앰프에서의 NFB는, 입력신호에 대한 출력신호파형을 계속 입력신호와 비교 보정하여, 출력의 파형을 입력과 동일하게 만드는 기법입니다.
이 NFB의해 앰프의 반응속도와 주파수특성과 찌그러짐율과 내부잡음과 입출력임피던스가 개선됩니다. 게인과 주파수 특성도 두 개의 저항 값의 비와 간단한 계산으로 알 수 있습니다. NFB로 반응 속도가 늦어진다는 말은 거짓입니다. 별도로 group velocity를 지연시킬 수 있는 요인이 없는 앰프에서의 속도라는 것은 고역 주파수 특성을 말하는 것입니다. NFB를 건 앰프의 고역 주파수 특성이 훨씬 좋습니다. 오디오 앰프의 특성을 좋게 만들기 위해서는 NFB가 좋은 도구입니다.
앰프에서 입력과 출력 파형의 모양의 차이를 찌그러짐이라고 합니다. 앰프에서 소리를 부수고 책색시키는 모든 원인입니다.
정현파를 입력으로 넣었을 때, 비선형 찌그러짐으로 만들어지는 있어서는 안되는 고조파들의 전력 총합과 원 정현파의 전력과의 비를 총고조파 찌그러짐율(THD)이라고 합니다.
주파수 특성으로 나타나는 주파수 특성 찌그러짐과 위상 찌그러짐과 비선형에 의한 THD로, 출력 신호와 입력 신호의 모양의 차이가 발생합니다.
회로에서 출력신호의 일부를 입력측으로 feedback시킬 때, 입력 신호와 같은 극성으로 보내서 더해주는 방법과 반대 극성으로 보내서 빼주는 방법이 있습니다. 전자를 positive feedback (PFB)이라고 하며 게인을 올릴 때나 발진기를 만들 때 사용하고, 후자를 negative feedback (NFB)이라고 하며 게인을 일정하게 할 때나 특성을 개선하기 위해 사용합니다.
전자회로에서 NFB은 출력전압(출력단에 shunt 회로로 연결) 또는 출력전류(출력단에 series 회로로 연결)를 감지하여, 입력전압(임력단에 series회로로 연결) 또는 입력전류(입력단에 shunt회로로 연결)로 받아 입력과 비교하게 하는 4가지 조합의 방법이 있습니다.
이 조합에 따라, 전압신호 또는 전류신호를 입력신호로 받아들일 수 있게 하고, 입력신호에 비례하는 전압 또는 전류를 출력할 수 있게 앰프를 만들 수 있습니다.
shunt냐 series냐는 구분하는 것은 입력에 어떻게 더해 주느냐 는 결합 방법과 출력에서 어떻게 가져오느냐로 구분합니다. 이 구분은 NFB로 변하는 입출력 임피던스에 관련 됩니다.
출력전압을 feedback하여 입력 전압과 비교하는 전압형(series shunt type) NFB구성을 오디오 앰프에서 많이 사용합니다. 이 형태는 OP Amp에서의 non-inverting amp입니다. 입력 임피던스가 크고 출력 임피던스가 작은 것이 유리한 오디오 앰프의 성능을 올리기 위한 Global NFB는 거의 대부분이 전압형을 사용합니다. NFB형 EQ앰프나 대부분의 power 앰프는 전압형 NFB를 사용합니다.
다음으로 많이 사용하는 것이 trans-resistance형(shunt shunt type)으로 active tone control이나, 진공관 앰프에서 단관으로 게인을 가지는 버퍼앰프나, 출력 콘덴서를 사용한 구형 트랜지스터 출력앰프에 사용됩니다. 이 형태는 OP amp. 에서 inverting amplifier를 구성하는 NFB과 동일합니다.
다른 두 가지 형태(전류형과 trans-conductance형)도 직류 바이어스 안정이나 단일 소자 앰프 단의 특성을 개선시키는 목적 등등으로 앰프에서 사용합니다.
전압형 NFB에서, NFB가 없는 상태에서 전압이득을 -Ao(Ao: open loop gain, 양수, 반대 극성이 되어야 하기 때문에 음수 부호를 붙입니다)라고 하고 출력전압에서 입력으로 보내는 feedback전압 비율을 B라고 하면, NFB앰프의 전압이득은 Ao/(1+B*Ao)가 됩니다. B 값은 간단한 저항의 비 등으로 구성되어 출력 전압을 입력으로 되돌려주는 비율입니다.
B*Ao 가 1보다 충분히 크면 NFB 앰프의 게인이 간단하게 대략 1/B가 되어, Ao와 앰프의 구성과 무관하게 간단한 2개의 저항 등의 비율인 1/B로 게인이 안정됩니다. 즉 앰프의 open loop게인에 거의 무관하게 게인이 1/B로 일정해지기 때문에, 찌그러짐이 없어지고 주파수 특성 등이 일정하게 되는 것입니다.
B*Ao 를 NFB Loop Gain이라고 하고, 1+B*Ao 를 NFB feedback량이라고 합니다. NFB량이 얼마냐 하는 것은 ‘1+B*Ao’ 값의 크기를 말하는 것입니다. 큰 NFB을 걸었다는 것은 1+B*Ao 즉 loop gain ‘B*Ao’ 가 크다는 것을 의미합니다.
앰프의 주파수에 따른 게인의 변화 즉 주파수 특성도 feedback량 만큼 개선되고, 찌그러짐도 feedback 량을 나눈 값으로 감소하고, 잡음도 feedback량으로 나눈 값으로 감소합니다. 신호를 따라가는 속도도 feedback량 만큼 빨라지고, 전압형 NFB에서의 입력임피던스는 feedback량에 비례해서 증가하고, 출력 임피던스는 feedback량에 반비례로 감소합니다. NFB에 의해, 큰 입력 임피던스를 가지고 아주 작은 출력 임피던스를 가져서 입출력에 연결되는 회로의 영향도 받지 않는 이상적인 앰프의 특성을 가지게 됩니다.
NFB 방법에 따라 입력 임피던스나 출력 임피던스를 키우거나 줄이게 만들 수 있습니다. 전압형은 입력임피던스를 증가시켜주고 출력 임피던스를 감소시켜 주고, 반대로 전류형은 입력 임피던스를 감소시키고 출력 임피던스를 증가시켜 줍니다. Trans-resistance형은 입력 임피던스와 출력 임피던스 모두를 줄여주고, trans-conductance형은 임력 임피던스와 출력 임피던스 모두를 증가시켜 줍니다.
앰프의 특성이 맞지 않는 앰프에 NFB를 걸면 불안해 지기 때문에, NFB를 걸기 전에 안정도를 확보해야 합니다. 안정도를 확보하기 위해서는 정확한 회로해석과 NFB에서의 안정조건과 위상 보상 방법을 잘 알고, 테스트하는 방법도 잘 알아야 합니다. 회로 해석 프로그람을 사용해도 전문지식이 있어야 해결 가능합니다. 안정도가 확보되지 않으면 발진하거나 불안해져서 사용할 수 없는 수준이 됩니다. 안정도 확보를 할 수 있으면 NFB을 만능 통치약으로 사용가능하나, 실력이 없으면 원망의 대상도 될 수 있습니다.
실력이 없어서 못하는 자들이 NFB를 걸면 소리가 나빠진다느니 하면서 NFB을 욕하며 다닙니다. 실력이 없어서 아무리 해봐야 안되니 저주스럽기도 하고, 자신을 내세우기 위해 씹을 거리라도 있어서 좋겠죠. 그러나 회로 실력이 없어서 NFB를 이용 못하는 자들일 뿐입니다.
NFB 없이 만든 앰프가 안정된 NFB를 가진 앰프보다 좋을 수가 없습니다. 댐핑팩터나 주파수 특성이나 찌그러짐율 등등의 앰프의 문제점을 NFB로 개선한 것과 앰프의 문제점이 그대로 남아 있는 것과의 차이는 명확한 것이죠. 일부 다 찌그러진 소리를 좋아하는 이상한 사람들을 제외하고는 모두가 찌그러짐율이 큰 앰프를 좋아하지 않겠죠.
특히 빔관이나 5극관은 찌그러짐율이 크고 댐핑팩터가 ‘1’도 안되기 때문에 Hi-Fi급 스피커를 사용하기 위해서는 꼭 NFB이 필요합니다.
진공관 시대의 명기로 알려진 모든 5극관 진공관 앰프는 다량의 NFB을 걸어준 앰프입니다. 진공관 앰프에서 0.2%이하 THD과 10이상의 댐핑팩터를 얻기 위해, 큰 NFB를 걸 수 있는 앰프 회로와 트랜스 등의 부품이 앰프 제조사의 기술력이었습니다. 고급품을 만드는 명망 있는 회사에서는 더 낮은 THD와 더 큰 댐핑팩터를 얻기 위해 경쟁적으로 더 강한 NFB을 거는 경쟁을 합니다. 찌그러짐이 많은 진공관과 댐핑팩터가 아주 작은 빔관이나 5극관 출력에서는 피할 수 없는 길이었습니다.
NFB을 걸려면, 걸기 전의 앰프가 어느 정도의 특성을 가져야 합니다. 그렇지 않으면 동작이 불안해 지거나, negative feedback이 아닌 positive feedback이 되어서 발진기가 될 수도 있습니다.
Feedback Gain 식Ao/(1+Ao*B)에서 Ao*B가 -1이 되면, 1+Ao*B가 영이 되어 게인이 무한대가 되면서 발진기가 되어 버립니다. Ao 가 주파수 특성에 따라 음수가 되면 positive feedback이 되어서 불안해지거나 발진하게 되기에 그 발진 조건에서 얼마나 여유가 있느냐로 안정도를 판단합니다.
양수여야 하는 앰프의 게인인 Ao 이, 주파수에 따라 양수에서 벗어나는 변화를 위상 특성이라고 합니다. 양수에서 벋어나는 정도를 위상 각도로 표시합니다. 간단하게 NFB에서 Ao 가 완전 양수일 때를 ‘0도’라고 하면 완전 음수일 때는 ‘180도’가 됩니다. 90도면 절대값은 있으나 양수도 음수도 아닌 허수가 되고, 0도와90도의 정수배가 아닌 위상각에서는 실수와 허수값이 모두 존재하는 복소수 값이 됩니다.
Loop gain이 ‘1’이 될 때에 Ao 의 위상이 180도에서 얼마나 여유가 있느냐를 phase margin이라고 하고, Ao 의 위상이 180도 일 때 loop gain이 ‘1’ 보다 얼마나 작느냐를 gain margin이라고 합니다. 발진 조건에서 얼마나 여유가 있는가를 나타내는 지표입니다.
이론적으로는 약간의 ‘+’ phase margin과 약간의 ‘+’ gain margin만 있어도 안정되었다고 하나, 오디오 파워앰프에서는 진공관의 게인 등의 특성이 일정하지 않고, 부하의 특성에 리액턴스 성분이 있고, 고역에서의 피크가 발생해서는 안되기 때문에, 60도 이상의 phase margin과 14dB이상의 gain margin 이 있어야 합니다. 충분한 위상과 게인의 마진을 확보하기 위해 각 증폭단의 특성을 설계하고, 위상 보상도 해주어야 하고, 그 위상 보상에 의한 영향도 보완해야 합니다. 부하의 위상 변화에 대한 대비도 해주어야 합니다.
인덕턴스나 콘덴서에 의해 6dB/oct로 고역으로 또는 저역으로 주파수에 따라 게인이 변하면, 크로스오버 주파수에서 45도, 먼 주파수에서 90도까지 위상이 변합니다.
앰프단에서 DC로 직결된 반도체 앰프에서는 저역 쪽의 위상 문제가 없으며, 대부분이 2 단의 common emitter단과 고주파 특성이 좋은 common collector를 사용하여, 피더백에 영향을 받는 주파수대에서는 대부분이 180도 이상 변하지 않기 때문에 쉽게 phase와 gain margin의 확보가 가능합니다.
일부 반도체 앰프에서 큰 NFB을 걸기 위해, 차동 증폭기를 이용하여 3단 common emitter으로 loop 게인이 큰 회로를 만들어서 숫자상의 THD등이 좋아 보이게 하지만, 안정도나 다른 특성에서 문제를 가질 수가 있습니다.
진공관 앰프는 각 단간에 결합 콘덴서로 연결해야 하기 때문에, 저역에서도 위상이 문제가 됩니다. 진공관 전력앰프를 예를 들면, 입력증폭단과 위상 분리단간의 결합콘덴서와, 위상분리단과 출력단사이의 결합콘덴서와, 출력 트랜스의 인덕턴스와 부하와 출력 저항에 의한 최소 3개의 저역 감소하는 1차의 crossover 주파수가 존재하고, 각각의 1차의 crossover주파수에서부터 45도씩 위상이 틀어지고 6dB/oct씩 저역 감쇄와 90도를 향해 위상이 틀어져, 270도까지 틀어지기에 발진 조건인 180도를 언제나 지나가기에 조치를 취하지 않으면 발진합니다. 진공관 앰프에서 큰 NFB을 걸지 못하는 원인 중에 하나가 저역특성입니다.
고역에서는 입력 전압증폭단과, 출력증폭단과, 트랜스의 leakage inductance와 부하임피던스 등에서 최소 3개의 고역 감소하는 1차의 crossover주파수가 존재합니다. 각의 1차의 crossover 주파수에서부터 45도씩 위상이 털어지고, 6dB/oct씩 고역감쇄와 90도를 향해 위상이 틀어져, 고역에서도 발진 조건인 180도를 넘어 270도까지 틀어집니다.
고역에서 NFB량을 제한하는 것이 출력 트랜스입니다.
NFB로 발진을 방지하고 phase margin과 gain margin을 확보하는 방법을 주파수 보상 또는 위상보상이라고 합니다. 주로 gain margin을 만들어 주는 방법을 사용합니다. 1차의 crossover 주파수간의 거리를 충분히 넓히고, 피더백 저항에 콘덴서를 붙여서 위상을 틀어서 필요한 phase margin을 확보하는 방법을 사용합니다.
고역에서는 고역 보상이나 pole splitting나 feedforwad 등등의 방법을 사용하고, 저역에서는 각 coupling capacitor의 용량의 cut off 주파수 조정으로 각 단의 저역 특성을 의도적으로 큰 차이가 나게 맞추거나, DC(직류) 결합을 최대한 유지시키는 것으로 위상과 게인의 마진을 확보합니다.
저음에서의 위상 문제를 풀기 위해, 다량의 NFB를 사용한 고급 앰프를 보면 최대한 DC결합을 하려고 노력한 것을 볼 수 있습니다. DC결합 등으로 저역 위상의 변화를 최대한 줄이려는 회로 구성이 각 사의 앰프 회로의 특징으로 나타납니다. 입력단과 위상분할 단간을 DC로 결합한 구조로 만들거나, 어떻게 해서라도 DC결합을 유지시키는 등등으로 저역에의 phase margin확보를 하고 있습니다. 진공관 전성기 때 앰프들의 회로를 보면 어떤 노력을 했는지를 알 수 있습니다.
DC결합이 안되고 트랜스를 사용해야 하는 진공관 앰프는 위상특성이 좋지 않기 때문에, NFB를 사용하려면 상당한 수준의 회로 설계 능력이 필요합니다.
회로 해석 program을 이용하거나 계산하거나 하여, NFB이 걸리지 않은 open loop gain과 필요한 량의 NFB에서 phase margin을 먼저 구하고, phase margin이 충분하지 않으면 위상보상이나 feed forward 등등의 방법으로 phase margin을 확보하고, gain margin이 충분한가를 확인하고, gain margin이 충분하지 않으면 보완을 하고, 조립한 다음 각종 부하에서 과도 특성이나 주파수 특성이나 방형파 특성을 보고 안정되었는지를 확인하는 작업을 해야 합니다.
피더백이 없는 상태에서 게인과 각각의 crossover 주파수를 구하고, 앰프의 필요한 요구 게인과의 차이로 피더백량을 정하고, 게인 마진과 phase margin을 구하고, 고역을 feed forward 시켜서 특성을 개선할 수 있는 곳을 찾아 보완하고, 위상 보상이나 crossover 주파수를 이동시켜서 필요한 phase margin과 게인 마진을 확보하고, 각 단에서 slewing rate를 계산하여 slewing rate를 가장 크게 할 수 있는 위상 보상 위치와 방법으로 정리하는 치례로 설계합니다.
만들어지면 주파수 특성에서 peak 여부와 주파수를 찾고, 방형파의 특성에서 피킹 여부를 찾아서 위상 보상회로를 보완해 주어야 합니다.
NFB로 앰프의 특성을 개선할 때, slewing rate라는 특성을 고려해야 합니다. 이 특성이 충분하지 않으면, 과도 특성에서 문제를 만듭니다. 한때 TIM이라는 찌그러짐을 제안된 것이 이 slewing rate에 관련 된 것입니다.
Slewing rate는 앰프의 출력이 가질 수 있는 출력 전압의 변화율의 한계로, 고주파측에서의 위상 보상 등으로 만들어진 용량을 회로에서 충방전할 수 있는 전류의 한계로 생기는 전압 상승율의 한계입니다.
모든 앰프는 slewing rate의 제한을 받습니다. NFB앰프에서는 위상 보상을 하기 위한 capacitance 가 slewing rate에 영향을 주기 때문에, 위상보상을 하면서 언제나 고려해야 합니다. 각 증폭단에서 오디오 신호의 최대 한계 주파수에서 필요한 전압 변동율 보다 충분히 큰 slewing rate를 확보해 주어야 하고, 불필요한 고역 신호를 억제하여 회로의 slewing rate를 절대로 넘지 않게 설계합니다.
초기 반도체 앰프에서 slewing rate 문제가 있는 앰프들이 있었습니다. 이 slewing rate때문에 반도체 앰프의 소리가 이상하다고 주장하고, TIM distortion이라는 것을 제안하게 되지만, 별 의미 없는 사항입니다.
위상 보상 회로로 slewing rate 가 늦어지지만, 고역 주파수 특성이 좋아지기 때문에 전체 회로의 속도는 NFB에의해 빨라집니다. 회로 설계에서 어떠한 경우에도 slewing rate에 걸리지 않게 설계하면 영향은 없습니다.
Current feed-back amplifier라는 것은 feed-back위상보상으로 발생할 수 있는 slewing rate의 감소를 막기 위해 만들어진 앰프구조입니다. non-inverting 입력에서 inverting input사이에 전압 전류 변환기를 두고 inverting 입력에 흐르는 전류에 비례하는 출력 전압을 내는 trans-resistance형 앰프입니다.
대량의 feed-back을 시킬 때 유리한 구조로, 최신 트랜지스터 앰프에서 자주 발견됩니다. 진공관으로 이런 구조를 만들 일은 없다고 봅니다.
NFB 앰프를 만들 때 조심해야 하는 것은, 트랜스나 콘덴서나 진공관 등등의 원 회로의 부품의 규격으로 만들지 않으면 발진하거나 불안해진다는 점입니다. 그 불안한 특성을 보완해 주기 위해서는 회로 해석(게인과 위상), 측정(주파수 특성과 파형 분석), 보완 방법 검토, 확인의 과정을 거쳐야 하기 때문에 지식이 없으면 쉽지 않습니다. 파형을 보는 것도 트랜스의 영향인지 NFB의 영향인지를 구분하는 것도 지식이 없으면 쉽지 않습니다.
3극관 앰프가 아마추어들에게 인기가 있는 것은 NFB없이도 어느 정도의 damping factor가 나오고, 찌그러짐율도 심하게 귀에 거슬릴 정도는 되지 않기 때문입니다. 이 것으로 3극관 앰프가 세상에서 가장 좋은 것처럼 말하는 것은 웃기는 일이죠. 빔관이나 전력 5극관 이후에 오디오 출력용 3극관이 거의 개발이 되지 않아서, 할 수 없이 사용해야 하는 원시시대의 직열 3극관이 과대 평가 되는 것도 재미있는 일입니다.
NFB가 걸린 앰프에서는 각 증폭단의 주파수 특성을 조정하여 phase margin과 gain margin을 조정해 놓았기 때문에, coupling capacitor 용량을 바꾸는 등등은 자살행위에 해당합니다. 각 증폭단의 주파수 특성이 달라지면, margin이 달라지면서 발진하거나 불안해 질 수가 있습니다. 게인이나 특성이 다른 진공관을 바꾸어도 불안해 질 수 있습니다. 진공관이나 콘덴서를 규격에 다른 것으로 바꾸어서 소리가 어떻게 달라졌다고 하는 짓거리는 이러한 NFB회로를 불안하게 만들고는 좋아하는 수준일 수도 있습니다.
