임피던스 매칭과 신호 레벨의 매칭에 대하여.



임피던스란 교류 전류에 대한 저항으로 임피던스 매칭의 본래의 의미는 접속되어있는 기기의 출력과 입력 임피던스를 같게 하는 것입니다.

임피던스 매칭의 개념을 가장 많이 사용되는 예인 ‘가는 관과 굵은 관의 수압’에 비유하여 설명해보겠습니다.

가는 관은 수압이 높으므로 high 임피던스, 굵은 관은 수압이 낮으므로 low 임피던스로 간주할 수 있습니다. 가는 관으로부터 굵은 관으로 물을 흘려보내면 굵은 관의 수압이 분산되어 수압은 저하되고 물이 고이는 데에 시간이 걸리게 됩니다. 역으로 굵은 관으로부터 가는 관으로 물을 흘려보내면 분산되어 있는 수압이 집중되기 위하여 수압은 상승하여 물이 고이는 데에 시간이 걸리지 않습니다. 또 직경이 같은 관을 이어서 보내면 수압은 그대로 전달되므로 물의 흐름에 손실이 없게 됩니다. 이와 같이 이음배의 관의 굵기가 일정하면 물의 흐름이 원활한 것과 같이, 기기간의 임피던스가 같으면 전유의 흐름이 손실이 없게 흐르게 되는 것입니다.

현재의 고품질 음향기기는 임피던스를 100% 정확하게 맞출 필요는 없지만, 지키지 않으면 안 되는 몇 가지의 간단한 규칙은 엄연히 존재합니다.



먼저 마이크 혹은 CDP 등의 소스기기와 믹서(프리)의 접속에 대해서 이야기해보겠습니다.

모든 소스기기에는 회로 고유의 임피던스 값이 표기되어있고, 이는 저 임피던스(600옴)와 고 임피던스(600옴 이상 또는 100K옴)로 분류됩니다. 믹서 혹은 프리의 입력은 입력 또는 부하 임피던스를 가지고 있고, 소스 임피던스는 넓은 범위를 가지고 있는데, 이런 여러 가지의 형태의 출력을 믹서에서는 어떻게 처리할까요? 사실 임피던스 매칭이라는 단어는 대부분의 경우에 임피던스 워칭의 의미로 쓰입니다. 즉, 마이크나 소스기기의 소스 임피던스는 믹서의 입력 임피던스와 정확하게 같을 필요는 없습니다. 여기에서의 기본적인 원칙은 믹서(혹은 프리)의 입력 임피던스는 마이크 혹은 소스기기의 소스 임피던스 보다 5배에서 10이상 크게 하는 것입니다. 이 경우에 가장 안정적으로 입력소스를 받아들이게 됩니다.

따라서 소스 임피던스 250옴의 마이크의 경우에는 부하 임피던스가 1250옴에서 2500옴까지의 믹서(혹은 프리)의 입력에 접속되면 정상적으로 동작하게 됩니다.



이어서 믹서와 파워 앰프의 접속에 대해서 살펴보면,

마이크나 소스기기와 마찬가지로 믹서에도 출력소스 임피던스가 표시되어있고, 파워 앰프에도 입력 임피던스를 가지고 있습니다. 어떠한 형태에서도 기기를 연결할 때의 기본적인 법칙은 반드시 입력 임피던스를 출력 임피던스 보다 크게 해야만 합니다.

예를 들면, 출력 임피던스가 600옴의 믹서는 적어도 그 이상의 입력 임피던스를 가진 앰프에 연결해야 합니다. 이 원칙을 지키지 않으면 극단적인 왜곡이 발생하게 됩니다. 때문에 대부분의 파워 앰프 또는 딜레이, 리미터, 그래픽 이퀄라이저와 같은 라인 레벨 기기는 모든 믹서의 출력을 충분히 상회하는 입력 임피던스를 가지고 있습니다.



마지막으로 파워 앰프와 스피커의 접속에 대해서 살펴보면,

흔히 우리가 파워 앰프에서 잘못 알고 있는 것이 파워 앰프는 스피커의 출력 임피던스의 값이 아니고 최소한도의 부하 임피던스를 표시하고 있다는 것입니다.

여기에 일반적인 원칙은 절대로 그 앰프의 최소 부하 임피던스 이상이 되지 않도록 해야 하는 것으로, 그렇지 않으면 왜곡이나 경우에 따라서는 기기의 고장 원인이 됩니다.

스피커의 입력 임피던스는 보통 4,8,16옴으로 여러 개의 스피커를 연결하면 앰프의 부하 임피던스가 변하게 됩니다. 그러나 보통의 부하 임피던스는 8옴이고, 최소 부하 임피던스가 4옴의 파워 앰프에서는 부하 임피던스의 합계가 4옴 이하가 되지 않는 한 직병렬로 여러 대의 스피커를 연결할 수 있습니다.

다음의 기본 원칙은 기기에 손상 없이 최대한의 파워를 확보하여(하이파이에서는 모르겠지만 PA에서는 가장 중요한 사항 중 하나입니다), 완벽하고 안정한 조작을 하기 위한 것입니다.

1. 출력보다 입력 임피던스를 높게 한다.

2. 출력 임피던스가 높은 기기를 입력 임피던스가 낮은 기기와는 연결하지 않는다.

3. 기기 제조 회사의 제품 설명서에 명시되어 있는 경우에만 임피던스를 맞춘다.

4. 스피커의 부하 임피던스를 내리면 앰프가 내는 파워가 상승하게 된다. 그러나 제조사가 제시하는 최소 부하 임피던스 이하는 되지 않도록 주의 한다.

5. 입출력 임피던스가 맞지 않을 경우에는 트랜스를 사용하여 임피던스를 매칭시킬 수도 있다.



위의 기기간의 임피던스 매칭만큼이나 중요한 것이 신호 레벨의 매칭입니다.이어서 신호 레벨의 매칭에 대해서 이야기해보도록 하겠습니다.

먼저 음향 기기의 신호 레벨은 크게 3가지로 분류됩니다.

저 레벨 - 마이크나 기타 픽업 등의 저 레벨 기기의 신호는 mv 단위입니다.

라인 레벨 - 그래픽 이퀄라이저, 딜레이, CDP, 테이프 데크 같이 기기의 출력 레벨은 약 1V 전후입니다.

고 레벨 - 고 레벨 기기는 라인 레벨보다 높고, 파워 앰프에 의해 스피커에 100W 이상 공급하며, PA시스템의 기준 레벨인 85dB를 발생시키는 경우의 스피커 레벨은 4V정도입니다.



오디오 시스템에서 음질에 가장 많은 영향을 주는 것이 기기의 레벨 매칭입니다. 레벨 매칭이란 각 소스의 출력 레벨을 너무 높지도 않게, 또는 너무 낮지도 않게 조정하여 최적의 상태로 입력을 조작하는 것으로 레벨 매칭이 제대로 이뤄지지 않을 경우 왜곡과 잡음이 생기게 됩니다.

입력의 한계를 넘게 신호를 공급하면 왜곡이 발생하게 됩니다. 기기의 입력 한계 레벨보다 신호가 높아지면 왜곡 역시 커지게 됩니다.

대부분의 전자 회로는 히스 노이즈가 존재하는데, 이것을 가우시언 잡음이라 하고, 험 노이즈와는 다른 음입니다. 이 잡음을 완전하게 억제하는 것은 불가능하지만, 높은 S/N비를 얻기 위해서 신호를 최대한으로 올립니다. 다시 말하면, 신호가 잡음보다 아주 높으면 잡음은 들리지 않게 됩니다. 입력 신호가 낮으면 S/N비가 낮아지고 히스 노이즈가 발생하게 됩니다.

예를 들어 믹서(혹은 프리)의 설명서에 다음과 같이 표시가 되어있다고 예를 들면,

- 최대 허용 신호 레벨 : 6V(+18dBV)

- 입력 감도 : 2mV(-52dBV)

여기에서 최대 허용 신호 레벨은 믹서가 왜곡 없이 동작할 수 있는 신호의 최대 허용치를 말하며, 입력 감도는 믹서를 조작하는 상에서 최소한으로 필요한 신호 레벨을 말하게 됩니다. 이 두 레벨강의 차이는 70dB입니다.

모든 믹서(혹은 프리)는 통상적인 레벨에서 가장 잘 작동하도록 설계되어 있습니다. 이 최적 레벨은 왜곡이 생기지 않으면서 S/N비가 최대가 되는 레벨입니다. 표준 조작 레벨과 클리핑(즉 왜곡되지 않는 최대 출력 레벨)레벨과의 파이를 헤드룸이라고 합니다. 헤드룸은 마치 자동차의 예비 파워와 비유해 볼 수 있는데, 예를 들어 고속도로의 법정 속도는 시속 100Km 이지만 성능이 좋은 차들은 스피드를 더 높일 수 있을 것입니다. 그러나 다른 차를 추월할 경우에는 엔진에 손상을 주지 않으면서 그 이상의 스피드를 내는 능력을 헤드룸이라고 이해하시면 빠르실 겁니다.

그러면 여기서 같은 믹서(혹은 프리)에 연결할 1개의 마이크와 1대의 CDP가 있다고 가정해보겠습니다. 이 마이크의 표준 출력은 2mV이며, CDP의 표준 출력은 6V입니다. 두기기를 믹서에 연결하면, 2개의 레벨은 믹서의 최대치와 최소치가 되므로 문제가 생깁니다. 믹서는 표준치이면 어느 단자이든 입력하여 조작이 가능하지만, 이것역시 문제가 생깁니다.

이 믹서가 표준치에서 마이크의 2mv에서 동작되도록 설계 되어 있으면, CDP를 사용하면 입력의 오버 드라이브와 클리핑이 일어나기 쉬우므로 음이 왜곡되기 쉽습니다. 그러나 반대로 그 믹서를 6V의 입력에도 동작하도록 설계되어 있으면, 마이크의 입력 전압을 상당히 높여야 하므로, 전자 노이즈 및 히스 노이즈의 원인이 될 수 있기 때문입니다.

EK라서 입력 레인지 레벨의 차이가 큰 경우를 대비하기 위하여 대부분의 믹서(프리)에는 트림, 게인, 패드 등의 많은 조정 기능을 갖고 있습니다. 이 조정 기능은 사용자가 최대한의 S/N비를 얻을 수 있도록 입력 신호 레벨을 조절하면서도 헤드룸을 확보하는 것입니다.

대부분의 라인 레벨 기기는 신호의 매칭을 간단히 할 수 있도록 입력과 출력 레벨이 표준화 되어있습니다. 일반적인 표준 입력과 출력의 레벨은 -20dB, -10dB, 그리고 +4dB입니다.

이 기기들은 대게 헤벨의 차이를 조정하기 위한 조정기기 전용의 입력 잭이 달려있는것이 보통입니다.



마지막으로 케이블과 임피던스에 대해서 얘기해보겠습니다.

케이블과 전선은 그 자체에 저항이 있고, 케이블이 길어질수록 저항 값은 커지고 신호의 흐름에도 영향을 주게 됩니다. 길이가 약 4.5m 또는 그 이상일 경우에는 어떤 특정한 주파수 대역의 신호를 다른 것보다도 잘 전달합니다. 이것은 정전용량이라고 하는 전기의 특성에 의한 것입니다. 긴 케이블로 고 임피던스 신호를 보내면 고역에서 손실이 생기고 roll off 되어 음질이 열화 됩니다. 저 임피던스를 긴 케이블로 보낼 때에도 역시 고역의 roll off가 되지만, 이 경우는 가청 대역 이상의 범위가 roll off 되는 것이므로 청감에는 영향을 주지 않습니다. 따라서 긴 케이블을 사용할 경우에는 저 임피던스 소스를 사용해야 합니다.

케이블의 전송 손실을 줄이는 방법은 다음과 같습니다.

1. 파워 앰프를 스피커와 최대한 가깝게 연결한다.

2. 규격에 맞는 스피커 케이블을 사용한다. AWG에 의한 케이블 저항 값은 숫자가 작을수록 전선은 두껍다. 예를 들어 #14는 #20보다 굵다.

3. unshield 형 케이블을 사용하여 스피커를 연결한다.



다음은 각 케이블의 저항 값과 규격을 나타낸 것입니다.



AWG 옴* 1000 500 250 125 100 50 25

#14 0.0052 5.20 2.60 1.30 0.65 0.52 0.52 0.13

#18 0.0131 13.10 6.55 3.28 1.64 1.31 1.31 0.33

#20 0.0207 20.70 10.35 5.18 2.59 2.07 2.07 0.352

#24 0.0524 52.40 26.20 13.10 6.55 5.24 5.24 1.31

*feet 당 케이블의 왕복 저항



다음은 1~3dB의 케이블의 길이에 따른 케이블 손실을 나타낸 것입니다.



AWG 2옴 부하 4옴 부하 8옴 부하

3dB -1dB 3dB -1dB 3dB -1dB

#14 159 47 319 94 637 188

#18 63 19 126 37 253 75

#20 40 12 80 24 160 47

#24 16 5 32 9 63 19



다음은 스피커에 대한 음압 레벨과 파워 출력에 주는 영향을 최소화하기 위해서, 임피던스가 다른 케이블 최대 길이를 나타낸 것입니다.



AWG 2옴 4옴 8옴

#14 25 50 100

#18 15 30 60

#20 10 20 40

#24 6 12 24



일반적으로 스피커 선에는 수백 와트의 높은 신호가 흐르게 됩니다. 마이크 선이나 라인 신호와 같이 낮은 레벨의 신호가 흐르는 경우와 달리 스피커 케이블을 흐르는 고 레벨 신고에 의해 전자장이 방출되어 인접 케이블에 영향을 주게 됩니다. 따라서 이러한 전자장의 영향도 충분히 고려된 케이블을 사용해야 할 것입니다.