Impedance, Z

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

• 임피던스, Impedance = Resistance + Capacitance + Inductance
• 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

Z = V/I 즉 임피던스 = 전압/전류 로 표현된다.

일반적인 DC 전기 사용에서는 DC 볼티지, 즉 V는 고정된 값으로 전기 회로를 동작하는데 쓰이게 된다. 5V, 12V 등의 전압이 회로 구동 전압으로 많이 사용된다.

이때 이 전기의 에너지는 고정 전압 X 전류 = 와트로 손쉽게 계산됩니다.

예시) 5V 1A= 5×1 = 5 Watt

가정용 AC 전기 사용에서는 AC 볼티지, 즉 V 는 220V 로 교류 전기를 통해 먼거리 까지 전기 에너지를 보내는 것에 사용된다. 이것은 다시 가전 제품이나 음향 장비의 파워 서플라이로 들어가서 DC 로 변환 시켜 회로를 구동시키는 것에 사용된다.

이때 이 전기의 에너지는 교류 전압 X 전류 = VA 로 표현합니다. 이것은 단순히 V x A = Watt 로 표현할 수 없습니다. 왜냐면 교류 전류이기 때문입니다. 당장 여러분도 컴퓨터 파워 서플라이 뒷면이나, 앰프의 220V 커넥터 연결 부위 근처의 Watt 표기를 살펴 보시면, Watt= 220VA 등으로 표현되고 있음을 볼 수 있습니다.¹⁾

예시) 220V 10A = 2200VA(Watt)

그러나,

음악의 신호를 전기로 표현하는 것은 소리 파형의 진동을 전압 V 로 표현 하는 것입니다. 이때 V 는 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. 그래서 앰프나 스피커의 출력에 대해서는 RMS, AES, PEAK 등의 여러가지 기준을 가진 값을 표기하거나 하게 됩니다.

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

Z= V/I 즉, 임피던스= 전압/전류 . 전압과 전류의 비율로 표현이 되는 값입니다. 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) * 0.614(임피던스에 의한 전류값) = 0.75 Watt 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 임피던스 - “전압 대 전류 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.

V_Output² / Z_Output = V_input² / Z_input

Output Impedance, 출력 임피던스

출력 임피던스는 어떤 회로에서 출력되는 신호의 임피던스 총합을 말한다. 보통 일반적인 저항 공식만을 대입해서 대충 알아보면 Z=V/I 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 100옴일경우, 해당 마이크가 1V 출력을 할 때, Watt= 1² / 100 이므로, 10mW 의 출력을 한다고 볼 수 있다.

Load impedance, 입력 임피던스

부하 임피던스(Load impedance)는 입력 임피던스라고 하며, 입력되는 신호의 V 와 I 값의 비율을 말한다. 전기회로가 신호를 입력 받을 때, 입력되는 신호의 V 값에 비하여 I 값이 작으면, Z = V/I 이므로 부하 임피던스는 매우 큰 값을 가진다. 즉 부하 임피던스가 큰 전기회로일수록, V 에 비해 I 가 작은 신호를 받을 수 있다.

프리앰프나 마이크의 출력 PAD 를 사용할 때 해당 저항 요소는 마이크 →PAD → 프리앰프 Gain 순으로 동작하기 때문에 마이크의 출력 Voltage 를 떨어뜨리는 요소로 작용한다. Z = V/I 에서 I 는 그대로인 상태로 V 가 작아지므로, 결국 신호를 받는 쪽의 부하 임피던스를 줄이는 것과 같은 효과이다.

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

ex) 마이크 프리앰프에서 -20dB PAD 를 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 생각하며, 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, 2K옴, 10K옴이다. 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 PAD 는 약 1/5.623 배 정도의 값을 가지는데, 입력되는 신호의 전압을 1/5.623배 감쇠하게 된다. Z= V/I 이므로 입력 임피던스 값도 약 1/5.623배 낮아지게 된다.

즉 이렇게 사용하면 마이크 입력을 +33dBu의 최대 입력 레벨에 350옴 입력 임피던스를 가진 입력으로 사용하게 된다.
정상적으로 라인입력에 사용시는 +30dBu 에 10K옴 입력 임피던스를 가진 입력으로 사용한다.

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

라인 레벨의 출력이 낮은 장비를 연결하여 PAD 를 누르지 않고 사용한다 하더라도, 2K옴의 입력 임피던스는 어느 정도의 톤 손실을 가져올 가능성이 있다. 정상적으로 라인 레벨 출력은 라인 레벨 입력(임피던스 10K옴)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(VxI)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.
ex)마이크로폰 → 마이크 프리앰프
ex2)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.

큰 혼을 제작하는 영상이지만, 영상 중간 쯤(3:00 쯤 부터)에 임피던스 브릿징/매칭에 대한 설명이 있습니다.

어떤 장비인지는 모르겠지만 임피던스는 위 그래프처럼, 주파수 별로 다르고,800Hz나 1KHz 에서의 값을 Nominal impedance(공칭 임피던스) 라고, 보통 장비들 스펙에 표기하는 임피던스는 이것을 말한다

보통 보면, 마이크와 콘솔의 관계에서, 마이크의 출력 임피던스가 600ohm 일때, 콘솔 마이크 프리앰프의 입력 임피던스는 6kohm 등을 권장한다. 대략 10배 값을 권장하는데 , 이것을 10배 규칙 이라고 하는 경우가 있다. (x10 rule)

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

입력 임피던스가 600ohm 이고, 마이크 프리앰프의 허용 입력 임피던스가 6kohm 의 10배 차이라면, 10배 작은 신호 즉 20dB 작은 신호인 -16dBu 의 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. ⁵⁾

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

보통 마이크 프리앰프 중에 진공관/Op-amp 방식은 허용 입력 임피던스가 높은 반면, 트랜지스터 방식은 허용 입력 임피던스가 매우 낮아서, 트랜지스터 방식의 경우 입력되는 신호의 크기가 작을 경우 임피던스의 영향을 받아서 손실이 오기도 한다. 하지만 그게 또 작은 소리는 작게 느껴지고 큰 소리는 가깝게 느껴지게 하는 트랜지스터 프리앰프 만의 특색이 될 수도 있다. Op-amp 나 진공관 마이크 프리앰프의 경우는 입력 임피던스 값이 매우 높은 경우가 많기 때문에, 작은 신호에도 대역폭이 그대로 유지가 되어 감도가 높게 들리는 특색을 가지고 있다. 이런 것은 모두 마이크 프리앰프 작동방식 차이에 의해서 발생한다.⁶⁾

Passive 픽업을 장착한 일렉트릭 기타/베이스 의 출력 임피던스는 10Kohm 정도 된다 이것에 x10 rule을 적용하면 받는 앰프 입력단의 허용 임피던스는 100Kohm 은 되어야 한다. 그리고 그것을 충족하는 앰프 설계는 진공관앰프일경우 그것을 충족하는 경우가 많고 최근의 Op-amp 앰프들도 충족이 된다. 만약 피에조 픽업의 출력이라면 그것보다도 더 높다.또한 오디오 인터페이스나 녹음기 등에서도 기타 입력을 직접 받기 위해서 HI-Z input 이라는 것을 만들어 두는데 그 입력이 바로 이런 Passive 악기의 허용 임피던스의 x10 rule 을 위한 높은 임피던스 입력단을 말한다.

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

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

첫번째 장비는 4dBu 신호 출력에서, 1.228V 의 신호에 100ohm의 출력이다. 따라서, Watt= V x I 이고, I=V/R 이므로,
Watt= V x V / R 이기 때문에,

1.228² / 100 = 0.015 Watt = 15mW 출력이다.

두번째 장비는

1.228² / 200 = 0.007 Watt = 7mW 출력이다.

전기 출력의 차이가 소리 크기 차이는 아니다. 왜냐하면, 소리의 크기는 이미 Voltage 즉 1.228V=4dBu 로 동일하다. 하지만 이러한 실제적 전기 출력의 차이는 D/A 의 다른 요소의 차이를 만들어 낸다고 볼 수 있다.⁷⁾

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 것 들이 있다.

Gain bandwidth product

비선형성

헤드폰 앰프와 헤드폰 임피던스