1. 오디오 트랜스포머란 무엇인가 ?
트랜스포머는 1세대 진공관 기반의 전기 회로가 오디오 장비의 설계로 주로 사용되던 오디오 초창기에 기능적으로 매우 중요한 역할을 했다. 1920년대, 라디오 방송이 시작되면서 방송용 오디오 시스템에 대한 수요가 급격히 증가함에 따라 트랜스포머의 수요도 증가했기 때문이다.
이후 트랜스포머는 하이파이 오디오 애호가들이 진공관 앰프의 출력단을 스피커 보이스 코일의 임피던스에 맞추기 위한 용도로도 사용하는 것처럼, 프로용 오디오 시스템에서 진공관 프리앰프에 마이크의 임피던스를 매칭시켜주는 수단으로 사용해 왔다.
보험 수단
그러나 트랜스포머의 기능은 단순히 임피던스 매칭에만 있는 것이 아니다. 트랜스포머는 신호 소스 지점에 해당하는 마이크, 또는 라인 레벨 신호를 차동 밸런스 상태(differentially balanced)1)로 만들 수 있으며, 신호 도착 지점에 있는 ‘부하’ 장비에서는 신호의 밸런스 상태를 다시 해제할 수도 있다. 이 과정에서 험이나 버즈의 원인이 되는 전자기 간섭(EMI, electromagnetic interference)2)은 트랜스포머의 공통 모드 제거비(CMRR, common-mode rejection ratio)3) 에 따라 제거된다.
‘공통 모드(common mode)’라는 용어는 밸런스 케이블의 + 와 – 극성에 공통으로 발생하는 모든 동상 신호를 가리킨다. 우리가 일반적으로 말하는 동상 신호란, 외부로부터 유입된 전기 노이즈를 말한다. 우리는 ‘제거(rejection)’라는 단어를 통해 트랜스포머의 기능이 정확하게 무엇인지 유추할 수 있다. 밸런스 케이블을 구성하는 두 도선에 흐르는 신호의 극성은 서로 180° 반대이므로, 케이블에 유도된 불필요한 EMI 성분은 위상이 상쇄되어 제거된다.
케이블의 밸런스 상태가 유지되지 않으면, 외부에서 여러가지 노이즈가 유입되기 쉽다. 이러한 노이즈는 일반적으로 고조파를 포함한 60Hz(유럽은 50Hz) 험 노이즈 형태를 취한다. 전자기 간섭은 일반적으로 인접한 교류 전원 케이블, 또는 전기 장치의 교류 정류기로부터 유도된다.
또한 무선 송신기나 고주파 장비 및 용접기와 같이, 원치 않는 에너지를 생성하는 다른 고출력 장비에 의해 문제가 발생할 수도 있다. 고주파수 노이즈의 경우에 따라 소리가 들리지 않는 경우도 있지만, 고품질의 트랜스포머에 의해 제거되지 않을 경우에 민감한 광대역 마이크 프리앰프에 노이즈 문제를 발생시킬 수 있다.
스웨덴의 Lundahl社, 미국의 Jensen社와 같은 제조사의 고급 오디오 트랜스포머는 광범위한 주파수 대역에서 높은 CMRR 값을 가진다. 품질이 낮은 트랜스포머는 험과 버즈를 약간 줄이는데 약간의 도움이 될 수는 있지만, 중요한 문제 해결을 위한 CMRR값은 충분하지 않을 수 있다. 노이즈 방지를 위해 고품질의 트랜스포머는 매우 귀중한 보험 수단이 된다.
접지 컨트롤
오디오 트랜스포머는 신호의 차동 밸런스 상태를 제공할 뿐만 아니라, 그라운드 루프(ground loop)도 제거한다.
그라운드 루프는 두 지점의 접지 전위가 동일하지 않은 경우에 발생한다. 그라운드 루프는 부적절하게 설치된 전원 시스템(또는, 전원부가 부적절하게 설계된 장비)으로 인해 발생하며, 그 결과 시스템에 노이즈 간섭을 유발한다. 동일한 접지 경로를 공유하지 않는 콘센트에 서로 다른 장비를 연결하고 AC 전원 코드를 꽂으면 그라운드 루프가 만들어질 수 있다.
많은 오디오 장비가 서로 연결되어 있거나, 오디오 장비가 서로 멀리 떨어져 설치 되어있는 오디오 시스템에서, 그라운드 루프가 발생할 수 있는 가능성은 상당히 증가한다. 또한 오디오 제조업체마다 적용하는 접지 컨트롤 기술이 서로 다르기 때문에 통합적인 접지 컨트롤이 어려울 수도 있다.
그렇다고 그라운드 루프를 끊어내기 위해 전원 코드의 접지 핀을 부러뜨려 접지점을 제거하는 방법은 전기적으로 매우 위험하다. 이 보다는 막대기 모양의 라인 레벨 트랜스포머 아이솔레이터를 사용하는 것이 훨씬 좋은 방법이다.
자석의 문제
트랜스포머의 가장 중요한 특징은 직접적인 연결 없이, 1차 권선에서 2차 권선으로 신호를 전송하는 것이다. 트랜스포머의 입력과 출력은 서로 갈바닉 아이솔레이션(galvanic isolation)4)되어 있다고 할 수 있다.
갈바닉 아이솔레이션이란, 전기 시스템의 한 지점을 다른 지점으로부터 격리하여 전류의 흐름을 막는 것을 말한다. 두 지점간에 전도성은 허용되지 않지만, 에너지와 정보는 여전히 교환된다. 이것이 오디오 트랜스포머의 기능을 설명하는 가장 완벽한 내용이다. 입력 신호는 트랜스포머의 1차측(철심을 감싼 와이어 코일)에 자기장을 유도하고, 2차측(동일한 코어를 감싸는 또 다른 와이어 코일)은 1차측과 절연되어 있다.
이 때, 두 코일의 권선수는 동일하거나, 한 코일의 권선수가 다른 코일에 비해 크거나 작을 수 있다. 이를 ‘권선비(turns ratio)’라고 하며, 트랜스포머에 인가된 전압을 승압(step-up)하거나 강압(step-down), 아니면 전혀 변화가 없는가를 결정하는 요소가 된다.
교류 신호를 1차 코일에 적용하면, 직접적인 전기 접촉없이도 2차 코일에서는 자력으로 유도되는 신호 필드가 생성된다. 또한 트랜스포머를 적용하면 그라운드 루프는 차단되며 접지 도체를 공유하는 두 개 이상의 장비 간에 원치 않는 전류를 흐르지 못하게 할 수 있다.
여기서 다시 명심해야할 사항은, 직류는 교류 자기장을 생성하지 않기 때문에 ‘직류 신호는 오디오 트랜스포머를 전혀 통과할 수 없다.’는 것이다.
음향적 특성
트랜스포머는 패시브 회로 부품이긴 하지만 내부 저항, 정전 용량 및 인덕턴스 등의 매우 복잡한 음향적 특성을 가진다. 따라서 액티브 장비와 마찬가지로 전기 및 성능 특성이 매우 다양하다.
앞에서 우리는 트랜스포머의 가장 중요한 성능 특성 중 하나인 공통 모드 제거비(CMRR)에 대하여 언급했다. 그러나 CMRR값이 트랜스포머의 전체 성능을 완벽하게 정의하지는 않는다. 최종적인 오디오의 품질이 깨끗하고 투명하기 위해서는 다음과 같은 특성에서 각각 높은 점수를 받아야 한다.
○ 디스토션(distortion): 액티브 회로와 마찬가지로 트랜스포머도 어느 정도의 디스토션은 발생한다. 고품질의 트랜스포머는 디스토션이 상당히 낮은 편이긴 하지만, 완전히 없다고는 할 수 없다. 트랜스포머의 디스토션은 신호의 레벨과 주파수의 함수이며, 주파수가 낮고 신호 레벨이 높을수록 디스토션은 커진다. 특히 트랜스포머의 동작 한계치를 초과(낮은 주파수, 높은 레벨)하고, 코어 포화(core saturation)5)가 두드러지면 디스토션은 급격히 증가한다. 코어 포화는 트랜스포머의 철심이 자속을 더 이상 흡수하지 못하는 경우에 발생하며, 이 때 신호는 클리핑된다.
○ 선형성(linearity): 트랜스포머의 기술 사양서에 선형성이라는 지표는 거의 표기되지 않는다. 일반적으로 선형성이란, 주파수 응답특성, 디스토션, 위상 응답특성과 같은 다른 지표가 입력 레벨 범위 내에서 안정적인 상태를 유지하는가를 나타내는 특성을 말한다.
○ 레벨(level): 입력 신호가 포화 상태가 되어 비선형 상태가 되기 전까지, 지정된 주파수(일반적으로 20Hz, 또는 50Hz)에서의 최대 입력 및 최대 출력 레벨을 말한다.
○ 주파수 응답특성(frequency response): 다른 오디오 장비와 마찬가지로 트랜스포머에도 주파수 응답특성의 상한과 하한이 있다. 이러한 대역 한계 안에서의 응답특성은 완전히 평평하거나 약간의 차이가 있을 수 있다.
○ 위상 응답특성(phase response): 이 지표는 지정된 주파수 범위 내에서 평탄한 위상 응답과의 편차를 말한다. 일반적으로 위상 응답특성은 주파수 응답 특성과 비례적으로 연관되어 있기 때문에, 하나의 그래프에 주파수 응답특성과 함께 표시하기도 한다.
○ 과도 응답특성(transient response): 짧은 버스트 신호가 멈춘 후에 트랜스포머가 얼마나 빨리 동작을 멈추는지를 나타내는 특성을 말한다. 위상 응답특성과 마찬가지로 항상 사용하는 지표는 아니지만, 주파수 응답특성 및 자기 공명 데이터를 조사하여 추정할 수 있다.
일반적으로 양호한 주파수 응답 특성과 효과적인 CMRR값을 보이는 트랜스포머라 하더라도, 느린 초기 반응과 신호의 끝지점에서 발생하는 눈에 띄는 오버슛(overshoot)6)으로 인해 사운드의 음색이 변질될 수도 있다. 이러한 현상은 때때로 따뜻한 청감특성이나 독특한 음색으로 표현되기도 하는데, 어쨌든 부정확한 오디오 신호의 표현이라고 보는 것이 맞다.
주요 용도
마이크에 사용되는 트랜스포머는 스텝업(일반적으로 리본 마이크), 또는 스텝다운(일반적으로 튜브 마이크), 또는 1:1(일반적으로 다이내믹 마이크)이 있다. Cascade社와 같은 일부 마이크 제조업체는 리본 마이크에 업그레이드된 트랜스포머 옵션을 제공하기도 하며, 경우에 따라 특별한 트랜스포머 브랜드와 모델까지 지정하여 제작하기도 한다. 이는 트랜스포머가 마이크의 음질에 얼마나 중요한 역할을 하는가를 단적으로 보여준다.
트랜스포머의 또 다른 주요 용도는 다이렉트 박스이다. 오랜 세월 동안 다이렉트 박스는 트랜스포머 기반이었다. 다이렉트 박스에 연결된 전기기타는 악기 앰프를 통해 접지 기준을 가지는 반면에, 전체 음향 시스템은 또 다른 접지 기준을 가진다. 일반적으로 트랜스포머 기반의 패시브 다이렉트 박스는 액티브 다이렉트 박스보다 더 빠르고 쉽게 그라운드 루프 문제를 해결할 수 있다.
트랜스포머 기반의 마이크 스플리터는 1개의 1차 트랜스포머와 2개 이상의 2차 트랜스포머로 구성된다. 우리는 앞서 트랜스포머를 보험 수단의 한 형태로 언급했다. 잘 설계된 트랜스포머 기반의 마이크 스플리터만큼 음향적 보험 수단에 해당하는 것은 없다.
마이크 프리앰프는 트랜스포머가 적용되는 또 하나의 핵심 장비이다. 많은 브랜드의 프리앰프가 회로적으로 잘 설계된 밸런스 입력을 제공하긴 하지만, 여전히 많은 수의 프리미엄 제품들은 처음부터 트랜스포머 옵션을 장착하여 제조하고 있다. 또한 일부 하이엔드 콘솔은 여전히 트랜스포머를 사용하거나 라인 출력 트랜스포머 옵션을 제공한다. 콘솔이 모든 신호가 모이는 곳이라는 점을 감안하면 가능한 모든 경로에 트랜스포머 옵션을 지정하는 것이 좋다. 콘솔은 라우드 스피커 매니지먼트 시스템, 아웃보드 이퀄라이저, 리미터, 또는 액티브 라우드 스피커 등 모든 유형의 신호 처리를 제공한다. 특히 시간이 촉박한 상황에서 EMI, 또는 그라운드 루프 등의 문제를 빨리 해결하는데 트랜스포머 옵션만큼 유용한 것은 없다.
결론
오디오 트랜스포머는 독특한 문제 해결 능력으로 그동안 높이 평가되어 왔다. 오늘날의 오디오 시스템은 수많은 장비들이 상호 연결된 복잡한 시스템으로 구성되어 있다.
과거에는 트랜스포머만이 문제 해결의 유일한 방법이었다면, 지금은 트랜스포머만이 문제 해결의 옳은 방법일 수 있다.
2. 트랜스포머 – 공연이 중단될 수 있는 상황에 대비한 보험수단
프로용 오디오 시스템에서 신호의 라우팅과 분배에 대한 요구는 점차적으로 증가되어 왔다. 수십 년 동안 무대음향 환경에서 오디오 신호를 공유하는 경우는 거의 FOH(front of house)와 모니터의 신호 공유에 국한되어 있었지만, 최근에는 방송 믹스와 녹음, 아티스트의 개인 녹음 장비, CCTV, 인터넷 스트리밍 등 신호의 라우팅과 분배가 추가적으로 늘어나고 있는 상황이다.
이러한 신호의 라우팅과 분배 작업에서 가장 중요한 사항은 다수의 신호를 공유하면서도 다양한 회로간에 유해한 상호 간섭없이 원본 소스를 깨끗하고 선명하게 유지하는 것이다. 신호를 하나의 소스에서 여러 ‘부하(load)’ 장비에 공급하기 위해, 단순하게 병렬로 연결하는 방식으로는 최적의 신호 분배 작업을 수행할 수 없다. 이제부터 그 이유를 살펴보자.
우선 그라운드 루프이다. 그라운드 루프는 험과 버즈를 유발하며 이미 복잡하게 구성된 오디오 시스템에 하나의 부하만 추가하는 경우를 제외하고는 해결하는 데에 많은 시간이 소요된다. 예를 들어, 오디오 시스템에서 부하 4번에 부하 2번과 7번이 연결될 때는 험이 발생하지만, 부하 1번과 5번이 연결되는 경우에는 험이 발생하지 않는 경우가 있을 수 있다. 또한 어떤 장비가 또 다른 장비와 어떻게 반응하는지 모두 파악하는 것은 매우 어려울 수 있으며, 시간 소요를 감안하지 않더라도 대규모 시스템에서 필요한 아이솔레이션 테스트의 수량은 엄청나게 많아질 수 있다. 여기에 시간까지 촉박한 상황이라면 문제가 발생할 가능성은 상당히 더 높아진다.
다음은 너무 많은 부하를 병렬로 연결하여 부하 상태가 최적화되지 않는 경우이다. 이 문제는 단순히 오디오 신호 레벨이 감소하여 S/N비가 나빠지는 경우에서부터, 전체 시스템에 매우 심각한 문제가 발생하는 경우까지 다양한 형태로 나타날 수 있다. 일반적으로 우리가 사용하는 모든 장비의 입력단은 ‘최악의 경우’를 가정하여 완벽하게 설계되었다고는 볼 수 없다. 예를 들어, 콘솔 입력 감쇠 패드를 누르면 입력 임피던스가 심각할 정도의 낮은 값으로 떨어질 수도 있다. 콘솔을 단독으로 사용하는 경우에는 큰 문제가 되지 않지만, 2~3대의 콘솔을 병렬로 연결한다면 큰 문제가 발생할 수도 있다. 부하 임피던스가 너무 낮아져 입력단에 정전 결합(capacitive coupling)7)이 발생할 경우에는 저주파 대역의 응답특성에 손실이 발생될 뿐만 아니라, 음원 소스가 설계 용량보다 낮은 부하 임피던스를 구동하려고 하기 때문에 음질 왜곡이 발생할 가능성이 있다.
또한, 어떤 장비에 병렬로 신호가 입력되는 상황에서 하나의 장비에 전원이 공급되지 않는다면 어떻게 될까? 신호는 적절한 부하 임피던스가 걸리지 않고, 대신 저항과 커패시터를 통해 OP 앰프8)나 트랜지스터9)입력단에 그대로 공급된다. 문제는 장비의 전원이 꺼진 상태에서 신호가 공급되면, OP 앰프와 트랜지스터가 다이오드10)처럼 작동하여 초창기 일렉기타의 퍼즈 톤(fuzz-tone)11)처럼 신호가 클리핑된다.
참고: 부하가 병렬로 결합될 때마다 순 임피던스의 값은 항상 각 개별 부하보다 낮아진다. 쉽게 기억할 수 있는 공식은 다음과 같다. 이 공식은 부하를 쌍으로 나누어 병렬로 연결된 부하의 수를 계산할 때 유용하다.
(Z1 × Z2) / (Z1 + Z2) = Zt
이 방정식에서 Z1은 부하 1의 임피던스, Z2는 부하 2의 임피던스, Zt는 두 부하를 병렬로 연결했을 때의 임피던스 값이다. 예를 들어, 600Ω 부하 두 개를 병렬로 연결하면 소스에 300Ω 부하가 걸리게 되는데, 이는 대부분의 소스가 구동하도록 설계된 최저 임피던스보다 훨씬 낮은 값이다.
아이솔레이션!!!
한 개의 단일 음원소스를 여러 부하에 공급할 때, 보험과도 같은 최선의 방법은 각각의 분기 회로를 ‘아이솔레이션(isolation, 격리)’하는 것이다. 이러한 아이솔레이션 방법에는 버퍼 앰프(buffer amp)12)를 사용한 액티브 방식, 트랜스포머를 사용한 패시브 방식, 또는 두 가지 방식을 결합한 방식이 있다.
패시브 트랜스포머 방식의 아이솔레이션은 프로 오디오의 핵심으로 잘 알려져 있다. 이러한 이유로 트랜스포머가 장착된 ‘스플리터 박스’는 오랫동안 사용되어 왔으며, 대부분의 경우에서 여전히 최선의 방법으로 여겨지고 있다. 좋은 품질의 트랜스포머를 사용하여 제작된 스플리터 박스는 그라운드 루프를 차단하고 제거하는 갈바닉 아이솔레이션 기능을 제공한다.
1장에서 언급했듯이 트랜스포머는 1차 권선과 2차 권선이 서로 연결되어있지 않다. 대신 전자기적으로 결합되어 있어 접지 연결을 끊어주며, 분기된 회로 간에 서로 다른 접지 전위로 인해 발생하는 전위차의 문제를 방지해준다.
트랜스포머의 대안으로는 OP앰프 회로를 기반으로 하는 액티브 스플리터가 있다. 트랜스포머가 없는 액티브 방식의 아이솔레이션은 그 자체로도 상당한 가치가 있지만, 일반적으로는 접지 기준을 정해주는 역할이 아닌 신호를 여러개로 분리해 주는 역할만 수행한다. 액티브 스플리터를 사용하면 위에서 언급한 바와 같이 매우 낮은 임피던스로 인해 발생하는 문제를 피할 수 있으며, 분기 회로 간에 발생하는 유해한 상호 작용도 아이솔레이션 시킬 수 있다. 그러나 트랜스포머가 신호와 접지 경로를 분리하는 반면에, 액티브 스플리터는 접지 경로에 여전히 그라운드 루프가 발생할 가능성이 여전히 남아 있다. 그렇다면, 트랜스포머 기반의 패시브 방식이 OP앰프 기반의 액티브 방식보다 더 좋다고 할 수 있는 것인가?
패시브 트랜스포머 스플리터 박스는 액티브 회로를 따로 설계하지 않고서는 메이크업 게인이(make-up gain)나 신호 레벨 미터와 같은 시각적인 레벨 모니터링 방법을 구현할 수 없다. 따라서 트랜스포머 기반의 패시브 스플리터와 액티브 입력 게인이라는 두 가지 기술을 결합하는 것은 매우 좋은 대안이라고 할 수 있다. 이렇게 하면 액티브 입력단은 저출력 리본 마이크부터 하이 레벨 라인 소스까지 다양한 레벨의 입력이 가능하며, 특정 상황에서 중요하게 사용할 수 있는 LED 모니터링, 게인의 원격 제어와 같은 기능도 추가로 구현할 수 있다.
하지만 단점도 있다. 액티브 스플리터는 전원이 차단되거나 기타 장애 모드가 발생하면 스플리터를 통과하는 신호가 완전히 손실될 수 있다. 또한, 액티브 스플리터의 각 채널의 입력과 출력에 좋은 품질의 아이솔레이션 트랜스포머를 장착한다면 상당한 추가비용이 발생할 수 있다.
액티브 트랜스포머 스플리터의 이상적인 적용 범위는 시상식, 집회, 스포츠 및 기타 뉴스 이벤트의 취재를 위해 많은 오디오 분배해야 하는 프레스룸(기자실)과 같이, 동일한 오디오 신호를 게인 손실 없이 많은 부하에 분배해야 하는 경우가 적합하다. 따라서 일반적인 프레스룸에는 하나의 입력 트랜스포머와 여러개의 출력 트랜스포머가 있는 스플리터가 필요하다.
다중 2차 권선을 갖는 스플리팅 트랜스포머
(그림 2-1)은 일반적으로 병렬로 연결된 한 쌍의 1차측 권선과 독립된 부하를 구동하기 위하여 두 개의 2차 권선으로 표시되어 있는 스플리팅 트랜스포머의 회로도이다. 각각의 2차 권선(E1, E2)에 적용된 독립된 패러데이 실드(Faraday Shield)13)에 주목하자. 다중 2차 스플리팅 트랜스포머는 오디오 신호를 문제없이 분배하기 위한 솔루션으로 오랫동안 사용되어왔다. 트랜스포머를 설계하는 사람들은 현장 사용자의 요구를 잘 받아들여, 둘 이상의 부하로 신호를 분할하기 위해 두 개 이상의 권선 세트로 구성된 트랜스포머를 개발하여 제조하였다. 소스 신호를 트랜스포머의 1차에 연결한 다음, 여러 개의 2차 권선 부하마다 전력을 공급한다.
이러한 방법을 통해 각각의 분기 회로가 분리되며 그라운드 루프가 방지된다. 특히 공연장 내부에 있는 공연용 콘솔과 공연장 외부 트럭에 있는 방송용 콘솔의 전원 계통이 서로 다른 접지기준을 가지고 있는 경우에 매우 유용하다. 또 다른 장점은 길이가 긴 케이블을 사용하는 경우에 오디오 대역폭이 보존된다는 점이다. 패시브 스플리터는 배터리나 전원 공급 장치가 필요하지 않으며 트랜스포머는 DC를 통과할 수 없기 때문에, 하나의 콘솔에서 출력된 팬텀 전원(+48VDC)은 다른 콘솔에 손상을 입힐 수 없다.
프로용 스플리팅 트랜스포머는 패러데이 실드가 각각 2차 권선을 개별적으로 둘러싸고 있어 정전기 노이즈로 인한 간섭을 방지한다. 효율적인 패러데이 실드와 노이즈에 대한 높은 내성은 마이크와 같이 신호 레벨이 낮은 경우에 특히 유용하다. 그러나 액티브 스플리터는 일반적으로 신호 레벨이 라인 레벨이므로 내부에 패러데이 실드가 굳이 필요하지는 않다.
스플리팅 트랜스포머를 이용한 MS 마이크 테크닉
미드-사이드(MS) 마이크 테크닉은 8자형 양지향성 마이크와 단일지향성 마이크를 사용하는데, 단일지향성 대신 무지향성 마이크를 사용하면 더 넓은 공간 효과를 얻을 수 있다.
MS 마이크 테크닉을 사용하면 각각의 마이크 게인을 변경하여 스테레오 음장 폭을 변경할 수 있다. 또한 두 마이크는 항상 모노로 완벽하게 합산되기 때문에, 녹음하는 콘텐츠를 스테레오와 모노 형식으로 모두 저장, 배포해야 할 때 특히 유용하다.
MS 마이크 테크닉을 사용하려면 두 마이크의 합과 차를 제공하기 위한 매트릭스 네트워크가 필요하다. 이 때, 두 개의 1 x 2 스플리팅 트랜스포머를 사용하면 이러한 네트워크를 쉽게 구성할 수 있다.
결론
SR, 라이브 레코딩, 라이브 방송은 한번 진행되면 그만이며, 다시 되돌릴 수 있는 기회는 없다. 따라서 액티브 및 패시브 트랜스포머 기반 스플리터를 시스템에 적용하는 것은 공연이 중단될 수 있는 상황에 대비한 최고의 보험 수단임을 기억하도록 하자.
3. 오디오 트랜스포머의 임피던스
개요
‘임피던스(impedance)’란, 모든 오디오 분야에서 기본이 되는 개념이며 입력 소스 및 출력 부하와 관련하여 AC 회로가 어떻게 작동하는지 이해하는데 기본이 되는 용어이다. 여기에서 오디오 분야란, 라우드 스피커를 구동하는 파워 앰프, 여러 가지 프로세서, 마이크 및 다이렉트 박스, 특히 오디오 트랜스포머와 같은 장비를 말한다. 다시 한번 말하지만, 모든 오디오 신호는 AC(교류)이다.
트랜스포머는 임피던스를 변환할 수 있으며, 동시에 갈바닉 아이솔레이션과 같은 추가적인 이점을 제공한다.
임피던스와 저항
임피던스를 이해하려면 먼저 임피던스와 저항의 차이를 명확히 구분하는 것이 중요하다. DC(직류) 저항은 램프의 필라멘트나 스피커 보이스 코일이 가열되는 것과 같이 의도적이거나 상황에 따라 값이 변하는 경우를 제외하고는 비교적 일정하게 유지된다. 가열은 필연적으로 DC 저항값을 상승시키며, 온도가 높아지면 전류가 통과하는 전선의 저항도 높아진다.
반면에 임피던스는 그렇게 간단한 내용이 아니다. 임피던스를 이해하려면 주어진 AC 회로에서 전압과 전류의 관계를 먼저 알아야 한다. 임피던스의 정의는 ‘교류회로에 전압이 인가될 때 나타나는 전류에 대한 반대 척도’이다. 따라서 임피던스의 크기는 전압과 전류의 진폭 비율이 된다. 이 정의가 바로 이해가 안되더라도 문제가 될 것은 없다. 일단 ‘케이블 길이가 길어지면 사운드의 품질이 저하되는 이유’ 정도로 이해하도록 하자.
트랜스포머의 법칙
위에서 언급했듯이 일반적인 오디오 장비의 입력 및 출력 회로, 스피커, 마이크, 트랜스포머 등은 임피던스를 전기적인 특성값으로 사용한다. 이는 오디오 장비가 단순한 직류 회로가 아닌 교류 회로이기 때문이다. 그러나 교류 회로를 구성하는 부품중에서 파워 서플라이나 고비용의 유도 회로(inducing circuit)14)없이도, 주어진 입력 임피던스를 원하는 출력 임피던스로 변환할 수 있는 특성을 가지고 있는 부품은 트랜스포머뿐이다.
이는 매우 중요한 내용이다. 서로 연결된 회로의 임피던스가 부적절하면 다양한 종류의 문제가 발생하며, 오디오 장비의 연결이 최적화되지 않는다. 바로 이 지점에서 트랜스포머가 그 진가가 발휘된다.
오디오 장비에 장착된 고품질 트랜스포머의 궁극적 가치는 최상의 음질을 구현하는 것이다. 여기서 말하는 최상의 음질이란, 평탄한 응답특성을 가지며 장비간의 연결이 최적화되지 않은 경우에 발생할 수 있는 노이즈, 왜곡, 험, 버즈 등이 없는 상태를 말한다. 이는 진공관 장비뿐만 아니라 솔리드 스테이트(solid-state)15)장비에도 동일하게 적용된다.
소스와 부하
두 개의 오디오 장치를 연결하는 경우에, 일반적으로 하나는 ‘소스’가 되고, 다른 하나는 소스에 의해 구동되는 ‘부하’가 된다. 소스에는 주어진 출력 임피던스가 있고, 부하에는 주어진 입력 임피던스가 있다.
신호 케이블도 자체적인 특성 임피던스를 가지긴 하지만, 여기서는 간단하게 설명하기 위해 자세히 다루지는 않는다. 케이블의 임피던스는 매우 긴 전송 케이블이 최적화되지 않은 출력단을 가진 장비에 연결되어 구동되는 경우를 제외하고는, 상대적으로 작은 요인에 불과하다. 케이블의 용량성 및 유도성 리액턴스는 소스의 출력단에서 전류 제한을 유발할 수 있으므로 실제로는 고려해야 하지만, 흔히 발생하는 상황이 아니기 때문이다.
오디오 초창기에 제조업체에서는 소스 임피던스와 부하 임피던스를 ‘매칭(matching)’시키려고 했으며, 대부분의 장비에 600Ω의 임피던스 값을 적용했다. 이를 ‘매칭 임피던스(matching impedance)’라고 하는데, 전화 시스템이 초기 개발 단계였고 장거리에서 음성 통신을 들을 수 있도록 전력이 필요했던 당시에, 장거리 통신에서 가장 중요한 고려 사항은 최대 전력 전송이 이었기 때문이다.
오디오 초창기에 제조업체에서는 소스 임피던스와 부하 임피던스를 ‘매칭(matching)’시키려고 했으며, 대부분의 장비에 600Ω의 임피던스 값을 적용했다. 이를 ‘매칭 임피던스(matching impedance)’라고 하는데, 전화 시스템이 초기 개발 단계였고 장거리에서 음성 통신을 들을 수 있도록 전력이 필요했던 당시에, 장거리 통신에서 가장 중요한 고려 사항은 최대 전력 전송이었기 때문이다.
요즘 시대에는 대부분의 액티브 장치(예: 믹싱 콘솔 출력, 라우드 스피커 프로세서, 이퀄라이저 등)의 소스 임피던스는 일반적으로 100Ω 미만의 낮은 값으로 유지된다. 이에 비해 오디오 장비의 입력 임피던스는 대부분 10KΩ 이상으로 매우 높다. 부하 임피던스가 소스 임피던스의 10배, 또는 그 이상인 경우를 ‘브리징 임피던스(bridging impedance)’라고 하는데, 장비를 연결할 때 브리징 임피던스 상태가 되면 최대 전압의 오디오 신호가 소스에서 부하로 전달된다.
현재 거의 모든 오디오 장비는 브리징 상태(낮은 임피던스 출력에서 높은 임피던스 입력으로 공급되는 방식)로 연결되며, 이를 통해 한 장비와 다른 장비 간에 최대 전압이 전송되기 때문에 노이즈 플로어 레벨을 최소화할 수 있다. 현재 ‘브리징’이라는 용어는 너무 일반화되어 잘 사용하지는 않지만(스테레오 파워 앰프의 브릿지드 모노 모드와 혼동하지 말 것), 하지만 수십 년 된 빈티지 사운드 시스템을 구성하는 오디오 장비를 다루어야 하는 경우가 생긴다면, 이전 표준인 600Ω~600Ω 매칭 임피던스에 대한 내용이 매우 유용할 수 있다.
진공관의 부활
녹음 분야뿐만 아니라 라이브 사운드 분야에서도 진공관 기반의 파워 앰프, 마이크 프리앰프, 다이렉트 박스, 믹싱 콘솔등의 장비가 부활하고 있다. 이 경우에 트랜스포머는 진공관의 높은 임피던스를 출력 임피던스에 맞추기 위한 용도로 주로 사용된다.
악기 앰프와 같이 높은 레벨의 디스토션을 제어하는 장비가 아닌, 마이크 프리앰프, 다이렉트 박스, 컴프레서, 리미터 및 기타 시그널 프로세서와 같은 장비에 사용되는 회로를 솔리드 스테이트 회로, 또는 진공관 회로를 사용할 것인가에 대한 논쟁은 아직까지도 계속되고 있다. 하지만 현재 프로 오디오 카탈로그를 살펴보면 진공관 기반의 프리앰프, 다이렉트 박스, 마이크 및 기타 여러 제품이 여전히 건재할 뿐만 아니라 성장하고 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 진공관 튜브 마이크, 진공관 프리, 파워앰프에 정밀한 트랜스포머를 사용하지 않으면 선명하며 정확한 음향 재생은 불가능할 수도 있다.
그렇다면, 솔리드 스테이트 회로에서는 굳이 트랜스포머를 사용하지 않아도 되는 것 아닌가? 대부분의 오디오 제품에는 설치된 OP앰프는 소리를 증폭할 때 노이즈도 함께 발생되는데, 노이즈 저항(Rn)16)과 소스 저항(Rs)17)이 같을 때 최적의 노이즈 성능을 얻을 수 있다. 솔리드 스테이트 회로는 진공관 회로처럼 항상 트랜스포머가 필요한 것이 아니지만, 정밀한 트랜스포머를 적용하면 OP앰프의 노이즈 저항을 소스 저항에 맞게 최적화해준다. 솔리드 스테이트 집적 회로를 사용하는 고성능 마이크 프리앰프에 트랜스포머가 사용되는 이유가 바로 이것이다.
마이크
마이크는 노이즈를 극복하기 위해 프리앰프에 충분한 전압을 가진 오디오 신호를 공급해야 하며 적절한 출력 임피던스와 높은 CMRR값을 제공해야 한다. 그러나 대부분 마이크 회로 소자의 기본 능력은 그 정도에 미치지 못한다. 지난 20년 동안 출시된 진공관 튜브 마이크 회로에는 프리 앰프 입력단에 적절한 전원을 공급하기 위해 트랜스포머가 적용되었다. 오늘날 대부분의 마이크에는 어떤 형태로든 트랜스포머가 적용된다.
드물긴 하지만 올 튜브(all-tube) 방식의 믹싱 콘솔도 존재한다. 또한 튜브와 솔리드 스테이트가 결합된 하이브리드 방식의 믹싱 콘솔은 디지털 사운드를 ‘워밍업(warming-up)18)’하는 데 있어 더 효과적이다. 이러한 모든 제품에는 트랜스포머가 사용되고 있다.
트랜스포머의 함수 (transformer function)
트랜스포머는 금속 코어에 감긴 와이어 코일로 구성된다. 1차 권선에 적용된 신호는 2차 권선에 전기적이 아닌, 전자기적으로 결합된다. 이것이 바로 트랜스포머가 갈바닉 아이솔레이션을 제공한다고 앞 장에서 말한 이유이다. 이 때 트랜스포머를 지렛대라고 생각하면 이해하는데 도움이 된다. 지렛대가 시소처럼 가운데에 있으면 1차에서 2차로 전압이나 전류가 바뀌지 않는다.
(그림 3-2)는 1:1 트랜스포머를 나타낸다. 1:1이라는 용어는 1차 코일과 2차 코일의 권선이 동일하다는 것을 의미한다. 지렛대 비유는 회로도 아래에 그림으로 표현되어 있다. 이것은 주로 갈바닉 아이솔레이션을 위해 설계된 일반적인 형태의 트랜스포머이지만, RF를 억제하고 DC도 차단한다. (참고: 그림에서 U는 전압, I는 전류, P는 전력이다.)
(그림 3-3)은 1:2 트랜스포머이며, 이 경우 2차 권선 수는 1차 권선 수의 두 배이다. 전압은 권선 수에 비례하며 2차 권선의 출력에서 1차 권선의 입력보다 2배 더 높다.
여기서 주의해야 할 사항은 트랜스포머가 패시브 장치이므로 앰프처럼 전력을 증가시킬 수 없다는 점이다. 대신 필요에 따라 전압과 전류를 높이거나 낮추어 주어진 회로를 최적화할 수 있다.
4. 오디오 트랜스포머의 전기적 특성
이번 장에서는 오디오 트랜스포머의 기본적인 전기적 특성에 대해 알아보고, 음향장비에 따라 특정 사양의 트랜스포머가 적용되어야 하는 이유에 대해 알아보고자 한다.
오디오 트랜스포머에서 고려해야 할 4가지 중요한 전기적 특성은 다음과 같다.
– 1차측(primary) 임피던스(impedence) ZP와 인덕턴스(inductance) LP
– 권선 내 구리선 저항 R
– 누설 인덕턴스(leakage inductance) LL
– 내부 커패시턴스(internal capacitance)20) CT
트랜스포머는 패시브 장비이다. 따라서 특정 오디오 제품에서의 동작은 연결되는 소스 및 부하에 따라 달라진다. 모든 트랜스포머는 1차측 임피던스가 있으며, 이는 주로 트랜스포머의 설계에 따라 결정되는 권선의 인덕턴스 함수이다. 1차측 입력 임피던스는 낮거나 높을 수 있지만, 오디오 장비의 필요한 주파수 대역내에서 부하 임피던스보다는 훨씬 커야 한다.
그림 4-1)의 회로도는 전기적 특성을 단순화시킨 등가 회로(equivalent circuits)21)이다. 트랜스포머의 동작 특성을 표현할 수 있도록 개별 회로 소자로 표시되는데, 이는 등가 회로에 익숙하지 않은 분들을 위해 트랜스포머 내부에서 어떤 일이 일어나는지 보여주기 위한 일종의 ‘예시’라고 보면 된다. 즉, 등가 회로에 표시된 전기특성은 실제로는 트랜스포머 자체 내의 특성이지만, 설명을 위해 개별 구성요소의 예시로 바꾸어 표현한 것이다. 회로도에서 보면, 1차측 인덕턴스와 내부 커패시턴스는 부하와 병렬로 연결된 반면에 구리 저항과 누설 인덕턴스는 부하와 직렬로 연결되어 있다.
많은 오디오 제품에서 위의 등가 회로를 추가로 단순화하여 적용할 수 있다. (그림 4-2)의 모델과 같이 부하 임피던스 R LOAD가 높으면 누설 인덕턴스 LL를 무시할 수 있다.
정반대로 (그림 4-3)의 모델과 같이 부하 임피던스 R LOAD가 낮으면 내부 커패시턴스 CT의 영향이 최소화되므로 기본적으로 무시할 수 있다.
모든 트랜스포머가 똑같이 만들어지는 것은 아니다.
트랜스포머의 최적화된 설계를 위해서는 트랜스포머가 특정 제품에 적용되는 경우뿐 아니라, ‘일반적인’ 예상에 따르는 모든 변형을 고려해야 한다. 고정된 입출력 임피던스로 벤치 테스트를 진행하고 주파수 및 위상 응답을 측정하여 트랜스포머를 테스트하고 특성화하는 것이 확실히 유용하기는 하지만, 소스 및 부하 임피던스가 변경되면 트랜스포머의 성능이 변화되기 때문에, 벤치 테스트를 통해 측정된 결과는 전체 특성의 일부분만 제공한다고 볼 수 있다.
여러 오디오 제품에 적용되는 트랜스포머의 입출력 임피던스가 실제로 어떻게 될지 항상 미리 알 수는 없다. 시스템 구성을 변경하는 동안에 추가 장비가 병렬로 연결되면 소스 및 부하 임피던스가 즉시 변경될 수 있으며, 하나의 출력 장비가 다른 장비로 대체되어 소스 임피던스가 변경되는 경우도 있을 수 있다. 이는 음향 시스템을 매번 설치해 사용하는 렌탈 투어팀에게는 빈번하게 발생하는 일이다.
이러한 경우에 실제 사례에서 흔하게 발생하는 주파수, 위상, 신호 처리 능력 및 왜곡과 관련하여 특정 트랜스포머의 응답 특성은 이미 공개된 특성과 상당히 다를 수 있다. 따라서 소스 및 부하 임피던스가 변경되더라도 선형적으로 계속 작동하는 트랜스포머를 선택해야 오디오 품질 저하 없이 시스템 변경에 대응할 수 있다.
밸런싱 파라미터
트랜스포머의 누설 인덕턴스와 내부 커패시턴스의 영향은 소스 및 부하 임피던스에 따라 달라진다. ‘이러한 영향을 최소화하기 위해서는 어떻게 해야할까?’ 우선 트랜스포머의 누설 인덕턴스와 내부 커패시턴스는 1차측 권선과 2차측 권선의 인터리빙(interleaving)22)함수이며, 인터리빙이 많으면 누설 인덕턴스는 줄어들지만 커패시턴스는 늘어난다. 반대로 인터리빙이 적으면 누설 인덕턴스는 증가하지만 커패시턴스는 감소한다.
간단히 말해서 트랜스포머의 성능은 설계 구상, 프로토타입 제작, 후속 장치를 제조할 때 내린 결정 등과 직결된다는 것이다. 기계란 것은 우연히 뚝딱 만들어지지 않는다. 우수한 트랜스포머를 개발하기 위해서는 주파수 및 위상 응답, 대역폭, 신호 처리 및 왜곡을 포함한 모든 전기적, 기계적 파라미터를 설계해야 하고, 의도한 특정 오디오 제품에 가장 적합하도록 조정해야 한다. 최적의 트랜스포머 설계와 우수한 품질의 제조 공정은 수년간의 기술개발을 통해 얻어진 결과물이다.
완벽한 트랜스포머
이상적인 트랜스포머는 LP(1차측 임피던스)가 무한대이고 R, LL, CT가 0이어야 한다. 이 상태가 되면, 트랜스포머는 회로 설계에 아무런 영향을 주지 않는다.
물론 이는 실제로 불가능하다. 비용은 말할 것도 없고 트랜스포머의 크기와 신호 레벨과 같은 사항을 설계에 고려해야 한다. 작은 트랜스포머는 높은 구리 저항을 허용하지 않으면 높은 신호 레벨을 처리할 수 없고, 철이 많은 대형 트랜스포머는 마이크나 인라인 XLR 아이솔레이션과 같은 소형 장비에 적합하지 않다.
또한 위에서 설명한 각각의 특성은 서로 연관되어 있기 때문에, 한 특성이 좋아지면 다른 특성이 나빠지는 경향이 있다.
디자인의 변형
트랜스포머 권선의 구리선 저항은 부하와 직렬로 연결된 저항이기 때문에 필연적으로 오디오 신호의 전압강하를 유발한다. 구리선 저항을 줄이는 방법은 더 적은 수의 권선을 사용하는 것이다. 그러나 적은 수의 권선을 사용하면 트랜스포머의 신호 레벨이 감소하는 동시에 1차측 인덕턴스 값도 감소한다.
1차측 인덕턴스가 부하 임피던스에 비해 충분히 높지 않은 경우에는 저주파수 대역의 롤오프가 발생한다. 이를 개선하기 위해 트랜스포머 인덕턴스를 높이려면 와이어의 권선 수를 늘려야 하지만, 그렇게 하면 트랜스포머의 내부 구리선 저항도 증가한다.
일반적으로 임피던스가 높은 장비 입력단의 경우에는 부하와 병렬로 연결되어 고주파수 대역의 롤오프가 발생할 수 있으므로 CT가 너무 크지 않아야 하며, CT를 줄이면 트랜스포머의 섹션화를 줄일 수 있다. 섹션화란, 1차측 및 2차측 권선이 인터리빙되는 정도를 말하는데 섹션화를 줄이면 누설 인덕턴스인 LL이 증가한다.
일반적으로 임피던스가 낮은 장비 출력단의 경우에는 누설 인덕턴스가 부하와 직렬로 연결되어 고주파수 대역의 롤오프를 유발하므로, 누설 인덕턴스를 작게 유지해야 한다. 누설 인덕턴스를 줄이기 위해 섹션화를 늘릴 수 있지만 CT가 증가한다.
이는 해결하기에 상당히 어려운 문제이다.
가능하게 만들 수 있다.
오디오 트랜스포머가 가지는 여러가지 파라미터 사이의 균형을 맞추기 위해 하나를 선택하면 다른 하나를 포기해야 할 수 밖에 없는 상호 관계를 생각해 보면, 좋은 품질의 트랜스포머 제작을 위해서는 수년간의 숙련된 실증적 연구와 함께 기계적 엔지니어링 지식 또한 필요하다는 것을 알 수 있다.
고객이 특정 제품과 요구 사항을 제시하면 최적의 성능을 위해 각 파라미터의 균형을 맞추는 트랜스포머의 유형을 선택하는 것은 제조사의 몫이 된다. 어떤 경우에는 재고로 남아있는 제품이 완벽하게 적합할 수도 있고, 다른 최적의 솔루션을 위해서는 완전히 새로운 모델의 맞춤형 설계가 필요할 수도 있다. 특정 음향장비와 관련하여 모든 설계 파라미터가 서로 균형을 이루는 경우에, 오디오 주파수 대역 전체에 걸쳐 트랜스포머 특성을 거의 무시할 수 있는 솔루션을 찾을 수 있다.
그러나 크기, 모양, 예산 등과 같은 제약 조건이 존재하는 특정 제품을 위해 가장 적합한 트랜스포머를 찾는 것은 실제 성능과 ‘희망 사항’ 사이에서 균형을 맞추고 궁극적으로 원하는 최종 결과를 달성하는 방법에 대한 깊은 이해를 갖춘 기계적 엔지니어링 파트너가 없으면 매우 어려운 일이다.
권선이 해답이다.
이전 장에서 언급했듯이 권선 특성은 트랜스포머의 성능에 매우 중요한 영향을 미친다. 권선 기술이 엉성하면 트랜스포머의 성능은 자연적으로 저하된다. 이는 단순한 기계적 논리이다.
일반 제조업체와는 달리 Lundahl社은 스틱 와인딩(stick winding)이라는 독자 권선 기술을 사용한다. 다른 제조업체들은 쉽게 구할 수 있는 기계로 감는 원형 보빈을 사용하지만, Lundahl社는 그렇게 하지 않는다. 대신 마이크에 사용하는 아주 작은 트랜스포머부터 껌 한 팩 정도까지 다양한 크기의 ‘스틱’에 구리선을 감아 크기에 상관없이 음향기기에 적용한다.
참고: 다른 모든 요인이 동일한 경우, 코어 포화가 발생하기 전까지는 큰 트랜스포머가 작은 트랜스포머보다 훨씬 더 높은 신호 레벨을 처리할 수 있다. 이는 트랜스포머 코어의 금속 함량이 더 높기 때문이다. 코어 포화는 왜곡을 초래하므로 항상 피해야 한다.
Lundahl社의 스틱 와인딩 기술은 주어진 성능 사양에 맞는 작은 크기와 OEM 친화적인 폼팩터(form factor)23)를 제공한다는 점에서 장점을 가진다. 폼팩터는 설치 공간이 협소한 음향장비에 적용할 때 매우 중요하다. 대부분의 마이크는 대형 트랜스포머를 설치할 공간이 없으며, 다이렉트 박스, 500시리즈 모듈, 진공관 기반의 아웃보드 프리앰프, 인라인 아이솔레이터 등도 마찬가지이다. Lundahl社는 라인 레벨의 좋은 음질을 가지며, 일반적인 XLR-XLR 그라운드 리프트 위상 반전기보다 크지 않은 (그림 4-5)와 같은 ‘배럴 팩’의 XLR-XLR 아이솔레이션 트랜스포머를 제조할 수 있다.
Lundahl社가 모든 제조 기계, 제어 전자 장치 및 제어 소프트웨어를 자체적으로 설계하고 제작한다는 점 외에 스틱 와인딩 기술이 가지는 단점은 거의 없다. 또한 제어를 통해 최대한의 음파 투명성을 달성한다는 Lundahl社의 핵심 철학에 통합된 수준의 품질과 균일성을 확보할 수도 있다.
트랜스포머 제조 과정에는 여러 가지 미묘한 차이가 존재하며, 각 요소는 최종 제품의 성능에 중요한 역할을 한다. 그 중에서도 가장 중요한 것은 권선의 균일성을 유지하는 것이다.
Lundahl社는 권선 공차, 와이어 장력, 권선 속도 및 기타 중요한 파라미터를 최적으로 제어하기 위해 자체 권선기계를 제조하여 사용한다.
다음은 정밀 트랜스포머가 실제상황에서 다양한 문제점을 어떻게 해결할 수 있는지 보여주는 몇 가지 예이다.
긴 케이블
대규모 시스템에서는 시스템의 서로 다른 지점을 연결하기 위해 매우 긴 케이블이 필요한 경우가 많다. 스포츠 경기장, 대규모 축제, 주차장에 방송 및 녹음 트럭을 배치한 임시 이벤트, 기타 수많은 경우의 영구 설치에는 모두 매우 긴 오디오 케이블이 필요하다. 긴 케이블로 신호를 전송할 때에는 누설 인덕턴스인 LL을 낮게 유지하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 케이블 커패시턴스와 트랜스포머 누설 인덕턴스 사이에 공진이 발생할 수 있다. 이 문제는 일반적으로 바이필러 권선 출력 트랜스포머로 해결되지만, 바이필러 기술24)에 비해 우수한 전기 아이솔레이션과 우수한 CMRR을 제공하는 트랜스포머로도 해결할 수 있다.
프리 게인
신호 소스가 프리앰프, 또는 앰프의 입력 임피던스에 비해 매우 낮은 임피던스를 나타내는 리본 마이크 소자 및 무빙 코일 카트리지의 경우에, 트랜스포머는 필요한 전압 게인을 거의 자유롭게 제공할 수 있다. 물론 트랜스포머는 패시브 장비이므로 엄밀한 기술적 의미에서 게인은 실제로 추가되지 않지만, 소스에 대한 입력 임피던스와 부하에 대한 출력 임피던스의 매칭이 개선되어 겉으로 보기에 게인은 발생한 것으로 보인다.
임피던스 매칭과 승압 (impedance matching & voltage step-up)
임피던스는 전압과 전류 사이 관계를 나타내는 파라미터이다. 출력 임피던스에 대해 이야기할 때 일반적으로 낮은 임피던스 값은 소스가 다양한 부하에서 특정 전압을 얼마나 잘 유지할 수 있는지를 나타낸다. 특히 부하 임피던스가 떨어지더라도 전압을 얼마나 잘 유지할 수 있는지를 나타낸다. 일반적으로 높은 임피던스 값은 소스가 입력을 통해 얼마나 쉽게 또는 얼마나 적은 전류로 얼마나 쉽게 특정 전압에 도달하는지를 나타낸다.
일부 신호 소스, 특히 리본 마이크와 무빙 코일 카트리지의 경우에 임피던스 레벨은 최적값보다 훨씬 낮다. 또한 출력 전압이 매우 낮기 때문에 라인과 프리앰프의 노이즈를 극복하기 위해 상당한 전압 게인이 필요하다. 승압 트랜스포머를 사용하면 매우 낮은 소스 임피던스를 허용 가능한 중간 임피던스 출력 정도로 전환하여 작은 전압 신호를 노이즈 없이 20~30dB 정도 증가시킬 수 있다.
진공관과 같은 신호 소스들은 충분한 전압 범위를 가지고 있지만, 오디오 시스템에서 잘 작동하기에는 소스 임피던스가 너무 높다. 이 경우, 소스 임피던스를 줄이기 위해 스텝 다운 트랜스포머를 사용하면 전압 범위폭이 감소한다.
회로도만 보면 단순해 보이는 트랜스포머는 실제로는 전혀 그렇지 않다는 것을 알게 되었을 것이다. 트랜스포머는 설계 단계에서부터 수많은 파라미터를 조정해야 하므로, 이를 이해하려면 상당한 지식이 필요하고 최적화를 위해서는 풍부한 경험이 필요하다. 
