DH-SET 신화, 300B, 그리고 현대관

종교에 근거한 신념은 그것을 신앙이라고 부르든 미신이라고 부르든 과학과 이성과 논리를 거부한다.  가령 생물학적 처녀는 성행위가 없이는 잉태할 수 없으며 처녀 탄생 이야기는 에집트의 신화로 부터 유래되었다는 설명을 아무리 해 준다해도 독실한 기독교 신자는 결코 설득되지 않는다.

소위 하이앤드 오디오 쟁이들 간에도 다분히 공학적 근거가 의심스러운 여러 “썰”들이 횡행하고 있는 바 이들 “썰”들에 대해 아무리 공학적 근거를 가지고 설명해도 이미 그에 대한 믿음이 종교적인 경지에 달해 있는 이들은 설득당하지 않는다. 

지금은 조금 감소하는 추세이기는 하나 진공관 암프라면 직열형 3극관을 출력관으로 한 싱글이라야 한다는 믿음을 철석같이 추종하는 사람들이 꽤 있는 것 같다.    이런 사람들에게 진공관 암프 역사에서 직열형 3극관 싱글 암프는 초기에 극히 짧은 기간동안 동안 나타났었을 뿐 곧 PP 암프로 대체 되었고  빔관과 5극관의 출현 이후 거의 대부분의 제작사들이 이들 고 효율 진공관을 사용한 PP 암프를 출시했다는 역사적 사실을 아무리 상기시켜 준다해도 별무 소용일 것이다.

여하튼 직열 3극관 싱글 암프를 세계적으로 유행시킨 데에는 다분히 일본사람들의 공이 크다는 것이 정설인것 같다.  그렇다면 이런 유행이 언제부터 시작되었을까?  자세히는 알 수 없으나 아마도 진공관 시대가 저물어 가고 트랜지스터 시대가 열리고 있던 대략 70년대 부터가 아니었나 생각해 본다.  소위 일본 진공관 암프의 원로라는 사람들이 솔리드스테이트 기술의 도래에 대한 대응책으로 오히려 복고적인, 가장 간단한 싱글 암프에 눈을 돌린게 아닌가 추측해 본다.

그 이유가 어디에 있든DH-SET 암프가 상당한 추종자들을 거느리게 된 데에는 그만한 이유가 있을 것이며 나름대로의 메리트가 있을 것이란 생각이다.  이런 맥락에서 이 글은DH-SET 암프를 폄훼하자고 쓴 글이 아니다.  그 보다는 약간의 훈련받은 추측을 통해 DH-SET (Direct Heated Single-Ended Triode) 신화가 발생하게 된 연유를 분석해서 독자들의 이해를 돕고 종교적 경지의 고정관념에 빠져 있지 않은 공평한 위치에 있는 자작인들이 최적의 선택을 하도록 유도하자는데에 있다.

암프 음질을 차이나게 하는 기제.

 

직열 3극관 싱글 암프가 세계적으로 유행하게 된 데에는 무엇보다도 이들 직열형 3극관 싱글 암프가 음질이 좋고 음악적으로 들린다는 믿음이 퍼져나간 데에 있을 것이다.  결국 암프는 그것이 진공관을 사용했던 트랜지스터를 사용했던 궁극적으로는 음질이 좋으면 되는 것이 겠지만 이 신화가 뿌리를 내리게 된 데에는 또 다른 요인이 있을 것도 같다.

그렇다고 하더라도 암프를 평가하는 궁극적인 척도가 음질이라면  먼저 암프의 음질에 차이를 가져오게 하는 장치, 혹은  미캐니즘이  무엇인지를 생각해 보아야 할 것이다. 여기서는 논의를 진공관 암프에 국한하겠다.  

일반적으로 진공관 암프는 적어도 2개 이상의  능동소자인 진공관과 인닥터L,  캐패시터 C, 저항R, 그리고 트랜스류를 포함한 다수의 수동소자로 구성되어 있다.  암프를 하나의 불랙박스로 취급하여  시스템 공학적인 접근을 해 본다면 암프를  음질이 차이나게 하는 미캐니즘은 그 입출력 특성일 것이다.   다시 모든 수동소자가 완벽하다는 가정으로 논의의 범위를 제한해 보자.  그렇다면 암프는 몇개의 능동소자인 진공관으로 구현된 다수의 증폭단이 순차적으로 연결된 형태로 간주할 수 있을 것이고 암프의 입출력 특성은그 암프를 구성하는  각 증폭단의 입출력 특성의 합으로 볼 수 있을 것이다.

이런 가정은 생각보다 그리 큰 무리가 없다.  실제에 있어서 모든 수동소자가 완벽한 것은 아니지만 암프의 입출력 특성에 압도적인 영향을 주는 요소는 능동소자인 진공관의 특성과 암프 성능의 병목이 되는 트랜스 종류들이기 때문이다.

이런 분석을 해 본다면 결국 암프의 음질을 좌우하는 요소는 암프의 입출력 특성이고 암프의 입출력 특성은 이 암프를 구성하고 있는 각 증폭단에 사용된 진공관의 입출력 특성의 총합이니 우리가 주목해야 할 요소는 개별 진공관의 입출력 특성이 된다.

개별 진공관의 입출력 특성은 진공관 증폭기를 설계할 때 사용하는 양극특성을 말하는 것이 아니다.  양극 특성은 양극의 전압과 전류의 관계를 보여주는 곡선으로 입출력 특성이 아니니 이점 혼동이 없기를 바란다.  입출력특성은 양극 특성으로부터 유도해 낼 수 있지만 같은 것은 아니다.  진공관의 입출력 특성은 그릿드의 입력전압을 독립변수로 하여 양극 전류 (혹은 양극 전압)의 변화를 종속변수로 그린 그라프다.

만일 모든 진공관이 완벽한 직선성을 가졌다면 이 입출력 특성은 직선이 된다.  가령 그릿드 입력을 X라고 하고 그것이 양극 전류이건 혹은 양극 전압이건 출력을 Y라고 했을 때 Y = K X가 된다면  진공관은 완벽한 직선성을 가졌다고 할 수 있다.  여기서  상수 K는 증폭도이다.   이런 진공관 만으로 암프를 만든다면  음질의 차이는 존재하지 않게 되고 완벽한 중첩원리가 성립하여 모든 악기들의 소리를 또렷하게 구별할 수 있을 것이다.

그러나 이런 완벽한 직선성을 가진 진공관은 존재하지 않는다.  대부분의 진공관에는 약간의 비 직선성이 존재한다.  특히 대부분의 3극관 입출력 특성은 약간의 포물선적인 요소를 가지고 있다.  거칠게 말한다면 3극관의 경우 입출력 관계는  Y = K X + K₂  X²로 표시할 수 있고  여기서 두 상수 K 와 K₂는 K >>K₂의 관계가 성립하는 것이 통상적이다.  5극관의 경우는 아마도 좀 더 복잡할 것이다.

이 3극관 증폭기에 정현파를 입력시켰다고 가정해 보자.  즉 X = Sin (ω t) 이고 여기서 ω = 2πf로서 f는 주파수, π는 원주율, t는 시간이다.    그렇다면 출력 y = K Sin(ω t) + K₂ Sin² (ω t)   로 표시할 수 있고 정현파 자승항이 포함된다.  고등학교 수준의 삼각함수를 배운 사람이라면 이 정현파의 자승항은 2배의 주파수를 가진 정현파로 풀어 쓸 수 있다는 것을 안다.  즉 자승항의 비 직선성이 제 2 고조파를 발생시키는 미캐니즘이라는 것을 알 수 있다.

제2 고조파와 혼변조

그런데 오디오 마니아들 간에는 지나치지 않은, 약간의 짝수 고조파는 음악신호를 좀더 푸근하고 따둣하게 하며 볼륨감을 풍부하게 한다고 생각하는 사람들이 많은 것 같고 이것이 거의 정설로 굳어 있다고 보인다.  아마도 어느 정도에서는 맞는 말일지도 모른다.  그래서 직선성이 우수하여 찌그러짐이 거의 없다싶이한 현대 솔리드스테이트 암프는 “돌” 같은 소리가 나니 오히려 따듯한 음질의 진공관 암프를 선호하게 된다고 주장한다.

여기서 위에서 전개한 간단한 논리를 좀 더 확장시켜 보자.  만일 이 3극관 증폭기에 2개의 상이한 주파수의 정현파 신호를 동시에 입력시킨다면 어떤 출력이 나오는가를 살펴보자.  즉 X = K Sin(ω t) + K₂ Sin² (ω t)   이다.  이 입력신호 X를 출력을 나타내는 방정식  Y = K X + K₂  X²에 대입하고 삼각함수를 전개해 보면 이제는 이 자승항으로 인해 출력에는 음질을 따듯하게 해 주는 제2 고조파 이외에 입력에는 존재하지 않았던 다른 주파수의 신호들, 즉 f1 + f2, f1- f2의주파수룰 가진 신호들이 발생하게 되는 것을 알 수 있다. 이런 현상을 헤테로다인 현상이라고 하는데 라디오 수신기에는 매우 유용하게 이용된다.  그렇지만 이런 암프에서는 여러 악기들의 신호가 입력된 경우 그 악기들의 음악신호가 서로 혼합되는 경향이 있어 더 이상 각 악기들의 소리를 또렷히 구별하는 데에는 한계가 있게 된다.

한편 암프는 한개의 증폭단으로만 구성되는 경우는 아주 드물다.  적어도 2개의 증폭단으로 구성되거나 더 많은 수의 증폭단으로 구성된다.  간단히 2단으로 구성된 암프를 가정해 보자.  먼저 초단관에 입력된 정현파 신호에 대해 그 출력은 두번째 증폭단에 입력되고 이 두번째 단에 입력된 입력신호에는 이미 제2고조파를 포함하고 있게 된다.  따라서 두번째 증폭단의 관점에서는 원래 신호와 제2고조파 신호라는 두개의 신호가 입력된 셈이다.  그러면 앞에서 논의 된 바와 같이 암프의 출력에는 원래의 주파수, 즉 기본파의 신호와 제2 고조파, 이 제2고조파와 기본파의 합 주파수, 즉 제3고조파의 신호가 포함되게 된다.  따라서 암프의 설계자가 따듯한 음질의 암프를 만들 목적으로 제2고조파 강세의 암프를 만들었다면 이 암프 출력에는 원치 않던 제3고조파가 함께 생성되는 것을 피할 수 없게 된다.

여기서 간단하지만 지루한 논의를 하는 것은 단순히 짝수 고조파 우세의 암프를 만들려 한다면 결과적으로 홀수 고조파도 함께 발생하고 입력신호들 간의 혼변조가 아울러 발생하게 된다는 사실을 말하려 함이다.  즉 고조파 발생 미캐니즘과 혼변조 발생 미캐니즘은 하나이고 동일한 것이라는 사실말이다.  이런 점에서 보면 우리가 할 수 있는 일은 짝수 고조파이건 홀수 고조파이건 고조파 찌그러짐을 최소화 하는 길이다.

여기까지의 논의에서 우리는 입출력 특성이 입력의 진폭이나 주파수에 따라 일정하다는 가정을 했지만 이런 가정은 실제에 있어서는 성립하지 않는다. 

찌그러짐의 상쇄

논의의 편의상 다른 모든 조건이 이상적이라는 가정을 견지해 보자.  

가장 흔히 쓰이는 캐소드 접지의 증폭단의 출력은 그 위상이 입력과는 180도 차이가 생긴다.  즉 초단 증폭기의 출력은 다음단 증폭기의 입력에 입력시킬 때 신호의 부호가 역전되는 것이다.  이는 초단 3극관의 입출력 특성이 아래쪽으로 볼록한 포물선 형태라면  다음 증폭단의 입출력 특성은 위상의 전도 때문에 실효적으로 위쪽으로 볼록한 포물선 형태가 되어 종합적으로는 거의 직선 형태가 된다고 상상해 볼 수 있다.  즉 초단에서 발생한 찌그러짐이 사용진공관의 입출력 특성이 서로 “궁합”이 잘 맞으면 그 다음단에서 상쇄되는 현상이 있는 것이다.   위에 간단한 수학적 모델을 가지고 전개했던 논의에서 고조파가 서로 상쇄되는 조건, 즉 K_i (여기서 i는 고조파 차수를 가리킨다)가  “0”이 되는 조건을 유도 할 수도 있을 것이다.

실제 회로에서 이런 특성은 초단의 캐소드 저항을 가변 저항기로 하여 초단의 동작점을 바꾸어 주면 입출력 특성에 약간의 변화를 초래할 수 있고 때때로 찌그러짐의 상쇄 효과가 최대가 되도록 조절할 수도 있다.  이런 간단한 트릭은 한 때 유행한 적도 있지만 근래의 회로에서는 잘 보이지 않는다.

그러나 일반적으로 증폭단의 개수가 많아질수록 출력신호에 포함된 각종 고조파 신호 스펙트럼은 매우 복잡한 양상을 띄게 된다.  이런 복잡성을 인간의 귀가 얼마나 식별할 수 있을 가의 문제는 잠시 접어 둔다면  암프의 고조파 찌그러짐의 스펙트럼은 음색에 차이를 가져오는 압도적인 원인이 된다.  또한 일단 선택된 진공관의 고조파 특성은 외부회로의 조작만으로 그 특성을 변경하는데에는 한계가 있다는 사실을 알 수 있다.

글래스 오디오 1996년도 Vol.8, No.5 에는 보르벨리라는 독일인이 발표한 6C33C-B싱글 암프의 제작기사가 실려있다.  여기서 제작자는 간단한 찌그러짐 상쇄 회로를 적용하였고 출력전압에 따라 그 상쇄 효과가 어떻게 달라지는지를 측정하였다.    그의 결과에 따르면  출력이 1V rms 일 때  상쇄 회로를 적용하기 전 0.5%의  찌그러짐이 상쇄회로 적용 후 0.15% 로 (이 후 “0.5% à0.15%” 로 표시) 70%의 감쇄를 달성하고 있다.  감쇄 정도는 출력전압에 따라 달라지는데 이들의 결과는 다음과 같다:   2V rms 1% à 0.3%;   4Vrms 2% à0.8%;   8V rms  4.2% à 2%;  10V rms 6.5% à3.5%;   11V rms 10% à6%

완벽한 상쇄효과를 구현하는것은 불가능하겠지만 간단한 회로로 상당한 효과를 보였다고 생각된다.

한편 흔히 차동증폭기로 동작하는 PP암프에서는 짝수파 고조파가 상쇄되는 현상이 있다.  따라서 전고조파 찌그러지짐, 즉 모든 고조파 찌그러짐의 총 합은 PP암프가 싱글 암프에 비해 작아진다.

진공관 암프에서 출력트랜스의 중요성

진공관 암프에서 출력트랜스는 필수 불가결한 부품이라고 할 수 있다.  출력트랜스가 없는 암프, 즉 OTL암프가 있기는 하지만 OTL 암프는 그 이론적인 장점과 그에 따른 성능의 향상이 기대치에 미치지 못하는 경우가 대부분이라고 본다.  원래적으로 높은 임피던스로 동작하는 진공관을 임피던스 매칭의 역할을 하는 트랜스 없이 저 임피던스 스피커를 부하로 하여 동작시키는 것은 일반적으로 무리한 측면이 많다.  더구나 암프의 부하, 즉 스피커를 암프에 직결하는 경우 암프 동작의 안정성을 완벽히 유지시키는 일은 매우 어렵다.  많은 상용 OTL제품들이 A급 동작을 선전하고 있지만 진정한 A급 동작이라면 직류 평형이 깨지는 순간 상당한 직류전압이 스피커에 걸려 보이스코일에 대 전류가 흐르게 되고 고가의 스피커를 태워먹기가 십상이다.   실제 이런 암프들에서 무신호시의 출력관 양극 전류는 A급 동작이라고 주장할 수 있기에는 너무도 작은 경우가 많은 것이다.  고작해야 AB급의 동작인 경우가 많은 것 같은데 이로서 스피커에 과도한 직류전류가 흐르는  경우를 방지한 셈이다.

문제는 이 출력트랜스가 거의 대부분의 경우 암프 성능의 병목이 된다는 사실이다.  일반 전원 트랜스에서 발생될 수 있는 모든 부작용들, 즉 와류손으로 인한 철손, 직류저항으로 인한 동손 등등과 이로 인한 삽입손실 이외에도 일반 전원트랜스에서는 요구되지 않는 광대역 특성으로 인한 설계 및 제작상의 어려움이 모두 공존한다.  또한 출력트랜스 자체 내에서도 고조파 찌그러짐이 발생한다.  동작 상태에 따라서는 비고조파 찌그러짐도 발생한다.

이런 제반 문제들은 “진공관 암프의 성능은 출력트랜스에 의해 결정된다”고 말 할 수 있을 정도로 그 영향력이 압도적이다.  특히 10개 이상 의 옥타브나 되는 광대역폭의 오디오 스펙트럼을 카버해야 하는 진공관 암프에서 주파수 특성은 거의 출력트랜스에 의해 결정된다고 해도 과언이 아니다.

그런데 진공관 암프에서 출력트랜스를 구동해 주는 것은 출력관이고 출력관은 출력트랜스의 입장에서 보면 자신을 구동해주는 소스의 역할을 한다.  따라서 다른 모든 경우에서와 같이 소스 임피던스, 즉 출력관의 양극저항은 출력트랜스의 성능에 지대한 영향을 갖게된다.

일반적으로 출력트랜스의 저역특성은 출력트랜스이 1차 인닥탄스에 의해 결정되고 고역특성은 출력트랜스의 선간 용량과 누설 인닥탄스에 의해 결정된다.  거칠게 말한다면 선간 용량과 누설 인닥탄스가 일종의 공진회로를 형성하게 되는데 이렇게 보면 누설인닥탄스와 선간 용량의 곱이 출력트랜스의 고역특성을 결정해 준다고 말할 수 있다.

여기서 출력트랜스 설계자들이 직면하는 딜렘마는 저역확장을 위해서는 1차 권선의 인닥탄스를 크게 해야하는데 그러자면 큰 코아에 권수를 대폭 늘려야 한다.  그러나 큰 코아에 많은 권선을 감게되면 누설인닥탄스와 부유용량이 동시에 커진다.  그러면 고역특성이 나빠진다는 데에 있다.

원하는 저역감쇄 ( 예를 들어 1dB 감쇄점을 가정해 보자) 주파수와 대체적으로 출력트랜스를 구동하는 소스 임피던스가 되는 출력관의 r_p를 알게되면 요구되는 1차 인닥탄스를 계산할 수 있다.  정확하게 계산하려면 권선저항과 부하저항도 고려해야 하지만 이를 무시하고 보수적으로 r_p만으로 생각한다면 r_p가 800옴 (300B가 대략 이 정도이다) 정도이고 1dB 김쇄점을 30Hz로 책정했다면 요구되는 1차 인닥탄스는 대략 8.5H 가 된다.  만일 r_p가 이 보다 낮은 출력관을 선택한다면 같은 출력트랜스를 가지고도 저역이 확장될 것이고 반대로 r_p가 큰 관을 택한다면 저역 감쇄 주파수는 더 올라가게 될 것이다.

이런 이유로 모든 다른  조건이 비슷하다면 r_p가 낮은 출력관을 선택하는 것이 출력트랜스 설계요건을 대단히 경감해 준다.  위에 든 예에서 만일 출력관의 r_p가 2K Ohm(자작인들 간에 인기가 있는 845는 이보다 약간 작고 211이나 GM70는 이보다 크다) 이라면 같은 30Hz, 1dB 감쇄 점에서 요구되는 1차 인닥탄스는 21H가 된다.  이 경우 출력트랜스의 요구되는 1차 권선수는 1.57배가되고 출력트랜스의 대역폭은 고역의 악화로 인해 많이 좁아지게 될 것이다.    반면r_p가 100옴 정도인 6C33C-B라면 같은 조건에서 요구되는 1차 인닥탄스는 1.1 H가 채 되지 않는다.

(계속)