4. 다이오드 클리핑

증폭 소자의 특성에 따른 클리핑에 대해 알아봤으니, 이제 다이오드 클리핑에 대해 알아볼 것임.

다이오드는 크게 두 가지 기능이 있음.

1. 정해진 한쪽 방향으로만 전류를 통과시킴 >> 얘는 주로 이펙터 전원부에 설치해서 극성 반대로 꽂으면 작동 안하는 보호회로에 사용되고

2. 정해진 방향이라도, 문턱 전압을 넘어야 전류를 통과시킴  >> 이걸 클리핑에 주로 사용함.

 이 성질을 사용해서 클리핑을 만드는데, 크게 두 가지로 나뉨.

Opamp의 NFB 조절 (소프트 클리핑) / 그라운드로 연결 (하드 클리핑)

  1) Opamp의 NFB(negative feedback) 조절 - 소프트 클리핑

용어가 어려운데, 원리가 그렇게 어렵지 않음. opamp에 대해 먼저 알아보자.

이펙터 뿐만 아니라, 세상에서 제일 많이 사용되는 opamp 중 하나인 TL072 임.

얘를 뜯어보면 좌우 완전히 똑같은 증폭 회로가 두 개 들어있어서 dual opamp 라고 함. (8번은 전원, 4번은 그라운드인데, 두 증폭단이 전원을 공유함)

dual opamp에서 하나의 증폭단을 보면 이런 모양임. Vs+ / Vs- 는 공급전압(source)인데, 이 전압은 두 증폭단이 공유하므로 총 10핀이 아니라 8핀임.

opamp가 하는 일은 간단함.

V+ 로 들어온 신호에서 V-로 들어온 신호를 빼고, 그 차를 미리 정해진 증폭률만큼 증폭함.

근데 아까 말했듯이, 얘는 증폭률이 10만 이상, 사실상 무한대임. 그런데 증폭 소자는 VREF 이상의 신호는 출력할 수 없음.

 그래서 입력 신호가 0.000? 만 넘어도 완전히 비선형 영역을 넘어서 출력 천장을 찍어버림.

근데 이러면 의미가 없잖음? 이걸 해결하는 방법이 negative feedback임.

opamp 는 비반전 입력 (+)과 반전 입력(-)을 합친 후에 증폭한다고 했잖음?

출력을 반전 입력 단자에 연결하면, 출력이 높을 수록 반전 입력에 들어가는 신호도 커져서 증폭할 신호 자체가 작아짐.

그림처럼 출력을 그대로 비반전 입력단에 연결하면, 입력 레벨 그대로 출력하는 유니티 게인이 됨.

여기서 OPamp의 입력 임피던스는 사실상 무한하고, 출력 임피던스는 엄청 낮은, 그냥 버퍼로 작용함.

(비반전 입력 / 반전 입력 합을 증폭한다 했는데, 둘 다 10인데 왜 출력도 10인지는 묻지 마셈. 그거 이해할 수 있으면 이 글 볼 필요가 없음)

이 루프 안에 저항을 추가하면 반전 입력으로 들어가는 출력의 일부를 깎아주게 됨. 그럼 반전 입력이 작아졌으니, 출력은 커지게 됨.

이 저항을 키울수록 반전 입력단으로 가는 신호가 더 작아지게 되고 출력은 더 커지게 됨.

opamp 를 쓰는 회로에 있는 'GAIN' 컨트롤은 이 저항의 값을 조절하는것.

(사실 위 회로 자체는 작동 안하고, 정확히는 증폭률은 루프 내 저항(Rf)과 루프에서 그라운드로 빠지는 저항(Ri)의 비율로 결정됨)

드디어 다이오드가 나옴. 다이오드는 역방향은 아예 통과를 안시키고,

문턱 전압 밑으로는 거의 통과를 안시킴. 그런데 문턱 전압보다 높으면 저항이 거의 0인 것 처럼 작동함.

그래서 약한 신호는 다이오드를 못뚫어서 opamp의 증폭률이 높음.

 반대로 강한 신호는 다이오드를 무시하고 반전입력단에 들어갈 수 있으니, 자기 자신의 증폭률을 감소시킴

>> 이 둘 사이의 경계가 칼처럼 그어지는 게 아니라서 문턱 전압 전후로 완만한 클리핑이 발생함.

여기서 다이오드가 한쪽으로만 있으면 파형 중 한쪽만 잘리게 되니, 보통 양 방향으로 달아서 위아래를 클리핑시킴.

이 클리핑 스테이지에 다이오드를 여러개 달면 문턱전압이 더 높은 것처럼 작용해서 클리핑 정도가 더 적어짐 (좌)

그래서 이 스테이지에 한쪽은 다이오드 두개, 한쪽은 한 개만 달아서 파형의 한쪽은 급하게 / 반대쪽은 완만하게 깎는 비대칭 클리핑으로 설계할 수도 있음.

Timmy 3의 클론 클리핑 회로임.

opamp의 출력이 반전 입력으로 돌아가는 negative feedback 을 확인할 수 있고,

 맨 위에 아까 말한 것 처럼 가변저항으로 전체 증폭률을 조절하고 있음.

 그리고 토글스위치를 열면 (왼쪽), 양 쪽 모두 두 개의 다이오드가 작용해서 상대적으로 약한 클리핑,

트글 스위치를 닫으면 (오른쪽), 한 쪽은 다이오드 하나를 무시하고 하나만 작용해서 비대칭 클리핑이 발생함.

이 정도면 OPamp 와 다이오드를 사용한 소프트 클리핑은 거의 다 설명한듯.

  2) 그라운드로 연결된 다이오드 - 하드 클리핑

이거는 소프트 클리핑보다 훨씬 쉬움. 모든 클리핑이 이렇게 생긴 줄 알고 있는 사람도 많을듯.

앞단이 진공관이든, 트랜지스터든, opamp든 아무튼 증폭으로 키운 신호에서, (빨간색 -2 ~ +2 신호)

위아래 다이오드의 문턱 전압 (-1, +1)을 넘는 출력은 아묻따 싹둑 잘라버리는것임.

 네거티브 피드백이랑 마찬가지로, 다이오드 갯수가 많아지면 문턱 전압이 더 높아져서 클리핑 정도가 적어짐.

위아래 파형을 각각 다이오드 구성을 다르게 해서 비대칭 클리핑을 만들 수도 있고, 이런 클리핑 스테이지를 여러 개 넣어놓고 토글로 선택할 수도 있음.

suhr riot 의 클리핑 스테이지 회로임. 지금까지 설명한 다이오드 클리핑 방식 세 가지 가 다 들어있고 토글 스위치로 그중 하나를 선택하는 구조임.

5. 진공관 클리핑

진공관은 지금까지 나온 클리핑 이론이 다 들어감.

증폭의 비선형성에 의한 파형 윗부분 소프트 클리핑

cold 바이어스로 인한 파형 하단 콜드 클리핑 (하드 클리핑)

여기에, 입력 신호가 너무 커지면 파형윗부분도 싹둑 잘라버리는 그리드 클리핑도 있음.

원래 신호(파란색)을 4배로 증폭하는데, 주황 점선 위로는 비선형적인 소프트 클리핑이, 아주 큰 신호(빨간 점선) 위로는 싹둑 잘려버리는것임.

진공관은 이 세 가지 클리핑이 다 섞여서 굉장히 위쪽은 소프트+하드 / 아래쪽은 하드 클리핑이라는 아주 복잡한 비대칭 클리핑이 발생함.

같은 비대칭 클리핑이라도, 빈티지 앰프는 바이어스를 핫하게 줘서 비선형 영역+그리드 클리핑을 주로 활용하는 경향이 있고, 

모던 하이게인 앰프들은  콜드 클리핑이 먼저 나올 정도로 바이어스를 콜드하게 주는 경향이 있다고 함. 

6. 대칭 / 비대칭 클리핑과 짝수 / 비대칭 하모닉스

위에서 다이오드 구성 / 바이어스 설정에 따라 대칭 / 비대칭 클리핑을 만들 수 있다고 했잖음?

이게 소리와 어떻게 연결되는지도 알아야겠지.

간단히, 대칭 클리핑은 홀수 배음'만' 만들고, 비대칭 클리핑은 짝수 배음'도' 만듦 (실제로는 홀수가 훨씬 많긴 함).

왜 그런지 알려면, 

얘를 이해해야하는데, 이거 설명할 자신은 나도 없음. 

우리는 이거만 알면 됨.

모든 주기적인 파형은 사인파의 합으로 나타낼 수 있다 / 그 반대도 가능하다. - 푸리에 정리

원래 수능문제도 못풀면 하나씩 세 보는거임.

홀수 배음 먼저 하나씩 더해보자구

홀수 배음을 하나씩 쌓을 때 마다, 원음에 봉우리가 하나씩 늘어나는 것 보임? 

이렇게 무한히 더하다 보면, 언젠가는 매-끈한 봉우리도 만들 수 있을것임. 

푸리에 정리의 역으로, 봉우리가 매-끈한 파형은, 무한히 많은 홀수 배음의 합으로 구성됐다는 것임.

이번엔 짝수 배음과 홀수 배음을 둘 다 더해봤음.

각 배음을 더하는 정도는 내맘대로 정해서 모양이 좀 이상하긴 한데, 위쪽 파형과 아래쪽 파형의 모습이 달라진다는것이 중요함.

홀수 배음은 몇개를 어떻게 더해도 이런 모습이 죽어도 안나오거든.

이번에도, 푸리에 정리에 따라, 좌-우가 다른 파형은 반드시 짝수 배음도 필요하다는 사실을 알 수 있음.

이것이 왜 중요하냐,

사람 귀에 짝수 배음과 홀수 배음이 다르게 들리기 떄문임.

440 Hz A4 를 기준으로 홀수 배음을 쌓아보자.

제3배음 - 1320 Hz - E6 완전5도

제5배음 - 2200 H - C#7 장3도

제7배음 - 3080 Hz - G7 단7도

제9배음 - 3960 Hz - B7 장2도

음정 자체가 중구난방으로 바뀜. 1, 3, 5 배음을 보면 A C# E 로, 이 자체로 메이저 코드임.

이런 식으로 배음끼리 화음을 이루기 때문에 그 배음끼리 형성하는 화음 / 인접한 음끼리 생성하는 맥놀이가 우리 귀에는 모래알 같은 드라이브로 들림.

실제 기타에서는 파워코드만 쳐도 루트에서 생성되는 3배음 - 5도는 순정률이고 / 직접 연주하는 5도는 평균율이라, 이 맥놀이(=드라이브) 가 폭발적으로 늘어남.

440 Hz A4 기준으로 짝수 배음을 쌓아보면 

제 2배음 - 880 Hz A5

제 4배음 - 1760 Hz A6

제 6배음 - 2640 Hz E7 (완전5도)

제 8배음 - 3520 Hz A8

이렇게 옥타브 음이 대부분이고, 그나마 6배음도 완전5도임. 

그래서 소리 자체는 기름지고 두터워지는데, 드라이브감은 거의 안느껴짐.

마샬 앰프에 깁슨 꽂고 프론트픽업으로 하이프렛 솔로 하면 나는 소리가 짝수 배음이 풍부해서 그럼.

그런데 이 짝수 배음만 만드는 아날로그 소자가 있느냐? 없음.

비대칭 클리핑에서 얻어지는 홀수+짝수 배음에 약간 섞여 있을 뿐임.

그리고 이 짝수 배음을 풍부하게, 음악적으로 잘 만드는 방법이 진공관이기 때문에 진공관 앰프가 여전히 톤의 기준이 되는 것.

(정작 펜더, 덤블 등의 앰프의 핵심은 진공관이 아닌데, 나중에 앰프 글을 쓰는 날이 오면 소개하겟슴)

짝수 배음은 보통 더 따뜻함, 기름짐, 음악적이라고 표현하는데, 

따뜻함은 어두움, 기름짐은 뭉툭함, 진흙탕, 음악적은 단조로움으로 느껴질 수도 있음.

반대로 홀수 배음은 날카로움, 거슬림 등으로 표현하는데, 

날카로움은 선명함, 밝음, 거슬림은 공격적이라고 표현할 수 도 있음.

이 조합이 조화로워 듣기 좋은 장비는 명기가 되는 것이라고 생각함.

이걸로 클리핑에 대한 내용은 거의 다 턴 것 같음.

님들도 이 글을 다 보면 Fuzz face(BJT), keeley katana(JFET), OCD(amp in a box), TS9 (opamp NFB), riot (grounded diode), 진공관까지

회로만 보고도 증폭 소자랑 그 구조를 파악해서 어떤 드라이브 질감일지, 어떤 이펙터 계보인지 알 수 있기를 바람