Impedance, Ω, Z

신호 전송에서의 주파수별 저항치의 총합. 저항치의 총합이기 때문에 한국말로 복합저항, 온저항 이라는 말을 쓰기도 한다

• 저항, Resistance = 순수한 저항 주로 직류 저항을 이야기함 - 전체 신호를 통과하기 힘들게 하는 저항
• 캐패시턴스, Capacitance = 신호가 직류일수록 통과하기 힘들게 하는 저항 - 저음역대에 대한 필터 High pass filter
• 인덕턴스, Inductance = 신호가 교류일 수록 통과하기 힘들게 하는 저항 - 고음역대에 대한 필터 Low pass filter

• 저항 :
• 인덕터 :
• 케페시터 :
  

음악의 신호를 전기로 표현하는 것은 소리 파형의 진동을 전압 V로 표현 하는 것이다. 이때 V는 소리의 파동을 표현한 것 이므로 항상 변화하는 값을 가지고 있습니다. 그렇기 때문에 이 신호의 “출력 에너지” 즉 어떤 파워앰프의 출력 등을 실제 출력되는 Watt로 표기하는 것은 무리가 있습니다. 소리의 파동에 따라서 항상 다른 출력(에너지)가 나오기 때문입니다.

따라서, 이러한 변동이 심한 전압값에 따른 출력 에너지를 표기 하려면, 변동하지 않는 값인 회로의 임피던스 수치를 표기 하게 됩니다.

즉, 임피던스=전압/전류 . 전압과 전류의 비율로 표현이 되는 값입니다. 이것을 좀더 쉽게 풀어서 를 대입하면 이 됩니다.

만약 어떤 출력장치의 출력 임피던스가 2라고 나온다면, 그 장비의 전압 과 전류의 비는 2배 입니다. 따라서, 그래서 임피던스가 2 인 어떤 장비에서 +4dBu 인 1.228V 가 출력되고 있다면, 1.228V(RMS) X 0.614(임피던스에 의한 전류값) = 0.75Watt 정도의 출력값이 나온다는 것을 알 수는 있지만, 소리의 파동은 시시각각 변화 하므로, 계속 변동되는 출력 값이 나오게 된다는 점입니다.

그래서, 출력값 또한 출력되는 소리 파형(전압값)에 따라 계속 변화하기 때문에,

고정된 값인 임피던스로 “전압 대 전류, 전력 비” 로, 해당 장비의 출력 성능, 입력 성능 등을 표현하게 되는 것입니다.

출력 임피던스와 부하 임피던스(입력 임피던스)는 같은 “임피던스“라는 단어를 사용하지만, 둘은 서로 다른 개념이다.

신호의 전달은 신호가 가진 “힘”에 의해 전달 되기 때문에 어떤 출력과 입력의 임피던스 전달에 관해서는 다음과 같이 서술 할 수 있습니다.

Output Impedance, 출력 임피던스

출력 임피던스는 어떤 회로에서 출력되는 신호의 임피던스 총합을 말한다. 보통 일반적인 저항 공식만을 대입해서 대충 알아보면 이기에, 어떤 오디오 장치의 출력 임피던스가 높다는 말은, 출력되는 전기 신호의 V²⁾대비 I³⁾가 적다는 말이 되므로, 매우 신호의 강도가 희미한 신호를 말한다. 즉 출력되는 전기 신호의 전압과 전류의 비율은 해당 회로의 임피던스의 값의 영향을 받는다는 말이다. 회로의 총 임피던스 값이 높다면, 전류가 작아지고, 회로의 총 임피던스 값이 낮다면, 출력되는 전류가 높아진다.

여기서 어떤 기기의 출력 임피던스에 따른 출력 값을 계산한다면, 예를 들면 어떤 마이크의 출력 임피던스가 100Ω일경우, 해당 마이크가 1V 출력을 할 때, 이므로, 10mW의 출력을 한다고 볼 수 있다.

Load impedance, 입력 임피던스

부하 임피던스(Load impedance)는 입력 임피던스라고 하며, 입력되는 신호의 V와 I값의 비율을 말한다. 전기회로가 신호를 입력 받을 때, 입력되는 신호의 V값에 비하여 I값이 작으면, 이므로 부하 임피던스는 매우 큰 값을 가진다. 즉 부하 임피던스가 큰 전기회로일수록, V에 비해 I가 작은 신호를 받을 수 있다.

프리앰프나 마이크의 출력 PAD를 사용할 때 해당 저항 요소는 마이크 → PAD → 프리앰프 Gain 순으로 동작하기 때문에 마이크의 출력 전압을 떨어뜨리는 요소로 작용한다. 에서 I는 그대로인 상태로 V가 작아지므로, 결국 신호를 받는 쪽의 부하 임피던스를 줄이는 것과 같은 효과이다.

PAD는 저항이니까 입력에 저항값을 추가한다는 논리로 “PAD를 누르면 입력 임피던스가 증가한다.”라고 잘못 알고 있는 사람들이 많다. 사실은 정반대 이다.

ex) 마이크 프리앰프에서 -20dB PAD를 키면 전압 신호가 20dB 줄어들게 되므로 이것은 V 값을 1/10로 감쇄 시킨다. 즉, PAD 를 키면 해당 마이크 프리앰프에서 입력 임피던스 10배 감소 효과가 일어난다.⁴⁾

Understanding Impedance

어떤 사람들은 XLR 커넥터가 더 좋은 음질을 보여준다고 생각하며⁵⁾, 마이크 프리앰프의 입력에 XLR 로 라인 출력을 연결하여 사용하기도 한다. 그러나 대부분의 마이크 입력은 라인 입력에 비해서 최대 입력 레벨이 작기 때문에, 마이크 인풋에 라인 출력을 연결하고 PAD 를 눌러 사용해야 한다고 주장한다.

정말 그럴까?

다음은 UA 710 마이크 프리앰프의 스펙의 일부이다.

마이크 입력의 최대 입력 레벨은 18dBu, 라인 입력의 최대 입력 레벨은 30dBu 이고 입력 임피던스는 각각, 2KΩ, 10KΩ이다. 일반적인 상황에서는 마이크 레벨 출력은 마이크 입력에, 라인 레벨 출력은 라인 입력에 사용하는 것이 맞지만, 도무지 알 수 없는 이유로 라인 레벨 출력을 마이크 레벨 입력에 사용하는 사람들이 있다.

이 사람이 사용하는 라인 레벨 출력이 +26dBu 정도의 출력을 가진 장비 일때, 이 출력을 그냥 마이크 입력에 연결하면, 8dB 정도의 신호가 초과 되게 된다. 따라서 마이크 입력에 연결하고 PAD 스위치(-15dB)를 사용하게 된다.

15dB의 PAD는 약 배 정도의 값을 가지는데, 입력되는 신호의 전압을 배 감쇄하게 된다. 이므로 입력 임피던스 값도 약 배 낮아지게 된다.

즉 이렇게 사용하면 마이크 입력을 +33dBu의 최대 입력 레벨에 350Ω 입력 임피던스를 가진 입력으로 사용하게 된다.
정상적으로 라인입력에 사용시는 +30dBu 에10KΩ 입력 임피던스를 가진 입력으로 사용한다.

입력 임피던스가 350Ω으로 라인 출력의 스탠다드 임피던스인 600Ω 보다도 낮게 되어, 고역과 저역의 심각한 톤손실을 입게 될 가능성이 높아보인다.

라인 레벨의 출력이 낮은 장비를 연결하여 PAD를 누르지 않고 사용한다 하더라도, 2KΩ의 입력 임피던스는 어느 정도의 톤 손실을 가져올 가능성이 있다. 정상적으로 라인 레벨 출력은 라인 레벨 입력(임피던스 10KΩ)에 사용하는 것이 정상적인 방법이다.

이와 같은 방법은 결코 올바른 사용 방법이 아니라고 볼 수 있다.

전력(힘,W) 전송에서는 같은 임피던스로 같게 매칭하는 것이 힘손실 없이 전송하는데에 더 유리하다
ex)파워앰프→스피커.

(신호전송은 가청 주파수내에서 V 값만 정확하게 전달하면 되기에, W(V X I)를 전송하는 스피커와 앰프의 매칭과는 차이가 있다.)

신호 전송에서는 로우 임피던스 신호→ 하이 임피던스 입력 으로 매칭해야 방해없이 잘 전송된다.
정해진 법칙은 없지만 아래에서 설명하는 10배 룰을 많이 사용한다.

예시)

• 마이크로폰 → 마이크 프리앰프
• 오디오 인터페이스 Hi-Z 입력

관 안에 유체가 가득 들어있고, 양쪽에 밀고 당길 수 있는 양쪽 주사기 밸브가 있다고 하자. 왼쪽에서 밀면 안의 유체의 압력에 의해 오른쪽의 주사기가 튀어나오게 된다.

임피던스는 이 양쪽의 주사기가 얼마나 뻑뻑하게 밀착되어 있는 가의 문제로, 양쪽의 주사기가 동일하게 뻑뻑한 경우에, 왼쪽에서 미는 힘이 오른쪽으로 동일하게 힘의 손실 없이 전송이 될 수 있다. 안쪽의 유체가 세어나가면 안되기 때문에 ,밸브가 밀착이 꽉 되어야 한다. 이렇게 힘을 전달하는 경우가 바로 임피던스 매칭에 해당한다.

반대로 주사기의 움직임을 세밀하게 전달하는 경우에, 이렇게 양쪽이 뻑뻑하게 밀착되어있을 때는, 왼쪽에서 아주 살살 1mm 만 밀었을 경우에는 오른쪽 주사기는 전혀 움직이지 않을 수도 있을 것이다.

이럴 때는 왼쪽의 주사기는 뻑뻑하게 밀착하고 오른쪽의 주사기 밸브는 살짝 들 뻑뻑하게 해 놓으면, 왼쪽에서 아주 살살 1mm 를 밀 때에, 오른쪽 주사기는 거기에 맞춰서 똑같이 움직일 수 있게 된다. 다만 밸브가 들 뻑뻑하기 때문에, 살짝 유체의 손실은 있을 수도 있다. 또한 동일한 힘을 전달 할수 없다. 하지만 주사기 밸브의 세밀한 움직임은 전달할 수 있다. 이렇게 주사기의 움직임을 세밀하게 전달해야하는경우가 바로 임피던스 브릿징에 해당한다.

보통 보면, 마이크와 콘솔의 관계에서, 마이크의 출력 임피던스가 600Ω일 때, 콘솔 마이크 프리앰프의 입력 임피던스는 6kΩ 등을 권장한다. 대략 10배 값을 권장하는데 , 이것을 10배 규칙이라고 하는 경우가 있다. (x10 rule)

이것은 마이크 출력을 규정된 라인 레벨인 +4dBu로 받을 때의 600Ω과 6kΩ 기준인 것인데, 임피던스는 전기신호의 기준이고 dBu 값은 데시벨, 즉 log scale의 개념이기 때문에, 만약 +4dBu의 10배 작은 크기의 신호는, -16dBu(즉 20dB 차이), 또한 10배 큰 신호는 +24dBu(즉 20dB 차이) 이기 때문이다.

입력 임피던스가 600Ω이고, 마이크 프리앰프의 허용 입력 임피던스가 6kΩ의 10배 차이라면, 10배 작은 신호 즉 20dB 작은 신호인 -16dBu의 신호가 들어와도 입력 임피던스의 허용 경계 안에 있기 때문에, 신호의 손실이 없는 것이다. 음악적으로 대부분의 음성이나 악기는 가장 작은 소리와 가장 큰 소리의 범위가 ±20dB 안쪽에서 움직이기 때문에 이러한 x10 rule로써 허용 입력 임피던스로 프리앰프를 제작하는 것이 아닐까 생각된다.⁶⁾

즉 레퍼런스 레벨인 +4dBu 보다 큰 신호는 18~20dB의 헤드룸으로 최대 입력 레벨에 의한 여유를 두어 책임지고, +4dBu 보다 작은 신호는 20dB 정도의 임피던스에 의한 여유를 두어 책임지는 것이 아닌가 생각된다.

만약, 마이크의 출력 임피던스와 마이크 프리앰프의 입력임피던스를 10배보다 작게 셋팅하는 경우에는 마이크의 고유의 임피던스 그래프에 의한 특성이 더 많이 적용될 것이다.

어떤 D/A 컨버터가, 출력 스펙이 아래와 같은 2개의 장비를 볼 때,

• 22dBu Max Output level(+4dBu), 100Ω
• 22dBu Max Output level(+4dBu), 200Ω

첫번째 장비는 4dBu 신호 출력에서, 1.228V의 신호에 100Ω의 출력이다. 따라서, 이고, 이므로,
이기 때문에,

출력이다.

두번째 장비는

출력이다.

전기 출력의 차이가 소리 크기 차이는 아니다. 왜냐하면, 신호의 크기는 이미 같은 전압값, 즉 1.228V=4dBu을 기준으로 하므로 동일하다. 하지만 이러한 실제적 전기 출력의 차이는 D/A 의 다른 요소의 차이를 만들어 낸다고 볼 수 있다.

이와 비슷하게 A/D 컨버터와 같은 입력측의 입력 임피던스(허용 임피던스)도 매우 중요한 요소이다.

임피던스도 결국 주파수에 따라 다르게 신호에 저항이 작용한 것이고, 저항은 신호의 레벨에 영향을 미치게 된다. 따라서 임피던스에 의해서 톤 변화가 생기게 된다. 임피던스에 의한 톤의 변화에는 다음과 같은 것들이 있다.

• Gain bandwidth product
• 비선형성
• 헤드폰 앰프와 헤드폰 임피던스