파워앰프
파워앰프는 컨슈머 레벨이나 라인 레벨로 증폭된 신호를 다시 스피커를 구동할 수 있는 전력 레벨인 스피커 레벨로 증폭하는 장치이다. 즉, 파워앰프는 전압(Voltage)을 이용한 정보로만 이루어진 오디오 신호를 스피커를 구동할 수 있는 전력(Watt)로 변경하여 증폭한다.
파워앰프의 유형:
Power Amp
A power amplifier is a device that amplifies audio signals, which can be at consumer-level or line-level, into speaker-level signals, allowing them to drive speakers. In other words, a power amplifier takes audio signals composed of voltage and transforms them into power, measured in watts, to drive speakers.
- Headphone Amplifier: A device that amplifies consumer-level signals for use with headphones.
앰프 규격
Amplifier Class1)
프리앰프나 헤드폰 앰프의 경우는 거의 대부분 Class-A 로 제작되지만, 파워앰프의 경우는 Class-A 방식은 전력 효율 때문에 거의 사용되지 않는다. 그래서 Class-A 방식은 파워앰프보다는 프리앰프의 설계로 많이 사용되며, 파워앰프는 주로 Class-AB 방식이 많이 사용되고, 현대적인 파워앰프는 Class-D 방식으로 만들어지는 경우가 많다.
Conduction angle
Class A
입력 신호에 순수한 DC 바이어스를 걸어서, 증폭하는 방식. 신호의 왜곡이 거의 없으나, DC 바이어스를 아주 높게 걸게 되므로 전력 효율이 떨어지게 된다. 일반적으로 Class-A 앰프의 전력 효율은 20~30% 수준이다. 진공관의 경우는 플레이트 전압을 높게 주고 바이어스 전류를 주는 방법을 사용한다.
마이크 프리앰프들은 대부분 이 방식을 사용한다. 또는 풀 진공관 기타 앰프 중 클린톤이 좋아야 하는 앰프들이 이 방식을 많이 사용한다. 2)
Class B
입력 신호의 + 측에 +방향의 DC 바이어스를 걸고 , - 측에도 - 방향의 DC 바이어스를 각각 걸어서, 각기 증폭하는 방식
Class-A 보다 걸어야하는 DC 바이어스가 절반이므로3) 전력 효율은 좋다. 일반적인 Class-B 앰프의 전력효율은 50% 정도이다. 신호의 +와 -의 경계면 부근의 왜곡이 생성된다.
엄밀히 말하면, 파형의 한쪽 방향만 증폭하는 것이 Class-B 방식이고, 이 회로를 2개를 사용하여 파형의 양방향을 모두 증폭하도록 만든 것을 Push-pull 설계라고 한다. 하지만, 아무리 푸쉬풀로 설계를 해도 파형의 교차 부분이 심하게 왜곡되므로 음질이 좋지 않다.
Class AB
파형의 교차점을 증폭하는 Class-A 회로와 양쪽으로 동작하는 Class-B 회로 2개를 융합한 방식. 이러한 작동 방식 때문에 일반적으로 Class-AB를 Push-Pull이라고 부른다.
입력 신호의 + 측에 +방향의 DC 바이어스를 걸고 , - 측에도 - 방향의 DC 바이어스를 각각 걸어서4), 각기 증폭할 때, 살짝 바이어스를 더 걸어서 +측과 -측의 경계면이 어느 정도 서로 겹치게 하여 증폭하는 방식. 따라서, Class-AB의 바이어스는 Class-A에서의 바이어스와는 살짝 다르게 동작하게 된다. 즉 Class-A에서는 증폭 한계치를 설정하는데 사용하지만, Class-AB에서는 0V 인근의 파형의 겹치는 정도를 결정하게 되므로, 이것이 높을 수록 파형의 원 재현율이 올라가게 된다.
전력 효율은 50~70% 사이로 Class-A보다 좋고 Class-B 보다 떨어진다. Class-B보다 신호의 왜곡이 적다.
스튜디오 모니터 스피커의 파워앰프에 주로 많이 사용된다. 기타 앰프 중에 출력이 커야 하는 앰프들이 주로 이 방식을 사용하기도 한다.5)
Class D
입력된 신호를 PWM 신호로 전환한 후, 해당 PWM 신호를 증폭한 다음, 다시 PWM 신호를 PWM to Wave 컨버터 회로를 사용하여 다시 오디오 신호로 전환한다.
Class-D 앰프의 설계는 SMPS(교류 전기를 감압한 후 직류로 정류)의 설계를 역으로 생각하면 이해하기 쉬울 수 있다.
전력 효율이 90% 이상으로 매우 좋으며, 신호의 왜곡도 적으나, PWM 신호를 다시 오디오 신호로 전환하고 나면 고주파 잡음이 매우 많기 때문에 로우 패쓰 필터를 사용해야 하는데, 이 때문에, 고역대의 손실이 발생한다. 고역대의 손실을 피하기 위하여 PWM 신호의 주파수를 매우 빠르게 하여 로우 패스 필터가 시작되는 지점을 가청 주파수 바깥쪽으로 밀어내면 되지만, PWM 주파수가 높을수록 전력 효율이 떨어지기 때문에6) PWM 주파수와 전력 효율 사이에서 최적점을 찾아야 한다. 하지만 최신의 기술로 이런 단점을 해결하는 방식이 많이 나와주고 있다.
특유의 PWM 으로 전환하는 방식과 해당 PWM 신호가 특정 클럭을 가지고 있는 점 때문에, 종종 PWM(PCM과 철자가 비슷?), Class-D(D?Digital?)라는 명칭과 엮어서 “디지털 앰프“라고 오해를 하는 경우가 있는대, Class-D와 디지털은 전혀 관련이 없다. Class-D 앰프는 디지털 데이터를 직접 받아서 처리할 능력이 없다. 디지털 입력을 가지는 Class-D 방식의 앰프나 스피커도 당연히 D/A 컨버터는 내장되어 있어야 한다.
전력 효율이 매우 좋기 때문에, 최근의 SR, PA용 대형 앰프7), 또는 베이스 기타 용 앰프8), 차량용 카 오디오9)에 많이 사용되고 있다.