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가변 이득 증폭기

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목차

1. 개요

가변 이득 증폭기는 오디오 믹싱 콘솔에서 소리 레벨을 제어하는 데 사용되는 기술이다. 전압 제어 증폭기(VCA)는 믹싱 콘솔의 자동화를 위해 각 채널에 장착되어 페이더의 DC 제어 전압 역할을 하며, VCA 그룹을 통해 전체 레벨을 제어할 수 있다. VCA는 믹스의 특정 부분을 독립적으로 조절할 수 있게 해주며, 믹서의 내구성을 높이는 장점이 있다. 디지털 제어 증폭기(DCA)는 디지털 방식으로 제어되는 가변 이득 증폭기로, 단계적인 방식으로 이득을 조절하며, 다양한 스위칭 방식을 통해 구현될 수 있다.

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가변 이득 증폭기
개요
유형전자 증폭기
다른 이름전압 제어 증폭기
가변 이득 증폭기
기능
주요 기능제어 전압에 따라 이득을 조절

2. 역사

가변 이득 증폭기(VCA)는 오디오 레벨 컴프레서, 신시사이저, 진폭 변조 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

초기 VCA는 전압 제어 저항(VCR)을 이용하여 증폭기의 이득을 조절하는 방식으로 구현되었다. 반전 연산 증폭기 회로의 귀환 루프에 광 의존성 저항(LDR)을 연결하고, LED를 통해 LDR에 빛을 비추는 방식이 그 예이다. LED에 흐르는 전류를 조절하여 LDR의 저항값을 변화시키고, 이를 통해 증폭기의 이득을 제어한다. 이는 광 오디오 컴프레서에서 사용되는 회로와 유사하다.

JFET(접합형 전계 효과 트랜지스터)를 바이어스하여 VCR을 만들 수도 있으며, VCR2N과 같은 개별 소자로도 얻을 수 있다. 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 사용한 회로도 개발되었다.

음성 응용 분야에서는 사람의 귀가 소리의 크기를 인지하는 방식에 맞춰 대수적인 이득 제어가 사용된다. dbx사의 202 VCA는 최초로 구현된 대수 VCA 중 하나이다.[6]

2. 1. 전압 제어 증폭기 개발

오디오 레벨 컴프레서, 신시사이저, 진폭 변조 등 응용 사례가 많다.

간단한 예로는 귀환 루프에 광 의존성 저항(light-dependent resistor, LDR)을 갖춘 전형적인 반전 연산 증폭기 구성이 있다. 증폭기의 이득은 LDR에 입사하는 빛에 의존하며, 이 빛은 LED (옵토커플러)에 의해 방출되므로, 증폭기의 이득은 LED에 흐르는 전류에 의해 제어할 수 있다. 이는 광 오디오 컴프레서에서 사용되는 회로와 유사하다.

우선 증폭기의 이득을 결정하는 전압 제어 저항(voltage-controlled resistor, VCR)을 생성하여 VCA를 구현할 수 있다. VCR은 흥미로운 회로 요소 중 하나이며, JFET(접합형 전계 효과 트랜지스터)에 단순히 바이어스를 가함으로써 만들 수 있다. 이 방법으로 만들어진 VCR은 VCR2N 등의 개별 소자로 얻을 수 있다. 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 사용한 회로도 있다.

음성 응용 분야에서는 귀가 소리의 크기를 느끼는 방식을 모방하기 위해, 대수 이득 제어가 사용된다. dbx사의 202 VCA는 최초로 구현에 성공한 대수 VCA이다[6].

3. 사운드 믹싱 콘솔에서의 VCA

데이비드 E. 블랙머는 dbx의 설립자로, 다이내믹 레인지 압축기를 만드는 데 VCA를 사용했다. VCA를 사용한 최초의 콘솔은 1973년 폴 C. 버프가 설계한 Allison Research의 컴퓨터 자동 녹음 시스템이었다.[4] 1975년에는 MCI JH500 스튜디오 녹음 데스크 시리즈에 VCA 기능이 탑재되었다.[5] 라이브 사운드를 위한 최초의 VCA 믹서는 1985년 야마하가 출시한 PM3000이었다.

3. 1. VCA의 역할 및 장점

일부 믹싱 콘솔에는 콘솔 자동화를 위해 각 채널에 전압 제어 증폭기(VCA)가 장착되어 있다. 전통적으로 오디오 신호를 직접 제어하는 페이더는 VCA의 DC 제어 전압이 된다. 페이더에 사용할 수 있는 최대 전압은 'VCA 그룹'이라고 하는 하나 이상의 마스터 페이더로 제어할 수 있다. VCA 마스터 페이더는 할당된 모든 채널의 전체 레벨을 제어한다.[2] 일반적으로 VCA 그룹은 믹스의 다양한 부분(보컬, 기타, 드럼 또는 타악기 등)을 제어하는 데 사용된다. VCA 마스터 페이더를 사용하면 믹스의 해당 부분에 있는 악기의 블렌딩에 영향을 주지 않고 믹스의 일부를 높이거나 낮출 수 있다.

VCA 서브 그룹의 장점은 각 채널의 게인 레벨에 직접적인 영향을 미치기 때문에 VCA 서브 그룹 레벨 변경은 채널 레벨뿐만 아니라 포스트 페이더 믹스에 전송되는 모든 레벨에도 영향을 미친다는 것이다. 전통적인 오디오 서브 그룹의 경우 서브 그룹 마스터 페이더는 메인 믹스로 들어가는 레벨에만 영향을 미치며 포스트 페이더 믹스로 들어가는 레벨에는 영향을 미치지 않는다. 악기가 서브 그룹과 포스트 페이더 믹스에 신호를 공급하는 경우를 생각해 보자. 서브 그룹 마스터 페이더를 완전히 낮추면 악기 자체는 더 이상 들리지 않지만, 포스트 페이더 믹스의 일부, 아마도 잔향 또는 코러스 효과로 들릴 것이다.[3]

VCA 믹서는 비 VCA 믹서보다 오래 지속되는 것으로 알려져 있다. VCA는 물리적 페이더 대신 오디오 레벨을 제어하기 때문에 시간이 지남에 따라 페이더 메커니즘이 열화되어도 오디오 품질 저하를 유발하지 않는다.

3. 2. VCA와 일반 서브 그룹의 차이점

일부 믹싱 콘솔은 콘솔 자동화를 위해 각 채널에 전압 제어 증폭기(VCA)를 장착하고 있다. 전통적으로 오디오 신호를 직접 제어하는 페이더는 VCA의 DC 제어 전압이 된다. 페이더에 사용할 수 있는 최대 전압은 'VCA 그룹'이라고 하는 하나 이상의 마스터 페이더로 제어할 수 있다. VCA 마스터 페이더는 할당된 모든 채널의 전체 레벨을 제어한다.[2] 일반적으로 VCA 그룹은 보컬, 기타, 드럼, 타악기 등 믹스의 다양한 부분을 제어하는 데 사용된다. VCA 마스터 페이더를 사용하면 믹스의 해당 부분에 있는 악기의 블렌딩에 영향을 주지 않고 믹스의 일부를 높이거나 낮출 수 있다.

VCA 서브 그룹은 각 채널의 게인 레벨에 직접적인 영향을 미치기 때문에 VCA 서브 그룹 레벨을 변경하면 채널 레벨뿐만 아니라 포스트 페이더 믹스에 전송되는 모든 레벨에도 영향을 미친다는 장점이 있다. 전통적인 오디오 서브 그룹의 경우, 서브 그룹 마스터 페이더는 메인 믹스로 들어가는 레벨에만 영향을 미치며 포스트 페이더 믹스로 들어가는 레벨에는 영향을 미치지 않는다. 악기가 서브 그룹과 포스트 페이더 믹스에 신호를 공급하는 경우를 생각해 보자. 서브 그룹 마스터 페이더를 완전히 낮추면 악기 자체는 더 이상 들리지 않지만, 포스트 페이더 믹스의 일부, 아마도 잔향 또는 코러스 효과로 들릴 것이다.[3]

4. 디지털 제어 증폭기 (DCA)

디지털 제어 증폭기(DCA)는 디지털 신호를 사용하여 증폭기의 이득을 조절하는 장치이다.

DCA는 단계별로 이득을 조절하며, 여러 가지 방법으로 구현할 수 있다. 가장 간단한 예로는 토글 스위치를 사용하여 두 가지 이득 설정을 선택하는 방법이 있다. 더 복잡한 DCA는 마이크로컨트롤러를 통해 제어되는 릴레이, 전계 효과 트랜지스터(FET), CD4053 양방향 CMOS 아날로그 멀티플렉서 집적 회로, 디지털 전위차계 등을 사용하여 이득을 조절한다.

스위치와 저항 수를 최소화하기 위해 여러 스위치를 활성화하여 저항 값을 조합하기도 한다.

4. 1. DCA의 원리

'''디지털 제어 증폭기'''(DCA, digitally controlled amplifier)는 디지털 방식으로 제어되는 가변 이득 증폭기이다.

디지털 제어 증폭기는 계단식 방식을 사용하여 회로에 단계별 이득 선택 증가를 제공한다. 이는 여러 방식으로 수행할 수 있지만, 설계에 따라 특정 요소는 동일하게 유지된다.

가장 기본적인 형태는 피드백 저항에 걸쳐 연결된 토글 스위치를 사용하여 두 개의 개별 이득 설정을 제공할 수 있다. 이는 컴퓨터 제어 기능은 아니지만, 핵심 기능을 설명한다. 피드백 루프에 8개의 스위치와 8개의 저항이 있는 경우, 각 스위치는 특정 저항을 활성화하여 증폭기의 피드백을 제어할 수 있다. 각 스위치를 릴레이로 변환하면 마이크로컨트롤러를 사용하여 릴레이를 활성화하여 원하는 양의 이득을 얻을 수 있다.

릴레이는 설계의 기계적 특성을 줄이기 위해 적절한 유형의 전계 효과 트랜지스터(FET)로 대체될 수 있다. CD4053 양방향 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 아날로그 멀티플렉서 집적 회로 및 디지털 전위차계(결합된 저항 스트링 및 멀티플렉서)와 같은 다른 장치는 스위칭 기능으로 유용하게 사용될 수 있다.

스위치와 저항의 수를 최소화하기 위해 여러 스위치를 활성화하여 저항 값의 조합을 사용할 수 있다.

4. 2. DCA의 장점

DCA (디지털 제어 증폭기)는 단계적 접근 방식을 사용하여 회로에 점진적인 이득 선택 증분을 제공한다. 이는 여러 방식으로 수행할 수 있지만, 특정 요소는 모든 디자인에 동일하게 유지된다. 가장 기본적인 형태에서 피드백 저항에 연결된 토글 스위치는 두 개의 개별 이득 설정을 제공할 수 있다. 피드백 루프에 8개의 스위치와 8개의 저항이 있는 경우, 각 스위치는 특정 저항이 증폭기의 피드백을 제어하도록 할 수 있다. 각 스위치가 릴레이로 변환된 경우, 마이크로컨트롤러를 사용하여 릴레이를 활성화하여 원하는 양의 이득을 얻을 수 있다.

릴레이는 설계의 기계적 특성을 줄이기 위해 적절한 유형의 전계 효과 트랜지스터로 교체할 수 있다. CD4053 양방향 CMOS 아날로그 멀티플렉서 집적 회로 및 디지털 전위차계(결합된 저항 스트링 및 MUX)와 같은 다른 장치는 스위칭 기능을 잘 수행할 수 있다. 스위치와 저항의 수를 최소화하기 위해 여러 스위치를 활성화하여 저항 값의 조합을 활용할 수 있다.

5. 진폭 변조 (AM)

진폭 변조(AM)는 전자 통신에 사용되는 변조 기술로, 가장 일반적으로 전파로 메시지를 전송하는 데 사용된다.

참조

[1] 웹사이트 A Brief History of VCA Development http://www.thatcorp.[...]
[2] 웹사이트 Allen & Heath ML3000 Block Diagram http://www.allen-hea[...]
[3] 웹사이트 Allen & Heath ML3000 User Guide http://www.allen-hea[...]
[4] 서적 The History of Music Production https://books.google[...] Oxford University Press 2014
[5] 서적 Audio Engineering Explained Taylor & Francis 2012
[6] 웹사이트 A Brief History of VCA Development http://www.thatcorp.[...]
[7] 웹사이트 Allen & Heath ML3000 Block Diagram http://www.allen-hea[...]
[8] 웹사이트 Allen & Heath ML3000 User Guide http://www.allen-hea[...]
[9] 웹사이트 A Brief History of VCA Development http://www.thatcorp.[...] 2020-07-03
[10] 웹사이트 Allen & Heath ML3000 Block Diagram http://www.allen-hea[...]
[11] 웹사이트 Allen & Heath ML3000 User Guide http://www.allen-hea[...]
[12] 서적 The History of Music Production https://books.google[...] Oxford University Press 2014
[13] 서적 Audio Engineering Explained Taylor & Francis 2012


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