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NFB(Negative Feedback : 부되먹임)가 음질에 좋지않다고 생각하시는 분들이 많습니다. 앰프를 만드는 회사에서 조차도 NFB를 조금만 걸어서 만든 제품이라고 광고를 하지요.

NFB가 나쁘다는 생각은 도데체 왜 드는 것일까요? 저 또한 잘 모르던 시절에 그런 감을 가지고 있었는데 무슨 이유로 그랬었는지 쉽게 떠오르지가 않는군요. 단순히 negative 라는 단어의 어감 때문에 생긴 선입관이었을까요? 토끼처럼 자기가 싼 똥을 다시 먹는 것이 연상되어서 일까요?

“입력된 신호와 출력으로 나가서 검출되어 되돌아온 신호가 섞여서 뭔가 뿌연 소리가 된다.”

이런 생각들을 가지고 계신건가요? 제가 제대로 집었는지 모르겠군요.

제어 시스템에는 regulator와 tracer가 있습니다. Regulator는 일정한 출력값을 내는 것입니다. Tracer는 목표값이 계속 변하는 것이지요. Regulator는 보일러의 온도조절기라든지 파워서플라이 등이 있습니다. Tracer는 앰프나 추적미사일 등이 있습니다.

일단, regulator의 경우는 NFB가 상당히 좋은 역할을 할 것이라고 생각 되시죠? 예를 들어, 저희 집 안방에는 온도조절기가 있는데, 23도로 맞춰놓으면 온수를 열었다 닫았다 하면서 일정한 온도를 유지합니다. 23도 보다 온도가 높으면 온수를 닫고, 23도 보다 온도가 낮으면 온수를 여는 단순한 기능을 하는데도 방안 온도가 별로 변하는 것 같지 않습니다.

어려운 regulator 분야가 많이 있읍니다만 목표값이 변하는 tracer가 더 어려운 것이 일반적이라고 생각합니다.

어릴 때 친구들과 뛰어놀 때, 도망가는 친구를 잡으러 뛰어다녀본 적이 있습니다. 친구는 잡히지 않으려고 이리 저리 방향과 속도를 바꾸며 도망가는데, 저는 열심히 쫒아다니지만 방향전환을 민첩하게 하지 못하고 도망가는 녀석의 의중을 늦게서야 알아차리기 때문에 잡기가 상당히 어렵습니다.

그렇습니다. 목표값이 너무 빨리 변하면 따라잡기가 어렵습니다. 그렇지만, 앰프의 경우는 도망다니는 녀석의 속도가 기껏해야 수십킬로헤르츠에 불과하기 때문에 그에 비해 엄청난 속도로 작동하는 전자회로가 보기에는 거의 정지해있는 것으로 보일 뿐입니다. 제가 아무리 느려도 도망가는 거북이를 못잡겠습니까?

속도 차이가 많이 나기 때문에 거의 regulator 처럼 되어 버리는 것입니다.

이렇게 빠른 동작 속도가 되지 못하는 앰프들도 있습니다. 바로 진공관 앰프들입니다. 진공관의 음극에서 양극으로 전자가 날아가는데 시간이 걸리기 때문일까요? 계산을 해보던지 알아보던지 해야겠군요. 그리고, 잘못 설계된 MOSFET 앰프도 그렇습니다. MOSFET에는 밀러캡이라는 게이트와 드레인 사이의 정전용량이 있어서 그것을 충방전하느라 일반적인 트랜지스터보다 동작속도가 느립니다. 스위칭 속도는 빠르지만 말입니다.

앰프가 발진을 일으키지 않게 하려면 일부러 동작을 느리게 해야합니다. 샤워를 할 때, 성질이 급한 사람은 온도를 맞추기가 어렵습니다. 일단 물을 틀었는데 차갑다고 합시다. 바로 레버를 뜨거운 쪽으로 돌리면 1초쯤 있다가 뜨거운 물이 쏟아집니다. “앗! 뜨거”하면서 차가운 쪽으로 홱 돌리면 또 1초쯤 있다가 차가운 물이 쏟아집니다. 이런 식으로는 물 온도를 적절히 맞출 수 없습니다.

레버에서 샤워노즐까지 물이 갔다가 쏟아져 내려오는데 걸리는 1초 정도의 딜레이 때문에 이렇게 물온도 맞추기가 어려운 것입니다. 만약에 샤워 노즐이 백미터쯤 위에 달려있으면 물온도 맞추기가 거의 불가능에 가까울 것입니다. 아니, 물방울이 떨어져 내려오면서 다 식어서 차가운 물만 되려나? 어쨌든, 자동제어에서 제일 곤란한 문제는 딜레이 입니다.

잘 생각해보십시오. 사람들이 어떻게 물온도를 맞출 수 있는지. 레버를 조금 씩 움직여 가면서 물온도를 맞추기 때문에 기분좋은 샤워를 할 수 있는 것입니다. 이렇게 레버를 조금씩 움직이는 식으로 제어부를 동작시키는 기법이 앰프에 사용되고 있는 것입니다.

엄청나게 빠른 일반 트랜지스터 앰프는 그와 같은 보상을 해도 충분한 동작속도가 나오지만, 푸쉬풀 진공관 앰프의 경우는 그렇게 보상을 하고 나면 가청주파수 대역의 윗 부분을 깍아먹는답니다. 그래서, 면장갑 끼고 기타줄 튕기는 소리가 나는 것입니다. 싱글진공관 앰프는 NFB를 걸어도 아주 약하게 걸기 때문에 관의 특성에 따른 소리가 나옵니다. 보통 고조파가 많이 따라 나와서 금가루 날린다는 소리를 내지요.

MOSFET 앰프를 아슬아슬하게 보상을 하는 경우 발진을 하고 싶어하는 앰프가 됩니다. 이 경우는 구형파 입력에 대해 오버슈트가 있는 것을 볼 수 있습니다. 이런 앰프는 고역이 살짝 들뜨기 때문에 화사한 소리가 됩니다.

건강한 앰프는 NFB의 부작용을 제대로 보상하면서도 충분히 빠른 속도로 동작하는 일반적인 BJT(Bipolar Junction Transistor)로 만든 앰프입니다. 다시 한 번 말하지만 이 놈들이 보기에는 오디오 신호는 거의 정지해있는 것으로 보이기 때문에 출력에서 되돌아온 신호가 입력과 뒤섞여서 이상한 출력이 나가고 하는 일은 없습니다.

한 가지 NFB의 단점이라고 말할 수도 있는 문제가 있군요. 바로 스피커에게 자율권을 주지 않는 것입니다. 스피커 유닛으로 부터의 항의인 역기전력을 완전히 무시해버리고 출력단자에 무조건 자기가 원하는 전압을 출력시켜버리는 것입니다. 댐핑 팩터 높아서 단단하고 민첩 경쾌한 소리가 나는 것입니다.

NFB를 작게 걸어서 스피커에게 자율권을 주는 진공관앰프의 경우 스피커 고유의 착색이 더욱 두드러지게 되는 것을 느껴본 적이 있습니다.

저는 이 글에서 NFB가 결코 나쁜 것이 아니라는 것을 말하고 싶었습니다. 선입견이 좀 없어지는 것들 같으신지?
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    최종운 2004.01.03 00:38
    일반적으로 스위칭이든 뭐든 MOSFET보다는 바이폴라가 빠릅니다. 요즘은 MOSFET 소자의 크기가 작아져 전자(또는 홀)의 이동 거리가 짧아졌기 때문에 속도가 빨라졌지만 제가 반도체를 처음 시작했던 64KDRAM 시절에는 단연 바이폴라가 빨랐습니다. 또한가지 스위칭 속도에 영향을 주는 요소는 전류량입니다. 게이트캡에 충전하는데 걸리는 시간은 전단의 드레인(또는 컬렉터) 전류에 비례하니까요. 바이폴라가 전류도 훨씬 큽니다. 그래서 80년대에는 고속 스위칭 소자에는 바이폴라와 CMOS 공정을 합친 Bi-CMOS라는 제조 방법을 사용하는 곳도 있었습니다. 90년대 후반에 들어서 거의 다 사라졌지만요....

    제대로 만들어진 트랜지스터 앰프가 왜 차이가 안나는지를 비전문가도 알기 쉽게 비유적으로 정확히 설명을 하셨네요. 하지만 아직도 저쪽에선 앰프내부의 배선에 은선을 쓰면 어떻고 저떻고 하고 있더군요.... 그러면서도 하는 소리는, 사람마다 느낌이 다 다르다나요. 원래 차이가 없는 것을 상상력으로 만든 차이니, 사람마다 다 다른 것이 당연하겠지요....

    그리고 잘아시겠지만 쉽게 설명하시느라고 설명을 안하신 것 같은데, 소자의 속도는 두가지로 구분이 되는데요. 하나는 트랜지션 주파수(ft-Transition Frequency)이고 또하나는 전달 시간(tpd-Propagation Delay Time) 인데 지금 설명하신 것은 전달 시간의 개념이죠. 설명하신 것처럼 Tpd가 크면, NFB를 쓰면 부작용이 많죠. 오히려 왜곡이 생깁니다. Tpd는 진공관이 제일 크고, MOSFET, 바이폴라 순인데 요즘 IC에 사용하는 소형(채널길이 0.1um 정도의) MOSFET은 바이폴라보다도 작습니다(빠릅니다).

    Transition 주파수는 초창기에는 진공관이 Bipolar Tr보다 훨씬 높았었습니다. Bi-Polar에서 Epitaxial-Planar 기술이 개발되고 나서부터 베이스의 두께를 마음대로 조절할 수 있게 되면서 트랜지션 주파수가 진공관과 겨룰 수 있게 됐죠. 그래도 초고주파는 한동안 진공관이었고 지금도 마이크로웨이브 오븐은 여전히 진공관을 사용합니다...^^ 지금은 초고주파(휴대폰)에 화합물 반도체(주로 Ga-As) 트랜지스터를 사용합니다. 사족으로 요즘 휴대폰에는 현대 기술의 최고가 집약돼 있습니다. 오디오에는요.... DSP는 발전하고 있지만 아날로그 부분은 6,70년대 이후로 더이상 발전이 없는 것으로 보입니다. 오히려 후퇴하는 느낌이 듭니다.... CD보다 LP가 인기인 것을 보면....
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    고기수 2004.01.03 02:36
    피드백을 할 줄 모르는 장사꾼은 망하기 딱 좋지요. 손님이 무엇을 원하는지 모르니까요. 장사꾼은 원하든 원하지 않든 피드백을 해야하지 않겠습니까. 이렇게 생각하면, 피드백은 인위적이고 부자연스러운 행동이 절대로 아닌데 말입니다. 생물과 자연 사이의 피드백이야말로 생물이 진화를 하는 데 가장 중요한 것이라 할 수 있을테니... 글을 읽다 문득 떠올라 횡설수설 해 보았습니다.
  • profile
    황보석 2004.01.03 02:53
    횡설수설이라니요? 무슨 말씀을!^^
    피드백이 없이는 물질순환이 되지 않아 생태계가 존재할 수도 없을 텐데요.
    사람이 만물의 영장이 될 수 있엇던 것도 피드백 능력이 뛰어나서가 아닐까요?
  • ?
    박준영 2004.01.03 08:18
    제가 생각하기엔... NFB가 필요한 이유가 시스템 자체의 비선형성(?) 때문이라고 봅니다. 예를 드신 샤워물온도 맞추는 예에서도 만약 그 사람이 원하는 온도의 물이 나오려면 수도꼭지를 어느정도 돌리면 되는지 정확하게 알수있고 실제로 그렇게 정확하다면 NFB가 불필요하고 오히려 손해겠지요. 그러나 그런 정도의 정확성을 확보할 수 없기 때문에 NFB를 사용하는 것이지요. 전 일종의 "필요악"이라고 생각합니다.
    또, 제가 정확하게 기억을 하는 건지 모르겠는데 NFB를 걸면 주파수대역의 평탄함이나 output impedance, 안정성 같은 것들은 향상되지만 gain이나 noise figure, 주파수 대역같은 것은 나빠지는 것으로 알고 있습니다. 제어시스템에서도 과도한 NFB사용은 뭔가 좋지 않은 영향을 증가시킨다고 알고 있고요...

    NFB를 쓰는 것에 대한 반감이랄까 그런 것은 NFB 자체가 문제라기 보다는 그것이 불완전한 시스템을 보완하기 위해서 사용하는 것이기 때문에 많은 양의 NFB는 결국 기본적인 시스템이 상당히 안좋은 특성을 가지고 있다는 식으로 이해되기 때문인 것 같습니다. 다시말해서 음식의 조미료같은 느낌을 주게되는 것이지요. NFB 많이 검 = 조미료 많이든 느끼함 식으로요. 제 생각에도 이런 등식이 꼭 틀린것 같지는 않고요... 그럼 이만.
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    김영길 2004.01.03 17:48
    사람의 모든 감각기관의 동작과 행동은 피더백 시스템에 의해 제어 되고있습니다.
    거의 모든 전자제품은 피더백 시스템에 의해 작동되고 있습니다.

    앰프에 피더백을 걸지 않았다는 회사가 있었는가 하면, 반대로 무한대에 가까운 피더백을 걸어서 무한대에 가까운 댐핑팩터 등등을 이룩했다는 앰프회사도 있었지요.
    이제는 소수를 위한 앰프제조사 외는 안 하는 이야기이지만...

    오디오 영역에서는 신호의 변화 속도에 비해 앰프의 응답특성이 충분히 빨라서 Regulator형으로 보아도 지장이 없습니다. 다양한 종류의 부하(스피커)에서도 안정성을 보장해야 하기에 Bode Plot에서의 Phase/Gain Margin으로 설계하는 경우가 대부분입니다.

    앰프에서의 피더백은 출력 전압이 입력전압과 동일하게 하는 것이죠. 출력전압을 몇분의 일로 나누어 피더백을 걸어서 그 전압이 입력전압과 같게 하는 것으로, 게인은 출력전압을 나누어 주는 저항 비의 역수에 비례하는 것이죠.
    따라서 아무리 복잡한 증폭기도 게인은 저항 두개의 값으로 주어지게 되는 것이죠.
    구성 부품의 영향을 거의 받지 않게 되는 것입니다. 피더백을 걸지 않은 앰프에서의 착색이 없어지고 입력신호와 같은 신호로 출력하게 하지요.

    앰프 특성에는 게인과 주파수곱(-3dB 한계 고주파)과 THD, IMD, 잡음지수, Slewing Rate 등등이 있습니다.
    피더백을 걸면 게인은 감소하게 됩니다. 이 감소량을 피더백량 또는 Loop Gain이라고 하지요.
    앰프에서는 피더백을 걸어도 게인과 주파수 곱은 일정하기 때문에 피더백량을 곱한 만큼 주파수 특성이 넓어 집니다. THD와 IMD는 피더백량을 나눈 값으로 줄어 들고, 잡음지수는 변화없고, Slewing Rate는 위상 보상을 위한 소자에 의해 감소합니다. 오디오앰프의 대부분인 직열전압형에서는 출력 저항은 피더백량을 나눈 값으로 줄어들고(출력앰프의 경우는 댐핑팩터의 증가), 입력임피던스는 피더백량을 곱한 값으로 커 집니다.

    증폭소자에서의 전하의 이동속도가 오디오앰프에서 영향을 미치는 경우는 거의 없으며, 대부분이 단자간의 커패시턴스에 의한 영향과 트랜스포머에 기인하는 것입니다.
    진공관앰프에서는 트랜스포머가 주파수 특성에 가장 큰 영향을 줍니다. 피더백 루프내에서 루프게인이 1이상인 주파수 대역에서 위상이 180도 변하면 발진하기 때문에 Coupling 콘덴서와 트랜스를 사용해야 하는 진공관앰프의 피더백량은 극히 낮은 값에서 제한이 됩니다.

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