풀 스윙을 할 수 있게 해 주어 효율을 극대화하며 또 +측 전원의 리플을 1/베타로 감소시키는 작용을 한다.

4) 2단째, Q3과 Q5의 전압증폭단은 에미터 폴로워를 붙인 케스케이드 결합이다. 이런 모양의 전압증폭단을 베타 인헨스드 Vas라고 하는데, 일반적인 TR 하나짜리 전압증폭단이나 캐스코드 결합에 비교할 때 두 가지 장점이 있다: 첫째, 전압증폭단의 고역에는 전단 부귀환이 걸리지 않아 국부귀환에 전적으로 의존해야 하므로 높은 증폭도가 필요한데, 케스케이드 접속으로 두 TR의 베타가 곱해져서 간단히 고증폭도를 획득한다. 둘째, 초단의 출력을 에미터 폴로워로 받음으로써 부하의 직선성이 높아져 높은 CMRR, 안정된 피드백 루프, 낮은 드리프트 등을 얻을 수 있고, 출력단을 드라이브하는 Q5에 낮은 임피던스로 결합되어 NFB 이전의 나특성을 크게 향상시킨다.

5) +측과 -측에 들어가는 게이트스타퍼 저항값이 1K와 470옴으로 다른데, 이것은 2SK1058과 2SJ162의 게이트-소스간 커패시턴스가 약 2배로 다르기 때문에 그것을 보정하기 위한 것이다.

6) 대출력 앰프가 아닌데다가 초단의 전류게인과 슬루레이트가 이미 넉넉할 만큼 높기 때문에, 또 베타 인핸스드 전압증폭단의 출력 임피던스가 충분히 낮기 때문에, 드라이버 단을 생략하고 바로 출력석을 구동할 수 있다. 2SK1058/2SJ162는 MosFET 치고는 게이트 커패시턴스가 낮아 드라이브하는데 큰 전류가 필요하지 않다는 것도 드라이버단을 생략할 수 있는 이유이다. (흔히 FET는 전압제어 소자이므로 드라이브 전류가 필요없다고 말하는데 이것은 착오) 출력석이 3페어 이상 되면 출력단의 입력 커패시턴스가 제법 높아지므로 드라이버단을 넣는 것이 좋을 것이다.

7) 이 회로의 가장 큰 특징은 자체밸런스, 자기보정 능력이다. 우선 MosFET 출력석은 열보상이 필요없기 때문에 바이어스 회로가 가변저항 하나와 전해컨덴서 하나로 아주 간단하다. 조정 포인트는 오로지 바이어스 조정 하나 뿐으로, DC 오프셋이며 차동 밸런스 등은 모두 자동보정이다. 초단과 중단 바이폴라TR의 HFE나 베타 값도 전체 회로의 특성에 별 영향을 주지 않으므로 신경쓸 필요가 없고, TR 매칭 전혀 안 한 상태에서도 바이어스 조정만으로 상당히 우수한 특성을 보인다.

8) 회로가 패시브 소자들의 정밀도나 품질에 그다지 민감하지 않아 부품 비용이 싸게 먹힌다는 장점도 있다. 신호라인에 들어가는 소자는 입력 커플링 컨덴서와 입력저항 10K, 출력석의 게이트 스타퍼 저항 4개, 부귀환 라인의 10K옴 저항과 220마이크로 전해 이렇게 모두 8개 뿐으로 그 외에는 모두 싸구려 부품을 쓸 수 있고, 신호라인상의 저항들도 저잡음저항이면 되지 무슨 희한한 것을 쓸 필요가 없다. 오직 입력 커플링 컨덴서만은 반드시 고품질의 필름 타입을 써야 한다... 음질도 음질이지만 입력 커플링 컨덴서의 누설전류가 앰프의 안정성에 미치는 악영향 때문이다.

그 밖에 또 언급할 만한 것들이 있다면:

1) 입력에 컨덴서를 직렬로 넣는 것을 대단히 꺼리는 이들이 많은 것으로 아는데, 여러번 언급한 대로 이 앰프는 측정/실험용으로 사용할 예정이므로 DC 커플링은 할 수 없다. 입력 커플링 컨덴서의 용량이 너무 작으면 저역쪽 대역폭에 영향이 있을 뿐 아니라 저역의 왜곡이 증가하므로, 3Hz로 저역한계를 잡았다. 솔직히 나는 DC앰프의 매력이 무엇인지 잘 모르겠다... 10마이크로 입력 커플링을 쓰면 위의 회로로 3Hz까지 증폭하는데, 소스기기의 고장이나 불안정 등으로 출력에 DC가 나타날 위험을 보호회로가 막아주길 기도하면서 0-3Hz를 증폭한다고 무슨 이득이 있는지..?

2) 입력 임피던스를 10K로 낮게 잡은 것은 저잡음과 안정성을 위해서이다. 입력 임피던스가 낮으면 반도체 파워앰프 노이즈의 주원인인 초단 열잡음이 낮아지고, 출력 DC 오프셋과 드리프트도 낮아진다. 낮은 입력 임피던스는 또한 부귀환 회로의 임피던스를 낮추어 대단히 민감한 NFB 루프를 비교적 안정하게 만든다. 직류부귀환이 걸리게 하려면 전해컨덴서를 부귀환 라인에 직렬로 넣어야 하는데, 임피던스가 낮으므로 비교적 소용량의 전해컨덴서를 쓸 수 있고 이로써 전해컨덴서에 따라다니는 왜곡을 낮출 수 있다. 단, 10K옴의 입력 임피던스는 소스가 충분한 구동력을 가질 것을 전제하는 것으로, 패시브 프리앰프나 출력임피던스가 너무 높은 프리앰프 등을 사용할 수 없다는 단점도 있다.

3) 이 앰프는 언밸런스 전용이다. 물론 입력에 트랜스나 액티브 Bal-Un 회로를 넣어서 밸런스 입력을 받게 만들 수 있지만, 입력 라인이 5미터 이상 늘어지지 않는 한 별 상관 없을 것이다.

3. 제작

기판은 글래스에폭시 양면으로 떴다. 요즘 온라인으로 소량주문 받아주는 기판 공장들이 많아 쉽게 만들 수 있었는데... 가격은 싸지 않았다. 4장 뜨는데 15만원 정도... 품질은 마음에 들지만. 이 사진이 다 만들어진 기판이고,

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이 그림이 PCB 도면이다.

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기판 도면으로 알 수 있듯이 신호 어스와 전원 어스를 완전히 분리해서 일점 집중 그라운드를 만들었고, 신호라인의 길이가 대단히 짧다. 특히 부귀환 라인은 총 연장이 5Cm도 안 된다. 회로가 간단한 덕분에 전원부에다가 출력 딜레이/뮤팅, 릴레이, 파워 인디케이터 드라이버까지 한 장에 싸그리 다 집어넣고도 크기가 12.7Cm X 11.5Cm 밖에 안 되고.

회로의 특징상 부품의 매칭은 꼭 필요하지는 않지만, 가급적 매칭을 하는 것이 좋은 것들은 커런트 미러 TR 2N5401 두 개와 출력석, 그리고 입력저항 및 NFB 저항 10K 두 개. 다른 TR이나 부품들은 대충만 맞으면 되고 정밀도나 오차에 그다지 신경쓸 필요가 없다. 가능한 최고의 성능을 원한다면 초단 차동TR 2N5551 두 개는 5% 안쪽으로, 커런트 미러 TR 2N5401 두 개는 1% 안쪽으로 베타를 매칭해 주고, 출력석은 지멘스와 Vgs를 5% 내외로 짝맞추어 주면 되겠다. 내 경우 이 TR들을 많이 가지고 있으므로 기왕 만드는 김에 매칭을 했다.

저항은 비셰이/데일 제 1/4와트 메탈필름과 5와트 권선형을 썼다. 오차는 1% 지만 5%짜릴 써도 전혀 문제없다. 비셰이 하면 무지 비싼 저항이라고 알려져 있지만 그건 VTA타입이고, 비셰이/데일 메탈필름은 한 개 200원 하는 싼 저항이다. 사실 한 개 50원 하는 일반적인 막저항을 써도 아무런 문제가 없는데, 데일 저항을 많이 갖고 있기 때문에 쓴 거다.

입력 커플링 컨덴서는 말로리제 폴리프로필렌 필름이고, 소용량 필름과 전해컨덴서는 파나소닉, 전원 평활 컨덴서도 말로리 제. 위상보정용 컨덴서 두개는 코넬 듀빌리에의 실버마이카를 썼는데 그냥 부품통에 있어서 쓴 거고, 흔한 세라믹디스크 타입을 쓰면 된다. (사실 이 용도로는 세라믹이 마이카보다 더 낫다는 말을 들었다)

참, 입력단의 차동TR과 커런트미러 TR은 열결합해야 한다 - TR 대가리를 에폭시로 서로 붙이면 된다. 중단의 에미터폴로워 TR과 커런트소스 TR은 히트싱크를 달아야 하는데, 소형 TR용 히트싱크 아무거나 쓰면 되고 사실 안 달아도 좀 따뜻해 지긴 하지만 동작에 지장은 없는 것 같다.

섀시는 동네 머신샵에서 만들었다. 별 볼품은 없지만 튼튼하긴 하다. 배선은 만날 쓰는 킴버, 바인딩포스트는 래디오섁에서 산 싸구려, 입력 RCA 단자는 제조원 불명의 역시 싸구려.

보호회로를 바이패스하고 1A 정도의 소용량 레일 퓨즈를 끼워서 시운전을 한다... 바이어스 조정용 트리머를 0옴으로 만들어놓고, 입력은 쇼트시키고, 출력은 오픈한 상태에서 전원을 넣어야 한다. (레일퓨즈라는 것은 정류 컨덴서와 앰프 기판의 전원 입력 사이에 들어가는 퓨즈를 말하는 것으로, 파워트랜스 전에 들어가는 메인즈 퓨즈와는 다른 것이다. 레일퓨즈는 플러스 측과 마이너스 측 양 쪽에 하나씩 들어가야 한다.)

슬라이댁이나 테스트용 직류전원장치가 있으면 서서히 전원전압을 올리면서 관찰할 수 있어 좋다. 일단 이 시점에서 레일퓨즈가 끊어지거나 출력에 직류가 나오거나 연기가 나지 않으면, 이 앰프는 더 이상 애를 먹이지 않고 확실하게 안정동작한다. 연기가 날 우려가 있는 부품은 바로 R22. 요 저항을 눈여겨 보면 되는데, 연기가 날 것 같으면 대개 3초안에 나게 되어 있다. 바로 전원을 끊고, C2의 값을 1.5배로 올리면 대개의 경우 문제가 해결된다. TR 매칭을 하면 출력 DC 오프셋은 10mV 이하라는 상당히 낮은 값을 얻을 수 있다. 매칭 전혀 안해도 50mV 이하로 나온다.

바이어스 조정은 무신호 무부하시 출력석 페어에 220mA의 전류가 흐르도록 만든다. 부하를 연결하지 않고 입력 쇼트 상태에서 테스터로 R21-R22에 걸리는 직류 전압을 재서 0.1볼트가 나오면 된다. (이 바이어스 전류값은 사람마다 추천하는 값이 제각각인데, 보통 50-130mA 사이이다. 하지만 내 경우 어째선지 220mA 바이어스에서 소리가 가장 좋았다. 고정밀 디스토션 애널라이저가 수중에 없다면 그냥 200mA 전후에서 소리 들어보고 취향에 따라 조정하면 되는 것 같다) 그 상태에서 한 1시간쯤 켜놓은 채로 있다가 다시 조정한다. 이렇게 한 번 조정해 놓으면 대개 다시 손댈 필요가 없다. 바이어스전류가 안정하고 앰프가 정상적으로 동작하는 것을 확인한 후 레일퓨즈를 빼고 바이패스시켰던 보호회로를 연결한다. 이 앰프는 입력이나 출력에 아무 것도 연결하지 않은 상태에서 전원을 넣어도 전혀 이상한 짓을 하지 않지만, 전원이 켜져 있는 상태에서 입력을 꽂았다 뺐다 한다든지 부하를 연결하거나 빼는 등의 가학증적인 시도는 하지 않는 것이 좋다.

주의: 보호회로는 확실하게 앰프가 안정동작한다는 자신이 있으면 생략해도 되지만, 보호회로 생략시 또는 보호회로가 과전류방지 동작을 하지 않는 단순한 직류검출형인 경우에는 반드시 5A 레일퓨즈를 달아야 한다.

4. 완성!

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한 보름 넘게 듣고 있지만 전혀 탈이 없고, 신호가 없는 경우 능률 100dB의 내 스피커에 귀를 바싹 들이대어도 아주 작은 히스노이즈 외에는 아무 소리도 나지 않는다. 별의별 부하를 다 걸어봤지만 보호회로가 동작하거나 휴즈가 나간 적이 없다. 왜곡률은 Clio로 측정할 수 있는 한계인 -96dB보다 조금 높은 정도이고, 그것도 10KHz 위로 올라가야 노이즈플로어 위로 분명히 드러나기 시작한다. 스펙상으로 비교하면 시판되고 있는 중급형 앰프들과 확실하게 차이를 보인다... 예컨대 전에 쓰던 스레숄드 앰프보다 썩 우수하다. 싱글페어라서 대출력을 뽑는 경우 특성이 나빠지거나 출력저하가 일어나지 않을까 약간 우려했었지만 전혀 문제가 없다. 2SK1058/2SJ162 페어는 RMS로 연속 7A를 뽑을 수 있고 순시에 20A까지 뿜어내는 대단히 강력한 출력석으로, 비싼 값을 하는 것 같다. 객관적인 성능은 이것으로 합격.

청감상 시원하고 재빠른 계열의 소리로, 일반적으로 FET소리로 알려진 약간 희미한 안개가 끼었다든지 부드럽다든지 뭐 그런 소리는 전혀 아니다. 또 흔히 지적되곤 하는 TR앰프의 단점 - 고역이 까칠까칠하고 건조하며 금속적인 소리가 난다 등등 - 과도 전혀 무관하고. (사실 그런 건 앰프를 잘못 만들면 나는 소리이고 TR이니 진공관이니, 소자의 종류와는 상관없는 것이다.)

저역은 깊이 뻗지만 중후한 맛은 조금 덜하고 그 대신 박자가 잘 맞고 단단하다. 고역에 아주 약간 광채가 실려서 어느 쪽인가 하면 다소 명랑하고 밝은 소릴 내는데, 지나치게 되바라지거나 까부는 소리는 아니어서 그것으로 나쁘지 않다. 단점을 들자면 좀 즉물적이고 곧이곧대로라는 느낌이 있고, 조금 더 유연하고 깊이있고 두꺼운 소리가 났으면 하는 바람이 있지만 아마도 그건 3극관 소리에 귀가 익어서 그렇게 느끼는 것 같다.

고능률의 메인 스피커를 울리면 음색이나 음악성에서 2A3 앰프보다 좀 뒤지지만, 까다로운 스피커나 현대 저능률 스피커를 듣는 경우 이 앰프가 훨씬 나을 것이다. 무엇보다 중립적이고 안정동작하며 출력도 필요충분한 TR앰프를 갖게 되었으므로 프로젝트는 성공이다... 측정용 뿐 아니라 이리저리 쓸모가 있을 것이다.

더글라스 셀프의 홈피에 가면 그의 앰프 회로 이론을 소개해 놓았다. 그 외에도 오디오관련 재미있는 기사들이 올라와 있다.


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기판 도면 업데이트 및 설명:

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전원부 회로도:

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2006/04/04 01:41 2006/04/04 01:41

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직렬 3극관인 RCA의 2A3을 사용, 고전적인 3단증폭으로 설계한 싱글 앰프. 3극관만 사용하고 노피드백에 전단 캐소드 접지 증폭을 채용했다. 모든 관은 RCA제. 초단과 중단관은 5692 (6SN7의 고신뢰관) 이고 정류관은 80 (5Y3 의 구관) 이다. (2006년 리비젼: 정류관 5R4로 교체) 2A3의 히터는 2.5V AC, 5692는 6V DC이다. 3극관의 왕자는 물론 300B지만 (어떤 분들은 AD1 등 독일제가 더 낫다고도 하고) 나는 개인적으로 화려하고 세련된 300B보다는 좀 수더분하고 거친 맛도 약간 있는 2A3이 좋다. 원체 RCA의 음을 좋아한다. 제일 좋아하는 레코드 레이블도 RCA고… 뭐 사실 그것도 틀린 얘긴 아니지만, 솔직하게 말하자면 300B는 어렵다. 2A3으로 만들면 아무리 못 만들어도 그럭저럭 좋은 소리를 쉽게 낸다.

가장 중요한 아웃풋 트랜스는 마이크 르페브르 씨가 DS-025를 기본으로 커스텀 제작한 것이다. 전원 트랜스는 하몬드제인데, 원래 하나로 스테레오 앰프를 만들 수 있는 용량이지만 모노블록 한 쪽에 하나씩 썼다. 정류회로는 초크가 들어간 파이 필터이고, 초크도 하몬드제. 정류용 커패시터는 초단에 솔렌 패스트캡 (2006년 리비젼: 상가모 오일 캔으로 변경) 나머지는 스프라그 FP 멀티. 저항은 AB제 탄소저항 (2006년 리비젼: 리켄 옴으로 변경) 과 Mills의 권선형을 섞어 썼다. 초단의 캐소드 바이패스 캡은 코넬 듀빌리에 것이고, 2A3 바이패스는 솔렌의 패스트캡이다 (2006년 리비젼: 블랙게이트로 변경). 음질에 직접 영향을 미치는 시그널 캡은 젠센의 오일 타입이다. 입출력 커넥터류는 뱀파이어 제고, 배선은 킴버 케이블, 입력 커넥터에서 레벨 컨트롤 (2006년 리비젼: 입력 볼륨 없앰) 까지는 오디오퀘스트의 아마존 양심 실드케이블을 썼다. 박상범님의 추천으로 히터 배선에는 18게이지 단심 구리선을 썼는데 좋은 결과를 얻었다. 그러고보니 빈티지 앰프의 히터 배선은 대개 단심 동선이다. 2A3의 히터 밸런스용 VR은 크랄로스태트 권선형 100옴짜리. 50옴을 쓰는 게 맞지만 구할 수가 없었다… 크랄로스타트 2와트급 100옴 권선도 점차 물량이 줄어드는지 갈 수록 구하기가 힘들어진다.

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(2006년 리비젼: 진공관 소켓을 세라믹에서 모두 미카놀로 변경. 위 사진의 소켓은 변경 전의 것임) 회로 설계는 RCA의 오리지날 설계를 기본으로 초단과 종단의 정수를 조금 바꾼 것인데, 시뮬레이션은 P-Spice와 B2 Spice를 썼다. 증폭도는 23dB로 표준이고, 1와트 출력에서 1KHz THD는 실측 -62dB, 노이즈는 -83dB이다. 주파수 대역은 17Hz-38KHz 에서 -3dB. 출력은 클리핑포인트에서 3.5와트 나온다. 측정은 모두 Audiomatica Clio를 사용했다. 고전적인 진공관의 3단 증폭은 제 1단에서 전압증폭, 제 2단에서 전류증폭이다 (트랜지스터 3단의 경우 반대다 - 초단이 전류증폭, 중단이 전압증폭.) 나는 이 부분에서 조금 정석을 벗어났는데, 1단에서 그렇게 전압증폭을 많이 하지 않고 1, 2단에 걸쳐 나누어 하고 있다. 그렇게 한 이유는 존슨 노이즈를 줄이기 위해서이다. 전압증폭을 많이 하게 되면 회로 내부 임피던스가 올라가서 노이즈가 많아진다. 초단에서 노이즈가 많이 나면 어떻게 해 볼 수가 없기 때문에… 2단째에서는 최소한 60볼트 이상, 4mA 이상의 스윙을 해 주어야 하지만, 강력한 5692로 2단 구성했기 때문에 6mA에서 너끈히 100볼트 가까이 스윙한다. 이게 제대로 안 되면 멍청하고 나른한 소리가 난다. 많은 분들이 이 멍청한 소리를 듣고 그게 직렬 3극관 소리라고 생각하는데, 원래 직렬 3극의 소리는 선열하고 정신이 번쩍 드는 소리다.

직렬 삼극관 앰프는 왜곡이 많고 특성이 나쁘다고 생각하는 사람들도 많지만 전혀 사실이 아니다. 물론 어떤 이들은 3극관 특유의 2차 고조파를 아주 강조해서 귀에 기분좋게 닿는 느낌을 좋아하기도 하지만, 나는 그 부류가 아니다. 실용 음량에서 고조파 왜곡이 0.3퍼센트를 넘지 않게 설계하는 것이 나의 방침인데, 직렬 3극관으로 물론 가능하다. 피드백 전혀 쓰지 않고 이것이 가능하다는 점이 바로 직렬 3극관의 장점이 아닐까.

요즘 2A3이나 300B 설계는 토템 폴 2단, SRPP 2단, 패럴렐 피드, 블록 캡 안쓰고 직결 등등 다소 이단적인(?) 설계가 유행이지만 내 의견으로는 어느 것도 정통한 3단 캐소드접지 증폭보다 못하다. 이것도 솔직히 말하자면, 그런 다소 이단적인 설계를 쓰자면 그만큼 회로의 특성과 관의 음질에 통달해야 한다는 얘기다. 쉽게 좋은 소리 내는 방법은 정통한 고전 회로를 쓰는 것이다. 또 2A3에 300볼트 이상 전압을 인가한다든지, 300B 플레이트 전압을 400볼트까지 올려 쓰는 설계가 많은데, 소리가 시원해지고 청감상 힘을 느끼게 하긴 하지만 관의 수명과 안정성, 음색의 밸런스 등을 다 고려해 볼 때 역시 2A3은 250볼트, 300B는 300볼트가 맞다고 생각한다. WE300B 구관이 몇 백만원을 호가하고 2A3도 좋은 것은 한 알에 50만원씩 하는 요즘 시세로 볼 때, 관의 수명도 무시할 수 없는 변수이다.

이 앰프로 직렬 앰프는 3대째 설계이다… 이번에는 상당히 만족하고 있으며, 시판되고 있는 대부분의 직렬 앰프를 능가한다고 믿는다. 일단 스펙 상으로는 확실히 능가하고… 혹시 이 회로를 쓰고자 하는 분들은 초단은 5692를 그대로 쓰되 전압증폭을 조금 더 해 주고, 중단에 6F6이나 3결 6V6을 써서 8-10mA까지 전류증폭을 해 보기 바란다. 강력하고 통쾌한 3극관 소리를 들을 수 있을 것이다. 정수 조금 바꿔서 300B 용으로 써도 된다 — 하지만 5692 드라이브로는 스윙이 모자라서 출력을 풀로 뽑을 수 없다. 출력관 드라이브, 혹은 플레이트 쵸크 등을 사용해서 중단에서 200볼트 정도 스윙하게 해 주면 300B 용으로 좋을 것이다.

아래 사진은 2006년 봄에 다시 만든 앰프의 모습으로, 상판에 햄머톤 도장을 해서 전체적인 인상이 좀 바뀌었다.

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회로도 파일 다운로드:
2006/03/04 02:10 2006/03/04 02:10

이것으로 드디어 완성. 사실 만들긴 달포 전에 다 만들었는데 이리저리 집적대 보느라고 업뎃을 못 했다. 포노 EQ가 종내 마음에 들지 않아서... 하지만 지금 이대로도 결코 어디 내놔서 쪽팔리는 소리는 아니므로, 아니 사실 내가 내 디자인 칭찬하는 건 참 낮뜨겁지만 제법 훌륭한 소리이므로, 일단 업뎃하기로 했다.

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위쪽 사진이 본체고, 아래쪽 사진이 전원부이다. 회로는 변경 없고... 이리저리 만지작거려 봤는데 아무리 해도 원래 디자인보다 나아지지 않는다... 통은 하몬드 제 12인치X8인치 알미늄 섀시를 2개 - 전원부, 본체 - 썼고, 3층 검은 색 하이글로스 랙커 피니시를 했다. 포노단의 부품은 내가 늘 쓰는 익숙한 것들이다. (스프라그 캔타입 전해, 젠센 오일 커플링, 신호부분에는 릭켄 옴 저항, 전원부분에는 밀스 권선저항, 셀렉터는 그린힐, 입출력 단자는 벰파이어, 배선은 킴버) 바인딩 스트립과 포스트들은 많이 갖고 있는 군용부품을 썼다.

내부 사진으로 짐작할 수 있듯이, 진공관의 신호쪽 배선은 앞쪽으로 모으고, 전원부분과 출력 트랜스는 뒤쪽에 달려 있다. 기판을 안 쓰겠다고 큰 소리를 쳤는데, 패시브 EQ 소자들만 따로 모아서 작은 기판에 실었다... 포인트 투 포인트 배선을 하니까 신호라인이 너무 길어지는데다가 험이 나버려서 타협을 한 것이다. 그라운딩은 정석인 일점 집중 어스로, 포노 카트리지에서 오는 어스에 묶여 있다. 내 경험으로는 이게 제일 확실하게 험을 잡는 그라운딩 방법이다. 전원부는 앞의 기사에서 밝힌 대로, 80정류관을 쓴 전파정류, 4차 파이 필터. 히터 정류는 패스트리커버리 다이오드의 전파정류에 합계 44,000uF의 전해 컨덴서와 히터용 대전류 쵸크를 쓴 파이 필터이다. 히터 쵸크라면 엉? 그게 뭐야 하는 분도 있을 듯한데, 히터 쵸크는 대전류 저전압용 쵸크로 이것이 들어가면 소리가 아주 좋아진다. 쵸크의 인덕턴스가 반도체 정류기의 고주파 노이즈를 흡수해서 그런가보다 하고 생각하고 있다.

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사진찍고 나서, 포노단의 초단-2단 사이에 들어가는 커플링을 솔렌에서 RelCap RT 스티롤로 바꿨다 - 확실히 더 낫다. RelCap이 비싸긴 하지만 돈 값을 한다. 그리고 반짝반짝 빛나는 볼륨 놉은 오디오노트 제 황동 절삭/금도금의 한개 만 원 하는 놈들이다. 까만 섀시 위에 보기 좋을 것 같아서 샀는데 쓸데없이 비싸지만 역시 보기는 좋다. 아 그리고, 룬달 트랜스는 아주 좋다! 빈티지 트랜스들보다 덜 달콤하고 우아한 품위는 좀 모자라지만, 빈티지로는 얻을 수 없는 뛰어난 물리 특성으로 벌충을 한다. 게다가 가격이 싸니까, 자작인들에게 널리 추천할 만 하다.

아, 소리... 소리는 시원하고 거침없으면서 두꺼운 경향이다. 대역 폭은 충분히 넓지만 트랜스결합의 장점인 힘차고 꽉 들어찬 중역이 잘 살아나서, 광대역감 보다는 자연스러운 밸런스로 울린다. 진공관을 실바니아 제 6SL7/N7로 바꾸면 섬세하고 투명한 느낌이 많아진다. 불만이라면, 포노단의 초저역이 약간 무른 느낌이 있는데 역시 출력임피던스가 높아서 그런 모양이다....

결론적으로, 전에 쓰던 맥킨토시 C41 프리앰프보다 더 내 취향에 맞는 소리이고 또 물리특성상으로도 그리 흠잡을 데가 많지 않으므로, 일단 만족한다. 섀시를 좀 더 나은 것으로 바꾸고 라인부와 포노부를 별전원으로 해서 포노부를 좀 더 개선해 보려고 하는데, 우선 당장은 에너지도 바닥이고 지갑도 달랑달랑하는 관계로 후일을 기약한다.

2006/02/01 22:32 2006/02/01 22:32

드디어 포노 EQ 회로 설계. 이게 프로젝트의 핵심 부분이고, 가장 힘들여 고심한 부분이기도 하다. 설계라고는 하지만, 내 주제에 뭐 새로운 회로를 연구 개발한다는 얘기는 물론 아니고... 기존에 개발되어 있는 회로들을 참고하여 내 취향과 용도에 맞게 전용한다는 말이다. 하지만 포노 스테이지 하나만 놓고 봐도 돌아다니는 자료들의 양이 어마어마하다: 지난 수 개월간 모아 놓은 회로도가 30종이 넘어간다. 그걸 다 테스트해 볼 수는 없기 때문에, 몇 가지만 골라서 시뮬레이션에 걸어 돌려보고 또 제일 가능성이 높아 보이는 것들을 추려 직접 만들어도 보았다. 포노 EQ는 시뮬레이션만 갖고는 소리를 알 수 없기 때문에 만들어서 소리를 들어 보아야 한다.

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첫번째 회로. 가장 전통적인 회로이다. 초단 5691로 거의 40배 증폭을 행한 후 패시브 필터로 중고역을 깎는다. 삽입 손실이 20dB 정도 되므로 5692로 다시 10배 정도 증폭을 해서 내보낸다. 시뮬레이션 상으로는 아주 좋은 특성을 보이는데... 하지만 시뮬레이션으로는 알 수 없다는 게 바로 이런 경우다. 소리가 뻑뻑하고 뭉친다. 초단 5691에 1.2미리 정도 전류를 흘리기 때문에, 6키로 저항 통해서 패시브 EQ를 드라이브하는 데 힘이 모자라는 거 같다. 초단 증폭도가 너무 높은 것도 문제고... 레코드가 조금만 휘어도 아주 간단히 오버로드한다. 초단관 5691을 병렬동작시키고 증폭을 좀 적게 하고 캐소드 바이패스 컨덴서를 넣으면 좋아질 것 같기도 하다. 사실 그렇게 만들면 아주 교과서적인 2단 증폭 패시브 EQ가 된다. 하지만 그렇게 되면 튜브 3개를 써야 하고, 또 아무리해도 2미리 남짓한 전류로 패시브 EQ를 드라이브하는데 6키로 직렬 저항은 너무 값이 낮다. 5691의 플레이트 내부저항은 약 40K이므로 부하 저항도 적어도 그정도 값이 되 줘야 낮은 왜곡을 얻을 수 있는데... 그래서 정통을 약간 벗어난 회로를 만들어 보았다 -- 이 회로 쓰는 프리앰프도 많이 있기 때문에 '벗어났다'고 말하기도 사실 어렵지만:

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이번에는 앞 뒷 단이 다 5691이다. 두 단 사이에 패시브 EQ를 나누어 넣는다. 고역 시정수가 뒷단에 들어가므로 초단 5691은 저역 시정수만 드라이브하면 되어서 오버로드 문제와 부하저항이 너무 낮은 문제를 한번에 해결했다. 이 회로의 문제점은 고역 시정수가 부하 저항, 즉 포노 EQ 뒤에 들어가는 회로의 영향을 받는다는 것. 필터 회로 뒤에는 버퍼를 반드시 쓰는 것이 원칙인데 버퍼 없이 바로 출력을 하게 되면 생기는 문제다. 포노 EQ 뒷단이면 볼륨 거쳐서 라인 앰프인데, 볼륨 위치에 따라 특성이 변하게 된다. 녹음하려고 녹음기나 CDR을 연결해도 특성이 바뀌고... 또 출력 임피던스가 40K 정도로 너무 높은 것도 문제. 하지만 버퍼를 쓴다는 건 결국 캐소드 폴로워나 뮤 폴로워를 쓴다는 얘기고, 튜브 하나를 더 써야 한다. 웬만하면 튜브 네 개로 포노 EQ부터 라인까지 다 만들고 싶고, 또 캐소드 폴로워는 내가 싫어하는 회로로 기초 설계단계에서 이미 쓰지 않겠다고 떠벌린 바 있다.

250키로 짜리 볼륨을 쓰는 것이고 또 라인 앰프의 증폭도가 낮으므로 밀러 이펙트에 의한 고역시정수 변화는 그리 심하지는 않을 것이다... 볼륨 최소부터 최대까지 20KHz에서 0.5dB 정도 변화하는 걸로 나오는데, 사실 볼륨을 12시방향 이상 올릴 일도 없으므로 변화량은 0.2dB 이내일 것이고, 간신히 느낄 수 있는 정도다. 녹음할 일도 없으므로 이걸로 한 번 만들어 보았다 -- 실제 만들어서 들어본 결과 청감상 아무 문제가 없고, 소리가 시원해 졌다. 초저역에서 다소 소리가 물러지는 것은 역시 뒷 단의 출력 임피던스가 너무 높고 전류가 넉넉지 못해서 그런 탓인데, 버퍼를 쓰지 않고 튜브 2개로 마무리하려면 이 회로가 제일 나은 것 같다. 이것으로 결정.

패시브 EQ로 정확한 커브를 얻기 위해서는 필터 소자를 들어 가면서 조정해야 한다. 전에 만들어둔 역 RIAA 필터는 바로 이 때 쓸려고 만든 것이다... R13과 C7이 조정 대상인데, 설계치보다 좀 낮은 6.6K (R13), 1480pF (C7) 에서 가장 정확한 특성을 얻을 수 있었다. 최종 측정 결과, 통상 시청하는 볼륨 위치에서 (9 - 12시방향) RIAA 커브 에러는 0.1dB 이하다. (10Hz - 30KHz) 30-10KHz 내에서는 0.05dB 내로 맞아들어간다. 패시브로 이정도 정밀도면 거의 갈 데 까지 간 것이다. 노이즈나 왜곡 특성은 진짜 통에 넣어서 다시 측정할 것이지만, 지금 현재 상태 - 막통에 대충 만들어넣은 - 에서도 -60dB, 즉 0.1퍼센트의 꽤 쓸만한 특성을 보인다.

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이 회로는 저증폭도의 라인 앰프에 250K 볼륨을 쓰고 또 Record Out 기능이 없을 경우에만 정상동작한다. 즉 내가 쓸 라인앰프에 집어넣는다는 전제 하에서만 제대로 동작한다는 거고 일반적으로 추천할 수 있는 회로는 아니다. 그래서, 만약 캐소드 폴로워가 뭐 어때서? 라고 생각한다면 아래 회로를 참고하면 되겠다:

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이 쪽으로 좀 아는 분들은 이 회로가 눈에 익을 것이다. 국내에서도 자작파들의 관심을 모은 바 있는 Mr. Haggeman의 Cornet과 거의 똑같잖아? 사실 코넷을 갖다 베낀 것은 아니고, 비슷한 토폴로지를 쓰게 되면 회로가 결국 비슷해 지는 것이다. 차이점을 굳이 지적해 보이자면, 헤거만 씨가 시정수 4개짜리 IEC 커브를 채용한 데 반해 내 회로는 고전 RIAA 커브이고 따라서 시정수가 3개다. 헤거만 씨의 디자인과 각 단의 정수도 조금씩 다르다. 결정적으로, 코넷은 미니어쳐 관을 쓰고 또 아주 간단한 (좀 나쁘게 말하면 싸구려) 전원을 달고 있는데 비해 위의 회로는 전부 옥탈관이고 또 초강력 저잡음 전원을 달아 쓰는 것을 상정하고 있다.

종단의 캐소드 폴로워는 내가 늘 쓰는 5692가 아닌 VT231 (6SN7의 군용 고신뢰관 )을 쓰는데, 그것은 5692의 캐소드-히터간 내압이 100V로 낮아 캐소드 폴로워에 쓰기가 나쁘기 때문이다. 물론 히터 전원을 플로팅시켜 버리면 문제가 간단히 해결되지만, 어차피 내가 쓸 회로가 아니라 참고자료로 공개하는 것이므로 전원에 이상한 개조를 하지 않아도 되는 구성으로 한 것이다. 일반적인 6SN7이나 VT231은 히터-캐소드간 내압이 200볼트이므로 아무 문제가 없다.

아주 소량의 파워만 있으면 되는 저 위의 2단 회로와는 달리 플레이트 용으로 무려 20와트, 히터 용으로 다시 10와트 해서 총 30와트의 전력을 소모하므로 파워 서플라이가 제법 커진다. 이 3단 EQ를 만들 거면 라인앰프와는 별전원으로 만드는 것이 나을 것이다. 그 대신 저역 특성이 탁월하고 또 부하저항의 영향을 거의 받지 않는다는, 캐소드 폴로워의 장점이 있다.

다음 기사는, 드디어 실제로 제작!

2005/12/17 22:07 2005/12/17 22:07

진공관 프리앰프 프로젝트 [4] 라인앰프 설계

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라인앰프는 별 설계할 것도 사실 없다. 흔히 [유리디체]형이라고 부르는 라인앰프와 모양은 똑 같다... 다른 점이 있다면 오리지날 유리디체는 대전류 저전압 고증폭도의 정전압관을 사용하는 설계인 반면 나의 경우 일반적인 쌍3극관 6SN7 (5692) 을 병렬 사용하고 그다지 전류를 많이 흘리지 않는 대신 전압을 높이 건다는 것 뿐이다. 회로도 극히 간단해서 설명할 것도 별로 없고... 플레이트에 235볼트 걸리고, 캐소드에 6볼트 정도 걸린다. 그러면 튜브 하나당 약 6 - 7 미리암페어 전류가 흐르고, 두 개 병렬이니까 트랜스에는 13미리 정도 흐르게 된다. 입력 볼륨은 250키로인데, 입력 임피던스를 올리려고 더 높은 값을 쓰면 고역이 떨어지게 된다. (밀러 이펙트라고 하는 것) 사실 100키로면 충분한데 어째 구할 수 있는 블랙뷰티가 하나같이 250키로짜리 뿐이다.

입력 볼륨에서 그리드까지 선이 길어지면 그리드 스타퍼 저항 220옴을 넣는게 안전하다. 실제 만들어보고 없어도 문제가 없으면 빼면 되고. 235볼트만 있으면 되는데 왜 쓸데없이 340볼트를 만들어서 다시 강압을 하냐면, 포노 스테이지에는 적어도 그 정도 전압이 필요하니까 그렇다. 그리고 전원 전해콘덴서는 250볼트 내압을 쓰면 안 된다. 직렬 정류관 (5R4, 5Y3, 80 등) 을 쓰고 동시에 6SN7GTB 같은 히터가 늦게 달아오르는 튜브를 같이 쓰게되면 6SN7이 전류를 통하기 전에 정류관이 동작하고, 그러면 전원 무부하 상태가 돼서 콘덴서에 최대 460볼트의 전압이 걸리게 된다. 최소 450볼트 내압을 써야 확실하게 안전하다.

부품 조달도 이미 다 됐는데, 부품이래봐야 볼륨 하나, 저항 여섯 개, 콘덴서 네 개, 아웃 트랜스 두 개가 전부다. 아래는 부품 구입 현황이다.

  • 진공관 5692 : RCA 51년산 프리미엄 선별관 한 조, 180불
  • 라인아웃 트랜스: 룬달 LL1660 10mA 버전 1조, 165불
  • 저항: 리켄 옴 0.5와트 470옴 2개, 220옴 2개 16불
  • 저항: 밀스 12와트 8.2K 2개 9불
  • 볼륨: 알프스 블랙 뷰티 250키로 2련 오디오테이퍼 1개, 59불
  • 콘덴서: 루비콘 블랙게이트 220마이크로 16볼트 2개, 25불
  • 콘덴서: 스프라그 트위스트캔 40마이크로 450볼트 더블, 35불

부품 수가 적기 때문에 하나 하나가 모두 음에 지대한 영향을 미친다. 그 중 가장 크게 작용하는 것은 물론 아웃트랜스. 아웃트랜스를 웨스턴으로 해 볼까 심각하게 고민했지만, 웨스턴 라인아웃 트랜스 1조에 1000불이 넘어간다. 일제 탱고나 다무라는 그보단 싸지만 여전히 비싸고, 이태리산 바르톨루치도 비싸다. 좀 싼 걸로는 영제 소터나 미제 엘렉트라프린트가 있고, 빈티지로는 UTC LS-27이나 A-24가 흔하게 쓰인다. 미국에서는 자작파들 사이에서 지금 룬달이 가격도 싸고 소리도 좋다고 해서 목하 인기가 있다. UTC보다 낫다는 중평에 룬달을 써 보기로 마음을 정했다.

전해 콘덴서는 60년대산 스프라그 캔타입이다. 전해액과 절연재의 차이 때문인지 요즘 전해콘덴서들보다 소리가 낫다. 유독성 물질을 사용할 수 없도록 법이 바뀐 이래 콘덴서들 소리가 전만 못하다고 보고하는 것을 많이 들었는데 정말 그 이유인지는 모르겠지만... 캐소드 바이패스 콘덴서를 빈티지 코넬 듀빌리에나 스프라그를 쓰고 싶은데 220마이크로 짜리는 잘 없어서 결국 루비콘 블랙게이트로 정했다. 트랜스 직전에 들어가는 강압용 저항은 밀스의 12와트급인데 대용량 저항이 필요하면 늘 쓰는 아주 잘 만든 저항이다. 온도가 높고 대전류가 흐르는 저항은 드리프트가 낮은 권선형이 좋은데, 밀스의 권선형은 인덕턴스도 아주 낮아서 오디오용으로 적합하다. 그리드 스타퍼 저항 220옴과 캐소드 바이어스 저항 470옴은 역시 권선이나 카본을 쓰는 것이 소리가 좋다고 한다. 알란 브래들리는 아직도 개당 1불 정도에 구할 수 있지만 점점 수가 줄어들고 있고, 딱 필요한 용량이 없는 경우가 많아서, 현재 생산중인 저항기로 가장 빈티지다운 소리가 나는 리켄 옴 카본을 골랐다. 이건 일제 탄소 저항인데, 제법 알이 들어찬 소리를 낸다. 허용오차가 1퍼센트로 낮은 것도 환영할 만하고... 물론 비셰이 저항을 써 보아도 좋겠지만... 한 개 만 오천원씩 하는 가격에 망설이지 않을 수 없다.

이렇게 회로 간단하고 소리도 좋은 앰프를 왜 많이들 안 만들까? 메이커에서는 앞 기사에서 설명한 바 이유로 할 수 없고, 아마추어들의 자작으로는 쓸 만한 아웃트랜스를 구하기 힘들어서 그렇다고 본다. 룬달이 명성대로 좋은 소리를 내 준다면, 많은 자작인들에게 반가운 소식이 될 것이다.

유리디체와 마찬가지로 이런 트랜스 결합 캐소드 접지 앰프는 전원의 영향을 많이 받는다. 아주 조용하고 힘 좋은 전원이 필수이다. 그리고, 회로도 대로 결선하면 출력이 역상이 된다. 내 경우 파워앰프가 역상 앰프기 때문에 그대로 만들면 되지만, 정상 출력의 프리앰프를 원한다면 그냥 트랜스 2차 측을 뒤집어 배선하면 되겠다.

2005/12/03 06:19 2005/12/03 06:19

진공관 프리앰프 프로젝트 [3] ㅡ IC로 프리앰프 만들기

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진공관 프리 제작기에 웬 IC? 네 가지 이유로 IC 프리앰프를 먼저 만들게 되었다. 첫째 이유 - 앞 기사에서도 언급한 것 처럼 역 RIAA 필터가 과연 실동작 시 얼마나 정확한지, 또 시정수를 미조정하는 데 얼마나 유용한지 확인. 두 번째 - IC로 어디까지 할 수 있나 테스트. (장차 고급 오피앰프를 써서...)세 번째 - 진공관 프리를 평가할 스탠다드가 필요함과 동시에, 진공관 회로로 IC 회로를 특성상 능가할 수 있는지 보기 위해서. 마지막으로, 보다 현실적이고 긴급한, 그러니까 진짜 이유 - 진공관으로 프리를 만드는 것은 오래 된 꿈이고 또 단단히 마음먹고 시작한 프로젝트이다. 시간이 많이 걸린다는 얘기다. 부품 조달도 단번에 되지 않는다. 몇 달이 걸릴 것을 예상하고, 시청해 가면서 이리저리 조정하는 데는 일 년이 걸릴 지 모른다. 만드는 것도 재미있지만... 그 동안 어쨌든 음악을 들어야 하지 않는가?

TR로 제대로 만들려면 진공관으로 만드는 것 보다는 덜하겠지만 제법 품이 들 것이다. 그래서 익숙하고 수월한 IC로, 우선 음악을 들을 수 있도록 만들게 된 거다. 최근 IC도 많이 좋아졌다고 해서, 최대한 이것저것 바꿔가며 소릴 들어볼 수 있도록 만들고자 했다. 우선은 손에 익은 아날로그 디바이시즈의 AD712와 AD826, AD811을 써서 만든다 - 712는 오디오 전용으로 개발된 놈이지만 나머지 둘은 오디오용이 아닌데, 특성상 별로 흠잡을 데가 없기도 하고 뭣보다 이미 갖고 있기 때문이다. 나중에 요즘 많이들 쓰는 버브라운의 OPA604나 OPA132를 꽂아 써 볼까 한다. 아날로그 디바이시즈의 AD797이나 버브라운 OPA627도 생각이 있지만 비싸서... 특히 OPA627은 손톱만한 오피앰프 하나에 2만원이 넘는 가격! (흔히 쓰는 TL081은 개당 천원 정도 한다. 제법 비싼 712도 3천원 정도.)

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오피앰프를 사용한 라인앰프 설계는 그리 복잡하지 않지만 op-amp로 좋은 소리를 내려면 좀 궁리를 해야 한다. 아래는 간단해 보이지만 보기보다는 얘기할 게 많은 회로이다. 아날로그 IC 쪽으로 익숙한 사람이 한 번 척 보면 이게 어디서 베낀 건지 당장 알 것인데, 유명한 월트 정의 버퍼 회로 디자인을 갖다 쓴 것이다.

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뒷 단이 유니티 게인의 버퍼로 동작하는 것은 보면 알 터이지만, 피드백 거는 법이 독특하다. 일반적으로 유니티 게인 버퍼를 쓰는 경우 증폭을 담당하는 초단 오피앰프는 최종 출력에서 피드백을 따 오게 된다. 이 회로에서는 네스티드 피드백이라고, 각각의 오피앰프에 독자적인 피드백을 걸고 다시 전단 피드백을 거는 방식을 채택하였다. 이런 복합 피드백은 상당히 위험한 기술로, 사용하는 오피앰프가 고성능이고 또 안정한 특성을 지녀야 한다는 제한이 따른다. 물론 AD826이나 AD811은 이런 점에 전혀 문제가 없고, 사실 이렇게 구성해서 쓰도록 만들어진 앰프들이다.

복합 피드백의 장점은 대단히 넓은 대역에서 낮은 왜곡을 달성할 수 있다는 것이다. 초단 오피앰프가 독자의 피드백 라인을 가짐으로써 전체 회로의 게인 정수와 무관하게 가장 특성이 좋은 정수를 잡을 수 있고, 또 버퍼와 전단 피드백을 통과하기 전에 오디오 대역을 커버하는 출력 대역폭을 저왜곡으로 송출할 수 있다. 대역이 이미 충분히 넓은 신호로 전단 피드백을 드라이브하기 때문에 최종 출력의 왜곡이 낮아지는 것이다.

후단의 버퍼에는 비디오 버퍼로 쓰는 AD811을 사용했다. 이 오피앰프는 버퍼용으로 널리 사용되는 고성능 IC인데, 오피앰프로서는 꽤 우수한 100mA의 대전류 용량을 자랑한다. FET 입력으로 엄청 낮은 입력 오프셋 전류를 지니고, 따라서 직류 피드백 없이도 DC 커플링이 가능하다. 우수한 노이즈 특성은 물론이고 이상적이라는 커런트 피드백 방식을 채용하고 있다.Burr-Brown의 BUF 라인 칩들도 좋다고 한다. 대단히 비싸긴 하지만 버브라운의 OPA627은 약간 낮은 전류 공급 능력 (80mA) 을 제외하면 모든 면에서 AD811 보다 우수하고, 거의 믿을 수 없는 성능을 보인다... 아직 써 보지 않아서 소리는 어떤지 알 수 없지만...

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IC로 포노 EQ 설계하는 것은 약간 더 까다롭다. 앞의 기사에서도 썼지만, 오피앰프 하나로 저역에서 천 배까지 증폭을 하려면 디스토션이 상당히 많아진다. 그래서 두 개를 씨리즈로 쓰고, RIAA 필터도 둘로 나눠 넣었다. 1단에서 저역 시정수를 잡고 두 번째 단 오피앰프에 고역 시정수를 넣었는데, 이렇게 구성하면 헤드룸은 좀 낮아지지만 노이즈 특성이 좋다. IC 포노 EQ 최대의 문제점이 바로 노이즈이므로, 이 방식을 선택하였다.

2단째의 IC 회로는 흔히 쓰는 씨리즈피드백이 아닌 션트피드이다 - 역상 출력이 되므로 카트리지의 배선을 뒤집어야 하는 불편을 감수하면서 션트 피드백을 쓰는 이유는, 션트 피드백의 필터 특성이 씨리즈 피드백보다 정확하기 때문이다. 고역 시정수는 저역보다 정확도를 많이 요구하므로, 고역 시정수가 들어가는 2단째에서 보다 정확한 커브를 얻을 수 있는 션트피드백으로 구성한 것이다. 앞단도 션트 피드백으로 하면 역상-역상으로 정상 출력을 얻을 수 있지만, 노이즈가 많아지기 때문에 그렇게 하지 않았다. 션트 피드백은 입력에 직렬로 들어가는 저항 때문에 씨리즈 피드백 구성보다 노이즈가 많다. 노이즈가 낮아야 하는 초단은 그래서 씨리즈 피드백, 정확한 필터 특성이 필요한 2단째는 션트 피드백. 여기다가 유니티 게인의 출력 버퍼를 션트 피드백으로 구성해서 달면 3단짜리 호화 EQ가 되겠지만, 이 회로는 한 섀시 안에 EQ랑 라인이랑 같이 들어갈 거기 때문에 그렇게까지 할 필요는 없을 것이다. 만약 이 회로를 써서 포노 전용으로 만들 거라면 션트 피드백으로 구성한 버퍼를 달아 3단으로 만들면 좋을 것이다.

아, 그리고 션트 피드백을 뒷 단으로 쓸 때 장점이 하나 더 있다: 버추얼 그라운드 입력이므로 (플러스 입력 핀이 그라운드에 접속) 입력 오프셋이 아주 낮아져, 출력에 커플링 컨덴서를 안 써도 된다. 나중에 FET 입력이 아닌 IC도 써 볼 예정이므로 이건 중요한 특징이다.

우선 이건 회로도이고,

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이건 주파수 특성 시뮬레이션이다. 1KHz에서 게인은 37.3dB로, 표준인 40dB 보다 약간 낮은 편이지만 이만하면 충분히 쓸 수 있다.

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회로가 간단한데다가 임시로 쓸 건데 돈 들여가며 기판을 뜰 필요가 없다고 생각했다. 만능기판이다. 통은 파메탈 공장에서 2만 5천원 주고 샀는데 알미늄에 동 도금한 2.5미리 두께의 섀시가 이만하면 아주 싸다. 트랜스는 부품통에 굴러다니는 놈 아무거나, 다른 부품들도 대개 부품 통에서 조달해서 쓴다. 비싼 부품이 있다면 셀렉터로 쓰는 NKK제 토글과 뱀파이어 제 RCA 잭, 그리고 노블 제 50K 볼륨 정도. 이건 내부고,

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이건 뒷면.

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이제 측정하고, 또 들어본다. 이건 지난 번 제작한 역 RIAA 회로를 끼워서 실제 측정한 결과이다. 뭐 놀랄 일도 아니지만 대단히 정확하다. 오피앰프로 NFB 걸어서 만들었는데 정확하지 않으면 오히려 이상하지. 이걸로 역 RIAA 필터의 유용성을 입증했다고나 할까...

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포노 단의 노이즈는 -76dB로, 제법 우수하다. 기대했던 이상이고, 이만하면 IC EQ로는 갈 데까지 갔다는 느낌. 포노 단의 디스토션은 1KHz에서 -72dB. 측정 기준 레벨은 5mV이다. 글쎄, 특성상으로는 이만하면 되었다 싶은데, 소리는 약간 미흡하다... 듣기는 편하고 스무드하지만, 소리에 기백이랄까 통쾌한 맛이 약하다. 늘 소리가 사나우면 물론 안 되겠지만, 거칠고 호탕한 음악을 틀었을 땐 그런 분위기를 제대로 내 줘야 할 텐데... 그리고 고역이 야아아아악간 까칠까칠하다. 비단결같은 촉촉한 느낌은 아무래도 나지 않는다. 음장감도, 넓기는 한데 깊이가 다소 얕고... 글쎄, 10만원도 채 안 든 프리앰프 치고는 그만하면 썩 훌륭한 셈이지만. 뭐, 그러니까 진공관으로 만들려고 하는 거지.

2005/11/23 05:29 2005/11/23 05:29

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