(번역) 오디오에서의 임피던스 매칭

(* 이 글은 ‘Impedance Matching of Audio Components’의 내용을 번역한 내용입니다. [원문링크]. 오역이나 의역이 존재할 수 있습니다.)

초기 하이-파이 음악 시스템에서는, 장비의 임피던스를 일치시켜 주는 것을 중요하게 여겼는데, 출력 트랜스포머와 프리앰프를 거친 마이크의 소리가 스피커를 구동시키기 위해선 최적화가 필요했기 때문입니다. 오늘날의 증폭기의 통합된 솔리드 스테이트 회로는 대부분 이 문제를 해결했기 때문에, 여기서는 임피던스 매칭이 유효한지에 대한 몇가지 관점을 파악하고자 합니다.

일반적으로, 증폭기나 안테나와 같은 능동형 장치에서 외부로 전력이 전달될 때, 외부 기기와 전력원의 임피던스가 일치해야 최고의 효율을 나타냅니다.이 때의 전달율은 전체 전력의 50%로, 파워앰프와 스피커의 임피던스가 일치할 때입니다. 부적절한 임피던스 매칭은 과도한 전력 사용, 소리의 찌그러짐, 노이즈 등의 문제를 일으킵니다. 부하측(스피커) 임피던스가 지나치게 낮으면, 적절한 레벨로 구동하기 위해서 전원측(파워앰프)은 과도한 전력을 요구합니다. 반면에, 오디오 재생 회로의 최우선 과제가 신호의 고음질 재생이라면, 최적의 전력 전송만을 필요로 하지는 않습니다.

오늘날의 전자기술은 수백 개에서 수천 개의 능동 트랜지스터 소자들을 집적회로(IC)로 구현해 대체합니다. 이를 통해 증폭기의 성능이 입력측과 출력측의 임피던스로부터 일정 범위 안에서 자유로워 질 수 있었습니다.

입력부에서, 증폭기는 임의로 높은 임피던스를 갖도록 할 수 있는데, 그래서 마이크는 자체 임피던스 보다 높은 임피던스로 연결됩니다. 증폭기와 마이크 사이에 임피던스 매칭이 최적화 되어있지 않더라도 문제가 되지 않는 것은, 증폭기가 입력 전압을 더 크게 바꿔주기 때문입니다. 오늘날에는 이를 입력 전압을 더 큰 전압 형상으로 “브리징” 한다고 합니다.

출력부에서, 확성 스피커는 보통 8옴 정도의 임피던스를 가지는데, 예전에는 증폭기의 출력부가 8옴에 맞춰져야 했습니다. 하지만 오늘날의 오디오 증폭기의 능동형 출력 회로는, 출력 임피던스를 효과적으로 낮출 수 있습니다. 능동 회로를 통한 스피커로의 출력 전압 조절은 적절한 파워가 전달될 수 있도록 합니다.

임피던스 매칭

증폭기와 확성 스피커를 매칭하기

증폭기와 같은 능동 장치에서 스피커와 같은 외부 장치에 최고의 전력을 보내기 위해선 외부 장치의 임피던스가 소스와 같아야 합니다. 증폭기와 스피커의 임피던스가 일치할 때, 전력의 전달 효율은 50% 입니다.

하지만 오늘날의 오디오 증폭기는 능동 조절 장치이므로, 증폭기와 스피커의 임피던스를 일치시키는 것은 최고의 방법으로 고려되지 않습니다. 오늘날의 반도체 증폭기는 “브리징” 장치라고도 하는데, 오디오 입력 신호를 출력 전압만큼 증폭시켜주기 때문입니다. 출력 임피던스는 낮고, 출력 전압과 전력은 동적으로 조절됩니다.

간단히 증폭기의 출력과 스피커를 가정하여 기준으로 삼는 것이 도움이 될 것입니다. 예를 들어, 증폭기에서 왜곡이 일어나지 않는 최대 크기의 전압이 40 볼트라고 합시다:

스피커 매칭 1

극단적으로 단순화 되었다는 것을 다시 한 번 말씀드리자면, 확성 스피커는 고정된 저항을 가지고 있지 않습니다. 스피커는 코일 혹은 유도용량을 지닌 코일을 포함하고 있고, 두 개나 세 개의 드라이버 유닛이 정전용량과 유도용량을 가진 크로스오버 네트워크로 연결되어 있습니다. 그래서 스피커의 임피던스는 필연적으로 주파수에 따라 변화합니다. 위에 나타난 것과 같은 특성을 가진 유일한 증폭기는 “밸브” 혹은 “진공관” 회로를 가진 증폭기 입니다.

증폭기를 통과한 신호는 보다 높은 임피던스를 지닌 스피커(직렬 스피커)로 가는 것이 안전하지만, 보통은 스피커를 병렬로 연결하기 때문에, 임피던스가 낮아집니다. 위의 표에서 알 수 있듯이 증폭기의 출력 임피던스 보다 낮은 임피던스의 스피커와 연결하면 출력 전력을 낮추는 것 뿐만 아니라 증폭기 내부에서 낭비되는 전력도 증가시키게 됩니다.

스피커 매칭 2

이 그림은 위의 표에서 나타난 값들이 어떤 관계를 가지고 있는지를 보여줍니다. 이것은 증폭기와 스피커의 임피던스가 고정되어 있다고 가정한 것이지, 정확히 계산된 것은 아님에 유의하세요.

마이크로폰을 입력단과 매칭하기

초기 하이-파이 음원 재생 시장에서 마이크와 오디오 증폭기의 임피던스를 매칭하는 것은 문제가 되지 않았습니다. 적용할 만한 다른 방법들이 있었기 때문입니다.

실질적으로, 오늘날의 마이크는 프리앰프로 적절한 전압을 보내줘야 하고, 임피던스 매칭이 필요한 적절한 ‘전력’을 보내줄 필요는 없습니다. 마이크는 전압을 만들어내는 장치이고, 프리앰프로 전달되는 전압값은 아래와 같이 계산합니다:

마이크 전압 전달

Vsource 는 마이크에서 생성되는 전압, Ri 는 마이크의 임피던스, RL 는 프리앰프의 입력 임피던스 입니다. 실제 프리앰프로 전달되는 전력은 마이크에서 생성된 신호의 손실 데시벨로 나타낼 수 있습니다. 전압에 제곱에 비례하도록 저항 회로를 가정해 봅니다:

마이크 신호 손실

오랫동안 마이크는 믹서가 운용할 수 있는 최소 신호보다 강한 신호를 만들어냈고, 이는 오늘날에 높은 임피던스의 입력단에서도 낮은 임피던스의 마이크를 연결할 수 있는 장점이 되었습니다. 이러한 관점에서, 오디오 믹서의 “낮은 임피던스” 입력은 1,000 ~ 2,000옴을 의미합니다. 이를 위한 첫 번째 규칙은, 6dB 정도의 신호 손실은 용납할 수 있다는 것입니다.

마이크 임피던스

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