현승석님이라는 분이 쓰신 임피던스 종합 글입니다.



보관해 두었다가 필요하실 때마다 한번씩 읽어 보시면, 아주 좋은 교재가 되리라 봅니다.



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오디오에서 임피던스 매칭

스피커와 앰프를 결정할때 앰프의 출력과 스피커의 감도 그리고 앰프의 구동력과 스피커의 부하가 서로 맞아야 엉뚱한 결과를 피할 수 있듯이 프리앰프와 파워앰프를 조합할때에도 전기적인 특성에 신경써야 한다.



요즘 시장에 나오는 대부분의 프리앰프나 파워앰프의 경우 평균적인 출력 임피던스나 입력 임피던스 값을 가지고 있어서 크게 문제가 되는 경우는 드물지만 하이엔드 오디오라는 것이 극단적으로 끝까지 추구하는 면이 있기 때문에 개중에는 별난 출력 임피던스나 입력 임피던스 값을 가진 제품이 존재한다.



본래 임피던스 매칭이란 수와트 출력의 앰프가 대단한 고출력이었던 시절, 그러니깐 지금 이 글을 읽고 있는 그 어떤 독자도 태어나기 훨씬 이전 아주 옛날에, 이 값비싼 출력을 최대한 전달하려고 송신단과 수신단의 임피던스를 매칭시키던 것에서 나온 개념이다. 따라서 요즘 사용되고 있는 오디오 기기에서 각각의 컴포넌트를 연결할때와는 목적이 다르다.



우리가 프리앰프와 파워앰프가 임피던스가 매칭이 안되서 재생음이 이상해졌다고 이야기 할때에는 프리앰프와 파워앰프의 임피던스가 일치하지 않아서 그렇다는 의미가 아니라 프리앰프의 출력 임피던스보다 파워앰프의 입력 임피던스가 충분히 크지 않아서 재생음이 이상해진 경우를 의미한다.



대부분의 프리앰프의 출력 임피던스는 100옴대 혹은 그 이하 값을 가지고 있고 파워앰프의 입력 임피던스는 50k 옴대 혹은 그 이상의 값을 가지고 있다. 이런 대표적인 프리앰프와 파워앰프를 연결했다면 임피던스때문에 재생음에 문제가 생기는 경우는 없다.



하지만 프리앰프의 출력 임피던스가 2k 옴이고 파워앰프의 입력 임피던스가 10k 옴이라면 이야기가 좀 틀려지게 된다. 이런 경우 인터커넥트의 커패시턴스 성분이 주파수가 올라갈수록 값이 낮아지는 저항역할을 해서 프리앰프로부터 파워앰프로 전달되는 신호의 중간에서 로우패스 필터 역할을 하게 된다. 따라서 파워앰프에 전달되는 고역성분의 신호가 감쇄되게 된다. 또한 파워앰프의 입력 임피던스가 낮으므로 그에따라 프리앰프에서 좀 더 많은 전류를 파워앰프에 보내야 하고 따라서 지난번 파워앰프의 구동력에서 설명한것과 비슷하게 프리앰프의 능력에 따라 파워앰프가 요구하는 전류를 충분하게 보내지 못하는 경우도 생길 수 있다.



이렇게 프리앰프와 파워앰프의 임피던스가 맞지를 않으면 고역이 감쇄되고 저역의 힘이 모자라고 다이내믹스가 줄어드는 재생음을 얻게 된다. 필자가 요번 달에 소개한 오더블 일루젼 프리앰프의 경우 라인단을 최대한 단순화 시켜서 버퍼부가 없으므로 출력 임피던스가 높아서 1.6k옴 정도 되는데 이런경우 최소 20k옴 이상되는 입력 임피던스를 가진 파워앰프를 연결해줘야 한다. 패스랩에서 나온 알레프 씨리즈 파워앰프는 입력 임피던스가 대부분 낮은것으로 되있고 제프 로우랜드의 몇몇 파워앰프의 경우 입력 임피던스를 하이(high)나 로우(low)로 선택할 수 있게 되있는데 이경우 자신이 무엇을 하고 있는지 모르는 애호가의 경우 안전하게 하이로 선택할 것을 권한다. 필자가 알고있는 어떤 애호가의 경우 제프 로우랜드 2 파워앰프 입력 임피던스를 로우(low) 즉 600옴으로 세팅하고 이것을 소닉 프론티어 SFL-2 프리앰프 (출력 임피던스 320옴, 밸런스 연결시) 와 연결해서 재생음이 이상하다며 고민에 빠졌던 분이 계신데 재생음이 이상하지 않았다면 더 이상했을 것이다. 어림잡아 파워앰프의 입력 임피던스가 프리앰프의 출력 임피던스보다 20배정도 ! 된다면 우리가 보통 사용하는 환경에서는 케이블의 커패시턴스등에 신경을 안써도 되고 무난한 조합이 된다.



임피던스 문제는 사실 파워앰프와 스피커 사이에도 존재한다. 파워앰프의 전기적 특성중 댐핑팩터라는 것이 앰프의 출력 임피던스와 스피커의 임피던스의 비가 되겠는데 (스피커 임피던스를 파워앰프 출력 임피던스로 나눈 값) 댐핑팩터가 작다면 즉 한자리 수 정도의 댐핑팩터를 가졌다면 당연히 스피커의 댐핑에 악영향을 끼치게 된다. 하지만 이 댐핑팩터를 무작정 크게 만드는 것은 의미가 없어지는데 이는 스피커 시스템 전체 댐핑중 파워앰프의 출력 임피던스가 미치는 영향이 다른 요소 예를 들면 스피커 보이스 코일의 저항등에 비해서 미미해지기 때문이다.



한때 몇몇 오디오 생산업체에서 댐핑팩터 크기가 수백이 넘는 앰프를 선보이면서 대단한 스피커 제어력을 가진듯 선전한 적이 있으나 이런 제품이 댐핑팩터가 수십정도 크기의 제품보다 몇 퍼센트 차이도 나지 않는 댐핑능력을 가지고 있다는 것을 깨달을 필요가 있다. 오히려 앰프의 출력 임피던스를 낮출려고 무리하게 네가티브 피드백을 많이 걸어서 청감상 훨씬 나쁜 재생음을 들려주는 형편없는 앰프가 될 확률이 크다.



요즘 시장에 나오는 파워앰프 출력 임피던스의 경우 3극관이나 몇몇 진공관 앰프를 빼고는 충분히 낮은 출력 임피던스를 가지고 있으므로 댐핑팩터에는 신경을 안써도 된다. 출력 임피던스가 높은 3극관이나 몇몇 진공관 앰프를 사용할때에는 스피커의 임피던스에 좀 더 신경을 써서 되도록이면 높은 임피던스를 가진 제품과 물려줄것을 권한다. 이는 스피커 댐핑을 고려한 것이기도 하지만 파워앰프 출력 임피던스와 스피커의 임피던스의 차이가 적을수록 스피커의 임피던스 변화에 따른 재생음의 변화가 커지기 때문이다.



스피커의 임피던스는 지난 번에 언급했듯이 우리 가청 주파수대에 걸쳐서 일정한 값을 가지는 것이 아니라 경우에 따라서는 큰 폭으로 변한다. 물론 예외는 있어서 던레비 스피커의 경우 재생 주파수대역에 걸쳐서 아주 평판한 임피던스 값을 가져서 "가장 저항에 가까운 부하" 라는 평을 듣고 있지만 어디까지나 특수한 경우라 볼 수 있고 대부분의 스피커는 주파수에 따라서 다른 값의 임피던스를 보여준다.



이렇게 큰 폭으로 임피던스가 변하는 스피커와 출력 임피던스가 높은 앰프를 물려주면 스피커의 재생음이 대충 스피커 임피던스 곡선과 비슷하게 그 크기가 주파수에 따라 변하게 된다. 이는 스피커에 흘러들러가는 전류가 스피커의 임피던스뿐만 아니라 앰프의 출력 임피던스의 영향을 받기 때문인데 앰프의 출력 임피던스가 높을수록 이 전류량의 오차가 커지게 된다. 이런경우 평탄한 재생음을 얻기란 요원해지고 스피커에 따라서 재생음의 주파수 반응이 크게 차이가 날 것이다. 이런 경우를 자신이 가지고 있는 파워앰프의 성능이 아주 뛰어나서 물려주는 스피커마다 그 스피커의 개성을 그대로 들춰내서 아주 큰 차이를 들려준다고 자랑스러워 하는 착각을 범해서는 안된다. 이것은 앰프가 뛰어나게 투명한 경우가 아니라 앰프하고 스피커하고 임피던스 매칭에서 실패한 경우가 되는 것이다.



프리앰프와 파워앰프 그리고 파워앰프와 스피커의 매칭시 임피던스의 영향에 대해서 간략하게 설명해봤는데 다음 기회에는 소스기기에서 임피던스 매칭에 대해서 알아보도록 하겠다.



[강좌] 돈으로 안되는 오디오(7)



1998 년 9 월 01 일, 00:06:25 현승석



소스기기에서 임피던스 매칭

오디오 시스템 조합시 프리앰프와 파워앰프 그리고 파워앰프와 스피커와의 임피던스 매칭에 이어서 이번에는 소스기기에서 임피던스 매칭 문제에 대해서 알아보자. 우선 라인단용 아날로그 신호를 출력하는 FM 튜너, 카세트덱, DAC, 포노전용 앰프와 프리앰프 (혹은 인티앰프) 연결시 프리앰프와 파워앰프와의 임피던스 매칭방식을 따르면 된다. 즉 소스기기의 출력 임피던스가 프리앰프 (혹은 인티앰프) 의 입력 임피던스보다 1/20 혹은 그 이하가 된다면 사용되는 인터커넥트의 전기적 성질에 신경쓰지 않아도 된다. 대부분의 소스기기의 출력 임피던스는 100옴대 혹은 그 이하이고 프리앰프나 인티앰프의 입력 임피던스는 50k옴대 혹은 그 이상이므로 문제가 되는 경우는 드믈 것이다.



소스기기에서 임피던스매칭에 신경써야 하는 곳은 디지탈 신호를 전송할때와 카트리지가 뽑아낸 작은 아날로그 신호를 전송할 때이다. 디지탈 신호는 분리형 디지탈 소스기기의 CD 트랜스포트와 DAC 사이에 S/PDIF 나 AES/EBU 혹은 몇몇 다른 방식에 따라 전송되고 카트리지가 뽑아낸 아날로그 신호는 포노전용 앰프나 프리앰프의 포노단 입력으로 전송된다. 그럼 먼저 카트리지 경우를 알아보자.



LP판에 파여진 홈을 따라 바늘이 진동해서 미세한 전기신호를 만들어내는 카트리지는 발전기에 해당한다고 볼 수 있다. 이때 카트리지의 코일은 전기적으로 인덕턴스 성분을 가지게 된다. 카트리지와 포노전용 앰프 혹은 프리앰프의 포노단까지는 케이블로 연결을 해야 하는데 이 케이블은 지난번에 설명한 대로 커패시턴스 성분을 가지게 된다. 포노전용 앰프나 프리앰프의 포노단의 입력 임피던스는 카트리지라는 발전기의 부하라고 볼 수가 있다.



이렇게 카트리지를 포노용 인터커넥트를 사용해서 포노전용 앰프나 프리앰프의 포노단에 연결한것을 전기적으로 단순화시키면 2차 로우패스 필터를 구성했다고 볼 수 있다. 그렇다면 당연히 가청 주파수내에서 감쇄가 일어나는지 또 이런 경우 공진점에서 신호가 강조는 안되는지를 확인해봐야 할 것이다.



2차 로우패스 필터의 크로스오버 주파수는 1 / (2*Pi*SQRT(LC)) 로 구할 수 있다 (여기서 Pi 는 3.14..., SQRT 는 제곱근, L 은 인덕턴스값(헨리), C 는 커패시턴스값 (패라드) 이다.) 보기를 들자면 슈어 V15VxMR 의 인덕턴스는 425mH 이므로 케이블의 커패시턴스가 300pF 이라 하면 (이것은 톤암 내의 케이블과 포노단 케이블을 합친 것이다) 위의 공식에따라 대략 14kHz 부터 감쇄가 시작한다는 결과가 나온다. 그런데 케이블의 커패시턴스가 100pF이라면 대략 24kHz 부터 감쇄가 시작하므로 300pF 경우보다는 가청 주파수내의 신호에 덜 영향을 끼치게 된다.



2차 필터에서 간과할 수 없는 특성으로는 Q가 있는데 단순하게 오디오 애호가 입장에서 해석을 하자면, 이 값이 1 보다 커지면 주파수 반응이 크로스오버 지점에서 평탄하지 못하고 강조가 된다고 보면 된다. Q 값은 R*SQRT(C/L) 로 구할 수 있는데 (여기서 R 은 임피던스값(옴)) 예를 들어서 슈어 V15VxMR 카트리지를 300pF 의 케이블로 50k옴 입력단자에 연결했다면 약 1.3 이 되어서 크로스오버 주파수부근에서 주파수 반응이 강조가된다고 알 수 있다. 보통 Q 값이 0.707 이면 최적이라고하는데 필자 생각으로는 대충 이것과 비슷한 값이라면 상관없어 보인다.



이와같이 카트리지의 인덕턴스 성분에 따라 되도록이면 가청주파수 대에서 감쇄가 일어나지 않도록 커패시턴스 성분을 조정해줘야 한다. 그런데 위의 공식에서 알 수 있듯이 L과 C의 곱의 크기가 작을수록 크로스오버 주파수가 높아지게 된다. 흔히들 MM 형 카트리지가 MC 형보다 커패시턴스라던지 입력 임피던스에 민감하다고들 하는데 이것은 MC 형 카트리지의 인덕턴스 성분이 MM 형보다 적어서 대부분의 경우 크로스오버 주파수를 가청주파수에서 멀리 떨어진 지점으로 밀어내기 때문일 것이다.



일반적으로 카트리지에 따라오는 사용 설명서에 보면 어떤 범위나 값의 커패시턴스와 입력 임피던스를 써야하는지 제시되어 있으므로 일반 오디오 애호가는 그것에 충실하게 따르면 된다. 그리고 포노전용 앰프나 프리앰프의 포노단에 입력 임피던스나 커패시턴스를 조정할 수 있게 되있는 경우 위에서 설명한 내용을 기초로 세팅을 바꾸어 봄으로써 자신이 원하는 음질로 조정이 가능해 보이기도 한다. 또한 MM 형 카트리지보다 MC 형 카트리지의 고역이 뛰어나다는 말만 믿고 엉뚱한 커패시턴스및 임피던스와 물려있는 MM형 카트리지의 이상한(?) 고역을 눈치채고 있지 못한 것은 아닌지 확인해볼 필요성이 있다.



오디오 시스템에서 케이블이 전송하는 신호는 대부분 가청주파수대의 신호이다. 하지만 예외가 딱 한가지 있는데 분리형 디지탈 소스기기에서 CD 트랜스포트와 DAC 사이에 디지탈신호 전송을 할때이다. 이 신호는 가청주파수대보다 훨씬 높은 주파수 성분을 가지고 있는 RF 전송영역에 해당된다.



RF전송이 된다면 특성임피던스를 고려해서 송신부나 수신부 그리고 전송케이블의 특성임피던스를 일치시키게 되어있다. 분리형 디지탈 소스기기가 처음 설계되던 때에는 설마 1 미터정도 신호를 전송하는데 특성임피던스를 일치시키는 것이 필요할까하고 의심했던 것도 사실이다. 또한 많은 오디오 설계자들이 RF쪽에는 문외한인 것도 사실이었다.



그래서 많은 분리형 디지탈 소스기기에 S/PDIF 신호 규격인 75옴 특성임피던스에 맞지않는 RCA 단자가 오로지 오디오에서 많이 쓰이고 있다는 이유하나로 채택되었다. 디지탈 케이블 역시 75옴 규격에 맞는 동축케이블이 아니라 보통 아날로그 신호를 전송하게끔 되있는 선재를 가져다가 쓰는 경우도 있었다. 이렇게 규격에 맞지 않는 커넥터와 선재를 쓰고는 디지탈 케이블도 재생음질에 영향을 끼치므로 투자를 아끼지 말아야 한다느니하는 주장들이 나오게 되었다.



특성 임피던스를 규격에 맞출수록 좋다는 것은 일루미나티라는 회사에서 RCA 단자를 최대한 75옴에 맞게끔 (일루미나티 RCA 단자는 75옴 특성임피던스를 RCA 암단자하고 결합하는 부분까지 유지한다고 한다. 일반적인 RCA 단자의 경우 구조적으로 연속적이지 못해서 임피던스 bump가 여러곳에 있을것이다) 만들고 선재역시 75옴 규격에 맞고 훌륭하게 쉴드 처리된 것을 채택해서 레퍼런스로 인정받게되면서 인식되기 시작한 것이다.



그래서 RCA 단자가 아니고 75옴 규격에 맞는 BNC 단자가 쓰여지게 되었고 (BNC 단자는 특성 임피던스가 50옴짜리와 75옴짜리가 있다. 전자는 보통 컴퓨터 네트워크에서 쓰이는 것이고 후자는 비디오 신호전송시 쓰인다. 아쉽게도 이 둘을 구분을 못하고 50옴짜리 BNC를 채택한 디지탈 소스기기나 케이블을 구경할 수도 있다) 요즘 소개되는 디지탈 케이블의 경우 75옴 규격에 맞췄다는 것을 강조하고 있다.



필자는 규격에 맞춘 커넥터와 케이블을 사용한다면 디지탈 전송시 케이블이 만드는 재생음의 차이는 없다고 본다. 디지탈 케이블이 재생음에 차이를 가져왔다면 그것은 케이블이나 디지탈 소스기기가 규격과 동떨어지게 만들어졌다는 증거라고 본다.



따라서 필자는 디지탈 케이블의 경우 여타 아날로그 전송용 케이블과는 달리 돈을 투자할 필요성을 전혀 못느끼고 있다. RF신호 전송은 분리형 디지탈 소스기기가 소개되기 훨씬 전부터 해오던 분야이고 이런 용도로 벨덴 이나 커나리 같은 회사에서 이미 좋은 동축 케이블과 규격에 맞춘 커넥터를 만들고 있기 때문이다.



분리형 디지탈 소스기기에서 디지탈 신호 전송시 S/PDIF 는 75옴 특성임피던스에 맞춘 BNC 단자와 동축선재를 사용하면 되고 AES/EBU 도 110옴 특성임피던스에 맞춘 단자와 선재를 사용하면 된다. 규격에 맞지 않는 RCA 단자를 쓴다거나 75옴도 아닌 이상한 선재를 재생음이 차이가 난다고 해서 좋다고 비싼돈을 주고 덮썩 구입하는 우를 범해서는 안된다. 또한 가능하다면 디지탈 소스기기 구입시 규격에 맞춘 단자를 사용하는지를 확인하는 것도 좋아보인다.



두 번에 걸쳐 오디오에서 임피던스 (디지탈 전송에서는 특성임피던스) 매칭문제에 대해서 설명을 했다. 이런 전기적 특성에 따른 사항은 반드시 지켜서 엉뚱한 재생음을 뽑는 실수를 미연에 방지해야겠다.









김창훈님께서 2003-09-25 12:38:25에 쓰신 내용입니다

: AV자료실에도 올려놓고...

: 주기표님의 가르침을 받았지만

: 아직도 잘 모르겠습니다...ㅠㅠ

:

: 지금까지 누가 물으면 저는

: 이론상이지만

: 스피커 입력 임피던스보다

: 앰프 출력 임피던스가 낮은 조합이면

: 더 좋다고 말씀 드렸죠.

: 순전히 이론상이고

: 그냥 4옴부터 8옴까지는

: 이게저게 그냥 섞여있어도 괜찮다는게

: 제 생각이었고요~

:

: 근데 이번에 하이파이, 에이브이 통합하면서

: 리시버를 선택했는데

: 저는 앰프의 출력 임피던스가 고정된 것인 줄 알고

: 온쿄 앰프를 구매했는데

: 주기표님의 가르침과

: 실용의 운영자님이 쓰신 말을 찾아보니

: (앰프의 규격표에서 8 ohms, 50 W/ch 0.05% THD 와 같은 출력 표시를 볼 수 있습니다. 이 뜻은 앰프의 저항이 8옴이란 뜻도 아니고 8옴의 스피커를 연결해야 한다는 뜻도 아닙니다. 이 앰프의 스피커 단자에 8옴 저항이나 8옴 임피던스를 가진 스피커를 연결하면 채널당 50 W 까지는 찌그러짐 0.05 %이내의 출력을 낼 수 있다는 뜻입니다.)

: 이런 말이 있어서

: 제가 잘못알고 있었다는 것을 알게 되었습니다.

:

: 그런데 한가지 더 의구심은...

: 분명 실용오됴 어딘가에서

: '스피커의 입력 임피던스보다 앰프의 출력 임피던스가 낮은 것이

: 이론적으로 낫다'는 것을 본 기억이 있습니다.

:

: 실용의 두 글이 모순이라고 생각하는데

: 제가 뭘 잘못 이해하고 있는 것이 확실한 거죠.

: (실용 운영자님은 이론적으로 빠삭한 분이니

: 틀렸을 리가 없고 제가 틀렸겠지요)

: 무엇에서 제가 혼동하고 있는 것인지

: 갈피를 잡아주세요~

:

: 혹시 이런 말인가요?

: 스피커는 결정이 되어있는 상태에서

: 앰프를 선택할 때

: 스펙에서 출력 임피던스가 더 작은 것을

: 선택하라는 말일까요?

: 그러면 같은 임피던스에서

: 출력이 작은 것을 선택하는 것이 되고 마는데...

: 에구~ 헷갈려...

:

: 고수님들,

: 한 수 가르쳐 주십시오(__)