임피던스에 대한 이해..

블로그에 임피던스에 대한 얘기를 아무 생각 없이 흘려 적었는데 방문자 수가 이 부분에 집중하는 듯 하여 다시 적어보기로 한다. 임피던스(impedance)는 교류 흐름을 방해하는 성질을 나타내는 말이다. 일반적으로 알고 있는 전류의 흐름을 방해하는 성질인 ‘저항(resistance)’과 다른 이름을 갖는 것은 교류 전류를 방해하는 것이 단순히 저항 (흔히 직류 저항이라고 함) 성분 때문이 아니라 이와 성질이 다른 성분(리엑턴스(reactance)-교류에 반응하는 성질)도 포함이 되어있기 때문인데, 이것들의 정의부터 이야기해서 임피던스를 통째로 이해시키려하는 것은 쓰는 사람이나 읽는 사람이나 부담스러울 것 같다. 쉽게 이해하기도 어렵고 말이다. 단순히 말해서, 임피던스는 그냥 일반적인 전기 신호 (교류를 포함한)에 영향을 미치는 저항 성분이다 라고 생각하면 좋을 것 같다. 엄밀히 말하면 직류 저항도 임피던스라는 개념 안에 포함이 되는 것이다. 그러나, 특별히 임피던스라고 얘기하는 것은 흘리는 전류가 직류일 때와 교류일 때가 저항치가 다르고, 일반적인 교류 신호를 놓고 보자면, 주파수에 따른 저항성분이 주파수 마다 다르기 때문에 주파수에 따른 함수라고도 볼 수 있다. 평소에 자주 마주하는 임피던스라는 용어는 주로 입력 임피던스와 출력 임피던스라는 말인데, 임피던스라는 용어의 뜻도 이해할까 말까인데 여기에 출력이니 입력이니 붙여놓으면 더 어리 둥절하게 된다. 그래서 이 용어들의 뜻 부터 알아보는 것이 좋겠다.

• 입력 임피던스 입력단에 흘러들어가는 전류 흐름을 방해하는 정도. 따라서 입력 임피던스가 작으면 이 입력단에 연결되는 장치로부터 입력단으로 어느 정도의 전류가 흘러들어간다는 뜻이고, 입력 임피던스가 크단 얘긴 입력단으로 거의 전류가 흘러들어가지 않는다는 뜻이다. 따라서, 입력 임피던스가 작은 기기에 전류 출력이 미미한 장치를 연결하면 그 장치로부터 전류가 흘러들어가면서 본래 전달하려고 했던 신호 (=전압)에 문제가 생기게 된다. 임피던스라는 것이 직류 전류를 딱 얼마만큼 방해하는 것이 아니라 교류 신호의 주파수에 따라 방해하는 정도가 다르기 때문이다. 따라서, 그 임피던스를 주는 것의 정체가 어떤 것이냐에 따라 저음이 빠지게 되느냐 고음이 빠지게 되느냐가 결정되는데, 어쨌든 원래의 음에 왜곡이 생기는 것이다.
• 출력 임피던스 출력단으로 빠져나가는 전류 흐름을 방해하는 정도를 나타낸다. 출력단으로 빠져나가는 전류량이 많으면 많을 수록 더 많이 방해(=출력을 받는 장치에 걸리게 되는 전압이 떨어지게 됨)하게 된다. 따라서 출력 임피던스는 낮으면 낮을 수록 원래 신호를 고스란히 잘 보낼 수 있게 된다. 반대로 출력 임피던스가 크면 원래 신호가 최대한 덜 손실되게 끔 입력 임피던스가 높은 장치에 연결해야 한다. 이것을 음향 장치의 힘이 어떠냐/드라이빙 능력이 어떠냐로 구분해서도 생각해 볼 수 있다. 쉽게 말해서 튼튼한 전원장치를 가지고 증폭 소자가 큰 전류를 맘놓고 흘릴 수 있다면, 출력 임피던스를 낮출 수 있다는 뜻이 된다. 반대로 전원의 힘이 약하거나 아예 없다면 출력 임피던스를 낮게 만들래야 만들 수가 없다. 그렇게 하려면 전압이나 전류 둘 중 하나는 손해를 봐야 한다. 이걸 변환하는 장치가 트랜스포머가 되겠다. 전달하는 전력 (전압 X 전류)는 같지만 (트랜스포머 효율이 1이라고 봤을 때) 그 비율을 변화시키는 것이다. 따라서 트랜스포머의 입력단의 임피던스는 크고 출력 임피던스를 낮게 해서 소위 ‘임피던스 매칭’을 한다고 치면, 입력단의 전압이 출력단에 나타날 때는 그 변화분 만큼 줄어나타난다. 반대로 입력단으로 전류를 조금 흘려 보낼 수 밖에 없었지만(임피던스가 높았으므로) 출력으로는 전류를 더 흘려내보낼 수 있게 된다. 그래서 우리가 마주하게 되는 임피던스라는 용어는 티비나 오디오를 간단하게 모델 했을 때, 거기서 나타나는 저항 성분이 얼마인가를 의미하고, 더 나아가서는 어떤 기기와 연결을 해야 하는지를 의미한다고 보면 좋을 것이다. 더 이해하기 쉽게 말하자면 다음과 같이 예를 들어볼 수 있을 것 같다.
  1. 출력 임피던스가 작아요. : 작은 임피던스의 부하를 다룰 수 있을 만큼 전류 드라이빙 능력이 좋다. 스피커처럼 작은 임피던스의 부하를 다루는 파워앰프의 출력단을 생각하면 됨. 좋다는 뜻임.2. 출력 임피던스가 큽니다. : 작은 임피던스의 부하를 연결하면 전압이 떨어지고 원하는 출력이 나오지 않는다. 전류 드라이빙 능력이 좋지 못하다. 힘이 없다. 입력 임피던스가 큰 장치들과만 연결해야 함. 안 그러면 음손실이 발생함.3. 입력 임피던스가 큽니다. : 큰 임피던스의 소스를 연결하더라도 손실이 별로 없이 입력을 받을 수가 있습니다. 출력이 빌빌한 센서로부터 보내오는 신호라도 잘 잡아낼 수 있습니다. 입력단이 감도가 좋고 입력 장치의 출력 임피던스에 크게 영향 안받는 다는 뜻. 4. 입력 임피던스가 작습니다.:출력 임피던스가 작은 장치 (전류 드라이빙 능력을 어느 정도 갖춘 장치)와 연결해야지 그렇지 않은 장치와 연결하면 신호 왜곡이 생길 수 있다는 뜻임. 아무 장치나 연결했다가는 신호 손실이 생긴다는 뜻임. 따라서, 입력 임피던스는 크면 클 수록, 출력 임피던스는 작으면 작을 수록 사용자가 생각할 수 있는 문제가 줄어든다. 대개 전원이 들어있는 음원 장치들은 출력 임피던스가 낮고, 그렇지 않은 장치들은 출력 임피던스가 크다. 또, FET라든가 진공관으로 만든 증폭기들은 입력 임피던스가 크다. 요새 대부분의 opamp들은 초단이 FET로 되어있어 입력 임피던스가 크다. 또 전원을 매우 효율적으로 사용해서 출력 임피던스도 낮다.