프리앰프 토폴로지
Preamp Topology
프리앰프 토폴로지는 마이크 프리앰프 회로를 구성하는 방식이나 구조를 의미하며, 프리앰프의 설계 방식에 따라 증폭 성능, 노이즈, 음질 등의 특성이 달라집니다.
프리앰프는 파워앰프처럼 전기적 효율이 중요한 앰프 파트가 아니며, 소리의 품질이 중요시되는 앰프 파트입니다. 프리앰프의 역할은 마이크 레벨이나 인스트루먼트 레벨과 같은 초기의 작은 신호를 라인 레벨 신호 크기까지 증폭하는 것입니다. 이 때문에 거의 대부분의 프리앰프는 Class-A 방식으로 설계됩니다. Class-A 방식은 전력을 가장 많이 소모하지만, 품질이 가장 좋은 증폭 방식입니다.1)
마이크 레벨 신호를 라인 레벨까지 증폭하는 장치를 마이크 프리앰프라고 하며, 인스트루먼트 레벨 신호를 라인 레벨로 증폭하는 장치는 악기용 프리앰프라고 합니다.2)
Tube
진공관은 입력 임피던스가 커서, 작은 입력신호도 대역폭의 영향을 거의 받지 않고 감도를 높게 유지할 수 있습니다. 보통 진공관 회로는 마이크의 밸런스 출력을 받는 차동 증폭 회로를 구성할 수 있고 입력 임피던스가 높기 때문에 입력 트랜스포머가 필요 없습니다.
하지만 진공관 증폭의 특성상, 높은 신호가 들어오면 새츄레이션이 발생합니다. 새츄레이션은 진공관이 증폭할 수 있는 신호의 한계에 도달했을 때 발생하는 포화 현상으로, 진공관이 더 이상 전류를 전달하거나, 플레이트 전압에서 전자들이 이동할 수 없을 때 일어납니다. 이는 전자 수와 전압 한계와 관련이 있으며, 전류가 더 이상 증가하지 못해 신호가 왜곡되는 현상입니다. 결과적으로 고조파 왜곡(THD)이 증가하여 소리의 특성이 변하게 됩니다.
진공관은 고정된 플레이트 전압을 높게 걸고, 전류로 증폭량을 조절하는 방식입니다. 큰 전압을 가진 신호로 내부에서 증폭된 후, 출력 트랜스포머를 통해 라인 레벨의 전압으로 감압하여 출력되는데, 이 과정에서 트랜스포머에 의한 왜곡이 추가로 발생할 수 있습니다.3)
결론적으로, 진공관 증폭기는 높은 신호에서 THD가 증가하여 새츄레이션이 많아지고, 원음이 왜곡됩니다. 다만, 진공관 증폭 방식은 GBW에 의한 대역폭 감소는 거의 없습니다.4)
Tube-tech MP1A
BJT
Bipolar Junction Transistor
보통 트랜지스터 방식의 프리앰프는 BJT 트랜지스터를 사용한 방식을 의미합니다. BJT는 다단 증폭기로 사용되며, 하나의 BJT가 약 10-20dB의 증폭량을 제공할 수 있습니다. 이를 여러 단계로 구성하여 총 6개의 BJT를 다단으로 사용하면 최대 60-70dB의 증폭량을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, Neve 1073 같은 유명한 트랜지스터 기반 프리앰프는 이러한 방식으로 강력한 증폭을 구현합니다.
BJT 트랜지스터는 진공관이나 OP-amp(IC)에 비해 입력 임피던스가 작습니다. 따라서 입력 임피던스를 적절하게 매칭할 목적으로 입력 트랜스포머를 내장하기도 하지만, 그래도 여전히 작은 입력 임피던스로 인해 작은 신호에 대해서는 임피던스의 영향을 받아 대역폭 제한을 받을 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해, 출력 임피던스가 높은 마이크(주로 SM7B와 같은 다이내믹 마이크)와는 잘 맞지 않을 가능성이 높습니다.
BJT 트랜지스터 방식은 높은 최대 입력 레벨을 가지고 있으며, BJT도 진공관처럼 GBW로 인해 대역폭이 줄어드는 정도가 작기 때문에, 큰 신호가 입력되는 경우 대역폭 제한을 크게 받지 않습니다.
진공관 프리앰프의 경우, 최대 입력 레벨보다 높은 신호(통상 6dB 더 높아도)가 들어와도 소프트 클리핑이 발생해 신호가 어느 정도 유지되는 특성이 있지만, 트랜지스터는 최대 입력 레벨을 초과하면 하드 클리핑이 발생합니다.
BJT 트랜지스터 회로 역시 진공관처럼 DC 바이어스 전압을 크게 걸어야 하지만 그 방식에 약간의 차이가 있습니다. 진공관의 경우 고정된 고전압을 걸고 전류량을 변동하여 증폭량을 조절하지만, BJT 회로는 전압을 변동하여 증폭량을 조절합니다.
BJT 방식도 진공관 방식과 마찬가지로 출력 시 출력 트랜스포머를 거쳐 신호를 전달합니다. 이로 인해 트랜스포머에 의한 왜곡이 발생할 수 있습니다. 5)
FET
FET는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)로, 진공관과 비슷한 방식으로 동작하지만, 증폭 특성이나 음색은 진공관과 다릅니다. FET는 진공관과 비슷하게 고정된 높은 전압을 걸고 전류량을 조절하여 증폭량을 컨트롤합니다. 하나의 FET 로 진공관보다는 증폭량이 적은 20~30dB 정도의 증폭이 가능합니다. 이 방식은 진공관의 동작 방식과 유사하며, 진공관과 달리 내부 구조가 단순하여 더 작고 경제적인 장점이 있습니다. 즉, 전기적인 규모만 축소하여 진공관 대신 FET를 사용할 수 있습니다.
FET는 주로 단일 소자로 사용하는 경우가 많으며, BJT처럼 다단계로 증폭하지 않는 것이 일반적입니다. 그 이유는 FET가 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스 특성을 갖기 때문에, 다단 증폭이 필요하지 않거나 오히려 비효율적일 수 있기 때문입니다. 또한 FET는 증폭 특성이 일정하지 않기 때문에 여러 개를 다단계로 연결하는 것은 일반적이지 않습니다. FET 가 높은 입력 임피던스를 가지기 때문에 입력 트랜스포머 구성도 필요 없습니다.
FET는 마이크 회로에서 주로 임피던스 컨버터로 많이 사용됩니다. 이는 마이크에서 발생하는 고임피던스 신호를 저임피던스 신호로 변환하여 오디오 장비로 전달할 수 있게 해주는 역할입니다. FET의 증폭량이 크지 않음에도 불구하고 임피던스 컨버터 역할로는 충분한 이유는, 큰 증폭이 필요가 없고, 신호 전송을 위해 적절한 임피던스 변환만 필요하기 때문입니다. 따라서, 마이크에 사용된 FET 회로는 임피던스 컨버터로써 일반적으로 20dB의 증폭을 하여 10:1 출력 트랜스포머로 다시 20dB를 감압하는 방식으로 사용하여 임피던스를 변환하는 역할로 사용됩니다.
또한 FET 기반의 인라인 프리앰프는 특히 리본 마이크나 다이내믹 마이크와 같이 고 임피던스 신호를 가진 마이크에서 사용됩니다. 대표적인 FET 기반 인라인 프리앰프로는 Cloudlifter, Radial McBooster, Royer dBooster, SE Dynamite 등이 있으며, 마이크 신호를 적절히 증폭해 믹서나 오디오 인터페이스로 보내기 위해 사용됩니다.
Discrete OP-amp
Discrete OP-amp는 BJT 트랜지스터 프리앰프와 OP-amp(IC) 프리앰프 사이의 과도기적 성격을 지닌 회로입니다. 신호 경로에 해당하는 회로 부분을 개별적인 Discrete OP-amp로 통합하여, 생산성과 수리 및 정비의 용이성을 제공합니다.
OP-amp(IC)는 높은 입력 레벨에 따라 대역폭이 줄어드는 GBW 현상의 영향을 크게 받습니다. 반면, Discrete OP-amp는 집적회로(IC)가 아니기 때문에 전기적인 규모가 상대적으로 크고, 그로 인해 대역폭의 제한 영향을 덜 받습니다. Discrete OP-amp는 개별 소자의 조합으로 구성되어 있어, 신호 처리 시 OP-amp(IC)보다 더 넓은 대역폭과 안정성을 제공할 수 있습니다. BJT 트랜지스터 방식과 거의 모든 특성이 동일합니다.
또한, Discrete OP-amp는 회로 설계의 유연성을 높여 다양한 응용 분야에 적합하도록 조정할 수 있는 장점도 가지고 있습니다. 즉, 회로에서 고장률이 높은 신호 경로만 따로 OP-amp라는 모듈형으로 제작하여 수리 및 정비성을 높힌 것에 의미가 있습니다.
API 512c
OP-amp(IC)
OP-amp(IC)를 이용한 마이크 프리앰프는 허용 입력 임피던스가 대부분 아주 높기 때문에, 작은 신호가 들어와도 대역폭의 손실 없이 매우 감도 높게 신호가 증폭됩니다.
반면 높은 신호가 들어오면 집적회로(IC)의 집적도의 영향을 받아, 대역폭이 증폭률에 따라 점점 제한되는 현상(GBW)이 발생합니다. 즉, 들어오는 신호가 높을수록 처리할 수 있는 주파수 대역폭이 줄어듭니다.
그 결과, OP-amp로 제작된 프리앰프의 대부분의 스펙은 대역폭이 100kHz, 200kHz 등으로 가청 주파수 대역을 훨씬 초과하지만, 실제로 사용해보면 고음과 저음이 잘 나오지 않는 경우가 있습니다. 그러나 고급 OP-amp는 설계상의 극복을 통해 고음역과 저음역의 대역폭을 최대한 보존할 수 있습니다.
대부분의 오디오 인터페이스 내장 마이크 프리앰프는 OP-amp를 사용하는 회로가 많습니다. 그렇다고 해서 OP-amp 프리앰프가 나쁘다는 것은 아닙니다. OP-amp는 전력 설계와 방식 설계에 따라 하이엔드 프리앰프를 만들 수 있습니다. 또한 오디오 인터페이스 내장 프리앰프의 설계를 충분히 하이엔드 전원부와 구성 요소로 설계할 수 있으므로, 많은 하이엔드 오디오 인터페이스에서 하이엔드 설계의 OP-amp 프리앰프를 내장하는 경우가 종종 있습니다.6)
OP-amp(IC) 마이크 프리앰프의 경우 신호의 DC 바이어스 전압이 BJT나 진공관 방식에 비해 크지 않기 때문에 진공관이나 트랜지스터처럼 출력 트랜스포머는 필요 없습니다. 하지만 단동형 OP-amp 설계인 경우에는 밸런스 입력으로 들어온 신호를 언밸런스 신호로 변환해야 하므로 입력 트랜스포머를 사용하는 경우도 있습니다. 차동 입력 IC를 사용하는 경우에는 입력 트랜스포머가 필요 없습니다.
Focusrite ISA One
