진공관 앰프 기본기

- 진공관 앰프의 장점 -

1. 포근하고 윤기 있는 음

2. 뉘앙스가 있고 전체를 감싸는 듯한 분위기

3. 표정이 풍부하고 음색의 미묘한 변화가 잘 나타나는 음

4. 자연스런 음감

5. 넓은 공간에서 뒤편까지 뻗어 나가는 듯한 음감

6. 출력관에 따라 독특한 음질을 낼 수 있는 다양성

15. 왜 진공관 앰프인가?

이 글은 월간오디오 (2000년 6월) 글 중에서 필요 부분만 발췌한 것입니다. 

1. 진공관 앰프는 원근감의 표현이 트랜지스터 앰프보다 우수하다. 

스피커는 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸어 소리를 만든다. 
보이스 코일에 전류가 흐르면 자장에 의해서 코일이 움직이며 이때 콘 페이퍼가 함께 움직이므로 소리가 만들어진다. 그러나 자장 속에서 코일의 움직임은 유도기전력을 발생시킨다. 이를 역기전력이라 하는데. 역기전력이 발생하면 전류는 앰프로 역류하여 앰프에서 스피커 쪽으로 나가는 신호와 간섭하여 소리를 왜곡시킨다. 

역기전력에 의한 소리의 왜곡은 공간감, 특히 원근감의 표현을 떨어뜨리는 중요한
요인으로 알려져 있다. 

진공관 앰프는 진공관의 출력 임피던스가 높아서 임피던스 매칭을 시켜주어야 하므로, 
보통의 경우 출력 트랜스가 사용된다. 
반면 트랜지스터 앰프는 증폭 소자인 트랜지스터의 출력 임피던스가 낮아서 임피던스 매칭을 시킬 필요가 없다. 

출력 트랜스가 있는 진공관앰프는 역기전력을 트랜스의 2차측에서 소모함으로 앰프의 신호가 역기전력에 의한 신호와 혼합되는 정도가 적어진다. 
일부에서는 출력 트랜스가 임피던스 매칭을 위한 불가피한 존재로 생각하여 출력 트랜스
자체가 갖고 있는 왜곡 요인을 제거하여, 출력 트랜스가 없는 OTL방식의 앰프가 진공관이 갖는 순수한 소리를 들을 수 있는 이상적인 방식이라고 주장하기도 한다. 
그러나 출력 트랜스는 진공관 앰프가 트랜지스터 앰프에 비하여 대부분의 특성이 나쁜데도 불구하고, 사랑받는 이유, 즉 원근감을 만들어주는 요인이다. 

2. 진공관 앰프는 왜율은 크나'왜율의 종류가 다르다. 

진공관 앰프는 대부분의 특성에서 트랜지스터에 뒤지며 특히 왜율(distortion)에 있어서는
order가 다르다. 
전통적으로 왜율은 harmonic distortion 과, intermodulation distortion으로 구별하여 
앰프의 성능을 나타내는 가장 중요한 요소로 여겨져 왔다. 
이상적인 앰프와 정의가 왜곡없는 신호 증폭기이기 때문이다. 
트랜지스터 앰프의 경우 왜율은 0.1% 보다 작은 것은 흔히 볼 수 있지만,진공관앰프의 경우
1% 보다 작은 왜율을 실현하기가 어렵다. 

진공관에서 발생하는 고조파는 대부분 2차 고조파(second halmonics)이며. 
트랜지스터에서 발생하는 고조파 는 3차 고조파(third harmonics) 임이 알려져 있다. 
보통 앰프의 사양을 표시할 때에는 2차 고조파와 3차 고조파에 의한 왜율을 구별하지 않으므로,
어떤 성분이 얼마마한 크기로 있는지 알 수 없다. 
그러나 소리에 미치는 영향은 매우 다르다. 

2차 고조파들은 기본음을 보강하여, 전체적인 소리의 경향을 두텁고 풍성하게 만드는 반면,
3차 고조파는 단순한 왜곡을 발생시킨다. 
진공관 앰프의 경우, 왜율은 높지만 음악적으로 들리며, 트랜지스터 앰프는 낮은 왜율을 갖지만
차갑게 느껴지는 현상은 이 때문이다. 
과장된 비유로 트랜지스터 앰프의 낮은 왜율과 진공관 앰프의 높은 왜율을 표현하자면 
0.1%의 독약을 탄 물과 1%의 설탕물의 차이라고 말할 수 있다. 

증폭 소자로서 최초의 디바이스인 진공관. 현재 시점에서 보면 어쩌면 원시적으로 여겨지는
진공관 그리고 회로 기술이 지금처럼 발달하지 못했던 시대에 만들어진 진공관 앰프가
오디오 애호가들로부터 지속적인 사랑을 받는 이유는 이 밖에도 많다. 
그러나 가장 중요한 요인 두 가지는 공간감의 재현 능력과 2차 고조파에 의한 풍부한 음악성일 것이다.  


진공관 앰프의 장점  

70년대 이후 전력이 적을 뿐만 아니라 출력이 높은 솔리드 스테이트 앰프가 출현하자, 편리성과 경제성으로 순식간에 진공관 앰프는 퇴물이 되었습니다.  그러나 솔리드 스테이트인 트랜지스터 앰프의 한계점이 나타나자, 서서히 진공관 앰프의 붐이 불기 시작 하였습나다.  이 붐은 일본에서 부터 시작되어, 지금은 진공관 르네상스라는 말이 생길 정도가 되었습니다.  진공관 앰프의 최대 장점은 값싼 앰프라도 제 구실을 한다는 데 있습니다.  초 하이엔드 급에서는 트랜지스터 앰프와 진공관 앰프의 우위를 논한다는 것이 무의미 하지만, 그 밑에서는 진공관 앰프가 장점을 많이 가지고 있다는 데는 이론의 여지가 없습니다.  특히 진공관 앰프는 진공관에 따라 독특한 음색을 가지므로 TR 앰프가 따라 올 수 없는 개성을 가지고 있습니다. 진공관앰프의 장점을 정리하면 다음과 같습니다

1. 진공관의 정의

진공 내에서 전자의 운동을 이용하는 전자관. 

종류로는 초기의 라디오나 텔레비전 수상기에 많이 사용된 일반적인 수신관을 비롯하여 송신기용의 송신관·클라이스트론·마그네트론 진행파관 등의 초고주파전자관·X선관·광전관·브라운관·촬상관 등이 있다. 1900년 
도 초기, 진공관이 발명되어 미약한 신호에 의한 큰 에너지의 제어, 각종 신호처리 기술이 가능하게 되어 오늘날의 전자공학이 있게 되었다. 

전자는 높은 진공(10-7mmHg) 속에서는 전기적인 힘에 의해 자유로이 운동할 수 있게 되는데, 이와 같은 운동을 외부의 전기장이나 자기장으로 제어하여 증폭·발진·정류(整流) 등을 할 수 있도록 만든 것이 진공관이다. 이들 진공관의 역사적인 배경과 종류·구조·작용 등은 다음과 같다. 1884년 미국의 에디슨은 백열전구를 연구하면서 진공 속에서 전류가 흐르는 것을 발견하였으며(에디슨 효과), 이 발견을 기초로 하여 영국의 J.A.플레밍이 기체를 빼낸 유리공 속에 백열전구와 같은 필라멘트와 2개의 금속판 전극을 넣어 2극진공관(밸브라 했다)을 발명하여 무선전신의 검파(檢波)에 이용했다. 

1906년에 미국의 드 포리스트가 2극진공관에 또 다른 전극을 삽입하여 전자의 흐름을 제어하도록 하는 3극진공관을 발명하였다(당시에 Audion이라고 불렀다). 이후에 3극진공관의 결점을 보완한 4극관·5극관 등이 차례로 발명되었고, 그 외에도 여러 목적에 따른 진공관들이 발명 되었다.

2. 진공관의 구조와 작용 
수신관의 진공용기는 유리로 된 것이 많고 간혹 금속용기로 된 것도 있다. 초기에는 백열전구와 비슷한 것이었으며, 라디오와 텔레비전의 보급에 따라 ST관에서 GT관, 다시 MT관으로 소형화되었다. 송신관은 수신관보다 취급하는 전력이 커서 모양도 크게 만들어졌으며, 구조적으로도 수신관과는 달리 수냉·강제공랭 방식 등의 냉각계통을 부가하고 있다. 내부 구조는 음극과 양극, 그리드로 구성된다. 

음극은 전자를 방출하는 것으로 열에 의한 전자방출, 빛에 의한 전자방출, 강(强)전기장에 의한 방출, 2차전자에 의한 방출 등 여러 형태의 음극이 있다. 수신관이나 송신관에는 주로 열전자방출방식을 사용한다. 송신관의 음극은 녹는점이 높은 금속으로 텅스텐이나 소량의 토륨을 첨가한 텅스텐을 사용하고, 수신관은 산화물음극이라고 하는 것으로, 니켈과 같은 금속 위에 산화바륨을 발라 낮은 온도에서도 전자방출이 쉽도록 하고 있다. 

음극의 모양은, 초기에는 필라멘트 모양의 산화물 음극이 많이 사용되었으나(直熱型), 후에는 산화물을 바른 니켈을 원통형으로 하여 이 속에 히터를 설치한 방열형이 많이 사용되었다. 수신관의 그리드는 니켈이나 몰리브덴의 가느다란 선을 지지물에 감아서 원형·타원형(저주파용)·평면형(고주파용) 등의 형태로 하였다. 

양극은 니켈 등의 표면을 흑화(黑化)하여 열복사를 좋게 하는 구조로 만들었다. 송신관의 그리드는 구리합금·몰리브덴 등을 나선형·메시(mesh)형으로 하고, 양극은 수냉·강제공랭 등의 구조로 하여 방열대책을 세우고 있다. 

진공관의 작용은 다음과 같다. 

⑴ 정류작용:음극으로부터 방출된 전자가 양극이 음극보다 높은 전위일 때 양극으로 흘러가는 것을 이용하여 양극에 교류를 가해, 양극이 양(陽)일 때만 전류가 흐르게 되어 교류가 직류로 변환되는 현상을 말한다(2극관의 경우). 

⑵ 증폭작용:3극관은 음극과 양극 사이에 그리드를 설치한 것이다. 이 그리드는 음극 가까이 설치하므로 양극전류에 대한 영향은 양극에 가해진 전위보다 훨씬 효과적이다. 
그리드 전위를 음극보다 낮은 전위(－의 전위)로 해도 양극전위에 높은 전위를 가하는 경우에 전류가 흐르는데, 이때 그리드 전위를 약간 변화시키면 양극전류가 민감하게 변화되어 양극전위의 큰 변화와 같은 효과를 얻게 된다. 진공관의 결점인 양극과 제어그리드 사이의 정전용량을 감소시킨다. 그러므로 4극관은 고주파증폭에 적합하다. 5극진공관은 4극관에서 발생되는 2차전자를 억제하기 위해 양극과 차폐그리드 사이에 억제그리드를 삽입하여 고주파증폭에 사용하는데 본질적인 증폭작용은 같다. 

⑶ 발진작용:적당히 선정된 동조회로를 매개로 하여 3극관의 양극과 그리드를 결합하면 동작회로에 따라 어떤 주파수를 발진하게 된다. 초단파 등에서는 보통의 진공관은 사용할 수 없어서 특수하게 만든 마그네트론·클라이스트론 등의 진공관으로 발진을 행한다. 

⑷ 주파수변환작용:제어그리드에 어떤 주파수의 고주파전압을 가하고, 또 다른 그리드에 다른 고주파전압을 가하면 두 전극에는 이 두 주파수의 차에 해당하는 주파수의 전압이 얻어진다. 이것을 주파수변환이라고 한다. 슈퍼헤테로다인(superheterodyne) 수신기에서 고주파를 중간주파수로 변환시킬 때 사용한다. 

⑸ 스위칭작용:2개의 그리드에 서로 다른 신호전압을 가해서 두 신호가 서로 양이 되었을 때 전류가 흐르도록 하는 작용으로 초기 전자계산기의 논리동작에 이용하였다. 이 밖에도 여러 가지의 구조나 작용 등이 있으나 근래에는 트랜지스터·집적회로(IC) 등의 반도체소자에 밀려나서 거의 사용되지 않고 있는데, X선관, 텔레비전용의 브라운관, 레이더용의 브라운관, 대형송신관 등 특수 용도의 진공관은 아직도 사용되고 있다. 앞으로 특수용도의 것도 점차 반도체소자로 대치되어 가므로 완전히 없어질 날도 멀지 않다. 
 

3. 3극관 (triode)

고진공전자관(高眞空電子管)의 가장 기본적인 것. 

1907년 미국의 L.드포리스트에 의해서 고안되었다. 1920년대에 라디오 방송이 개시된 이래 그 수요가 급속히 늘어나, 1960년대의 트랜지스터로 대체되기까지 전자장치(電子裝置)의 주역 구실을 해왔다. 
1907년 미국의 L.드포리스트에 의해서 고안되었다. 1920년대에 라디오 방송이 개시된 이래 그 수요가 급속히 늘어나, 1960년대의 트랜지스터로 대체되기까지 전자장치(電子裝置)의 주역 구실을 해왔다. 

증폭 ·발진 ·검파 등의 여러 동작을 하게 할 수가 있으며, 취급하는 전력은 최대 100 kW의 공랭식 송신관(空冷式送信管)도 있고, 소형의 것으로는 연필 굵기 정도의 것이나 에이콘관(acorn管) 정도의 수신관도 있다. 관 속에는 애노드 ·그리드 ·캐소드의 세 전극이 있으며, 가열된 캐소드에서 나온 자유전자(自由電子)를 양극에서 흡인한다. 그 도중에 전자의 통과량을 제어하기 위해 그리드를 놓고, 보통 그 전위(電位)를 캐소드보다 음으로 유지하여 전압의 크기를 바꿈으로써 애노드의 전류를 제어하고 있다. 

주파수는 적당한 구조로 함으로써 수천 GHz까지 사용할 수가 있다. 3극관의 발전된 형식으로서 4극관 ·5극관이 생겼다. 또 동작상의 변형으로서 마그네트론(magnetron), 진행파관(進行波管) 등이 고안되었다 . 

 4. 4극관 (tetrode)

음극과 양극 사이에 2개의 그리드(그리드전극)를 가지는 진공관. 

3극관의 음극과 제어그리드 사이에 그리드를 설치한 것을 공간전하(空間電荷)그리드 4극관, 제어그리드와 양극 사이에 그리드를 설치한 것을 차폐그리드 4극관이라고 하는데, 후자가 일반적으로 사용된다. 

공간전하그리드형은 1913년 I.랭뮤어가 개발한 것으로, 공간전하그리드에 적당한 양전압을 가함으로써 음극 부근의 전자(공간전하)를 가속시켜, 음극으로부터의 열전자 방출을 용이하게 함으로써 낮은 플레이트 전압으로도 충분히 동작할 수가 있다. 

차폐그리드형은 양극과 제어그리드의 정전결합(靜電結合)을 제외하고, 고주파를 증폭할 경우의 자기발진(自己發振)을 방지하기 위하여 두 전극 사이에 그리드를 넣은 것으로 플레이트 전압의 1/2~1/4의 전압을 가하는 것이 보통이다. 

차폐그리드관의 결점을 보완한 것이 빔관과 5극관이다. 플레이트와 차폐그리드 사이에서 행하는 2차전자의 교환을 차단하면 결점을 제거할 수 있다. 1919년 W.쇼트키가 개발한 2중그리드관을 발판으로 1926년에 A.W.헐이 4극관을 완성하였다 . 
 

5. 5극관 (pentode)

5극관 五極管 (pentode): 관 속에 제어 그리드 외에 차폐 그리드 ·억제 그리드 등 3종의 그리드와 양극 ·음극 등 5개의 전극을 지닌 고진공 전자관.

4극관의 양극에서의 2차전자 효과를 억제하기 위해 고안되었는데, UHF대(帶) 이하의 영역에서 주로 수신용으로 널리 사용된다. 내부저항은 매우 높아 수십~수백 kΩ으로서 정전류 특성(定電流特性)을 나타내고, 증폭률 μ은 수백~수천에 이른다. 대형인 것에서는 수백 W의 전력을 취급할 수 있는 것도 있으나, 대(大)전력 영역에서는 오히려 빔출력관이 사용된다. 

5극관 중에서 제어 그리드를 균일하게 만들어 음극에 접근시킨 프레임 그리드의 5극관이 많이 쓰인다. 

 

6. 송신관 /수신관

송신관 送信管 (transmitting tube) :전파의 송신용으로 사용되는 대출력용 진공관. 

현재는 중파대에서 단관(單管)의 플레이트 손실이 100kW 이상되는 것도 있다. 또 초단파(VHF) 및 극초단파(UHF)대에서는 진행파관도 사용되는데, 그 연속 최대출력은 계속 증대되어 가고 있다. 냉각방식에 따라 수냉관·공랭관·증발냉각관 등 여러 가지가 있으며, 각 방식마다 특징이 있다. 

대체로 플레이트 손실 50W 정도 이상의 것은 이 분류에 포함된다. 또 아무리 송신기 속일지라도 50W 이하의 손실로 족할 곳에는 수신관이 사용된다. 캐소드로는 직열형(直熱型) 히터가 가장 많고, 출력이 1kW 이상 되는 것은 3극관이 대부분이다. 

수신관 受信管 (receiving tube):주로 수신용의 회로나 장치에 사용되는 진공관. 

그러나 송신기에 사용하는 진공관이라도, 소형의 것은 관습적으로 수신관이라고 한다. 송신기의 최종 출력단에만 사용할 목적으로 설계된 송신관 외에는 거의 모두 수신관이라고 한다. 둘 사이에 뚜렷한 구별은 없으나 플레이트 손실이 30 W 이하인 소형의 것은 대부분 수신관이라 한다. 3극관 ·5극관 ·빔관 등 많은 것이 포함된다. 

수신관의 가장 큰 용도는 수신기용이지만 트랜지스터의 출현으로 사용이 줄고 있다. 그러나 생산이 대부분 자동화 ·기계화되어서 수명이 늘어나고 품질이 균일화되었다. 

7. 진공관의 발달

가. 백열전구

  진공관은 백열전구로부터 시작 되었다. 백열전구는 필라멘트를 진공속에서 가열하면 뜨거워져 이 때 빛을 발생하게 되는데 이것이 백열전구의 원리이다. 이때 뜨거운 필라멘트에서 전자가 방출되고 그것은 진공속에서 필라멘트 주위에 무리지어 존재하게 된다.

  실제 백열전구의 내부는 진공이 아니라 불활성 기체를 넣어 열을 방열시키고 필라멘트를 산화하지 못하게 하는 역할을 한다.

나. 2극 진공관(다이오드)

  만약에 백열전구에 또 다른 양의 전극을 추가한다면 이 전자는 양의 전극으로 끌려 갈 것이다. 즉 진공속에서 전류가 흐른다는 것이고, 만약에 이 전극이 음의 전위를 띤다면 전자는 반발에 의해 끌려가지 않을 것이다. 이것은 결국 한 방향으로 전류가 흐르는 소자가 되는 셈이며, 이 때 우리가 관습적으로 사용하는 전류의 방향과 전자의 방향은 반대가 된다.
여기서 필라멘트가 전자를 방출하므로 케소드라고 하고 다른 전극을 플레이트 또는 에노드(양극)라고 한다. 케소드의 종류에 따라 필라멘트가 직접 열을 내면서 전자를 방출하게 되면 직열형이라고 하고 케소드 내부에 필라멘트을 설치해 그 열로 케소드가 전자를 방출하게 하는 방열형이 있다. 회로도를 보면 직열형과 방열형을 구분이 된다.

  경우에 따라서는 히터(필라멘테)에 교류를 가하면 그 신호가 시스템에 유입되어 험을 유도하게 하는 원인이 되므로 필라멘트에는 직류를 공급하는게 좋다. 그래서 방열형은 교류를 사용할 수 있도록 하기 위해서 히터와 케소드가 전기적으로 분리되어 있다. 그러나 워밍업 시간이 길어지며, 에너지가 더 많이 필요하다는 단점도 있다. 직열형의 경우라 하더라도 적절한 방법을 쓰면 교류를 써도 험을 완전히 제거할 수 있으며, 직열형과 방열형에 따라 음색이 다르다고도 한다.

  이극 진공관은 가장 간단한 진공관으로 일반적으로 정류나 검파에 쓰인다. 정류관의 경우는 플레이트에 교류 전압이 가해지면, 히터에서 정류된 직류를 얻을 수 있다. 또한 두 개의 플레이트를 넣으면 전파 정류가 가능하며 여러 가지 평활 회로를 쓰면 완전한 직류를 얻을 수 있다.
일반적으로 방열형의 경우 히터(필라멘트)는 회로도에 표시하지 않는 경우도 있다.

다. 삼극진공관

  삼극관은 이극관의 케소드와 필라멘트 사이에 다른 극을 넣어서 음의 전압을 가하면 필라멘트에서 플레이트로 흐르는 전자를 중간에서 차단해 전자의 흐름이 감소하고, 반대로 양이면 흐름은 촉진된다. 이처럼 중간에 극을 넣어 플레이트로 흐르는 전자의 흐름을 조절할 수 있는데, 이 때 중간의 극을 그리드라고 한다. 다시 말하면 그리드에 작은 교류 전압을 가하면 그와 180도의 위상차를 갖는 큰 전압이 플레이트에 발생하게 된다. 이것이 삼극관의 증폭이다.

  그리드에 걸어주는 음의 전압이 커지면 전류가 감소해지고 따라서 플레이트 전압이 커진다. 이는 다시 전류가 많이 흐르도록 하는 요소로 작용해 마치 삼극관이 그 자체가 피드백이 걸린것 처럼 동작한다. 
또한 그리드에 걸어주는 음의 전압을 점점 크게 하면, 어느 순간에 전자의 흐름은 정지하게 되는 데 이를 cut-off 전압이라고 한다.
삼극관은 기본적으로 가변저항처럼 동작하는데 이 가변 저항값은 그리드에 걸어주는 음의 전압인 바이어스에 의해 결정되는데 저항처럼 동작한다는 말은 삼극관의 증폭이 한계를 갖는다는 말이 된다.

  삼극관에 그리드와 플레이트는 그 자체가 마이너스 전압과 플러스 전압이 걸리기 때문에 이 두극은 마치 콘덴서의 두 극처럼 아주 저은 양이지만, 정전용량이 존재하게 되는데 오디오용 증폭에는 별 문제가 없으나. 라디오 주파수처럼 높아지면 안전성을 파괴할 수 도 있고, 동조회로에 사용할 경우 발진을 일으킬 수도 있다.

라. 사극진공관

  사극관은 삼극관의 정전 용량을 없애기 위해서 그리드와 플레이트 사이에 제2의 그리드를 넣는다 이를 스크린 그리드라고 한다. 이 스크린 그리드는 플레이트와 거의 같은 전압을 걸어줄 때 효과적으로 정전 용량을 제거해 주며, 이로 인해 진공관의 특성을 변화시키게 된다.

  그러나 이 스크린 그리드는 새로운 문제점은 낳게 되는데 바로 전자가 가속된다는 점이며 스크린 그리드에 의해 가속된 전자가 플레이트에 충돌해 전자가 다시 방출되는데 이를 제2의 방출이라고 한다. 이 제2의 방출은 전류를 감소시키며, 새로운 전계를 형성해 원하지 않는 문제를 일으킨다.

마. 오극진공관

  오극진공관은 사극 진공관의 문제점인 제2의 방출이 된 전자를 다시 플레이트로 쫓아 버리기 위해 스크린그리드와 플레이트 사이에 제3의 그리드를 넣어 주는데 이를 서프레서라고 한다. 이 서프레서에는 케소드와 같은 전압을 걸어 준다.(종종 내부적으로 연결되어 있다) 그래서 이 제3의 그리드는 돌진하는 전자의 속도를 줄여 주고 자유롭게 떠돌아 다니는 제2의 전자를 다시 플레이트로 쫓어 버린다.

바.빔오극관

  빔출력 오그관은 오극관의 특별한 한 형태이다. 컨트롤 그리드가 스크린과 플레이트 사이에 설치되어 가상의 전장을 형성한다.

  오극관은 안정성이 좋다. 그래서 라디오 회로에 사용이 되며 특히 중간 주파수 증폭에 대부분 오극 진공관이 사용되며, 전압 이득도 높다. 그러나 구조가 복잡하며, 노이즈가 높다.
각 진공관은 그 나름으로 장점과 단점을 지니고 있다 그래서 목적에 맞게 골라서 사용하고 있으며, 세월이 지나 반도체가 대부분 그 역할을 대신하고 있지만 부분적으로는 아직 반도체를 능가하는 부분이 있어서 오늘날에도 진공관이 쓰이고 있는 것이다.

 

8. 진공관의 구조

가. 진공관의 내부

진공관은 가열된 케소드에서 나오는 전자가 진공속을 통과해 플레이트로 전달되는 이극 진공관의 개념에 근거를 두고 있는데, 그 전자는 전자의 흐름을 조절하는 그리드를 통과하고 애노드에 부딪치고 흡수된다. 케소드와 그리드 플레이트를 적절히 설계함으로서 진공관은 작은 신호 전압을 큰 신호로 만들 수 있어 증폭할 수 있다. 대부분의 진공관은 유리로 된 관속에, 전극에 연결된 선들을 바닥으로 연결해 핀을 통해 소켓으로 연결시킨다. 이 때 진공관 내부는 진공일 때 전자가 튀어나오고 전극에 의해 이동하기 때문에 내부를 높은 진공상태로 유지하는 것이 매우 중요한다. 모든 진공관은 봉하기 전에 힘있는 진공펌프로 모든 공기를 빨아내 높은 진공도를 유지하도록 노력한다.
이것은 큰 진공을 위해서 매우 특별한 펌프가 요구된다. 좋은 진공관을 만들기 위해서는 일만분의 일 기압보다 더 낮은 기압으로 진공으로 만들어야 한다. 더 높은 진공도는 진공관의 성능을 좋게 하고, 더 잘 동작하게 하며, 수명이 길게 된다.

나. 케소드(필라멘트).

진공관의 구조상 가장 안쪽에서 열로서 전자를 방출하게 한다. 케소드의 임무는 전자를 잘 방출하도록 해야 한다. 이 전자의 방출은 온도와 밀접한 관계가 있어 높은 온도에 잘 견디며, 온도에 의한 저항 변화가 적은 재료를 쓴다. 만약 케소드에서 전자의 방출이 더 이상 없다면 이 진공관의 수명은 끝난 것이다.

  먼저 산화물 케소드는 바륨혼합물, 스트론튬산화물들을 코팅한 케소드나 필라멘트를 쓰고, 산화물 코팅 케소드는 주로 방열형에 쓰이며, 표면에 같은 종류의 산화물을 코팅한 니켈 튜브를 쓰기도 하는데, 내부의 히터는 전기적으로 절연을 해야 하고 고온으로 올라가지 않도록 산화 알미늄가루로 코팅한다. 산화물 케소드는 효율이 높아 낮은 온도(1000oC)에서도 쉽게 전자를 방출하여 작은 유리 진공관에 쓴다.  
  요즘은 텅스턴 필라멘트에 아주 적은양의 토륨을 더한 필라멘트가 쓰인다. 이 토륨 케소드는 더 높은 온도(2400oC)에 견디며 수명이 길고 높은 전압에 잘 견딘다.
  진공관의 수명은 필라멘트의 수명에 의해 결정된다. 이 필라멘트는 온도에 의해 수명이 결정되는데. 필라멘트의 전압을 약 20%낮게 동작시킴으로 해서 전자 방출에는 거의 영향이 없이 수명을 연장시킨다고 한다. 진공관의 전자 방출은 진공관 성능과 매우 밀접한 관계가 있다. 전자의 흐름이 바로 진공관의 동작이기 때문인데, 케소드에 불순물이 들어 있을 경우 오래 사용하게 되면 전자가 닳아 수명이 짧아진다. 대분의 진공관은 적당한 동작과 올바른 전압을 걸어 준다면 10만 시간은 쓸 수 있다고 한다.
  EL34와 같은 산화물 케소드 유리진공관은 약 1500~2000사간 정도이고, 300B와 같은 산화물 코팅 필라멘트 진공관은 4000~10000시간 정도이다. 이것은 누가 어떻게 사용하는가에 따라 수명이 달라진다는 걸 알 수 있다.

다. 플레이트.

그 모양 때문에 플레이트라고 하나 양극이라는 뜻으로 에노드라고도 하며, 대부분의 증폭단은 이 플레이트에서 출력을 얻는다. 진공관의 가장 밖에서 내부를 둘러싼 모양을 하고 있어 가장 내부에 있는 필라멘트가 열을 내면 필라멘트를 둘러싸고 있는 케소드가 열을 받아 전자를 방출하면, 이 방출된 전자가 주위에 있는 그리드를 통과해 가장 밖에서 전체를 둘러 싸고 있는 형태의 플레이트에 도달하게 된다. 플레이트는 케소드에서 출발한 뜨거운 전자가 도달해 그 결과로 전압이 나타나는 곳으로, 전자에 의해 뜨거워지므로 적절한 방열 장치를 가져야 한다. 
일부의 파워 진공관은 그라파이트 플레이트를 쓰기도 한다. 그라파이트는 열에 강하며 제2의 전자 방출을 잘 하지 않는 경향이 있다. 그리고 뜨거운 그라파이트 플레이트는 진공관내의 어떤 산소와도 잘 반응하고 흡수한다. 그라파이트 플레이트는 다른 메탈 플레이트보다 같은 크기이면 가격이 싸고 그래서 최대 파워의 능력이 필요한 곳에 사용된다.

라. 그리드.

 그리드는 판형의 도체로 만들어 두 개의 부드러운 구리 기둥에 듬성듬성 감겨 있다.(그리드 안에 케소드가 있다) 작은 진공관의 경우 이 그리드의 재료는 금을 쓰며, 대형 파워 진공관은 텅스텐이나 몰리부덴의 선을 바스켓 모양으로 만든다.

마. 게터.

진공관의 외형은 대체로 유리로 만드나 금속으로 만든 메탈관도 있으며 내부를 진공으로 만든다. 이 내부를 높은 진공으로 만들고 유지하기 위해 남아 있는 공기를 제거하고, 산소를 제거할 목적으로 쉽게 산화되는 바륨등을 유리 벽에 발라 놓은 것을 게터라 한다.

좋은 진공관은 진공도가 높아야 한다.  그래야 적절히 동작하게 되는데 만약 진공이 누설되거나 완전하게 공기가 제거되지 않으면, 수명에영향을 미칠 수 있는데, 게터는 공장에서 완전하게 빼내지 못한 산소를 제거하기 위한 장치이다. 진공펌프로 공기를 빼내지만, 완전한 진공은 없으며 이 나머지 공기는 전자의 흐름을 방해하고 산소는 필라멘트가 뜨거워지면, 산화하게 되어 필라멘트의 수명을 단축시킨다. 또한 유리는 산화물이므로 역시 뜨거워지면, 산소를 발생시키므로 진공관 내의 진공도를 유지하는 작업이 필요하게 되는 것이다. 진공관 제작의 마지막 과정중 하나가 게터를 태우는 과정이 있는데, 작은 컵 모양이나 홀더 모양의 게터를 유전가열로 태우면 이 게터 재료인 바륨이 유리 내부에 은색의 패치로 붙게 된다.  순수한 바륨은 매우 쉽게 산화한다. 그래서 게터의 재료로 사용되는데. 이 케터가 은색의 완전한 모양이나 색깔로 있으면 이 진공관은 완전한 것이며 만약 공기가 새서 산화하게 되면 회색이나 흰색으로 바뀌게 되어 이 게터의 색깔로 진공관의 상태를 어느 정도 확인할 수 있다.
검은색의 게터는 진공관이 사용된것이라는 루머가 있다. 이것은 사실이 아니다. 가끔 게터의 모양이 완전하지 않거나, 색깔이 변하거나, 점이 없어지는 경우도 있다. 진공관은 수명이 다할 때 까지 잘 동작할 것이다.  진공관의 완전함을 확인하는 가장 믿을 수 있는 방법은 전기적으로 진공관을 시험하는 것이다. 유리 파워 진공관은 가끔 게터가 없는 경우도 있다. 대신에 이들은 금속 게터를 쓰는데, 보통 지르콘이나 티타늄으로 코팅하고, 산화가 잘 되도록 순도를 높인다. 이러한 게터는 진공관이 매우 뜨거울 때 잘 동작한다.

- 제 준식님의 홈페이지에서 발췌 -

 

9. 진공관의 동작

 가. 검파와 정류

  이극 진공관은 한 방향으로 전류를 흘리는 특성이 있어, 검파 또는 정류를 할 수 있다.

 라디오는 높은 주파수에 음성 신호를 실어 나르게 되는데 수신기에서는 라디오 주파수 속에서 음성 신호를 분리해 내는 과정을 검파라고 하는데, 이 때 이극 진공관이 사용된다. 정류도 꼭 같은 과정이나 주파수가 낮다는 것 뿐이다.

 나. 바이어스

  바이어스란 진공관이 동작하도록 기본적인 전류를 흘리는 것을 말한다. 마치 자동차의 시동을 걸어 놓은 것 처럼 진공관이 동작하기 위해서 모든 진공관은 바이어스를 걸어야 동작 한다.

  이 상태(바이어스 전류가 흐르는 상태)가 진공관의 여러 가지의 기본적인 특성을 결정짓게 되는데 예를 들어 출력, 왜율, 효율, 게인, S/N비, 증폭등급 등을 결정하게 되므로 신중을 기해야 한다. 그러나 적절한 바이어스가 이 모든 것을 충족시키는 것은 모순이며, 증폭단의 목적에 맞게 바이어스를 조정해야 한다.
  대부분의 진공관은 제1그리드인 컨트롤 그리드에 마이너스 바이어스가 필요하다. 그 이유는 컨트롤 그리드에 플러스 전압을 가하면 진공관은 특성이 급격하게 변해, 그리드에 전류가 흐르고, 증폭과 전달 특성이 변하게 된다. 그래서 대부분의 진공관은 그 동작 범위가 수 볼트 정도의 마이너 전압의 바이어스가 될 때 정상 동작하도록 한다. 이것은 진공관이 세가지의 전압의 공급이 필요하다는 것이데, 필라멘트를 가열하기 위한 낮은 전압(AC도 가능), 플레이트에 공급하기 위한 50-350볼트 정도의 B+전압, 그리고 마이너스 1-20볼트 정도의 그리드 바이어스를 위한 B- 전압이다.

1)고정 바이어스
  고정 바이어스는 외부에서 따로 일정한 마이너스 전압을 그리드에 거는 것을 말한다.
  고정바이어스는 바이어스가 조정할 수 없다는 말은 아니고, 사실은 그 반대이다. 자기 바이어스는 보통 고정되어 있어, 조정할 수 없다. 그리고 고정 바이어스는 통상 조그만 트리머 볼륨에 의해 조정이 가능하다.

  고정 바이어스는 통상 진공관을 교체하면 다시 바이어스를 조정해 주어야 한다.
  외부에서 걸어주는 마이너스 전압은 깨끗해야 하고 리플이 있으면 바로 신호와 함께 증폭된다.

2)자기 바이어스
  바이어스를 얻기 위해 마이너스 전압을 공급하지 않고 쉽게 얻는 확실한 방법은 케소드에 그리드 보다 플러스 전압을 공급하는 것이며, 이렇게 하면 그리드에 마이너스 전압이 걸린 것처럼 보인다. 진공관을 통해 흐르는 전류는 케소드 저항에 의해 전압 강하가 일어나 케소드를 기준으로 보면 그리드에 마이너스 전압이 걸려 적절한 바이어스가 걸린다.

  진공관이 -4볼트의 그리드 전압이 필요하고 10mA의 플레이트 전류가 흐른다면 케소드에 400 옴의 저항을 연결한다고 가정하면, 이 저항에 전압 강하는 4볼트가 되어, 바이어스 전압을 자신이 만들어 내는 것이다. 플레이트 전압은 다양하게 걸수 있는데 이때는 데이터 시트를 보면 된다. 그리고 디 커플링 콘덴서를 살펴보면, 그리드의 신호는 플레이트의 전류를 스윙시키기 때문에 이 전류의 변화가 케소드 저항에 전압 변화로 나타나(케소드와 그리드 사이의 전압 변화) 그리드에 피드백되어 바이어스를 스윙시켜 증폭율에 제한을 가져오게 된다. 이는 매우 직선성이 좋아지나, 높은 증폭을 바랄 수 없다. 그래서 케소드 저항과 병렬로 디커플링 콘덴서를 넣는다.
  자기 바이어스는 오디오용 증폭기와 AGC(자동 게인 컨트롤)이 없는 곳에서는 매우 유용하다. 라디오 수신기에서 AGC는 다른 바이어스를 유기 시키며 이로 인해 자기 바이어스와 이 AGC사이에 상호 작용으로 AGC의 효과가 떨어진다. 그래서 이런 경우에는 보통 외부 바이어스를 쓴다.

   *자기 바이어스의 원리
  음의 바이어스 전압을 조정하면 바이어스 전압의 방향(크기)에 따라 바이어스 전류가 증가하거나 감소한다. 일반적으로 바이어스 전압이 마이너스로 내려가면 바이어스 전류는 줄어들고, 진공관의 바이어스는 "colder"가 된다. 그리드의 바이어스 전압이 0쪽으로 갈수록(커질수록) 바이어스 전류는 커지며 진공관의 바이어스는 "hotter"가 된다. 이것은 진공관이 동작상태에서 그리드의 전압이 케소드에 비해 좀더 0볼트 쪽(양:플러스의 방향)으로 변하면 케소드에서 플레이트로 흐르는 전류가 증가하게 되고, 그리드의 전압이 케소드에 비해 마이너스(음) 쪽으로 더 커지면 흐름은 적어져 마침내 중단한다(cut-off). 
  바이어스는 그리드가 케소드에 비해  마이너스 전압을 걸어 줘야 하는데, 이것은 케소드를 그라운드로 잡으면 그리드에 음의 전압을 거는 것이 되고, 그리드를 기준으로 보면 케소드는 바이어스 양 만큼 플러스 전압이 걸리는 것이다. 
  자기 바이어스는 진공관에 흐르는 전류를 이용해 진공관이 자체적으로 적절한 바이어스 포인트를 찾게 하는 방법이다. 이 기술은 그리드에 음의 DC전압을 걸어 주지 않고, 바이어스를 걸 수 있는 기술이다. 만약에 케소드와 그라운드 사이에 저항을 넣어주고 그리드에도 그라운드와 저항을 연결시켜(이 때 그리드에는 전류가 흐르지 않아 그리드의 전압은 그라운드와 같게 된다.) 동작시키면 진공관은 케소드에서 플레이트로 큰 전류가 흐를 것이다(왜냐하면 그리드와 케소드는 초기값이 그라운드와 같다). 그래서 케소드로 흐르는 전류는 케소드 저항을 통해서 전압 강하가 이루어지고 케소드의 전압은 그리드에 비해 양의 전압이 된다.  그래서 케소드의 전압은 그리드에 비해 양의 전압이 되므로 전류는 감소하고(바이어스 양이 커지므로) 진공관은 컷옾으로 향하게 된다. 그래서 케소드 전압의 증가는 전류가 증가하게 하고 전류의 증가는 컷옾으로 가게 해서, 그래서 바이어스 전압은 어떤 특별한 점에서 안정이 된다. 이 특별한 점은 저항값이 변하지 않으면 어떤 값으로 남을 것이며, 다른 진공관으로 교체하면 다른 특별한 점이 형성된다. 이것은 케소드 저항값을 바꾸면 원하는 바이어스 포인트가 형성된다.

* 자기(케소드) 바이어스 대신에 언제 고정 바이어스를 쓰는가?
  자기 바이어스는 케소드에 마이너스 DC전압을 걸어야 할 필요에 의해서 기초했으데, 왜  케소드 바이어스를 모든 증폭회로에 사용하지 않는가? 케소드 바이어스는 결점이 없는건 아니다. 입력 신호가 변화하는 동안에도 케소드에 일정한 DC바이어스 전압을 유지하기 위해서 큰 용량의 바이패스 콘덴서가 필요하다. 이 컨덴서가 AC신호를 효과적으로 그라운드로 보낼수 있고, DC에 대해서는 계속적으로 남아 있도록 한다. 만약에 이 콘덴서를 떼내면, 이 케소드의 DC 전압은 신호 전압을 덧붙이는 것이고, 이것은 그리드와 케소드의 신호 전압을 빼는 효과가 있어 결과적으로 이 단의 게인이 줄어 든다.
  이런 문제는 신호가 크게 변할 때 일어나며, 평균 케소드의 전압이 변화하게 된다. 이것이 원인이 되어 바이어스가 통상 colder 바이어스(더 마이너스쪽)로 밀려나게 된다. 이 바이어스의 이동은 귀에 들릴 정도이나, 가끔 기타 앰프에서는 소리에 배음의 조화를 더해 원하는 효과가 되기도 한다. 만약에 이 바이어스의 이동이 이루어지면, 진공관은 곧 컽옾으로 갈 수 있다. 그리고 큰 크로스 오버 왜율이 생길 수 있다. 또한 케소드 저항으로 흐르는 전류는 케소드의 적절한 동작에 부득이하게  큰 바이어스 전압을 발생시킬 수있다.(대형 출력 진공관의 전형적인 전압은 30-50볼트) 이 전압은 플레이트의 총 전압에서 빠져서, 출력을 줄일 수 있다. 이 전압의 감소와 바이어스의 이동 사이에서 고정바이어스와 비교할 때 케소드 바이어스는 출력을 감소시킨다. 그래서 고정바이어스는 통상 고출력 파워 앰프에 사용한다(50와트 이상) 그리고 자기 바이어스는 보통 출력이 낮은 앰프에 사용한다.
  프리앰프 진공관은 파워를 증폭하는게 아니라 신호를 증폭하기 때문에 거의 만능적으로 케소드 바이어스를 쓰며, 그 외의 효과는 크지 않다.  또한 케소드 바이어스는 회로에 진공관의 각종 수치(파라미터)의 의존도가 낮으며, 바이어스 점으로부터 수치(파라미터)가 필요없어진다. 이 때문에 증폭단에 진공관을 교체해도 바이어스를 다시 걸 필요가 없다. 케소드 바이어스를 건 출력관는 진공관을 교체했을 때 주어진 케소드 저항값에 의해 아이들링이 광범위하게 변하기 때문에 항상 바이어스를 체크해야 하며, 그리고 출력단의 적절한 바이어스 전류로 되돌리기 위해서 케소드의 저항을 바꾸어야 할 필요가 있을 수 있다.

다. 진공관의 동작 등급

  진공관의 동작 등급은 분류하는 사람에 따라 조금 씩 다르나, 이것은 기본적으로는 진공관을 어떻게 동작시키느냐 하는 것으로, 바로 바이어스를 어떻게 거느냐 하는 문제이다.

  A급이란 말은 파워 진공관이 아이들링(무신호시) 때나 최대 출력 때나 항상 같은 양의 전류를 흘린다. 때문에 A급은 전기적으로 매우 비효율적이나, 왜율이 매우 낮다.

싱글앰프는 하나 또는 그 이상의 진공관을 병렬로 사용하는데 전부 같은 위상으로 동작한다. 보통 소형 기타 앰프에 쓰이며, 특별히 고급 앰프에 쓰인다. 많은 오디오 파일들은 상대적으로 우수의 디스토션이 높음에도 불구하고 SE앰프를 좋아한다. 대부분의 고급 300B앰프는 SE 앰프이다. 피드백은 앰프의 디스토션을 줄일 수 있음에도 불구하고 어떤 사람들은 소리의 등급이 떨어진다고 생각한다. 대부분의 SE앰프는 피드백을 걸지 않는다. A급 푸시풀 앰프 역시 존재하는데, 이것은 두 개 네 개 또는 그 이상의 진공관(통상 짝으로)사용하여, 서로 반대의 위상으로 드라이브한다. 이것은 우수의 디스토션을 상쇄시키며, 매우 깨끗한 소리를 낸다.
A급 푸시풀 앰프의 예는 Vox AC-30 기타 앰프이다. A급 푸시풀 앰프는 다음에 설명할 AB급 보다 보통 낮은 플레이트 전압과 높은 플레이트 전류를 필요로 한다. 높은 전류는 케소드가 AB급 보다 더 빨리 닳아 버리는 경항이 있다. A급 앰프에는 SE와 푸시풀 두 가지가 있다.

 A1급은 그리드 전압이 항상 케소드보다 더 마이너스임을 뜻한다. 이것은 300B나 오디오 사극빔관과 오극관과 같은 것이 사용되며, 최대의 직선성이 가능하게 해 준다.

 A2급은 그리드의 전압이 일부 파형에서 또는 전체 파형에서 케소드 보다 더 플러스 전압에서 동작 된다는 걸 의미한다.

이 A2급은 그리드에 전류가 흐르고 열이 발생한다. A2는 특별히 오디오용에서는 잘 사용하지 않는다. 통상 A2급은 SV811이나 SV572 삼극관 시리즈처럼 주름진 특별한 그리드를 사용한다. A2급 은 그리드에 파워를 공급할 수 있는 특별한 드라이브 회로를 필요로 한다.

 AB급은 오직 푸시풀에만 있다. 이것은 한쪽 진공관이 완전하게 cut-off 상태일 때 다른 진공관이 완전한 출력을 핸들링하는 것이다.

이것은 A급에 비해 매우 효율적이다. 물론 디스토션이 증가하여 매우 조심스럽게 디자인하고 피드백을 사용한다. 또한 AB1급과 AB2급이 있는데 이것의 차이는 위에서 설명한 (A1급과 A2급)과 같은 의미로 설명할 수 있다.(그리드에 플러스로 드라이브 하느냐(AB2) 아니냐(AB1))

 B급도 오디오 푸시풀에 적용될 수 있는데, 가끔 라디오 파워 앰프에 하나의 진공관으로 쓰기도 한다. 이것은 아이들링시 거의 0에 가까운 전류를 흘린다는 것을 제외하고는AB급과 같다.

마찬가지로 A급이나, AB급 보다 매우 효율적이다. 이것은 디스토션이 증가하여, 디자인을 조심스럽게 해야하고 조금의 피드백을 건다. 설계가 잘못되면, 출력 파형의 중간 부분의 크로스 오버 왜율이 증가하여 소리에 매우 나쁜 영향을 준다. 대부분의 반도체 앰프는 B급 앰프를 쓴다. 왜냐하면 트랜지스터는 아이들링시에 열에 대한 강박이 적기 때문에

 울트라 리니어 동작은 데이비드 하플러와 허버트 케로스가 1951년 발명했다. 이것은 빔 사극관이나 오극관을 사용하는데 출력 트랜스에 특별한 탭이 있다. 이 탭에 진공관의 스크린 그리드를 연결시켜 이 스크린 그리드가 출력의 한 부분으로 드라이브 된다. 이것은 왜율을 현저히 감소시킨다.  이것은 SV6L6GC, SV6550C, EL84, EL34.등의 파워 진공관을 사용한 고급 앰프에서 볼 수 있다.

- 제 준식님의 홈페이지에서 발췌 -

 

10. 진공관 회로의 설계
가.케소드 공통 회로
나.케소드 팔로워 회로
다.SRPP 회로
라.차동앰프
마.증폭단의 결합법
바.싱글과 푸시풀

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 가. 케소드 공통 회로.

  가장 일반적으로 사용하는 증폭단은 케소드 공통회로이다. 높은 입력 임피던스와 비교적 낮은 임피던스, 상대적으로 높은 이득, 그리고 좋은 주파수 특성등이 장점이다. 주파수 반응은 입력과 출력 커플링 콘덴서와 케소드 바이패스 콘덴서등에 변할 수 있다. 케소드 공통 회로의 출력 신호는 입력 신호와 비교해서 위상이 반대이다. 
  다음 회로는 전형적인 케소드 저항에 바이패스가 있는 케소드 공통회로이다.

  Ci 저항은 입력 커플링 콘덴서이다. 이 콘덴서는 그리드에 앞단 출력의 DC성분의 전압을 제거하기 위해 사용한다. 이 콘덴서는 그리드 저항과 함께 이 단의 주파수 반응에 관계가 있다.

  Rg는 그리드 저항으로서, 보통 1메가 옴 정도로 높은 값인데, 그리드 회로의 전압이 적절하게 유지되도록 해 주고, 이 단의 입력 임피던스를 조절해 준다.

  Rk 저항은 케소드 저항인데, 이 저항이 자기 바이어스 전압을 만들어 준다. 전류가 케소드를 통해 흐르면 이 전류가 전압 강하를 일으켜 케소드에 플러스 전압을 만들어 준다. 이 케소드의 전압은 그리드에 상대적으로 마이너스 전압을 만들어 진공관의 바이어스 동작점을 제공한다. 이 저항(Rk)이 이 증폭단의 해드룸(클립되기 직전의 출력), 직선성, 왜율의 정도를 제어하게 한다. 바이어스 점이 좀더 높아지면, 증폭기는 파형의 위쪽이나 아래쪽이 좀더 클립된다. 만약에 케소드 저항에 바이패스가 없다면, 이 저항은 어떤 범위 내에서 이득을 조절하게 된다.

  콘덴서 Ck는 케소드에 걸리는 AC 성분을 그라운드로 바이패스시켜, 게인을 높여준다. 만약에 이 Ck가 없다면 피드백이 걸려, 게인이 감소하거나 출력 임피던스가 높아진다. 만약에 이 콘덴서의 용량이 케소드 저항과 비교해 적다면, 완만한 경사형태의 주파수 반응으로 저역에 비해 고역이 증가한다.

 저항 Rp는 플레이트 부하 저항이다. 플레이트 전류가 이 저항을 통해 흐른 결과로 이 저항에 출력 신호 전압이 유기된다. 그래서 이 저항의 저항값이 바로 이 회로의 게인과 바로 직결된다. 이 저항은 또한 이 단의 출력 임피던스를 결정한다.

  콘덴서Co는 출력 커플링 콘덴서다. 이 콘덴서는 플레이트의 DC전압으로부터 다음 단을 분리한다. 다음 단의 입력저항과 연결된 이 콘덴서는 역시 다음 단의 주파수 반응에 영향을 준다. 이 콘덴서는 다음 단의 Ci가 된다.

 저항 Rl은 부하 저항이다. 이 저항은 통상 다음 단의 그리드 저항이 된다. 이 저항은 증폭단의 중역 주파수대의 게인을 조절하는데  AC신호의 경우 플레이트 저항 Rp와 R1이 병렬로 결합된 값이 부하 저항으로 볼 수 있기 때문이다. 만약에 R1이 Rp의 적어도 10배이상 크다면 통상 게인의 계산에서 무시될 수 있다. 이 저항은 다음 증폭단의 그리드 리크 저항(Rg)이 된다.

바이어스
케소드 공통회로에서 바이어스 포인트는 케소드 저항 Rk에 의해 정해진다. 케소드 저항값을 정하는 가장 좋은 방법은 부하 곡선을 이용하는 방법이다. 먼저 플레이트 저항을 먼저 정하는데 통상 직선성을 좋게 하기 위해 진공관의 내부 플레이트 저항의 두배 정도의 값으로 정하며, 좀더 높은 게인이나, 출력 전압 스윙을 위해서 좀더 높은 저항값을 정할 수도 있다. 플레이트 부하 곡선이 이 진공관의 특성 곡선이며, 이런걸 고려해 원하는 동작점에 주어진 바이어스 포인트를 정한다. 바이어스 포인트는 그리드 바이어스 전압 곡선과 플레이트 전류축에 선택된 플레이트 전압점의 교차점에서 그리드의 전압의 변화가 cut-off에서 포화 상태까지에 대해 원하는 플레이트 전압의 스윙을 얻을 수 있는 교차점을 찾는다.

  케소드 저항은 다음의 식을 이용해 얻는다.

Rk = Vg/Ip (Vg = 그리드의 바이어스 전압 ; Ip  = 바이어스 점에서 플레이트 전류)

  예를 들어 12AX7의 경우 플레이트 전압이 350볼트이고, 100K 부하 곡선이 그려지면, -1.5볼트의 그리드 전압라인과 1mA이 플레이트 전류 라인의 교차점 이 원하는 동작점이고, 무신호시 플레이트 전압은 180볼트이다. 그래서 원하는 케소드 저항은

   Rk = 1.5V/1mA = 1.5K

게인(이득)

  12AX7 의 데이터 시트에서

transconductance:               gm = 1600 micromhos

plate resistance:                 ra = 62.5K

amplification factor:             mu = 100

케소드 공통 회로에서 중간주파수대의 이득 공식은

Av = (mu*Rl)/(Rl+ra)

     = (100*100K)/(100K+62.5K)

     = 61.5

     = 35.8dB

여기서

Rl = 부하저항 (100K)

ra = 내부 플레이트 저항 (62.5K for a typical 12AX7)

mu = 진공관의 증폭도 (100 for a typical 12AX7)

dB = 데시벨로 계산한 전압이득 = 20*log(V1/V2) = 20*log(61.5/1) = 35.8dB

   위의 계산은 싱글단이다.  이것은 다음 단의 부하는 계산에 넣지 않았다. 예를 들어 이것을 1메가옴으로 드라이브한다면, AC신호의 부하저항은 1메가옴과 플레이트 저항의 병렬연결의 값이 되고, 다음 단의 입력 임피던스는 1메거옴이 된다.  그래서 유효 부하 저항 Rl은 100k와 1메가의 병렬이다(90.9K). 그래서 중간주파수대의 게인은

Av = (mu*Rl)/(Rl+ra)

     = (100*90.9K)/(90.9K+62.5K)

     = 59.3

     = 35.5dB

이 된다.

   위에서 보듯이 이 단의 이득은 부하의 1메가 볼륨 때문에 61.5에서 59.3으로 떨어졌다. 다음 단의 입력 저항이 작아지면 좀더 큰 부하로 작용해 게인이 감소한다. 만약에 부하의 저항값이 플레이트 저항값의 10배 이상이면 이득 계산에서 통상 무시할 수 있다.

 입력 임피던스
  그리드 회로의 임피던스는 매우 높기 때문에 케소드 공통 회로의 입력 임피던스는 대충 입력 그리드의 저항값 Rg와 거의 같게 된다.  

입력 회로의 주파수 반응 

Low frequency response:

입력 회로의 낮은 대역의 주파수 반응은 Ci와 Rg에 의해 제어된다.   -3dB가 되는 점은 다음과 같이 계산할 수 있다.

f = 1/(2*π*Rg*Ci)

예를 들어 0.022uF의 콘덴서가 입력 커플링으로 사용되었고, 1메가옴의 그리드 저항이 사용되었다면, 주파수 반응은

f = 1/(2*π*1Meg*0.022uF) = 7.23Hz

이것은 중역대의 게인과 비교해 7.23Hz에서 -3dB가 다운된다는 걸 의미한다.

고역에서의 주파수 반응

  고역에서의 입력회로에서 주파수 특성은 케소드 공통회로의 드라이브단의 출력 저항값과 이 단의 입력 콘덴서 값에 의해 조절된다. 이 입력 콘덴서는 이단의 밀러 콘덴서에 의해 첫째로 결정되고 다음과 같이 계산된다.

Cin =Cgk + Cgp*(Av + 1)

여기서

Cgk = 그리드- 케소드 용량

Cgp = 그리드- 플레이트 용량

Av = 전압 이득

예를 들어  12AX7 의 경우

Cgk = 1.6pF + 0.7pF = 2.3pF

Cgp = 1.7pF + 0.7pF = 2.4pF

A = 61

그래서 총 입력 콘덴서 용량은

Cin = 2.3pF + (61+1)* 2.4pF = 151.1pF

입력 용량과 전단의 출력 저항성분에 의한 -3dB의 주파수 지점은 다음과 같이 계산할 수 있다.

f = 1/(2*π*Rout*Cin)

  예를 들어 전단의 출력 저항값이 58.5K옴이고, 470k의 직렬 저항을 통해 드라이브되며, 1메가옴의 그리드 저항이 있으면, 고역의 -3dB의 주파수 반응점은

f = 1/(2*pi*((38.5K + 470K)||1Meg)*151.1pF) = 3.13kHz

여기서 "||"는 병렬의 뜻이다.

 

출력 임피던스
  플레이트 내부저항은 플레이트 부하저항과 병렬로 연결된 것과 같아 출력 임피던스는 다음과 같이 된다.

R = ra || Rl ("||" 는 병렬 연결 저항값)

   = 62.5K || 100K

   = 38.5K가 된다.

출력회로에 의한 주파수 반응

  출력단의 낮은 주파수대의 반응은 Co와 R1 그리고 이 단의 출력 임피던스에 관계된다. -3dB의 주파수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

f = 1/(2*pi*(Rl+Ro)*Co)

  만약에 0.0022uF의 커플링 콘덴서가 사용되었고, 1메가옴의 그리드 저항이 사용되었다면, 출력임피던스는 위에서 계산한 바 대로 38.5K 이고 전체단에 기여한 주파수 반응은

f = 1/(2*pi*(1Meg + 38.5K)*0.0022uF) = 69.7Hz이 된다.

  이것은 중간 주파수와 비교해  69.7Hz에서 -3dB의 주파수 감소 효과가 있다는 것을 의미한다.                                                                                                                                  

 나. 케소드 팔로워 회로

  아래의 회로를 보면 플레이트는 B+에 연결되어 있지만 디커플링 콘덴서가 있어서 사실상 플레이트에 신호는 나타나지 않는다. 그 대신에 케소드에서 신호를 얻을 수 있다. 이 단에서 얻을 수 있는 최대의 전압 게인은 1이다. 그러나 이것은 높은 전류가 흐르고 있어 말을 바꾸면 임피던스가 매우 낮다는 말이다. 출력임피던스는 이 단에 큰 피드백이 있기 때문에 케소드 저항보다 낮다. 전류의 변화로 케소드-그리드간의 전압변화가 일어나 출력 전압이 변한다. 그래서 출력 임피던스는 이 진공관의 게인 요소에 의해 나누어진 케소드 저항과 같다. 반대로 입력 임피던스는 매우 높다. 그리드 리크 저항은 1M옴이고 이 저항은 그라운드의 기준이 아니라. 케소드의 합쳐진 점에 기준이 되어 있다. 이점은 거의 입력 신호와 같다.  그래서 입력 임피던스는 두 개의 케소드 저항사이의 비율에 그리드 저항을 곱한 것과 같다. 이 경우 10이라고 가정을 하면, 입력 임피던스는 10M옴이 된다. 그래서 케소드 팔로워 회로는 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 필요로 하는 곳에 사용된다.

                                                                                   

다. SRPP 회로

  이 회로의 이름은 SRPP 그러나 다르게 부르는 이름 또는 비슷한 구조의 회로는 SEPP 뮤 팔로우, 뮤증폭, 케스코드 케소드 팔로우 등등, 그리고 본래의 이름은 Series-Balanced Amplifier이다. SRPP의 뜻은 Series  Regulated Push-Pull amplifier 또는 Single-Ended Reflexive  Push-Pull amplifier 이다. 자작인들 사이에서 대중적으로 인기를 끌고 있는 이 회로는 고급 싱글회로, 라인단, 포노단에 쓰인다. SRPP회로는 상,하 두 개의 진공관이 플레이트에 저항 하나로 상측 케소드에 연결되어 있으며, 플레이트는 상측 진공관의 그리드에 직결되어 있다. 두 개의 진공관이 하나의 증폭단을 구성해 가격면에서 비효율적이긴 하지만 세 개의 저항과 한 개의 커플링 콘덴서로 대칭적으로 구성된 아주 간단한 회로이다. 상측 진공관이 하측진공관의 플레이트 부하 역할을 하고, 캐소드 팔로워와 하측진공관의 정전류 역할을 한다. 이 회로는 케소드 공통 회로와 케소드 팔로우 회로의 장점인 높은 게인과 낮은 임피던스를 갖고 있다. SRPP단의 소리는 스무스하고 정확하며 따뜻함을 가지는 특징을 가지고 있다

             

동작 원리
  하나의 삼극관이 다른 삼극관위에 저항으로 케소드와 플레이트가 연결되어 위에 있어다. 첫째로 하측 진공관이 신호를 받아 들이면 둘째로 이 신호에 반응하여 상측 진공관이 신호를 드라이브 한다. 이 때 출력은 상위의 케소드에서 이루어 진다.  하측 진공관을 통해 전류가 흐르면, R1 저항에서 전압 강하가 일어나고, 이 전압 변화는 직결로 상측 진공관의 그리드에 연결되고, 이것의 결과로 전류의 변화로 나타난다. 
  신호가 들어가면 삼극관에 반대 위상이 나타난다. R1 저항에 나타난 신호는 하측 진공관 그리드에 걸린 신호와 반대 위상이다. 예를 들어 하측 진공관의 그리드에 플러스의 펄스가 인가되면 상측 그리드에는 마이너스 펄스가 인가 된다. 그래서 상측진공관의 전류에 나타난 변화는 하측에 전류에 변화로 나타나, 그래서 당기고 밀어 준다. 하측 진공관이 당겨서 출력을 전압을 다운시킬 때, 큰 전도도가 생기고, 하측진공관은 전도도가 낮아진다. 말을 바꾸면, 상측 진공관이 전도도가 높아져 출력전압을 당기면, 하측진공관은 전도도가 낮아진다. 부하는  하측과 상측 진공관사이에서 그 차이로 삼각주처럼 보인다.(상측과 하측의 위상차이은 180도 이다.)
  아이들링때, 상하측 진공관의 전류 흐름의 차이는 0이다. 그래서 부하 저항에는 전류의 흐름이 없다. 그러나 하측 그리드에 플러스 펄스가 인가되면, 전류 전도도는 10mA에서 15mA로 증가할 것이고, 반대로 상측의 전류 전도도는 10mA에서 5mA로 감소할 것이다. 왜냐하면  저항 Rak를 통하여 하측의 더 큰 전도도가 상측의 그리드를 마이너스로  만들기 때문에 이 두 개 전류 사이의 차이 10mA가 부하 저항에 전달되어 출력이 된다.  
                                                                                                                                                    

 라. 차동회로.

  이 회로는 대칭적으로 그려져 있다. 그리고 중요한 것은 케소드 저항으로 흐르는 전류가 두 개의 진공관으로 나누어지는 것이다. 신호가 없을 때는 두 개의 진공관에 흐르는 전류의 양이 같지만. 하나의 진공관에 전류가 증가하면 다른 진공관은 상대적으로 전류가 감소한다. 이것은 그리드 전압 차이가 증폭이 된다는 것이다. 그래서 두 개의 플레이트에서 생기는 신호는 서로 위상이 반대이다. 두 개의 그리드 사이의 신호를 차동 모드 신호라고 하고, 두 개의 그리드에서 같은 신호를 동상모드라고 하는데 이 동상모드는 상쇄된다.

 

 위 회로는 푸시풀앰프의 위상 분리로 쓰기 위한 회로이다. 이 단이 얼마나 잘 동작하는냐 하는 것은 두 개의 진공관이 얼마나 잘 발란스가 맞느냐 하는것이고, 케소드 전류가 얼마나 정전류로 동작하느냐 이다. 이 차동앰프는 높은 입력 임피던스와 중간정도의 게인을 갖는다. 이 회로는 푸시풀회로 출력의 드라이브회로로 많이 쓰인다.
                                                                                                                       

 마. 증폭단의 결합법

 트랜스 결합
  첫 번째 증폭기는 트랜스 커플링이다. 트랜스의 일차 측을 플레이트의 부하로 작용시켜 플레이트로 흐르는 전류 변화에 따라 이차 측에 나타나는 신호를 취하게 되는 것이다. 이런 방법은 옛날에 많이 쓰던 방법으로, 콘덴서의 특성(재질이나, 유전체에 따른 버릇)으로부터 벗어날 수 있으며 트랜스 고유의 소리를 즐길 수 있어서 지금도 자작인들 중에는 가끔 즐겨 쓰는 회로이다.

 

  트랜스는 리액턴스의 특성으로 인해 B+전압을 낮게 할 수 있다는 잇점이 있으며, 권선비로서 다음 단의 임피던스에 맞출 수 있는데, 만약에 다음 단이 또 다른 진공관 증폭단이면, 셋업 트랜스로 사용해, 10배정도의 게인을 효과적으로 얻을 수 있다.(높은 권선비는 실제적으로 많은 문제를 일으킬 수 있다.) 만약에 다음 단이 스피커라면 반대로 트랜스는 셋다운 트랜스로 사용할 수 있으면 스피커의 낮은 임피던스에 매칭시킬 수 있다. 낮은 임피던스의 스피커에 높은 임피던스의 진공관가 드라이브하는데는 어려움이 있어 대부분의 출력단은 트랜스 커플링으로만 사용한다. RF앰프에서는 트랜스는 간단하고 가격이 저럼하며 대부분의 반도체 회로에서 지금도 사용하고 있다. 그러나 트랜스는 리액턴스가 적으면, 저역에 대한 반응이 나쁜 경우도 있으므로 주의해야 하며, 덩치가 커진다는 단점도 있다.

저항결합
  트랜스는 잘 사용하면 아주 자연스럽고 듣기에 아주 편한 소리를 내나 리액턴스의 크기나, 감는 방법등에 따라 주파수 반응이 원하지 않는 결과를 낳을 수도 있다. 그래서 주파수에 대한 우려가 거의 없는 저항을 부하로 이용해 콘덴서를 통해 신호를 얻는 방법이다.

  트랜스는 덩치가 크고 비싼 반면에 진공관의 게인 요소가 더 좋은 저항 커플링은 대부분의 오디오 증폭기에 사용되고 있으며 라디오 증폭기에서도 사용하게 되었다. 이것은 저항을 플레이트 회로에 트랜스 대신에 넣은 회로로, 그리드의 신호가 플레이트의 전류를 명백하게 변화시켜, 그리드의 전압 신호가 올라가는 것에 따라서 플레이트 전압이 떨어진다. 이 신호는 그리드의 신호와 비교해서 반대의 위상이며, 그리드의 전압이 음의 방향으로 스윙할 때 플래이트 전류는 떨어진다. 그래서 플레이트 저항의 전압 드롭은 작아지면서 플레이트 전압을 올리고 양의 방향으로 스윙은 플레이트 전류를 증가시켜 플레이트 전압을 낮게 한다.

   플레이트의 신호는 DC성분보다 크다. 그것은 플레이트 평균 전압 주위에서 스윙할 것이고 통상 B+전압의 약 2/3정도이다. 이 전압을 다음 단으로 완전히 보내기 위해서는 우리는 커플링 콘덴서를 사용하며, 블로킹 캐퍼시터라고 부른다.(왜냐하면 DC는 블로킹하고, 신호는 보내기 때문) 만약이 이 콘덴서가 고장나거나 쇼트되면 바라지 않는 현상이 나타난다. 특히 다음단이 트랜스 커플 출력단이라면 진공관은 양의 바이어스가 되어 특별히 많은 양의 플레이트 전류가 흐르며 이것이 과부하가 되고 다음 단의 모든 부품(출력관, 출력 트랜스, 정류관 그리고 전원 트랜스)들은 손상시키는 위험이 있다.

 계산의 실제

 

  이 회로도에서 사용된 진공관은 12at7(ECC81)을 사용으며, 오른쪽에 이 진공관의 Data sheet가 있다. 이 데이터 시트의 동작조건에서(붉은색 안쪽) 플레이트에 100볼트를 걸면 그리드의 바이어스가 -1 볼트일 때 3mA의 전류가 흘러 자동으로 바이어스가 걸리며 케소드 저항 Rk는 330옴이 필요하다(330옴*3mA=1V) 디커플링 Ck은 저역의 한계를 20Hz로 잡으면 Rk의 임피던스와 비교해서  1/2π*300*20 =33MF이 된다.(R=1/2πfC-->C=1/2πfR)

  그리드에 붙은 Rg은 케소드를 떠난 전자가 가끔 그리드에 닿게 되는데, 만약 이 전자를 그리드로부터 제거하지 않으면 음의 전하는 축적될 것이고 결국에는 플레이트로 흐르는 전류는 차단된다. 이 그리드에 닿은 전자를 접지로 보내기 위해 이 저항이 필요하고 비교적 큰 값의 저항이 쓰이는데, 보통 1메가옴 정도가 사용된다.

  플레이트 저항 Rl : 진공관에 바이어스를 걸고 동작시키기 위한 플레이트 전압은 100볼트이고 B+전압을 150볼트라고 가정하면 R3에 걸리는 전압은 50볼트가 되어야 하며, 3mA가 흐르기 위해서 17K(50/3)의 저항이 필요하다(표준 저항은 18K). 이 구성은 B+의 1/3이 저항에 걸릴 때 저항에 신호의 스윙에 적당한 값이다.

  마지막으로 커플링 콘덴서 Co는 다음단의 저역 주파수의 한계를 고려해 낮은 임피던스가 필요하다. 1메거옴과 20Hz로 가정하면 우리는 0.01Mf의 값을 얻을 수 있다.

 

  그러면 이 단에서 얼마의 게인을 기대할 것인가? 12AT7의 이 바이어스 포인트에서 컨덕턴스는 3.75mA/V(위 그림의 데이터 값에 의해)이다. 그레서 1V신호에는 플레이트에 3.75mA의 전류를 변화시킨다. 이것은 플레이트 저항을 18k로 했을 때 67.5볼트의 신호가 이 저항에 걸려야 한다는 결론을 얻는다. 그러나 실제로는 그렇지 않고; 삼극관은 기본적으로 그리드에 의해 컨트롤된 저항의 값처럼 동작한다. 이것이 만약 이상적인 저항이라면 우리는 100V/3mA=33k의 값을 기대할 수 있다. 하지만 플레이트 전압은 진공관의 저항값의 영향을 받아 다이나믹 임피던스는 오직 16.5k이다.(위 그림과 데이터 시트 값에 의해) 이 임피던스는 플레이트에 병렬로 연결된 값으로 계산될수 있으며1/(1/18+1/16.5)=8.6k이 된다. 그래서 실제적인 플레이트의 전압 스윙값은 8.6*3= 26으로 이 단의 전압 게인은 26볼트가 된다. 그리고 다음 단에 부하가 있으나 1메거옴의 부하는 큰 변화를 주지는 않는다.
                                                                                                                                                                   

  바 싱글과 푸시풀

  오디오용 앰프의 출력단은 크게 두가지 싱글과 푸시풀이 사용된다. 기본적으로 싱글은 한 개의 진공관이 하나의 출력단을 형성하고 푸시풀은 두 개의 진공관이 출력단을 형성하지만, 진공관을 출력 트랜스에 어떻게 연결시키느냐, 어떤 종류의 트랜스를 사용하느냐 하는 차이이다.

싱글앰프
출력 트랜스의 1차는 센터 탭이 없고, 오직 두 개의 단자만 있다. 하나는 전원으로 연결되고 다른 하나는 출력 진공관의 플레이트로 연결된다. 출력관은 더 큰 출력을 위해서 진공관을 병렬로 연결해 사용할 수 있으며, 이런 경우 파라 싱글이라 한다.

      

  싱글 출력단은 대부분의 라디오나 TV에 쓰였다. 이것의 푸시풀과 비교해서 소리는 좋으나 효율이 낮아 매우 낮은 출력을 낸다. 이 타입의 출력단의 또 다른 문제의 하나는 트랜스에 연속해서 DC 전류를 흘려야 하는 것이다. 이 결과로 출력 트랜스의 크기가 커지고 가격이 비싸지며, DC 전류의 옵셋에 기인하는 코아의 포화 상태를 방지하기 위해 갭을 줘야 한다.
  싱글 앰프의 단점은 전원장치의 험이 그대로 출력되며, 이 험을 적당한 수준으로 줄이기 위해 많은 필터링을 해야 하며, 또 기수의 하모닉은 제거가 안된다. 이런 싱글앰프의 단점들은 푸시풀 앰프에 비해 독특한 음을 낸다. 특히 삼극관 싱글 앰프는 왜율이 적고 청감상 plus의 효과가 있어 많은 사람들로부터 호응을 받으며 또한 회로가 간단하고 부품이 적어 초보 자작자들 사이에 인기가 있다. 푸시풀과 싱글중 어느 것이 좋은가 하는 것은 취향의 문제이다.  싱글을 좋아하는 사람이 있는가 하면 푸시풀을 더 좋아하는 사람이 있다

 푸시풀 앰프
만약에 더 큰 출력이 필요하다면, 더 큰 진공관을 사용하면 되지만, A급 증폭단의 일정한 DC전류는 트랜스의 직류 자화에 대처하기 위해서 상대적으로 큰 코아가 있어야 하고, 트랜스 코아는 항상 한 방향으로만 자화 되기 때문에 효과는 반 정도이다. 그리고 파워단에서도 풀 아웃과 동등한 파워가 항상 흐르고, 이것은 진실로 비효과적이며, 그래서 큰 앰프는 불필요한 많은 열을 소비한다. 이런 단점을 보완하기 위해 두 개의 진공관이 동작하는 소위 푸시풀을 선택할 수 있다. 푸시풀 앰프는 두 개의 진공관이 위상이 서로 반대인 신호를 상측과 하측 진공관이 각각 따로 증폭해 트랜스에서 합쳐 다시 원래의 신호로 복원하는 것이다.

  푸시풀 앰프에서 전원은 트랜스의 센터탭에 연결하고, 진공관은 1차 측 양 하측과 상측의 끝에 연결한다. 이렇게 해서 두 개의 진공관 출력이 트랜스에 전달되도록 한다. 푸시풀 단은 전류가 양 진공관에 전 입력 사이클(서로 반대방향)이 흐르도록 A급으로 바이어스 하거나, 양쪽에 교대로 반파의 전류가 흐르게 하는 AB급으로 하거나, 서로 반쪽씩 반의 시간만 흐르게 하는 B급으로 할 수 있다. 대부분은 출력의 크로스 오버 디스토션이 최소이면서 효율이 높은 AB급을 많이 채용 한다.

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여기서 각 진공관은 신호의 반만 다루게 되며, 두 개의 진공관은 높은 고정 전류가 흐를 필요가 없기 때문에 고정 전류가 낮아질 뿐만 아니라, 두 개의 바어어스 전류는 트랜스에서 서로 상쇄된다. 이런 이유로 A급 싱글보다 두 배의 파워 핸들링을 기대할 수 있으며, 트랜스의 크기는 A급 앰프보다 물리적으로 그리 크지 않다. 
푸시풀은 최소 두 개의 진공관을 필요로 하며, 네 개, 여섯 개, 여덟 개, 등 양쪽에 병렬로 좀더 연결해 더 큰 출력을 얻을 수 있다.  이럴 경우 이것을 파라 푸시풀 동작이라고 한다. 푸시풀의 다른 잇점은 출력관이 매치 되어 있거나 트랜스의 발란스가 맞으면 불균형 DC전류는 없거나 거의 흐르지 않으므로, 전류는 각 진공관에 서로 다른 방향으로 흘러 트랜스의 크기가 작고 가격이 싸다. 또한 출력단에서 발생하는 차수의 배음과 왜율이 상쇄된다. 또한 전원의 험이 줄어들어 디자인할 때 전원장치의 필터링을 적게 해도 된다. 푸시풀에서는  두 개의 진공관은 두 개의 반대 위상의 입력 신호를 필요로 한다. 그래서 이를 공급 가능한 드라이브 회로가 필요하다. 이렇게 하는 방법은 몇가지가 있다

위상 반전 회로
위상 반전을 얻을 수 있는 확실한 방법은 물론 트랜스를 이용하는 것이다.

이런 종류의 구성은 오래된 WE앰프에서 흔히 볼 수 있다. 그러나 트랜스는 상대적으로 비싸고 주파수 특성도 좋지 않아 쓰는 이유와 피하는 이유가 분명하다.  그런데 재미있는 것은 늦게 이 구성이 다시 등장했다는 것이며 트랜지스터 출력단에 광범위하게 15년동안 트랜지스터 라디오에 쓰였다. 그러나 진공관 회로에서는 다른 방법을 썼다.

케소드와 플레이트 저항은 같은 값이고 전류도 같다. 그래서 신호도 같으나 서로 다른 위상이 플레이트와 케소드에 나타난다. 케소드의 저항은 통상 자기바이어스단의 저항보다 크며, 그리드는 적당한 바이어스를 얻기 위해 올려져야한다. 전반적으로 이 단의 게인은 없다. 그래서 전단에서 필요한 게인을 준비해야 한다. 물론 두 출력의 임피던스는 달라 특히 높은 주파수 범위에서 언 발란스가 일어날 수 있다. 이 다음 단에서 발란스를 위해 약간 복잡해 질 수 있다.

이것의 원리는 간단하다. 앞단은 보통의 증폭회로이고 다음 단도 마찬가지이나, 입력단에서 입력 분리기로 낮추어서 신호를 보내면 그것이 증폭되고 위상이 반전된다. 케소드 저항에 디커플링이 없는데 이것은 간단히 케소드의 저항과 플레이트의 저항 사이의 비를 같게 하여 게인에 정확한 제어를 얻을 수 있다.

- 제 준식님의 홈페이지에서 발췌 -

 

11. 진공관앰프와 스피커의 매칭은 어떻게 할 것인가? 
앰프와 스피커가 만나서 주인이 원하는 소리를 내주려면 적절한 매칭(궁합)이 되어야 한다. 
적절한 매칭이 되었을때 들려주는 음은 군더더기가 없는 간결한 음이 되지만 미스매칭이 되는 
경우에는 군더더기가 너무 많거나 또 너무 없는 음이 즉 듣는 맛이 없는 그런 음이 되고 만다. 

매칭이 잘된 경우의 음의 예를 들어보기로 한다. 어느순간에 깨끗한 저음 신호가 들어왔다고 
했을때, 그 저음은 스피커를 6회 들락거려야 된다고 가정할 경우,앰프는 그 신호를 받아서 
정확하게 증폭시켜 스피커에서 6회의 진동이 일어난 후 확실하게 제동시키도록하여야 그 저음이 
스피커를 통해 깨끗하고 단단하게 들린다. 그러나 앰프의 출력이 너무 높거나 낮게되면 깨끗하고 
단단한 저음이 되지 못하고 방안이 저음으로 가득차는 부밍현상을 만들수 있고 스피커를 6회 
움직이지 못하고 4회 또는 5회만 움직이게 하여 저음이 적게 들리는 또 그 이하의 움직임이 
일어나 저음이 안니온다고 말하기도 한다. 이런 경우, 즉 부밍 또는 저음이 안나온다고하는 
경우는 적절한 매칭이 아닌 미스매칭의 경우에 해당된다고 볼 수 있다. 

그렇다면 왜 미스매칭이 생기는가? 
가끔 이런 비유를 하곤한다. 앞에 벽이 가로막혀 있는데 갸녀린 몸매에 키만 큰사람이 온 힘을 
다해 벽을 무너뜨리려고하나 벽은 요지부동이다. 그런데 그사람과 같은 키의 역도선수가 그 
벽을 무너뜨리니 쉽게 벽이 무너지고 마는 경우이다. 키(전압)는 같지만 힘(전력, 전압과 
전류를 곱한 값)이 좋기 때문에 벽(스피커)이 무너지는(제동이 되는) 경우이다. 그렇다면 힘은 
어디서 만들어지는가?, 필자는 스피커를 확실하게 구동하는 힘의 원천은 프리앰프에 있다고 
주장한다. 물론 키(전압에 해당하지만 여기서는 앰프의 출력)는 적정의 키를 가져야하지만 
힘(전력= 전압과 전류의 곱)은 프리앰프에서 만들어 파워앰프에 보내주기 때문이다. 그렇다면 
스피커를 구동하는 것은 파워앰프가 아니고 프리앰프란 말인가?하는 의문이 생긴다. 
필자는 단연코 "예"라고 대답한다. 그 이유는 나중에 설명하기로 하고 필자가 40여년 진공관 
앰프를 만들어 오면서 만들어 놓은 진공관 앰프와 스피커의 MATCHING TABLE을 소개한다. 

진공관 앰프출력 (와트) 적정 스피커입력감도 (dB) 
3~4 99 
7~8 96 
15 93 
30 90 
60 87 
120 84 
240 81 

최근의 스피커들을 살펴보자, HIGH-END라는 이름을 달고 나오는 스피커들은 87dB가 주류를 
이루고 있지만 2000년을 기준으로하여 진공관 시대가 도래해옴에 따라 점점 높은 입력감도의 
스피커들이 발매되고 있다. 점점 더 높은 입력감도를 가진 스피커들이 발매됨에 따라 출력이 
낮은 진공관앰프도 많은회사들이 출시하고 있어 매니어들의 호주머니를 점점 가볍게 만들어 
주는 효과를 낳고 있기도 하다. 

위의 매칭표는 스피커의 길들이기가 끝난것일 경우에 해당되는 것으로 길들이기의 기간은 
다음과 같다고 생각된다. 
스피커의 엣지가 종이나 스폰지의 경우(미제의 경우가 주종을 이룸)는 하루 4시간정도 사용하여 
1년정도 지난것. 엣지가 고무인 경우 (유럽제 스피커들이 주종을 이룸)는 하루 4시간 정도 
사용하여 5년이 지난것을 말한다. 이는 스피커가 신품일 경우 약 2dB정도 낮게 나오나 앞에서 
설명한 기간이 지나면 제 음압이 나오기 때문이다. 

그럼 다음과 같은 경우는 어떤 매칭을 해야하는지 예를 들어본다. 
A씨는 친구집에가서 B사의 스피커( 입력감도 87dB)에서 나오는 음에 반해 B사의 신품스피커를 
먼저 구입하고 친구집과 동일한 진공관앰프(출력 60와트/채널)를 구입하여 음악을 들었으나 
친구집에서 듣던 그런 좋은 음이 나오지 않아 고민이다. 왜 그럴까?, 분명 동일한 앰프에 동일한 
스피커, 동일한 선재를 사용하는데도 너무나 다른 음이 나온다. 
가장 큰 이유는 환경이다, 환경이 변하면 60%가 변하기 때문이다. 
두번째는 앰프와 스피커의 미스매칭이다. 
같은 스피커 같은 앰프를 사용하고 있는데 미스매칭이라니, 그렇다면 필자가 위에 써놓은 매칭 
테이블이 거짓이란 말인가? 
A씨가 구입한 스피커는 신품이므로 현재는 약 2dB가 낮은 음압 즉 85dB의 스피커이므로 앰프 
출력이 약 100와트가 되어야함에도 불구하고 60와트여서 미스매칭이 되므로 저역에서 부밍이 
나타나거나 아예 저음이 거의 안나오는 경우에 해당된다. 이런 이유로 필자는 고무엣지인 
스피커로 사용년한이 5년정도 지난 중고 스피커를 최초판매가격의 1/2에 구입하였다면 그사람은 
횡재를 했다고 말한다. '다른사람이 갖은 애를 써서 길들이기를 마친 스피커를 반값에 샀으니 
횡재가 아니고 무엇이란 말인가!' 필자의 경험을 들어본다. 

94년도에 B&W사의 SILVER SIGNATURE라는 스피커를 구입하였다. 입력감도 88dB라고 씌여 
있다. '그럼 신품이므로 86dB라고 생각하고 진공관앰프 출력 90와트면 되겠지'하는 생각에 우선 
70와트 파워앰프를 물렸다. 그때 사용하던 프리앰프는 마란츠7. 
당연하게도 저음이 없다. 출력 90와트 앰프를 물렸다. 저역이 안나온다. 내가만든 매칭 테이블이 
거짓말을하고 있단 말인가? 
출력 240와트 파워앰프를 물렸다. 아직도 저음이 안나온다. 그간 2년이란 세월이 흘렀다. 아직도 
저음은 나올 생각을 하지 않는다. 포기하고 스피커를 방출했다. 조건은 그사람이 싫어질때 다시 
되돌려 받기로 하는 조건이었다. 
그 다음해 많은 생각끝에 스피커를 확실하게 구동하는것은 파워앰프가 아니라 프리앰프라는 
새로운 생각을 하게 되었다. 그 이유는 많은 유명회사의 프리앰프는 12AX7이나 12AU7이 아닌 
6DJ8, 7044, 6414를 출력단에 채용하고 있는것이 아닌가?, 그렇다면 그런 진공관과 12AX7 또는 
12AU7과는 어떤 차이가 있는지를 살펴보자. 얻어낸 결론은 출력전류가 
12AX7 => 1mA이하 
12AU7 => 최대 2~3mA 
6DJ8(6922) => 5~6 mA 
6414 => 7~8mA 
7044 => 15mA 이상 

먼저 6DJ8을 사용한 프리앰프를 만들었다. 그때 갖고있던 CELESTION 7000 스피커에 마란츠 7을 
물려 듣던것을 6DJ8프리앰프로 바꾸니 저역제동이 확실하게 된다. 그래 프리앰프가 힘이 있어야 
파워앰프가 제실력을 발휘하는것이 맞아!, 2년뒤, 그 스피커가 4년이 지난뒤 나는 그 스피커를 돌려 
받았다. 진공관 파워 200와트에 6DJ8 프리앰프를 물리니 저역제동이 확실하다. 모든것이 원활하게 
제동이 되는것 같으나 한구석에 미흡함이 있다. 파워앰프 출력을 120와트로 낮추니 더 좋다. 
5년이 지난뒤 7044를 사용한 프리앰프를 만들어 70와트앰프에 물리니 모든대역에서 참으로 고운 
음을 내준다. "아!, 이제야 이 스피커를 점령했구나"하는 느낌을 받는다. 이만큼 매칭이 어렵구나!. 
그러나 모든것은 끊임없이 변화하고 있다. 스피커는 길이 점점 더들어 음압이 88dB가 아닌 90dB 
가 되었고 앰프는 진공관들이 약간 노후되어 출력은 좀 낮아진것 같고 그럼에도 불구하고 좋은 
음을 선사해 주고 있지만 마음속엔 다른 음이 없을까?하면서 또다른 음을 찾아가 보려는 마음이 
생긴다. 

그래서 오디오를 한다는 사람들은 오디오를 즐기는 것이 아니라 좋아하는 음을 찾아가는 
과정을 즐기는 것이라고... 

위의 글에서 A씨의 경우는 친구분것과 동일한 제품을 구입하였는데도 미스매칭이라 했다. 
그렇다면 더 높은 출력의 파워앰프로 교환하던가, 스피커의 음압이 90dB인것으로 바꾸던가 
하지 않으면 안되는 상황이 되었다. 쉽게 포기하고 또다시 돈을 투자하여 둘중 하나를 바꿔야만 
하는가?. 

오디오를 한다는 것은 어쩜 좋은 음을 찾아가는 과정을 즐기는것이 아닐까하는 글귀가 앞글의 
마지막 부분에 씌여있다. A씨도 그런 과정을 즐기면서 친구집에서 듣던 그런 좋은 음을 찾아 
가도록 유도하기로 한다. 

모든것을 신품으로 구입하였기 때문에 길이 들지 않은 경우 1~5년을 기다리는 것보다 더 빠른 
시간에 좋은 음을 찾아내는 방법이 있다. 그 방법을 소개하고자 한다. 
먼저 손뼉을 쳐본다. "딱"하는 소리가 난다. 다음은 오른손을 치려고하면 왼손을 뒤로물리고 
왼손을 치려고하면 오른손을 뒤로 물리게해본다. 손뼉소리가 나지 않는다. 마주쳐야 소리가 난다. 
스피커는 공기를 진동시켜 소리를 낸다. 두개의 스피커를 이용하여 공기의 진동을 적게하는 
방법을 택한다. 

스피커 둘을 마주보게하되 두개의 스피커가 1cm정도 떨어지도록 놓는다. 앰프의 스피커단자에서 
하나의 스피커 극성을 바꾼다. 이렇게하면 손뼉을 마주치는것이 아니고 하나의 스피커 콘지가 
앞으로 나갈때 다른하나의 콘지는 뒤로 물러서게되어 소리가 작아지는 효과가 나온다. 

고음과 저음및 중음이 많은 음이 들어있는 CD를 골라 어느한곡만 반복 재생하게 한다. 어느 
쉬는날, 앰프의 보륨위치는 평소에 듣는 위치보다 더 높게하되 스피커를 이불로 뒤집에 씌운뒤 
아랫집 또는 윗집에서 항의가 들어오지 않을 만큼의 음량으로 정하고 외출을 한다. 8시간 또는 더 
지난 후 스피커를 원위치하고 바꿔놓은 극성을 정상으로한 다음 음악을 들어본다. 첫번이라 크게 
달라진것이 별로 없다. 같은 방법으로 연속 4일정도 놔둔후 음악을 들어보면 축 쳐지는 느낌이 
든다. 그러나 다음날부터 생동감이 있는 음이 들리기 시작하여 일주일정도 지난뒤에는 1~5년이 
지난 즉 길들이기가 끝난음이 들린다. 연속 4일을 할 수 없다면 매주일요일 같은 방법을 5~6회 
실시한다. 가장 빠른 시간내에 모든것의 길들이기가 끝난다. 아! 이제는 친구집의 음과 거의 
비슷하게 나오는구나!. 친구집에 가서 다시 들어보자, 얼마나 가까워졌는지, 또다른 뭐가 없나? 


친구집엘 다시 가본다. 아무래도 친구집의 음이 더 부드럽다. 고개를 갸우뚱하면서 
들어보아도 내것은 아직 거칠은 면이 있지만 친구집것은 부드러운 음이다. '그러나 
부드러운것이 좋으냐 약간 거칠은 음이 좋으냐'는 나이에 따라 선호도가 엇갈린다. 
처음 오디오 시스템을 구입할 때 부드럽기 때문에 동일한 시스템을 구입했기에 
친구의 시스템이 더 좋아보인다. 

친구집의 시스템은 오랜기간을 통해 길들이기가 끝난 시스템이므로 내것보다는 더 
부드러울 수 밖에 없다. 몇번의 일요일 길들이기를 끝낸 후 비로소 친구집것과 같은 
음을 찾았다. 한동안 그 음에 만족을 하였으나 더 좋은 음이 없을까하는 호기심이 
발동한다. 무엇으로 저역을 더욱 단단하게 만들며 고역을 더 매끄럽게 할 수 있을까? 
귀를 세우고 이곳저곳을 돌아 다니며 귀동냥을 하다보니 선재를 바꿈으로 인해 많은 
변화가 생긴다는 것을 알게 되었다. 

선재란 소스기기와 프리간, 프리와 파워앰프간, 파워앰프와 스피커간에 연결되는 
선을 말한다. 필자도 처음엔 선은 다 같은 선이라는 고정관념을 쉽게 깨뜨리지 
못하고 선재를 바꿈으로 인해 음이 변한다는 사실을 무시하곤 했다. 

어느날 대출력(진공관 출력 250와트)앰프를 만들어 놓고 튜닝를 하고 있는데 도무지 
시원시원한 음이 나오질 않아 여러 시정수를 바꾸어 보고 있는데 지인 한분이 
찾아왔다. 손에는 인터커넥터를 만들 선과 RCA PLUG를 들고 있는것을 보니 인터 
커넥터를 만들어 달라는 부탁이었다. 달갑지 않았지만 만들어 주기로 하고 2시간 
이상의 시간이 지난 후 완성시킬 수 있었다. 그냥 돌려 주려 하다가 잘 만들어졌는지 
확인하자는 요구를 하기에 더욱 힘들기도 하였지만 시험을 하기로 하고 튜닝중인 
앰프에 그 인터커넥터를 사용하였다. 잠시후 나는 나의 귀를 의심하게 되었다. 

툭 터진 시원시원한 음이 나오고 있질 않는가!, 그럼 지금까지 나는 무었을 했단 
말인가?, 공학도랍시고 선은 다 같은 선이지 무엇이 다를게 있느냐고 코웃음치던 
일이 생각 나 얼굴이 달아 오른다. 경험자들의 오랜 경험을 무시하고 있었던 나 
자신이 부끄러워진다. 마치 신이 내게 인터커넥터의 진가를 알아보라고 그 분을 
나에게 인도한 것이 아닐까하는 의구심도 생긴다. 

일주일 후 오디오 동호회와 많은 상점들의 협조를 받아 60여종의 인터커넥터 및 
스피커 케이블을 모아 나름대로의 테스트를 하게 되었다. 먼저 인터커넥터의 
내부선과 바깥을 둘러싸고 있는 그물망선(어스)의 용량을 측정했다. 용량은 20 pF로 
부터 높게는 2000pF의 용량을 가진 것들이 주류를 이루고 있었다. 그렇다면?? 
McIntosh 275 파워앰프 회로가 머리에 떠오른다. 입력의 한쪽은 단심선을 사용하여 
곧바로 입력되었지만 다른 한쪽은 약 20cm의 쉴드선을 통해 입력되어있으며 단심선을 
사용한 채널에는 그 끝에 15pF가 어스되어있다. 그것은 쉴드선을 사용하면 15pF의 
용량이 생기기 때문에 쉴드선을 사용하지 않은 채널과 쉴드선을 사용한 채널의 입력 
에 같은 용량을 만들기 위해 붙였구나!하는 답을 얻게 되었다. 30~40여년전에 벌써 
그런 지식을 가지고 오디오를 만들었는데 나는 이제야 그 이유를 알게 되었으니... 

선재에서 나타나는 용량과 길이에 따라 많은 음의 차이가 나타나는 것을 알게된 후 
어떤선이 가장 경제적인지를 알게 되었다.
- 이글은 한 상응 님이 원작자입니다. - 

12. 진공관 앰프 사용법 
진공관식 앰프를 사용하는 오디오 애호가 중에는 전기적인 지식이 없어 앰프 사용에 많은 주의를 기울이면서도 정확하게 어떤 점에 유의해야 되는지 모르는 분들을 위해 진공관 앰프 최적 사용법에 대해 알아보기로 한다. 

보통 진공관 앰프하면 따뜻하면서도 부드러운 소리가 나나 Tr앰프에 비해 해상도가 떨어지고 안개 낀 거리처럼 조금은 몽롱한 음을 연성하지만 이러한 선입견은 사실과 다르다. 

진공관은 Tr에 보다 나(裸:옷벗을 나)특성이 우수하고(물론 Tr은 회로적으로 직선성을 보완할 수 있다.)고온에서 동작하므로 주위 온도에 영향을 거의 받지 않으며, 고압 동작에 따른 헤드룸이 크므로 최대 출력 이상에서도 소프트 클립되며 일정 출력을 유지하는 파워풀한 면모도 갖추고 있다. 진공관의 장점은 무엇보다도 뛰어난 음악성을 들 수 있다. 이는 진공관 특유의 하모닉스에 의한 것으로 자연스러우면서도 편안한 재생음을 얻을수 있는 것이 아직까지도 많은 진공관 매니아를 확보하고 있는 이유이기도 하다. 

그러면 진공관 또는 진공관 앰프는 어떻게 사용하는 것이 좋은 것인가에 대해 알아보기로 한다. 

(진공관 에이징) 
진공관 앰프 또는 진공관을 새로 구입했을때는 반드시 에이징 단계를 거쳐야 한다. 이는 진공관의 수명을 연장시키며 좀 더 나은 음질을 얻기 위한 필수과정이다. 

진공관에는 히터라는 것이 있다. 
이 히터에 각 진공관의 정격 히터 전압의 1/2정도의(예를 들어 6V6 같은 경우 히터 전압이 6.3V인데 3V정도) 전압만 가해서 8시간 이상 에이징 시킨 후 정격 히터 전압으로 다시 8시간 이상 에이징 과정을 거친다. 이 과정만 제대로 마쳐도 진공관이 잘 나가지 않는다. 좀 더 충실하게 하려면 히터 전압을 인가한 상태에서 플레이트 전압(고전압)을 반정도(예를들어 6V6 경우 정격 플레이트 전압이 320v정도인데 약 200v정도)에서 4시간, 250v정도에서 4시간 그리고 정격 전압을 걸면 된다. 

앰프에 정류관이 꽂혀 있는 경우는 정류관을 뽑아내면 히터 전압만 인가되므로 앰프의 에이징을 간단하게 할수 있지만 다이오우드 정류 방식의 경우 고전압선의 납땜을 잠시 떼어 냈다가 에이징 완료후 다시 붙여 주면 되는데 초급자에게는 다소 어려우므로 차라리 별도의 트랜스와 진공관 소켓을 이용해 간단한 에이징 기기를 만드는 편이 좋을 것이다. 

소켓은 진공관에 따라 핀 배치 및 형상이 다르므로 해당 진공관에 맞는 것을 구하면 되는데 4∼5종이면 왠만한 것은 다 사용 할 수 있다. 

( 진공관의 수명과 바이어스 ) 

진공관 앰프에서 가장 짧은 수명을 가진 부품을 선택하라하면 진공관과 전해콘덴서를 꼽을 수 있다. 짧다고 해서 1∼2개월이나 1∼2년 정도가 아니라 수 년에서 어떤 것은 몇십년을 사용하기도 한다. 진공관의 수명은 1차적으로 사용 시간에 비례하지만 정격 전압치 보다 높은 전압 또는 많은 전류를 흘려도 수명은 짧아진다. 또는 제조 메이커에 따라 그 신뢰도가 틀리기도 한다. 

가정용 하이파이 앰프는 최대 전압치 이하에서 사용하므로 크게 걱정 안해도 되지만 바이어스 전압은 진공관 경년변화에 따른 재조정이 필요하다. 

바이어스 전압이란 진공관에 흐르는 전류량을 일정하게 하기위해 조정해 놓은 전압으로 세월이 흐르면 이 값이 조금씩 변하므로 1년에 한번 정도 재조정할 필요가 있다. 처음에는 괜찮았는데 어느날부터 좌우 스퍼커 음량이 한 쪽으로 기운다든지하면 이 바이어스값이 달라진 경우가 그 원인일 수 있다. (전해 콘덴서가 불량품 또는 수명이 다 되어 히터를 제대로 달구지 못해도 제 소리가 안 나온다. ) 

바이어스 전압을 조정하는 방법도 그렇게 어렵지는 않지만 여기서는 초보를 대상으로 하므로 소개하지 않겠다. 

왜냐하면 전기 코드를 뽑아도 앰프내에는 고압이 충전되어 있어 잘못하다 고압에 감전되어 전기 고문을 당할수 있기 때문이다. 진공관 앰프 전문점을 찾아 오버흘 (Overhaul)을 받는 것이 좋을 것 같다. 

( 진공관 앰프 사용할 때 주의할 점 몇 가지 ) 

가장 기본적인 것이겠지만 오디오 시스템을 동작시킬 때 켜고 끄는 순서를 잘 지켜 주는 것도 한 방법이다. 서지전압 (전기제품을 ON/OFF 시킬 때 순간 적으로 발생되는 높은 전압) 이 다른 기기에 충격을 주지 않게 하기 위해서인데 켜는 순서는 CDP등 소스기기-→ 프리앰프-→ 파워앰프 순으로, 끌때는 반대로 파워앰프-→프리앰프-→ 소스기기 순서로 끄면 된다. 신호 흐름의 순방향, 역방향으로 기억하고 있으면 된다. 

두번째는 앰프가 켜져 있는 상태에서 진공관을 갈기 위해서 뽑거나 하면 고장의 원인이 된다. 반드시 앰프를 끄고 진공관이 완전히 식은 후 (식기전에 진공관을 뽑다 보면 진공관의 열팽창 계수가 틀려 유리관과 베이스 쪽이 벌어져 공기가 들어가 못 쓰게 될 수도 있다.) 핀이 부러지지 않도록 좌우로 조금씩 움직여 서서히 뽑아낸다. 오랫동안 사용하다 보면 소켓과 핀 등에 먼지가 끼고 접점산화가 일어날 수도 있으므로 무수알콜등으로 한번씩 닦아주는 것도 좋다. 

세번째는 진공관 앰프를 눕히거나 기울여서 동작시키면 안 된다. 특히 직열3극관의 경우는 열에 의해 팽창된 내부 그리드나 히터가 쇼트되어 아까운 진공관을 못 쓰게 되는 일이 생길 수 있기 때문이다. 밀폐된 랙보다는 좌우가 틔여있는 방열이 잘 되는 곳에 놓고 사용하는 것도 앰프 수명 연장 및 음질에 도움이 된다. 

네번째는 진공관 앰프는 켜고 5분 정도 지나 진공관이 달아 올라야 제 실력을 발휘하는데 앰프에 따라 조금씩 틀리겠지만 통상 5분 정도 지나면 진공관에 흐른는 전류량이 거의 일정해 지며 완전히 음질적으로도 안정적인 상태로 돌입하려면 30분 정도 지나야 된다. 바쁜 현대인에게는 긴 시간이지만 진공관 애호가라면 이런 정도는 참아 낼 수 있어야 하지 않을까? 

다섯번째 진공관은 진동에 취약한 편이므로 튼튼한 랙 사용도 고려되어야 할 요소이고 좀 더 적극적으로 진동을 흡수하는 댐퍼링 등을 끼워서 사용하는 것도 좋다. 

이렇게 이야기를 하다 보니 진공관 앰프는 사용 하기 대단히 까다로운 앰프가 되어 버렸다. 어떤 의미에서는 진공관은 Tr보다 훨씬 내구성이 강한 소자이므로 여러 악조건 속에서도 정상적인 동작을 해내므로 실제로는 일반적인 조건에서 사용해도 아무런 문제가 없고 좀 더 잘 사용하기 위해서란 점에서 유의해 주기 바란다. 아름다운 자태와 불빛은 진공관 애호가의 마음을 설레이게 하고 음악의 향기처럼 우리의 가슴을 항상 따뜻하게 해 주리라 믿는다. 

- 이글은 한 상응 님이 원작자입니다. -

 

13. 300BPP앰프 자작

1. 진공관과 트랜지스터
  진공관 앰프의 소리가 좋으냐, 트랜지스터 소리가 좋으냐는 여러 곳에서 지적을 하고 여러 각도에서 고려해 글을 쓴 것을 많이 봐 왔다. 그 나름의 객관적 장단점이 있으나, 어느 것을 좋아하느냐 하는 것은 심히 개인적인 것 같다. 내 경우는 반짝 반짝 윤기가 나는 소리에 포근한 정감이 가는게 진공관 소리가 아닌가 싶다. 그런 저런 이유로 진공관 앰프를 중히 여기는 사람이 있어 디지털 시대에 사는 우리가 아직도 진공관이라는 매체에 매달리는게 아니겠는가. 그러나 디지털 시대가 진공관 소리에 보탬이 되는 요소도 분명 있다고 보고 그런걸 적극 활용해야 한다는게 내 생각이다. 특히 부품이 질적으로 발달한 지금에 옛날 회로를 전부를 그대로 이용하고 그 부품이 그대로 사용해야만 한다는 것은 분명 문제가 있지 않을까?

2. 300B와 푸시풀
  삼극 싱글 앰프는 여러가지 스펙상으로 불완전하지만 삼극관이 주는 청감상 매력은 결코 간과할 수 없다. 비교적 출력이 낮으며, 특히 출력 트랜스의 역활이 충분하지 못하면 저역에서 단아한 소리를 내주기는 하나 풍부한 저역을 기대하기도 힘든다. 내가 좋아하는 소리는 음이 부드럽고 듣기가 편한 그러면서 고 해상도, 고정밀도의 음질이다. 싱글 앰프를 듣다 보면 가끔 대편성 음악이 주는 거창함이라든지 천지를 흔드는 듯한 파워감을 느끼고 싶을 때는 한계를 느끼지 않을 수 없다. 또한 300B는 음질적인 가치와 적은 왜율로 전 세계의 자작인들이 갖고 싶어하는 진공관이라고 생각해 300B로 푸시풀을 만들어 보기로 했다. 이 앰프는 특별히 자연스럽고 섬세하며 개방적이다. 아마 내 시스템에서 들은 최고인것 같다 이미지와 스테이지의 깊이가 놀랍고 다이나믹하다. 재생의 선명도가 즐거움이다. 전체적인 발란스는 자연스럽고 특별한 강조된 부분이 없다고 생각한다. 특히 저역에서 싱글앰프에서 들을 수 없는 힘과 자연스러움이 있다.

 3.전원회로
내가 생각하고 있는 증폭기의 회로는 전원이 충분히 뒷받침해 줘야 이런 생각들을 만족 시킬수 있으므로 전원회로는 매우 중요하다고 생각한다. 충분히 여유가 있고 그리고 리플도 최대로 제거해야 해야 한다. 또한 최근의 전자기술은 이런 것들을 해결해 줄 수 있는 소자나 방법이 많다. B+전압은 얼마 전 인터넷에 공개된 DAC회로에 있던 것을 전류용량을 늘려 사용했으며, 히터 전압은 브리지 회로에 1000마이크로 콘덴서를 각각 두 개의 300B용 히터 전압을 만들었다. 출력관은 AB급이 많이 쓰고 효율면에서도 좋으나 각 출력관을 완전히 A급으로 동작하도록 했다. 또한 입력단과 드라이브단에 쓰이는 전압과 차동앰프에 쓸 정전류용 LM334 소자에 가변저항까지 증폭 회로를 제외한 모든 부분까지 하나의 PCB기판에 넣어서  만들었다.

 

4.입력회로와 위상 반전회로
 입력은 트랜스로 입력을 받으면서 이차측을 분리해서 위상반전회로로 사용을 했다. 트랜스의 주파수 반응을 살펴보면 꽤나 신경쓰이게 하는 부분이 있지만, 임피던스 매칭을 잘시켜 주면 , 청감상 아주 자연스럽고 부드럽게 해주는 힘이 있어, 현대의 스펙상 수치들만 강조한 앰프와는 다른 느낌을 주게 한다.  

  드라이브 단은 중간정도의 증폭율을 갖는 6SN7을 차동앰프로 구성을 했다. 케소드에 LM334를 사용해 7.7mA의 정전류가 흐르도록 했다.

  차동 앰프에서 항상 문제가 되는 것은 동상분의 제거이다. 이 동상분 제거에 가장 효율적인 방법 중의 하나는 정전류 회로를 쓰는 것이다 통상 정전류 다이오드를 쓰나 LM334라는 소자를 쓰면 여기에 저항 하나와 가변저항 하나로서 0에서 10mA까지 조절이 된다. 이를 이용하면 거의 완벽하게 동상분을 제거할 수 가 있고, 차동앰프는 역시 완벽하게 동작할 수 있다.

5.출력단

  300B를 각각 따로 자기 바이어를 걸어 A급으로 동작하도록 했다. 출력 트랜스는 영국 Sowter사의 푸시풀 용 U079를 사용했다.

  이 출력 트랜스는 영국Sowter사의 19모델인데, 지난 96년 처음 인터넷을 배워서 검색하던중 이 회사의 홈페이지를 방문해 통신 판매를 원한다는 E-mail을 보냈는데, 처음이라서 그런지 신용카드는 사용을 하지 않고, 영국의 은행으로 수표를 끊어 보내면, 배편으로 물건을 보낸다고 해 하는 수 없이 그렇게 했는데 도착하는데 두 달 가량이 걸렸다. 부산 국제 우체국까지 가서 세관에 통관세를 내고 받았는데 그 때 싱글용과 함께 받아 그 기쁨이 이루 말할 수 없었던 물건이다. 함께 보증서와 결선법등이 들어 있어 이 나라의 정성스러움을 엿볼수 있었다. 이 회사의 출력 트랜스는 출력측의 배선이 네 개의 출력이 나와 있는데 이를 조합해서 1옴 4옴 9옴 16옴으로 결선 할 수 있도록 되어 있다. 외관은 철판으로 만들어(옵션으로 케이스에 들어 있는 것도 있음) 보기에는 형편이 없었고 더구나 오래 그리고 여러번 손으로 만지다 보니 녹이 슬 것 같아 페이트로 칠을 했으나, 그 소리만은 만족하고 있다. 진공관은 워낙 고가라서 좋은 것을 구입하기엔 너무 비용이 많이 들어 구 소련의 SOVTEK사의 진공관을 8개 구해서 네 개는 푸시풀용으로 짝을 짓고 나머지 네 개는 두 조의 싱글용으로 짝을 지어서 동호인과 나누어 사용을 했다.

 

6.제작

  가장 먼저해야 할 일은 부품을 구입하는 일이다. 이것은 같은 용량의 부품이라도 그 크기가 달라 질수 있으므로 먼저 여러 가지 설계를 해 놓으면 잘 안 맞을 수 도 있기 때문이다. 다음으로 전원회로를 CAD를 사용해 PCB 설계를 하는데, 주회로외에는 전부 이 기판 한 장에 다 넣도록 설계를 했다. B+전원, 출력관 히터전압, 드라이브관 히터전압, 그리고 두 개의 차동회로를 위한 LM334, 저항 그리고 가변저항, 등등... 이 때 부품의 결선점이 PCB와 가장 가깝게 되도록 PCB 부품배치에 신경을 써야 하고 이 기판을 나중에 고정시킬 나사 구멍도 함께 고려해야 나중에 배선하고 고정시킬 때 쉽고 간단히 처리가 된다. 상판은 3mm 두께의 알미늄판에 구멍을 뚫고 표면은 샌딩처리를 해 목공소에서 25mm 두께의 원목으로 둘레를 둘러 쌌다.

 

  이렇게 준비가 끝나면 먼저 기판을 완성하고 전원 회로를 시험한다. 전원트랜스에 전원을 투입해 교류전압이 적절하게 나오는지 확인하고 기판은 적당한 부하를 연결해 콘덴서가 높은 전압에 소손되지 않게 한 다음 전원을 투입하는데 잠시 넣었다 끊어 각 부분의 전압을 체크한다. 이상이 없으면 전원을 넣어 출력이 서서히 상승하는지를 확인하면 된다. 마지막으로 히터용 전압도 함께 무부하로 확인한다. 이 부분만 확인이 되면 전 부품을 장착해 결선을 한다. 먼저 신호가 흐르는 배선을 가장 먼저 최단거리로 배선하고, 바닥에 바싹 붙여서 배선하고 전원 공급 배선을 한다. 그리고 조정을 하는데, 먼저 초단관과 드라이브 단을 꽂아서 아이들링시 전류를 조정한다. 만약 시그널 제너레이터와 오실로스코프가 있으면 파형을 보면서 반고정 저항을 조정하면 차동앰프의 동작이 확실해 진다. 

- 제 준식님의 홈페이지에서 발췌 - 

 

14. 에이징(길들이기)의 실체와 방법 
  과연 에이징이란 있는것일까?, 또 있다면 어떻게 알 수 있을까?, 그 방법은?

  길들이기의 결과를 알 수 있게하기 위해 다음과 같은 두대의 프리앰프를 
  준비하였다.

  프리앰프 1 : 2개월전에 제작되어 하루 1~2시간정도 음악을 듣고 8시간정도
              전원을 켜 놓은 프리앰프
  프리앰프 2 : 3주전에 제작되어 2주동안 스피커 길들이기 과정에서 프리앰프로
              사용하였슴.

  길들이기에 사용된 CD : XLO Burn-in CD 8번 Track
  
  방법 : CDP->인터선->PREAMP->인터선->파워앰프->스피커선->스피커
  기간 및 가동시간 : 1일 10시간씩 2주 

  결과 : 2주동안의 길들이기가 끝난 프리앰프와 2개월동안 전원만 꼽아놓은 
        프리앰프의 소리를 동일한 스피커, 동일한 선재, 동일한 CDP에 의해
        한체널씩 비교한 결과 2주동안 길들이기를 한 프리앰프에서는 매끄러운
        소리를 내주고 있으나 전원에 연결하고 하루 1~2시간정도 음악을 들은
        2개월된 프리앰프는 아직도 거칠게 나타나고 있슴.

  결론 : 빠른 기간내에 좋은(매끄러운) 소리를 듣기 위해서는 길들이기가 반드시
        필요하다는 결론을 얻음.

  사례별로 본 길들이기 방법
  조합을 이루는 오디오 기기중 어느 하나가 새로 들어오는 경우 또 모두 
  신제품의 기기로 이루어졌을 경우에도 길들이기를 반드시 해주는것이 좋다.
  
  1. CDP(DVDP)ㅡ>인터선ㅡ>인티앰프ㅡ>스피커선ㅡ>스피커
  2. CDP(DVDP)ㅡ>인터선ㅡ>프리앰프ㅡ>인터선ㅡ>파워앰프ㅡ>스피커선ㅡ>스피커
  의 경우에는 두개의 스피커를 1cm 정도의 간격을 두고 서로 마주보게한 다음
  앰프에서 한체널의 스피커 극성을 바꾸고 평소에 듣는 음량보다 1시간 정도 
  더 높게 보륨을 올리고 Burn-in Track을 Repeat 1 으로 설정하여 10시간 정도
  돌린다. 다음날은 극성을 바꾼 스피커는 원위치하고 다른 체널의 스피커 극성을
  바꾼뒤 동일하게 길들이기를 한다. 이때 스피커에서 나오는 소리가 귀에 
  거슬린다고 생각되면 스피커만 이불로 덮어 두어도 좋다.

  ** 주의할 점

  길들이기를 시작하여 5분 후, 20분후, 40분 후 1시간 후에 트위터를 만져보아,
  트위터를 만질 수 없는 경우에는 트위터 몸체를, 따뜻해진다고 생각되면 
  길들이기를 해서는 안된다. 이는 앰프에서 나타나는 출력이 트위터에서 받아
  들일 수 없는 좀더 높은 주파수이거나 찌그러진 파형이 나타나서 트위터에
  과부하가 걸려 나타나는 현상이므로 파워앰프나 프리앰프를 점검 받는것이
  좋다.  

  모든 기기의 길들이기는 최소 2주 동안은 실시하는것이 좋다. 매주 일요일에만 
  하는 경우에는 20일정도 하는것이 좋다.

  만약 연속적으로 길들이기를 실시하지 못할 경우에는 모두 원위치를 하되 
  잠자는 동안에는 파워앰프를 끄고 동일하게 실시한다. 

  모든 선재는 길들이기를 하기전에 방향을 정하고 정해놓은 방향 표시를 
  해놓는다. 길들이기가 끝난 선재는 반드시 방향에 따라 사용하여야 하며 이를
  무시하고 한번이라도 역방향으로 사용한 경우 길들이기를 다시 해야한다.

  만일 스피커는 길이들어져 있고 다른 기기들이 길이 들어있지 않다고 생각되는
  경우에는 파워앰프의 스피커 단자에 50와트 8옴 더미 저항을 연결하고 길들이기
  하는 방법도 있다. 이때 앰프출력이 100와트가 넘는 경우에는 더미저항에서
  많은 열을 발산하므로 저항표면에 칠해져있는 페인트가 탈 수도 있다. 이런 
  경우에는 세수대야에 물을 담고 더미저항을 물속에 넣어도 된다.

  좋은 소리를 빨리 찾아 듣는 방법을 알려 드렸습니다. 이 순간에도 당사에서는
  CDP, 인터선, 프리앰프, 스피커선, 파원앰프, 스피커를 길들이기하고 있답니다.

  여러분들도 좋은 소리를 빠른시간내에 찾아 들으시길 바라는 마음에서 길들이기
  방법을 정리 해보았습니다. 

- 이글은 한 상응님께서 저술한 글입니다.- 

 

[출처] [본문스크랩] 진공관 강좌|작성자 AR Story