진공관 앰프

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1. 개요
2. 역사
3. 작동 원리 및 특징
4. 응용 분야
참조

1. 개요

진공관 앰프는 열전자 방출을 이용한 진공관을 사용하여 신호를 증폭하는 장치이다. 1947년 트랜지스터 발명 이전까지 널리 사용되었으며, 1907년 리 디포리스트가 3극 진공관을 개발하면서 전기적 증폭이 가능해졌다. 제2차 세계 대전 이후 기술 발전과 소비자 시장 확대로 1960년대 진공관 앰프는 황금기를 맞이했으나, 1970년대 트랜지스터의 등장으로 쇠퇴했다.

진공관 앰프는 고전압 회로에 적합하고 특정 왜곡 특성으로 인해 오디오 애호가와 음악가들에게 선호된다. 오늘날에는 주로 고급 하이파이 오디오, 전기 기타, 녹음 스튜디오 등에서 사용되며, 고출력 무선 주파수 증폭기 및 계측 분야에서도 활용된다. 진공관은 트랜지스터에 비해 크고, 전력 소비가 크며, 수명이 짧다는 단점이 있다.

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진공관 앰프 - 마셜 앰플리피케이션
마셜 앰플리피케이션은 1960년대 초 런던에서 시작된 영국의 앰프 제조사로, 록 음악 역사에 큰 영향을 미쳤으며, 짐 마샬이 펜더 앰프의 대안으로 JTM45 앰프를 시작으로 다양한 앰프를 선보였고, 1980년대부터는 솔리드 스테이트 기술을 도입한 앰프와 헤드폰, 블루투스 스피커 등 록 음악 문화를 선도하고 있다.

진공관 앰프
개요
유형	전자 증폭기
사용	오디오 무선 주파수
기술적 측면
활성 장치	진공관
작동 방식	클래스 A, 클래스 AB, 클래스 B, 클래스 C
이득	전압, 전류 또는 전력
왜곡	고조파, 상호 변조, TIM
피드백	음성 또는 양성
전원 공급 장치	일반적으로 높음
역사
개발	20세기 초
관련 항목
관련 주제	증폭기 진공관 오디오 앰프 무선 주파수 앰프 밸브 오디오 앰프 기술 사양

2. 역사

1947년 트랜지스터가 발명되기 전까지, 실용적인 전자 증폭기는 거의 대부분 진공관을 사용하여 만들어졌다.^[1] 진공관 앰프의 역사는 20세기 초 전자 기술의 발전과 궤를 같이한다.

가장 단순한 형태의 진공관인 2극 진공관(다이오드)은 1904년 영국 런던의 마르코니 회사에서 일하던 존 앰브로스 플레밍에 의해 발명되었다. 다이오드는 전류를 한 방향으로만 흐르게 하여 라디오 신호 검출이나 정류기 용도로 사용되었으나, 신호를 증폭하는 능력은 없었다.

1906년 미국의 리 드 포레스트는 다이오드에 제어 그리드라는 세 번째 전극을 추가하여 최초로 전기 신호를 증폭할 수 있는 소자인 삼극관(Triode)을 발명하고 '오디온(Audion)'이라 이름 붙였다. 이 삼극관의 발명은 전자 증폭 시대의 개막을 알리는 중요한 사건이었다.

진공관 증폭 기술은 처음에는 장거리 전화 통신에서 약해진 신호를 복원하는 데 사용되었고, 이후 1930년대 라디오 방송이 대중화되면서 라디오 수신기의 핵심 부품으로 자리 잡았다. 점차 음악 감상용 오디오 앰프와 텔레비전 수상기 등 다양한 전자 기기에 진공관이 사용되기 시작했다. 초기 진공관 앰프는 주로 싱글 엔디드 삼극관을 클래스 A 방식으로 구동하는 비교적 단순한 회로 구조를 가졌으며, 부품 가격이 비싸고 성능 개선의 여지가 있었다.

이후 1927년 해럴드 스티븐 블랙이 부궤환(Negative Feedback, NFB) 기술을 발명하고, 1947년 윌리엄슨 앰프와 같이 이를 효과적으로 활용한 설계가 등장하면서 진공관 앰프의 성능은 크게 향상되었다. 이러한 기술 발전은 더 낮은 왜곡과 개선된 음질을 제공하며 오디오 증폭기 설계의 중요한 전환점을 마련했다. 1947년 트랜지스터의 발명은 전자 기술의 새로운 시대를 열었지만, 진공관 앰프는 이후에도 특정 분야에서 그 명맥을 이어가게 된다.

2. 1. 초기 발전

1947년 트랜지스터가 발명되기 전까지 거의 모든 앰프는 열전자 방출 원리를 이용한 진공관으로 만들어졌다.^[1]

1904년 영국 런던의 마르코니 회사에서 근무하던 존 앰브로스 플레밍은 가장 단순한 형태의 진공관인 2극 진공관을 발명하고 다이오드라고 이름 붙였다. 이 다이오드는 전류를 한 방향으로만 흐르게 하여 라디오 신호 검파기나 정류기로 사용될 수 있었지만, 신호를 증폭하는 기능은 없었다.

1906년 미국의 리 드 포레스트는 다이오드에 세 번째 전극인 제어 그리드(control grid)를 추가하여 최초의 전자 증폭 소자인 삼극관(Triode)을 발명하고 이를 '오디온(Audion)'이라고 명명했다. 이 제어 그리드는 음극(cathode)과 양극(anode) 사이를 흐르는 전류의 양을 조절함으로써 전기 신호를 증폭할 수 있게 했다. 전류 흐름과 플레이트 및 그리드 전압 간의 관계는 특성 곡선 그래프로 표현되기도 한다. 회로 구성에 따라 이 조절된 전류 흐름을 이용해 전류 이득 또는 전압 이득을 얻을 수 있다.

진공관 증폭 기술은 초기에 장거리 전화 통신에서 약해진 신호를 다시 키우는 데 사용되었다. 이후 1930년대 초부터 급성장한 라디오 수신기 시장에 적용되었고, 점차 음악 감상용 앰프와 텔레비전 수상기 제작에도 진공관이 핵심 부품으로 사용되었다.

이 시기에는 싱글 엔디드 삼극관(Single-ended triode) 증폭단을 클래스 A 방식으로 구동하는 회로가 주를 이루었다. 부품을 직접 손으로 만들던 시절이라 가격이 매우 비쌌기 때문에, 적은 수의 부품으로 구성된 단순한 회로를 선호했다. 이러한 단순한 구조에도 불구하고 당시의 앰프들은 상당히 좋은 음질을 제공했지만, 진공관 자체의 선형성에 의존했기 때문에 최대 출력 시 왜곡률이 5%에 달하는 경우도 흔했다.

부궤환(Negative Feedback, NFB) 기술은 1927년 해럴드 스티븐 블랙에 의해 발명되었으나, 초기에는 증폭률(gain)을 높이는 것이 더 중요했기 때문에 널리 사용되지 않았다. 부궤환은 증폭률을 희생하는 대신 왜곡률을 크게 낮추고 출력 임피던스를 감소시키는 등 여러 장점을 제공하는 기술이다. 1947년에 발표된 윌리엄슨 앰프는 부궤환 기술을 매우 효과적으로 활용하여 당시 다른 앰프들을 뛰어넘는 성능을 보여주었으며, 오디오 전력 증폭기 설계의 중요한 전환점으로 평가받는다. 윌리엄슨 앰프는 푸시풀(push-pull) 출력 회로를 클래스 AB1 방식으로 작동시켜 성능을 더욱 향상시켰다.

2. 2. 제2차 세계 대전 이후의 발전

제2차 세계 대전은 진공관 기술의 획기적인 발전과 산업 규모의 대량 생산을 가능하게 하는 계기가 되었다. 전쟁 이후 경제 성장으로 사람들의 생활 수준이 향상되면서 전자제품에 대한 소비자 시장이 크게 확대되었다. 이를 통해 전자 제조업체들은 더 발전된 진공관 설계를 저렴한 가격으로 생산하고 판매할 수 있게 되었다.

1927년 해럴드 스티븐 블랙이 발명한 부궤환(NFB, Negative Feedback) 기술은 앰프의 이득(gain)을 희생하는 대신 왜곡을 크게 줄이고 출력 임피던스를 낮추는 등 여러 장점을 제공했지만, 초기에는 이득 확보가 더 중요했기 때문에 널리 사용되지 않았다. 그러나 1947년 등장한 윌리엄슨 앰프는 부궤환 기술을 매우 성공적으로 활용하여 당시 다른 앰프들을 뛰어넘는 성능을 보여주었다. 이 앰프는 푸시풀(push-pull) 출력 회로를 클래스 AB1 방식으로 구동했으며, 오디오 전력 증폭기 설계의 전환점으로 평가받는다.

1960년대에 이르러 전자 축음기가 널리 보급되고, 전체 주파수 범위의 소리를 상당한 음량으로 재생할 수 있는 하이파이(Hi-Fi) 오디오 시스템이 등장하면서 진공관 앰프는 황금기를 맞이했다. TV의 보급 역시 이러한 흐름을 가속화했다. 이 시기에는 다양한 위상 분할기 구성이나 4극관을 위한 울트라 선형 접속 방식 등 여러 회로 토폴로지가 개발되어 빠르게 확산되었다. 이러한 설계 방식들은 약간의 변형을 거쳐 오늘날까지도 음악용 고출력 앰프 설계의 주류를 이루고 있다. 또한 이 기간 동안 송신기와 수신기에 모두 진공관이 사용되면서 민간 라디오 분야도 꾸준히 성장했다.

2. 3. 트랜지스터의 등장과 진공관의 쇠퇴

1970년대부터 실리콘 트랜지스터가 점점 더 널리 보급되면서 진공관 생산량은 급격히 감소했다. 음극선관(CRT)과 앰프 용도를 제외하면 진공관 사용은 크게 줄어들었다. 트랜지스터는 진공관에 비해 크기가 작고, 전력 소비가 적으며, 왜곡 수준이 낮고, 무엇보다도 비용이 저렴하다는 장점이 있었다. 이러한 이유로 트랜지스터를 기반으로 한 전자 제품이 주류가 되면서 진공관은 점차 구식 기술로 취급받게 되었다.

한편, 소련은 냉전 기간 동안 서방 국가들보다 더 오랫동안 통신 및 군사 증폭 장비에 진공관을 사용했다. 이는 진공관이 전자기 펄스(EMP)와 같은 순간적인 과부하에 강하여 트랜지스터를 파괴할 수 있는 상황에서도 견딜 수 있었기 때문이다.^[2]

오늘날 대부분의 전자 기기에서는 진공관이 트랜지스터로 대체되었지만, 일부 특정 응용 분야에서는 여전히 진공관이 중요한 역할을 하고 있다. 대표적인 예로는 고출력 RF 송신기, 전자레인지, 그리고 오디오 앰프, 특히 일렉트릭 기타 앰프, 녹음 스튜디오 장비, 고급 홈 스테레오 등이 있다.

3. 작동 원리 및 특징

Glowing tube amplifier. — 1960년대 펜더 밴드마스터 리버브 진공관 기타 앰프 섀시.

진공관은 일반적으로 트랜지스터보다 더 높은 전압과 낮은 전류에서 작동하는 특징을 가진다. 비록 현대의 반도체 기술 발달로 그 격차가 줄어들고는 있지만, 여전히 킬로볼트(kV) 단위의 매우 높은 전압이 필요한 고출력 무선 송신기 같은 분야에서는 진공관이 대체 불가능한 기술로 남아있다. 이는 높은 출력을 얻기 위해서는 높은 전압이나 높은 전류, 또는 둘 다가 필요하기 때문이다 (전력 = 전압 × 전류).

신호 증폭에 사용되는 진공관은 이론적으로 매우 높은 주파수 응답 범위를 가질 수 있어, 무선 주파수(RF) 대역까지도 증폭이 가능하다. 실제로 일부 오디오 애호가용 앰프 중에는 메가헤르츠(MHz) 대역에서 작동하도록 설계된 무선 송신용 진공관을 사용하는 경우도 있다. 하지만 실제 진공관 앰프 설계에서는 증폭단 사이를 연결하는 방식 때문에 주파수 대역폭이 제한되는 경우가 많다. 주로 커패시터를 이용한 용량성 결합 방식은 저주파 대역폭을 제한하고, 변압기를 이용한 유도성 결합 방식은 저주파와 고주파 양쪽 모두의 대역폭을 제한하는 경향이 있다.

3. 1. 장점

오디오 분야, 특히 녹음 스튜디오 장비와 기타 앰프에서는 여전히 진공관이 선호되는 경우가 많다. 일부 오디오 애호가들은 진공관 앰프가 더 "따뜻하고" "자연스러운" 진공관 사운드를 제공한다고 주장하며, 이러한 수요에 맞춰 아시아와 동유럽 등지에서 진공관 생산이 계속되고 있다.

많은 전문 기타 연주자들은 진공관 앰프 특유의 '톤', 즉 음색 때문에 이를 선호한다. 이는 정량화하기 어려운 주관적인 요소이지만, 많은 오디오 기술자들은 진공관에서 발생하는 '짝수 고조파 왜곡'이 트랜지스터보다 귀에 더 듣기 좋게 들린다고 설명한다. 이러한 음색적 특성은 기타 앰프나 스튜디오 마이크 프리앰프에서 진공관이 계속 사용되는 주된 이유 중 하나이다.

또한 진공관 앰프는 신호 레벨이 클리핑 지점에 가까워질 때 트랜지스터 앰프와 다르게 반응한다. 진공관 앰프는 선형 증폭 상태에서 소리가 찌그러지는 제한 상태로 넘어가는 과정이 상대적으로 부드럽다. 이 때문에 클리핑이 시작될 때 발생하는 왜곡이 덜 거슬리게 느껴질 수 있으며, 일부 기타리스트들이 진공관 앰프의 사운드를 선호하는 이유가 되기도 한다.^[3]

기술적인 측면에서도 진공관은 다음과 같은 장점을 가진다.

고전압 회로 적합성: 일반적으로 트랜지스터보다 높은 전압에서 작동하므로 고전압 회로에 유리하다. 고출력 무선 송신기 등 킬로볼트 범위에서 작동해야 하는 경우 여전히 진공관이 사용된다.
우수한 열 발산 능력: 대량의 열을 발산하도록 설계될 수 있으며, 일부 고출력 장치는 수냉식으로 제작되기도 한다. 이 덕분에 매우 높은 출력이 필요한 라디오 및 TV 송신기 등에서 오랫동안 주요 기술로 사용되었다.
전기적 견고성: 전기적으로 매우 견고하여 과부하 상태를 수 분간 견딜 수 있다. 이는 바이폴라 트랜지스터 시스템이 밀리초 단위로 파손될 수 있는 것과 대조적이다. 또한 손상 없이 매우 높은 과도 피크 전압을 견딜 수 있어 특정 군사 및 산업 응용 분야에 적합하다.
긴 수명과 신뢰성 (조건부): 일반적으로 최대 성능보다 훨씬 낮은 전압에서 사용될 경우 긴 수명과 신뢰성을 제공할 수 있다.
부드러운 클리핑: 회로 과부하 시 클리핑 특성이 부드러워, 많은 오디오 애호가와 음악가들이 주관적으로 더 듣기 좋고 음악적으로 만족스러운 사운드를 제공한다고 평가한다.^[4]

진공관을 사용하는 신호 증폭기는 매우 높은 주파수 응답 범위를 가질 수 있으며, 이론적으로는 무선 주파수 대역까지 도달할 수 있다. 실제로 메가헤르츠 범위에서 작동하도록 설계된 무선 송신관을 사용하는 오디오 앰프도 존재한다. 다만 실제 앰프 설계에서는 단계 간의 용량성 결합이나 변압기 결합으로 인해 대역폭이 제한되는 경우가 일반적이다.

3. 2. 단점

진공관은 선형성이 좋지 않은 편이며, 특히 부귀환(Negative Feedback)이 적을 때 왜곡이 발생하기 쉽다.^[4]
작동을 위해 히터가 필요하며, 이로 인해 상당한 전력을 소비하고 열 손실이 크다.
비슷한 성능의 반도체 증폭기와 비교했을 때 더 높은 애노드 전압이 필요하다.
동일한 기능을 하는 반도체 소자보다 크기가 훨씬 크다.
임피던스가 높고 출력 전류가 낮아 전동기와 같은 특정 부하를 직접 구동하기 어렵다.
반도체 부품에 비해 수명이 짧고, 열 문제, 캐소드 포이즈닝, 물리적 파손, 내부 단락 등 다양한 원인으로 고장 날 수 있다.
트랜지스터와 달리 단일 극성으로만 제공되어 회로 구성에 제약이 따른다. 트랜지스터는 NPN형과 PNP형처럼 상보적인 극성이 있어 더 다양한 회로 설계가 가능하다.
교류 전원을 사용하는 히터에서 발생하는 노이즈가 회로에 유입되지 않도록 주의해야 한다.
마이크로포닉스 현상이 발생할 수 있다. 이는 진공관이 외부의 소리나 진동에 민감하게 반응하여 마치 마이크로폰처럼 작동하는 현상을 말한다.

3. 3. 동작 방식

모든 증폭기 회로는 동작 방식에 따라 A급, B급, AB급, C급 등으로 분류된다. 자세한 내용은 전력 증폭기 클래스 문서를 참고할 수 있다. 진공관 앰프는 트랜지스터 앰프와 비교하여 몇 가지 다른 회로 구성을 가진다.

바이어스와 직접 연결의 어려움: 진공관의 그리드(입력 신호가 인가되는 부분)는 캐소드에 대해 음(-) 전압으로 바이어스되어야 한다. 이 때문에 트랜지스터 증폭기처럼 한 진공관의 출력을 다음 진공관의 입력에 직접 연결하기 어렵다.
스테이지 결합: 진공관 증폭단을 연결하기 위해서는 일반적으로 커패시터나 결합 변압기가 사용된다. 이 부품들은 수백 볼트의 높은 전압을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 다만, 이러한 결합 방식은 위상 변화를 일으킬 수 있으며, 이는 부귀환(Negative Feedback)을 사용하는 회로에서 문제가 될 수 있다.^[4]
푸시풀 구성과 위상 분할기: 트랜지스터에는 NPN형과 PNP형처럼 서로 보완적인 특성을 가진 소자가 있어 푸시풀(Push-pull) 회로 구성이 용이하지만, 진공관에는 이런 상보적인 소자가 없다. 따라서 진공관으로 푸시풀 회로를 구성하려면 입력 신호를 두 개의 반대 위상 신호로 나누는 위상 분할기(Phase splitter)가 반드시 필요하다. 현대의 고출력 진공관 앰프는 대부분 푸시풀 방식을 사용하며, 위상 분할기와 함께 출력 진공관을 구동하기 위한 추가 증폭단(드라이버단)을 두는 경우가 많다.
출력 임피던스와 정합 변압기: 진공관은 트랜지스터에 비해 출력 임피던스가 매우 높다. 반면 스피커와 같은 일반적인 부하는 임피던스가 낮기 때문에, 높은 출력 임피던스를 낮은 부하 임피던스에 효과적으로 전달하기 위해 출력 변압기(정합 변압기)가 필요하다. 이 출력 변압기는 진공관 앰프의 가격을 상승시키는 주요 요인 중 하나이다. 변압기는 소신호단이나 드라이버단에서 저항 대신 부하로 사용되기도 한다.
선형성과 부귀환: 진공관, 특히 삼극관은 개방 루프 상태(피드백이 없는 상태)에서의 선형성이 비교적 좋은 편이다. 이 때문에 부귀환을 적게 사용하거나 전혀 사용하지 않고도 만족스러운 왜곡 성능을 얻을 수 있다.

4. 응용 분야

진공관 앰프는 그 특유의 전기적 성질 덕분에 트랜지스터 기반 앰프가 주류가 된 현대에도 특정 분야에서 꾸준히 사용되고 있다. 대표적인 응용 분야로는 특유의 음색을 선호하는 오디오 앰프 시장, 특히 기타 앰프나 고급 하이파이 오디오 시스템이 있다. 또한, 매우 높은 전압이나 출력을 다루어야 하는 무선 주파수(RF) 송신 장비나, 측정 대상 회로에 미치는 영향을 최소화해야 하는 정밀 계측기 등에서도 진공관 기술이 활용된다. 이러한 다양한 응용은 진공관만이 가지는 고유한 회로 구성 방식과 작동 특성에서 비롯된다. 각 응용 분야별 특성과 기술적 세부 사항은 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.

4. 1. 오디오 주파수(AF) 및 광대역 증폭기

오디오 분야에서 진공관은 녹음 스튜디오 장비나 기타 앰프 등 전문 사용자들 사이에서 여전히 선호도가 높다. 일부 오디오 애호가들은 진공관 앰프가 더 "따뜻하고" 더 "자연스러운" 진공관 사운드를 만들어낸다고 주장하며, 이러한 수요에 맞춰 아시아와 동유럽의 회사들이 진공관을 계속 생산하고 있다.

많은 전문 기타 연주자들은 진공관 앰프 특유의 '톤' 때문에 이를 사용한다. 여기서 '톤'은 음색을 의미하며 주관적인 품질이지만, 오디오 기술자들은 진공관에서 발생하는 '짝수 고조파 왜곡'이 트랜지스터보다 듣기 좋게 들린다고 설명하기도 한다. 이러한 음색적 특성 덕분에 진공관은 기타 앰프나 스튜디오 마이크 프리앰프의 표준으로 자리 잡았다.

또한 진공관 앰프는 신호 레벨이 클리핑 지점에 도달할 때 트랜지스터 앰프와 다르게 반응한다. 진공관 앰프는 선형 증폭에서 제한 상태로 넘어가는 과정이 상대적으로 부드러워, 클리핑이 시작될 때 발생하는 왜곡이 덜 거슬린다. 이 때문에 일부 기타리스트들은 진공관 앰프의 사운드를 선호하지만, 진공관과 솔리드 스테이트 앰프의 음향적 특성에 대한 평가는 기타리스트 커뮤니티 내에서도 여전히 논쟁거리이다.^[3]

진공관은 오디오 증폭 외에도 다음과 같은 특징을 가진다.

고전압 회로에 적합하며, 대량의 열을 발산할 수 있도록 설계될 수 있어 과거 라디오 및 TV 송신기 같은 고출력 응용 분야에서 필수적이었다.
전기적으로 매우 견고하여 바이폴라 접합 트랜지스터 시스템이라면 밀리초 내에 파괴될 수 있는 과부하를 수 분 동안 견딜 수 있다.
매우 높은 과도 피크 전압에도 손상되지 않아 특정 군사 및 산업 응용 분야에 적합하다.
일반적으로 최대 성능보다 낮은 전압에서 작동하여 긴 수명과 신뢰성을 제공한다.
회로 과부하 시 클리핑이 부드러워 많은 오디오 애호가와 음악가들이 주관적으로 더 만족스러운 사운드를 제공한다고 평가한다.

진공관 앰프 회로는 작동 방식에 따라 A, B, AB, C 등으로 분류되며(전력 증폭기 클래스 참조), 트랜지스터 설계와는 다른 몇 가지 특징적인 회로 구성을 가진다.

입력 신호가 인가되는 그리드는 캐소드에 대해 음전압으로 바이어스되어야 하므로, 한 진공관의 출력을 다음 진공관의 입력에 직접 연결하기 어렵다.
진공관 스테이지는 수백 볼트를 견딜 수 있는 커패시터나 결합 변압기를 사용하여 연결된다.
실리콘 회로의 '토템 폴' 출력단처럼 상보적인 소자가 없기 때문에, 푸시풀(push-pull) 구성에서는 위상 분할기가 필요하다.
진공관의 높은 출력 전기 임피던스는 스피커와 같은 저임피던스 부하와 잘 맞지 않아, 효율적인 전력 전달을 위해 일반적으로 임피던스 매칭용 출력 변압기가 필요하다. 이 변압기는 비용을 증가시키는 요인이지만, 여러 스피커를 연결하는 PA(Public Address) 시스템 등에서는 필수적이다.
특히 삼극관은 개방 루프 선형성이 좋아 네거티브 피드백을 적게 사용하거나 전혀 사용하지 않고도 우수한 왜곡 성능을 얻을 수 있다.

초기 오디오 증폭의 주요 응용 분야는 전화 통신이었다. 당시 통신 산업은 여러 음성 회선을 서로 다른 주파수로 단일 케이블에 다중화하는 기술을 사용했는데, 이때 단일 진공관 증폭기가 여러 통화를 동시에 증폭하는 역할을 했다. 이 과정에서 증폭기의 높은 선형성이 중요했는데, 선형성이 낮으면 상호 변조 왜곡(IMD)으로 인해 채널 간 '혼선'이 발생할 수 있었기 때문이다. 이러한 요구는 저왜곡 증폭 기술 개발을 촉진하는 계기가 되었다.

오늘날 진공관의 주요 응용 분야는 고급 하이파이 오디오 앰프와 전기 기타, 전기 베이스, 해먼드 오르간 등 악기를 위한 앰프이다. 이들 응용 분야는 요구하는 왜곡 특성이 달라 설계 방식에 차이가 있지만, 기본적인 광대역 증폭 기술은 동일하게 적용된다. 제2차 세계 대전 이후 대부분의 진공관 전력 증폭기는 클래스 AB-1 푸시풀 울트라리니어 토폴로지나 저가형 싱글 엔드 방식(예: 6BQ5/EL84 전력관 사용)으로 제작되었지만, DH-SET(Direct Heated Single-Ended Triode)나 OTL(Output Transformerless) 같은 틈새 토폴로지도 소량 존재한다.

진공관은 특유의 음질적 장점으로 특정 분야에서 선호되지만, 트랜지스터에 비해 전력 소비, 왜율, 비용, 신뢰성, 무게 등에서 불리하여 오디오 및 일부 고출력 응용 분야 외에는 사용이 제한적이다.

4. 2. 협대역 및 무선 주파수(RF) 튜닝 증폭기

역사적으로, 제2차 세계 대전 이전의 "송신관"은 사용 가능한 가장 강력한 진공관 중 하나였다. 이들은 일반적으로 전구처럼 빛나는 직접 가열된 토륨 필라멘트 음극을 가지고 있었다. 일부 진공관은 매우 강하게 구동되어 양극 자체가 체리색으로 붉게 빛나기도 했다. 양극은 변형 없이 열을 견딜 수 있도록 얇은 시트가 아닌 고체 재료로 가공되었다. 이러한 유형의 주목할 만한 진공관은 845 및 211이다. 나중에 817 및 (직접 가열) 813과 같은 사극관 및 오극관도 (특히 군용) 무선 송신기에 대량으로 사용되었다.^[1]^[2]

무선 주파수(RF) 회로는 광대역 증폭기 회로와 상당히 다르다. RF 회로는 일반적으로 높은 주파수에서 작동해야 하지만 종종 매우 좁은 주파수 범위에서 작동해야 한다. 예를 들어, RF 장치는 144 MHz에서 146 MHz 범위(단 1.4%)에서 작동해야 할 수 있다.^[3] RF 회로에서는 안테나 또는 다음 회로 단계에 하나 이상의 조정 가능한 정전 용량 또는 유도 성분을 포함시켜 동조 회로를 구성한다. 이 회로는 사용 중인 반송파 주파수에 정확히 공진하도록 조정하여 진공관의 전력 전달을 최적화하고 부하를 맞추는 역할을 한다.^[4]

오늘날, 무선 송신기는 마이크로파 주파수에서도 압도적으로 실리콘 기반이다. 그러나 점점 줄어드는 소수의 고출력 무선 주파수 증폭기는 계속해서 진공관 구조를 가지고 있다. 진공관은 일반적으로 트랜지스터보다 더 높은 전압과 낮은 전류에서 작동한다. 고출력 무선 송신기는 킬로볼트(kV) 범위에서 작동하며, 이 영역에서는 아직 진공관 외에 비교할 만한 기술이 없다. 진공관을 사용하는 신호 증폭기는 무선 주파수까지 매우 높은 주파수 응답 범위를 가질 수 있다.

4. 3. 계측 증폭기

기존의 가동 코일 방식 전압계나 전류계는 측정 과정에서 약간의 전류를 소모하기 때문에, 측정 대상 회로에 영향을 주어 작동 조건을 바꿀 수 있다. 진공관 전압계(VTVM)는 진공관의 매우 높은 입력 임피던스 특성을 활용하여, 측정 대상 회로와 전류계 사이를 분리(버퍼링)함으로써 이러한 영향을 최소화한다.

진공관 오실로스코프 역시 매우 높은 입력 임피던스를 가지고 있어, 임피던스가 아주 높은 회로의 전압을 측정하는 데 유용하게 사용되었다. 일반적으로 화면 표시 채널 하나당 3개에서 4개 정도의 증폭 단계를 거쳤다. 후기 오실로스코프 모델 중에는 분산 증폭기라는 방식이 사용되기도 했는데, 이는 전송선을 따라 여러 개의 진공관을 일정한 간격으로 연결하여 매우 높은 주파수의 신호를 증폭시킨 후 디스플레이 장치로 보내는 기술이다. 하지만 진공관 오실로스코프는 현재 거의 사용되지 않는 구식 기술이 되었다.

진공관 기술이 저물어갈 무렵에는 오늘날 선형 전자공학의 중요한 부품인 연산 증폭기(Op-amp)를 만드는 데에도 진공관이 사용되었다. 진공관 연산 증폭기는 보통 차동 입력단과 토템 폴(totem-pole) 방식의 출력단을 가졌으며, 회로 구성에는 최소 5개 이상의 능동 소자(진공관 등)가 필요했다. 이러한 회로들을 하나의 모듈 형태로 만들어(보통 유리관 2개 이상 사용) 아날로그 컴퓨터와 같은 더 큰 시스템에 꽂아 사용할 수 있도록 여러 제품이 생산되었다. 그러나 진공관 연산 증폭기는 이상적인 성능과는 거리가 있었고, 곧 반도체 기반의 연산 증폭기로 빠르게 대체되어 현재는 사용되지 않는다.

참조

_[1] 문서 Solid state devices such as the cat's-whisker detector, copper oxide rectifier, or crystal detector diode were known before the transistor, but were unable to amplify a signal. Magnetic amplifiers were limited to below roughly 200kHz. Hydraulic amplifiers were not directly useful as electronic devices.
_[2] 문서 See Nuclear electromagnetic pulse.
_[3] 웹사이트 Tubes vs Transistors – Is There An Audible Difference? http://milbert.com/a[...]
_[4] 서적 Audio Power Amplifier Design Handbook https://books.google[...]

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