게인 대역폭 관계, GBW, GBP

$$\text{게인} \times \text{대역폭} = \text{상수}$$

부귀환(Negative Feedback) 회로에서 증폭률(Gain)을 높일수록 신호를 처리할 수 있는 대역폭(Bandwidth)이 반비례하여 줄어드는 현상.

개별 소자(Discrete 회로) 환경¹⁾에서는 회로 설계자가 각 증폭단마다 주파수 보상을 유연하게 조절할 수 있어 GBW의 제약이 상대적으로 덜하다. 반면 집적도가 높은 대다수의 Op-Amp는 내부 다단 증폭 구조에서 발생하는 고주파 발진을 억제하기 위해 내부 위상 보상 커패시터를 필수적으로 탑재한다. 이 내부 보상 회로의 물리적 특성 때문에 Op-Amp에서는 GBW가 제품의 한계를 결정짓는 절대적인 스펙으로 작용한다.

다양한 Op-Amp들의 GBW

• VFB: 전압 피드백

외국 음악 장비 관련 매거진인 Sound on sound에서는 가끔 프리앰프들의 상세한 스펙 리뷰를 볼 수 있는데

그 중 Audient ASP880에 대한 내용에서

그림 1

위의 사진은 Audient의 ASP880의 Gain 측정 평가이다.

An expanded frequency response plot which illustrates how the low‑end extension changes with gain. The blue curve is at 0dB gain, with a ‑3dB of 5Hz, while the green curve shows a ‑3dB point of about 18Hz at 60dB of gain. Both are perfectly acceptable, of course, but an interesting observation nonetheless. The high-end response is flat within 0.1dB to well beyond 80kHz at all gain settings for the analogue Outputs. The digital Output response is determined by the sampling rate, of course: the response is ‑6dB at half the sample rate.

API의 312 프리앰프의 경우는

그림 2

위와 같은 게인 값에 따른 주파수 반응을 볼 수 있는데 특별히 60dB 게인에서는 아래와 같다.

그림 3

API의 312 프리앰프는 디스크리트 Op-Amp를 사용한 방식으로 유명하다. 디스크리트 Op-Amp 방식이기 때문에, GBW가 크게 나타나지 않는다는 특성이 있다.

NE5532 Op-Amp

그림 4

Tascam 8p dyna의 경우, 최소 게인이 -4dB에서 최대 50dB까지 게인이 가능한데, 그중 최소 게인 값에서의 주파수 반응이 파란색 곡선, 최대 게인 값에서의 주파수 반응이 빨간 곡선이다.

6 BJT 트랜지스터, 트랜스포머리스

그림 5

• 현존하는 프리앰프 설계 중 최상위급

그림 6

그림 7

The frequency response at 60dB gain shows a gentle roll off above 10kHz, reaching ‑3dB at 35kHz. Pretty good for a 50‑year‑old design full of transformers!

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The overall frequency responses for a mic input with 50dB gain (green), and line input at 0dB gain (blue). Note the greatly expanded amplitude axis, which exaggerates the 'bass bump' and HF resonance due to the input transformers. The -3dB points are around 6Hz and 75kHz for both, and flat within 0.5dB between 20Hz and 20kHz.

토핑 오디오 인터페이스의 프리앰프 측정

• https://www.youtube.com/watch?v=CHJGwVBGPXE

75% 게인 까지는 평탄함을 유지하고, Max 게인에서는 고역대의 대역폭이 많이 사라짐

그림 12

그림 13

THAT1580 Op-Amp

Arturia 오디오 인터페이스의 프리앰프 측정

• https://www.youtube.com/watch?v=jYND0wZzbas
• 최대 게인으로 설정해도 20kHz 이상까지 거의 평탄함을 유지하는 하이엔드 마이크 프리앰프
• THAT158X 와 같은 전류 피드백 방식의 IC Op-amp는 GBP의 영향을 거의 받지 않는다.

그림 14

그림 15

그림 16

아날로그 장비의 비선형성

• https://en.wikipedia.org/wiki/Gain%E2%80%93bandwidth_product