Power amplifier feedback 이거 왜 하나?

Written by Keith
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Power amplifier feedback을 웬만한 오디오 앰프에서는 다 한다. 안할 것 같이 생긴 회로에서도 다 한다. 요새야 낱개의 TR로 앰프를 잘 만들지 않고 IC를 쓴다거나 아예 class D 앰프 칩을 가져다 쓰는 게 보통이라 피드백을 안하는 것 같지만 칩 내부에서 피드백을 하게 되어있다.

피드백이 뭔데? 쉽게 말해서 일단 출력을 만들어 내 본 다음에 그게 원하는 특성과 어긋나는 정도를 앞으로 되돌려 보낸다는 뜻이다. 그 만큼 입력에서 빼주면 출력은 다른 모양으로 변화하게 될텐데, 그게 또 원하는 모양과 얼마나 어긋나는지 계속해서 되돌려보내게 되면 언젠가는 수렴하게 되든가 아니면 발진 혹은 발산해서 문제가 발생하거나 할 것이다.

어쨌든 피드백을 해서 발산하는지 안하는지는 설계 시점에서 미리 고려를 했다거나 아예 피드백을 처음 시도했을 땐 이렇게 저렇게 연결해보다보니 발견하게 되었을텐데, 일반적으로 이 피드백은 negative feedback이라고 해서 출력의 반대 방향으로 보내주게 된다. 무슨 말이냐면 출력이 원하는 것보다 크면 -방향으로 피드백을 날리고 작으면 +방향으로 피드백을 날린다. 이게 반대가 되면 사실상 발산하게 된다. 피드백이 느리면 사이렌소리가 날테고 피드백이 빠르면 단박에 죽어버리든가 하겠지.

오디오 앰프에서 피드백을 왜 하게 되었는가 찾아보면 과거의 진공관 앰프로 거슬러 올라간다. 진공관으로 막연히 증폭회로를 꾸민뒤에 스피커를 연결했더니 당췌 저음이 벙벙 거리는 것을 감수할 수 없을 정도였다고 한다. 여기서 짚고 넘어가야 할 것이 스피커라는 것이 절대로 평탄한 주파수 특성을 가지고 있지 않다는 것이다.

모양으로 봐서 알겠지만 스피커는 마치 드럼과 같은 진동계라 스피커의 구경에 따라 자기가 좋아하는 진동수가 있어서 그 진동수(주파수)로 공진하는 것을 좋아한다. 그냥 눈으로 딱 봐도 구경이 크면 클 수록 저음으로 공진할 것 같다라는 생각이 들텐데 그러하다.

여기서 대충 감이 올텐데 아무 생각없이 전력을 증폭해서 스피커에 넘기게 되면 스피커가 공진하기 좋아하는 주파수의 소리는 도드라지게 되고 아닌 소리는 작게 들리거나 아예 안들리게 된다. 얘기가 좀 벗어나는데, 특히나 저음은 스피커에 전류를 상대적으로 많이 흘리는 거라 전원부가 부실하면 저음이 잘 나지 않는다. 이게 무슨 소리냐 할텐데 전원단에서 스피커로 전류를 흘리게 될때는 전원단도 하나의 시스템이라 전류가 많이 빠져나가면 전압이 떨어지는 것을 막을 수가 없다. 이것을 막아주기 위해서 큰 캡(콘덴서)을 달아서 전류를 미리 담아놓고 비상시에 대비하게 되는 것이다.

어쨌든 전원이 부실하다는 것은 갑자기 부하가 큰 전력을 끌어쓸 때 휘청하는 일이 잦다는 것으로 저음으로 전력을 팍팍 끌어쓸 때 전원이 휘청 휘청 한다는 말은 저음이 약하게 나오게 되기도 하고 휘청 휘청하는 주기가 문제의 저음과 맞아떨어져서 아예 둘다다 발진해버리기도 한다.

무슨 말이냐면 저음을 내기 위해 전류를 확 끌어당겨서 전원부가 휘청했고, 그때 전압이 떨어지게 되는데 그 떨어진 전압이 앰프 전압을 떨어뜨리고 그래서 전류를 덜 끌어쓰게 되니 전원부의 캡에 다시 에너지가 고이게 되고 그렇게 에너지가 고이면서 전압이 올라가니 또 저음이 많이 나오게 되고 이런 식으로 계속해서 원치 않게 되물림이 되다보니 발진을 하게 되는 수도 있다는 것이다.

이 결과 저음이 별로 없음에도 스피커의 우퍼가 벌벌벌 떨게 되는 경우가 발생한다. 피드백 회로가 엉성하다거나 피드백을 아예 안하는데 전원 회로도 부실하다 하면 딱 이꼴이 나는 것이다.

그래서 출력단의 전압을 잡아다가 그것을 적당히 떨군 뒤에 반대 부호로 입력으로 전달해주게 되면 이러한 발진을 막을 수 있게 된다. 무슨 말이냐면 출력단의 전압이 너무 크게 잡히면 그것만큼 되돌려지는 -전압이 커지게 되므로 입력이 줄어들고 출력에 너무 작게 잡히면 +로 크게 되돌려지니 평형을 이루게 한단 말이다. 어느 쪽으로? 주파수 영역쪽으로 말이다. 시간 단위에서 이것을 적용하지 않는 것은 아날로그 회로에서 피드백은 빛의 속도로 이루어지기 때문이다. 어쨌든 이렇게 되돌림으로 해서 일종의 EQ가 형성되는 것이다. 스피커의 공진 특성이 무엇이든간에 평탄하게 출력을 내게 해준다는 뜻도 되고, 전원단이 부실해도 안정된 소리를 내게할 수 있다. 다만 출력은 떨어지게 되는 것은 어쩔 수 없다.