집 화장실 양변기의 뒤를 보면 물통이 있는데, 뚜껑을 열어 보면 물이 차있습니다.

일을 보고 레버를 누르면 그 물이 오물을 휩쓸고 내려간 후, 수돗물이 나오면서 다시 차오릅니다.

지렛대 끝에 물에 뜨는 공이 있고, 중간에 밸브가 있습니다.

물이 거의 다 차면 밸브가 잠겨지면서 수돗물이 점차 작게 나오다가 결국에는 안나오게 됩니다.

아파트 시공시 같은 변기 모델을 설치했을 것입니다.

수압이 다르기 때문에, 물이 다 차는데 걸리는 시간은 꼭대기층이 1층보다 오래 걸리기는 하지만, 그 물통 바닥에서 부터 물이 다 차올랐을 때의 높이는 다 마찬 가지입니다.

오차가 1센티미터 정도 밖에는 안될 것입니다.

일종의 자동제어입니다.

앰프의 출력단 회로도 마찬가지로 자동제어입니다.



이에 착안해서 아래와 같은 그림을 그려보았습니다.








그림의 윗 물통 빨간선은 플러스 쪽 전원전압, 아랫 물통 파란선은 마이너스 쪽 전원전압입니다.

중간 물에 뜨는 공, 지렛대, 밸브들로 이루어진 부분의 초록선은 목표전압을 나타냅니다.

프리앰프단에서 지령을 내리는 목표전압은 시시각각 달라지지만, 앰프의 전자회로는 그 동작속도가 엄청나게 빠르기 때문에 일정 목표전압이라고 해도 마찬가지일 정도입니다.



오른쪽의 주둥이가 출력단입니다.

물이 많이 나가면 물에 뜨는 공이 살짝 내려가면서 윗밸브가 열립니다.

아랫쪽 밸브는 잠기면서 아랫 물통으로 내려가는 물이 막힙니다.

오른쪽으로 물이 더 많이 나가면 수위가 살짝 더 내려가기 때문에 윗밸브가 더 활짝 열리고, 아랫밸브는 더 꽉 잡깁니다.

복잡해서 안 그렸지만 밸브와 지렛대 사이에는 스프링 같은 것이 있어서 아랫밸브가 완전히 꽉 잠겼을 때도 윗 밸브는 수위에 따라 더 활짝 열릴 수 있다고 생각해 주시기 바랍니다.



이번에는 오른쪽 주둥이에서 물이 거꾸로 들어온다고 해보지요.

수위가 살짝 올라감에 따라, 윗밸브는 잠기고 아랫밸브는 열립니다.

대충 오른쪽 주둥이에서 들어온 물의 양만큼 아랫물통으로 물이 쏟아져 내려갑니다.



오른쪽 주둥이 쪽에서 보면, 물을 많이 뽑아내나, 물을 거꾸로 집어넣으나 중간물통의 수위가 별로 변하지 않으므로 수압이 마찬가지라서 중간 물통의 크기가 굉장히 큰 것처럼 보입니다.

물이 드나드는 양에 대해 수압이 얼마나 변하는지가 출력 임피던스에 해당하는 것입니다.

수압이 별로 변하지 않으므로 출력 임피던스가 작은 것입니다.



출력임피던스가 작다고 이 시스템에서 에너지 손실이 작은 것은 아닙니다.

윗물통에서 중간물통까지 내려오는 물이 잃어버린 위치에너지는 물높이의 차이 곱하기 지나간 물의 양입니다.

오른쪽 주둥이에서 물이 들어오는 경우에는 중간물통과 아랫물통의 물높이 차이 곱하기 지나간 물의 야이겠지요.



위쪽 밸브에 해당하는 것이 실제 앰프에서는 NPN 트랜지스터나 N-채널 MOSFET,

아랫 밸브에 해당하는 것은 PNP 트랜지스터 혹은 P-채널 MOSFET 입니다.

달링턴 비슷한 접속으로 N-형 반도체로 P-형 반도체를 흉내내기도 합니다.



위 그림의 예로는 오른쪽 주둥이에서 드나드는 물의 양에 따라 중간 물통의 수위가 조금 오르락 내리락 합니다.

일반적인 실제 트랜지스터 앰프에서는 이 밸브들을 엄청나게 민감하게 만들 수 있기 때문에 목표전압과 거의 일치하는 출력전압을 내보냅니다.

댐핑팩터가 무지막지하게 큰 것이지요.



이 글에서 출력임피던스가 작은 이유, 앰프내부에서 발생하는 에너지 손실에 대해 말씀드렸습니다.

둘 사이에 직접적인 관계가 없는 것은 쉽게 눈치를 채실 것이라 생각합니다.

출력임피던스는 동저항 (다이내믹 레지스턴스) 이기 때문입니다.