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[용어] 파워앰프(Power-amplifier)

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오늘 알아볼 용어는 ‘파워앰프’ 입니다. 파워앰프(Power Amplifier)는 오디오에서 사용하는 앰프의 한 종류로, 프리앰프에서 나온 신호의 전압을 증폭해주는 역할을 합니다. 스피커(또는 패시브 크로스오버)를 직접 울리는 큰 출력을 내는 앰프를 파워앰프라고 합니다.


프리앰프 뒤에 위치하지만 입력단 없이 증폭단만으로 구성되지는 않습니다. 기본적인 입력단이 있어 바로 소스기기를 물려 사용하기도 합니다. 일부 인티앰프는 별도의 프리단을 구성하지 않고 파워앰프의 입력단에 볼륨과 셀렉터를 배치하는 방식으로 만들기도 합니다.


신호를 증폭하는 소자에 따라 진공관 앰프와 트랜지스터(TR) 앰프로 나눠지며, 이 둘을 결합한 것을 하이브리드 앰프라고 합니다. 현대에는 디지털 방식을 사용하여 증폭하는 기술 등 여러가지 방식이 나와있는데, 이 역시도 기본적으로는 TR 앰프에 기반합니다. 


증폭 시 바이어스 제어방식과 신호처리 방식에 따라 클래스(Class)를 나누며, Class A, Class AB, Class C, Class D로 나눕니다.


프리앰프와 파워앰프를 나눈 방식을 분리형 앰프라고하며, 고급 하이엔드 오디오에 사용하는 방식입니다. 프리앰프와 파워앰프를 분리하는 것이 음질적으로 더 유리하기 때문입니다. 


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▲ 볼더의 모노블럭 파워앰프 2150


앰프 구성에서 TR이나 진공관이나 특유의 수식에 따른 입력값과 출력값이 특정한 상수나 수식에 따라 증감하는 구간이 있습니다. 이를 선형구간이라고 부르며, 이 구간 내에서 증폭소자는 입력에 유효한 의도했던 출력을 발생하게 됩니다. 따라서 앰프는 이 구간 내에서 선형으로 동작해야 하는데, 선형으로 동작하면 출력이 없더라도 입력한 전력이 대부분 열로 빠져나가게 됩니다.


진공관의 선형구간은 전압에 따라 달라지지지만 보통 중간 정도부터 사용합니다. 특유의 증폭률 차이로 인해 소리가 변화가 상당하게 차이난다. 이것이 빈티지 오디오에서 말하는 감성의 핵심요소가 됩니다. 또한, 고가의 진공관 앰프는 TR 수준의 선형을 제공합니다.


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▲ CH 프리시전 모노블럭 파워앰프 M1


Class A 증폭방식은 두 증폭소자 혹은 1개의 증폭소자가 정지상태에서 선형영역과 포화영역의 경계에 있는 상태를 말합니다. 명칭에서 알 수 있듯이 Class A 영역에서 작동하기 때문에 Class A 증폭방식이라고 부릅니다. 진공관 앰프도 Class A 로 구분하는데, 이는 그리드 전압이 음전압을 띄는 구간에서 작동하기 때문입니다. 


입력신호에 대한 반응에 암구간(Deadband) 없이 무조건 증폭을 해준다는 점이 Class A 증폭방식의 가장 큰 특징입니다. 최근에도 Class A 앰프가 계속 나오는 이유는 아무리 미세한 신호라도 증폭이 가능하기 때문입니다. 선형 영역의 끝에서 시작해서 컷오프 방향으로 TR 의 작동점이 이동하므로 설계상 문제가 없으면 대개는 출력 왜곡이 발생하지 않습니다.


Class A 방식의 단점으로는 전류의 소비가 크다는 것입니다. Class A 구동 시 입력이 없어도 바이어스 전압이나 게이트 전압이 항상 높은 상태에 유지됩니다. TR은 전류가 최대치로 유지되며, 진공관은 캐소드 작동 중간점 전류가 계속 흘러 낭비가 심하다. 심지어 출력이 나갈 때보다 작동 대기 중인 TR 앰프의 소비전력이 높을 때도 있습니다. 


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▲ 파이오니아의 Class B 앰프 A-717


Class B 증폭방식은 Class A 증폭방식과 반대로 작동합니다. TR이나 진공관이나 비 작동영역에서부터 시작되며, 특징도 반대로 나타납니다. 평상 시 전혀 전류가 흐르지 않습니다. 


Class B 증폭방식은 평상시에 전류가 흐르지 않아 효율이 높은 것이 특징입니다. 게다가 작동 중에도 포화영역으로 가는 방식으로 작동하므로 출력이 증가할수록 전력소모가 커집니다. 따라서 전력 효율면에서는 Class A보다 높습니다. 


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▲ Class AB 방식의 에소테릭 인티앰프 F-05


Class AB 증폭방식은 Class B 증폭방식에서 바이어스(Bias) 전압을 적용하여 증폭소자를 선형영역 하단에 머무르게 하는 방식입니다. Class A처럼 처음부터 선형구간에서 증폭소자가 계속 작동하지만, 정지구간에서 발생하는 전력손실은 낮은 편이다. 그리고 출력 시에도 선형 구간에서 바로 시작하므로 Class A 와 같이 신호를 모두 사용할 수 있습니다. Class AB 방식은 다수의 앰프에 사용하는 방식입니다. 


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▲ Class D 방식의 티악 올인원 앰프 NR-7CD


Class D 증폭방식은 스위칭 방식의 증폭방식으로, 증폭소자의 선형 영역에서는 전력의 손실이 발생합니다. 손실에 민감한 TR 이나 진공관의 작동을 포화영역과 정지영역 사이를 스위칭하도록, 즉 On과 Off만 존재하도록 구동합니다. 진공관은 소자 자체의 전력소모가 많아 이런 방식을 사용하지 않습니다. Class D 증폭방식 앰프는 TR 혹은 FET 소자로 만듭니다. 


Class D 증폭방식의 핵심은 PWM(Pulse Width Modulation)+PDM(Pulse Density Modulation)입니다. 일반적으로 PWM 방식을 사용하며, PDM 방식은 SACD 혹은 DSD 포맷을 재생할 때 사용하는 방식입니다.


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▲ 티악 NR-7CD의 ICE Power 모듈 


PWM 방식은 펄스의 넓이를 사용하여 변조하는 방식입니다. 이때 펄스가 증폭소자의 On 상태에 해당하는 구간이 됩니다. 따라서 펄스의 높이는 TR 이 On 상태일 때, 즉 전원전압과 동일해집니다. 


이렇게 입력된 신호는 펄스의 폭으로 비교 적분하여 증폭소자를 제어하게 됩니다. 증폭소자는 포화구간과 정지구간에서 바이어스가 움직이므로 손실전력이 거의 없습니다. 높은 전압을 사용해도 마찬가지로 발열이 높지 않아 고출력 제작에도 용이합니다.


하지만 고주파수의 신호로 갈수록 신호 재현이 어려워지는 단점이 있습니다. 스위칭 속도는 크게 제한되어 있는데, 이로 인해 입력 주파수가 높아질수록 출력파형에 왜곡이 발생하게 됩니다. 게다가 일반적인 스위칭 주파수가 출력되지 않도록 출력단에 로우패스 필터(Low-pass filter)를 적용하는데, 이에 따른 고역대에 손실이 발생합니다.


소비전력에 민감한 휴대용 기기나 외부 스피커용 앰프, 서브우퍼, 미드레인지용 앰프 등 고출력이 필요할 때 주로 사용합니다.


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