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모던 마이크 프리앰프 설계에 대하여
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모던 마이크 프리앰프 설계
하이엔드 Op-amp
예전의 마이크 프리앰프들은 진공관이나 트랜지스터를 이용했지만, 모던한 프리앰프들은 주로 Op-amp 를 사용합니다. Op-amp 는 내부에 여러가지 부품들이 집적화되어 하나의 집합으로 구현된 것을 말합니다. IC 는 Integrated Circuit, 즉 집적 회로를 말하는데 반도체를 제조하는 방식을 통해서 내부의 여러가지 소자를 하나의 Chip 으로 구성한 것을 말합니다.
기존의 진공관이나 트랜지스터에 비해서 Op-amp 는 전기 규모가 많이 작아졌습니다. 진공관이나 트랜지스터 처럼 고전력으로 증폭한 후 트랜스포머를 거쳐 출력하는 가장 주 된 이유는 바로 노이즈 플로어를 낮추기 위한 부분이 가장 크다고 볼 수 있습니다. 큰 전력으로 증폭하여 노이즈와 신호의 사이즈의 비율을 벌리고, 트랜스포머를 통해서 우리가 사용하는 일반적인 라인레벨인 +4dBu 로 출력하기 위함이 크다고 볼 수 있습니다. 이 과정에서 내부에서 언밸런스로 처리되던 신호를 다시 밸런스 신호로 변경하는 것도 트랜스포머의 담당입니다. 이런 방식의 대표적인 케이스는 Neve1073과 같은 프리앰프가 있습니다.
하지만, Op-amp 는 이미 노이즈 플로어가 매우 낮습니다. 따라서 큰 전력으로 증폭 후에 트랜스포머로 신호를 감압할 필요가 없어졌습니다. 트랜스포머 없이 바로 출력하면 됩니다. 따라서 Op-amp를 이용한 설계에서 출력 트랜스포머를 넣을 필요가 없습니다. 대신 밸런스 출력을 위해서 밸런스 전환 회로를 넣게 됩니다. 아. Op-amp 에는 단동형 입력과 차동형 입력의 구분이 있기도 합니다. 처음에 Op-amp 들은 대부분 단동형 Op-amp 였습니다. 언밸런스 신호를 받아서 언밸런스 출력을 하는 것을 단동형이라고 합니다. 이 때, 입력으로 들어오는 밸런스 입력을 언밸런스로 전환하기 위해서 입력 트랜스포머가 쓰이기도 했습니다. 이런 방식의 대표적인 케이스가 바로 Neve 88R, Focusrite ISA와 같은 프리앰프입니다.
그 후에 차동형 Op-amp 가 나왔습니다. 차동형 입력 Op-amp 는 입력 신호를 밸런스 신호를 직접 받아서 증폭에 활용하는 Op-amp 방식입니다. 이러한 차동형 Op-amp 는 아예 트랜스포머가 필요가 없습니다.
나중에는 출력도 밸런스로 하는 완전 차동형(Fully differential) Op-amp 가 개발되면서 밸런스 신호로 전환하는 회로가 상당히 간단해지는 Op-amp도 나왔습니다.
대역폭?
우리가 Op-amp 를 이용해서 가청 주파수의 신호를 증폭하는 회로를 구성할 때 반드시 생각해봐야 할 사양으로는 GBW라는 것이 있습니다. 높은 신호에 대해서 신호 처리 속도의 제한으로 인하여 대역폭이 좁아지는 현상이 나타납니다. 진공관 이나 트랜지스터는 고출력에서도 대역폭을 유지하기 때문에 큰 문제가 안되었지만, Op-amp 는 집적도가 높아지고 처리하는 신호의 크기가 많이 작아지면서 대역폭의 영향을 받게 된것입니다. 하지만 기술의 발전으로 인하여 이제는 큰 문제가 아니게 되었습니다.
| Op-amp | Open Loop Gain | Slew Rate | Unity GBW |
|---|---|---|---|
| NE5532 | 100dB | 9V/µs | 10MHz |
| NE5534 (CC=0) | 100dB | 13V/µs | 10MHz |
| NE5534 (CC=30pF) | 100dB | 6V/µs | 10MHz |
| OPA1612A | 130dB | 27V/μs | 40MHz |
| THAT1583 | 50V/µs | 1.7MHz@40dB gain | |
| THAT1580 | 53V/µs | 40MHz@40dB gain |
초창기에 쓰이던 NE5534나 NE5532는 GBW가 좀 작음을 알 수 있습니다. 유니티 게인 대비 1000배(60dB)의 신호를 처리할 때는 10kHz로 대역폭이 줄어들게 됩니다. 물론 60dB 정도 높은 신호를 처리할 일은 잘 없습니다. 100배(40dB)의 신호를 처리하는 경우는 100kHz까지의 신호를 처리할 수 있기 때문에 큰 문제가 되지는 않습니다. 그밖의 OPA1612A, THAT1580, THAT1583 들은 훨씬 높은 처리 대역폭을 가지고 있기 때문에 아예 문제가 안된다고 볼 수 있습니다. 이런 Op-amp 는 Op-amp 중에서도 가청 주파수 대역의 마이크 프리앰프를 만들기 위해 개발된 Op-amp 들이기 때문에 GBW 성능에 큰 중점을 두고 만들어진 것들 입니다.
같은 Op-amp 도 작동 전압에 따라 달라질 수는 있다.
Op-amp 는 신호를 증폭하기 위해서 약간 DC 바이어스 전압(V+, V-)을 걸어서 사용합니다. Op-amp로 신호를 증폭하기 위해서 전압을 넣어주게 됩니다. 이러한 전압을 얼마나 크게 넣어줄 수 있느냐에 따라서 Op-amp가 출력할 수 있는 신호의 크기(Max output level), 게인 범위(Gain range) 등이 달라지게 됩니다. 같은 Op-amp 를 사용하는 회로라고 해도 이 넣어주는 V+와 V-의 전압값에 의해서 Max output level 과 Gain range가 다른 마이크 프리앰프가 됩니다. 물론 이 전압을 무한대로 강하게 넣을 수 있는 것은 아닙니다. Op-amp에 따라 최대로 넣을 수 있는 전압값이 정해져 있습니다.
Remote Control
Op-amp 를 컨트롤 하는 컨트롤 칩도 있습니다. THAT5171 이 아마 가장 많이 쓰이는 IC인 것 같습니다. PGA2500과 같은 칩은 컨트롤 파트를 내장한 Op-amp 입니다. 이러한 컨트롤을 탑재한 경우에는 프리앰프의 리모트 컨트롤이 가능해집니다. 당연한 이야기지만, 컨트롤이 들어가게 되면 프리앰프 회로 구성 비용이 더 비싸지게 됩니다. 이런 컨트롤 칩을 넣지 않는다면, 기존 구형 프리앰프들 처럼 노브와 버튼들로 컨트롤 파트를 구성해야합니다.
리모트 컨트롤을 넣게 되면 우리가 얻을수 있는 가장 큰 장점은 리콜입니다. 녹음 세션 당시의 프리앰프 셋팅을 다른 날에 하는 동일 녹음 세션에 똑같은 셋팅을 리콜할 수 있게 되는 것입니다. 상업적으로 운용하는 녹음실이라면 이제는 거의 필수 기능에 가깝습니다. 여러날에 걸쳐서 진행되는 녹음 세션에 리콜은 꼭 필요한 기능입니다.
AXR4의 프리앰프 컨트롤
Grace Design m108의 프리앰프 컨트롤
UA Apollo의 프리앰프 컨트롤
RME Octamix XTC의 프리앰프 컨트롤
Focusrite RED4PRE의 프리앰프 컨트롤
컨트롤 칩을 사용하지 않고 여러게의 릴레이 스위치(전자석 스위치)를 이용하여 리모트 컨트롤을 구사하는 방법도 있습니다.
하이엔드 Op-amp를 사용하는 모던 프리앰프가 탑재된 제품 리스트
- NE5532(차동형) : Tascam HDDA, Steinberg UR-RT, UR-816C
- NE5534(단동형) : Neve 88R, Focusrite ISA, Rupert Neve
- OPA1612(차동형) : MOTU AVB, APOGEE 제품들(거의 대부분), TASCAM HDIA, Digigrid, RME UCX, RME Babyface PRO
- PGA2500(완전 차동형) : UA Apollo, RME Octamic, RME Micstasy, PRISM, Merging
- THAT1583(완전 차동형) : Focusrite RED, REDNet, Clarett, Zoom
- THAT1580(완전 차동형) : Steinberg AXR4, Grace Design m108, Arturia Audiofuse 16rig, RME UFX
같은 Op-amp를 사용했다고 똑같지는 않습니다. 위에서 말했듯이 Op-amp 에 DC 바이어스 전압을 어떻게 거느냐에 따라서 Max output level이나 Gain range 사양이 약간 약간 달라지게 됩니다. 특히 완전 차동형이 아닌 차동형이나 단동형 Op-amp 의 경우에는 밸런스 입출력 회로 구성(이 회로들도 작은 Op-amp 들로 구성합니다.)에 따라서도 음색이나 특성이 조금씩 달라지게 됩니다.4)
특히, 일단 단동형이나 차동형 Op-amp 를 사용하여 단일 마이크 프리앰프를 구성한다면, 출력을 밸런스로 전환시켜야 하기 때문에 출력에 밸런스 변환용 버퍼 회로를 추가로 구성하게 됩니다.
하지만 오디오 인터페이스와 같이 내부에서 A/D 컨버터로 직결해야 한다면, A/D 컨버터의 채널 1개에 바로 신호를 직결하면 됩니다. 사용되는 A/D 컨버터가 받아들일 수 있는 최대 신호크기에 맞춰서 Op-amp 의 출력 신호도 제한되야 하므로, Op-amp의 DC 바이어스 전압도 거기에 맞춰서 설계하게 됩니다. 이 경우에 만약 A/D 컨버터 회로가 충분한 전압 신호를 받지 못한다면 Op-amp도 작은 출력을 낼 수 밖에 없게 만들어지게 됩니다.
오디오 인터페이스의 마이크 프리앰프 회로에 완전 차동형 Op-amp를 사용하면, 출력이 밸런스로 나오게 됩니다. 만약 이 출력을 A/D 컨버터 회로에서 1채널로 받는다면 성능을 100% 활용하지 못하게 됩니다. 성능을 100% 활용하려면 A/D 컨버터도 2채널을 사용해서 밸런스 신호를 전부 받아서 처리하면 됩니다. 이 두가지의 경우는 상당히 큰 차이를 만들어 내는 것으로 알려져 있습니다. 다만 A/D 컨버터의 채널 갯수가 2배로 많이 들게 되므로 회로 원가가 2배로 상승하게 되는 큰 단점이 있습니다. 위에 보면 PGA2500을 사용하는 제품중에 UA Apollo와 Merging, RME, PRISM 등이 보입니다. 같은 Op-amp를 사용하지만 사용자들의 평가는 극과 극으로 나뉘는 이유는 이런 회로 구성 방법에도 큰 영향이 있다 생각됩니다. Steinberg의 AXR4도 하나의 마이크 프리앰프 Op-amp마다 2채널의 A/D컨버터를 사용하여 풀 밸런스 회로를 구성합니다.5)
주변 회로 구성
결론
이러한 하이엔드 Op-amp 들로 구성하는 마이크 프리앰프는 애들 장난이 아닙니다. 기존의 우리가 하이엔드로 사용했던 마이크 프리앰프들 보다도 훨씬 높은 성능을 보여주기도 합니다. 모든 것은 Spec이 결정합니다. EIN, THD, Max input level/Max output level 등 모든 면에서 기존의 진공관/트랜지스터 마이크 프리앰프들 보다 훨씬 고사양입니다. 아직도 우리는 눈에 보이는 것이나 브랜드 파워에 많이 의지하는 경향이 있습니다. 그런 것들은 솔직히 허상일 수도 있습니다. 기존의 막강한 브랜드들은 아직도 기존의 트랜지스터나 진공관을 고수하고 있고, Op-amp 를 사용하기 꺼려하는 것처럼 보이기도 합니다. 하지만 신생 브랜드들은 과감하게 하이엔드 Op-amp 를 적용하고 사용하고 있습니다. 신생 브랜드는 기존 브랜드를 경쟁에서 제끼기 위해서 더 높은 Spec 으로 무장해야 합니다. 그래서 하이엔드 Op-amp 를 회로에 사용합니다. 훨씬 더 높은 성능을 구현합니다. 솔직히 말해서요 꿀릴게 없습니다.6)
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