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Signal+와 Signal- 그리고 위상 상쇄

Author
SOONDORI
Date
2021-09-28 07:40
Views
3402
"전원 흐름과 신호 흐름이 어떻게 되는지 정말 궁금합니다. 이 회로도가 맞는다면 전원과 신호가 서로 통과한다는 얘긴데 이것이 말이 되나요? 상호 간섭하지 않나요?"에 대해서 생각해보았습니다.

저도 이렇게까지는 처음이라서... 물론 대단히 재미있네요.

** 글 읽는 분들을 위해 많이 적습니다.

○ 전압 공급에 관련된 회로의 이해는,

전원공급의 경로이자 신호를 출력하는 T3, T4는 무조건 동작 상태가 되어야 합니다. 좌측 영역과 우측 영역(MIC 결선이 없고...)을 분리해서 생각해보았습니다.



○ 신호 출력에 관한 회로의 이해는,

물음표로 표시한 부분을 제가 잘 파악할 수 없어서 그냥 Unknown으로 놓고 보면, 어쨌든 두 개의 짝 맞춤 트랜지스터 T3, T4로 신호가 나가야겠지요. 전원 입구겸 신호 출구는 거기뿐 이니까요. 여기서 T2는 물음표로 표시된 MIC의 원천 신호를 180도 위상 반전하는 것으로 간주했습니다.



○ MIC 출력 신호를 받는 수신기 측 처리는,

마이크 XLR 커넥터에서 Signal+, Signal- 그리고 GND 세 개의 라인이 마이크를 꼽는 어떤 장치로 연결된다고 보고... 그 장치 안에는 차동증폭기가 배치되어 있습니다. 차동 즉, 두 신호의 차를 읽는데 감산기(Subtractor)로 작동한다고 보고요.



그래서 Signal+  빼기 Signal-하면 2배의 SIGNAL이 됩니다. SIGNAL은 마이크에서 받기로 했던 그 신호이고 과정은 분명 아나로그 연산이네요.

이렇게 하면 얻을 수 있는 강력한 이점이 있습니다.

두 신호 전송라인에서 생기는 잡음, 동시에 두 선에 영향을 주는 잡음은 제거됩니다. 이게... XLR이 장거리 전송 기술로 정의되고 음질을 대폭 향상시키는 기술이 아니라고 언급하는 이유입니다.

자꾸 고급기에 XLR 하니까 그것을 탐하는 경우가 많은데... 케이블 양단의 이런저런 회로가 부가되니까... 네. 저는 좀... 가정용 오디오를 그럴 듯하게 포장하고 돈을 많이 받아내려는 심산 정도로. 반대로, PRO가 일하는 세상에서는 XLR > RCA이겠죠. 그쪽은 연결선의 절대길이가 무척 길기 때문에요.

○ 전압공급과 신호처리 두 가지가 병행되는 이유는,

전류와 전압의 속성차를 이용하는 커런트 루프(Current Loop, 4~20mA 이용)라는 것도 그렇고 어떻게든 배선을 줄이는 것은 산업계의 큰 고민이었습니다. 자동차, 철도, 공장... 저는 이 펜텀파워, 콘덴서 마이크의 조합 방식을 그런 취지로 이해하고 있는데요.

상황을 묘사적으로 정리해보면,

MIC 쪽에서 XLR 출력이 될 때 공용 GND를 기준으로 측정된 Signal+, Signal-는 분명 변화하는 아날로그 신호입니다. 그런데... 1) <펜텀파워 내부 공급점>에서는 (논리상) 양/음이 완벽히, 실시간 상쇄되니까 DC 입장에서는 아무 일도 없습니다, 2) 한편, 쭉~ 직진해서 외부로 나간 신호는 앞서 언급된 대로 상대방 수신기 측에서 적당히 처리될 것이고요.

불과 세 가닥 선으로 전원도 공급하고 신호도 받고... 이게 본래는 엔틱급 전화기 시스템을 돌리기 위해 즉, 최대한으로 전기선을 줄이고 당시의 주류였던 콘덴서 마이크 기능을 수용하기 위해 고안된 아이디어이죠. 네... 산업기술은 언제나 1등, 오디오 기술은 언제나 그 산업기술을 받고 받고 받아서... 예를 들어 앰프는 어찌보면 모터 드라이버/제어계나 다름없고 튜너는 국민 네트워크 기술의 한 부분일 뿐이고...

^^
Total 7

  • 2021-09-28 12:29

    마이크 유닛 결선은 '이상한 마이크 도면'에 그린다고 그렸는데, 제가 봐도 모르겠네요. CN콘덴서(471 표시)의 화살표 쪽에 유니트 플러스가 연결되고, 유니트 마이너스는 그라운드에 연결됩니다(기판의 X1).

    사진의 빨간 색이 마이크 유닛 플러스입니다. 오렌지색 콘덴서에 연결되어 있습니다.

    참, (smd 타입) BC856 TR을 구하기가 어렵네요. 가까운 데는 모두 없다고 하여 인터넷으로 주문한 상태라 2-3일 후에나 실험이 가능하겠네요.

    photo_2021-09-28_12-26-01.jpg


  • 2021-09-28 13:05

    나름 정리하며 질문합니다.

    1. 전원 인가 순서:

    (상단) J1 -> L1 -> (R7+R11 // T3 병렬) -> R2 -> R1 -> T1
    (하단) J1 -> L2 -> (R17+R16 // T4 병렬) -> R2 -> R1 -> T1

    T2 인가 전원 경로는 생략(다이오드를 통함)

    2. 신호 이동 순서:

    (상단) 마이크 -> CN -> T1 -> C6 -> R13 -> T2 -> R5 -> C3 -> ???

    (하단) 마이크 -> CN -> T1 -> ...C5 -> ???

    어차피 신호는 C3와 C5를 거쳐야 합니다.

    이제 상단 신호만 다루겠습니다.
    (1) C3 -> R7 -> L1 -> J1 :가능(?). 직류는 콘덴서가 막고 있으니 교류만 생각하면 됨.
    -> 이럴 경우 R7에 신호가 걸리면 Vbe에 미세하게나마 변동이 생길 텐데, 이것이 전원 인가에 간섭을 주지 않을까?
    -> (1) 아마 너무나 미약한 양이고, (2) 또 Vbe는 거의 0.7V이므로, 전원 인가에 영향을 주지 않을 것이다. R7에는 추가 전압이 전혀 안 걸릴 것 같음?

    (2) C3 -> T3의 베이스 -> T3의 이미터 -> L1 ->J1 : 불가능?

    정상 마이크의 전압을 측정한 결과입니다.

    T3의 이미터 39V, 베이스 36V, 컬렉터 35V (T4도 똑같음.) -> 이것 좀 이상하지 않나요? 이미터-베이스는 0.7V아닌가요? 활성 영역? 포화 영역? (몇 번 측정하였기 때문에 측정값은 맞을 것입니다.)

    어쨌든 신호가 베이스(36V)에서 이미터(39V)로 가는 것은 불가능하지 않나요? 그럼 신호 전달은 R7만 통하나요?

    주저리주저리 질문해 봅니다.


  • 2021-09-28 15:36

    T3만 가지고 생각을 해보면... 아니, 정확하게는 상상했던 것을 정리합니다.

    1. NPN T3가 첫 번째 그림과 같은 상태.
    (여기서, "...."으로 표현된 것은 거의 무한대의 저항이 관측되는, 무의미한 연결 영역을 상징합니다. 말하자면 "없다"입니다) 팬텀 파워가 공급되었을 때 곧바로 켜지지 않습니다. 왜냐하면 R1, R2를 경유하여 전류가 충분히 흐르고 V_be를 충족할 수 있는 상황이 아니기 때문에. T3는 사실 먹먹~한 입장이지요. 그렇게 단순하게 정의를 해놓고...

    2. T3의 Base에 **uF 커패시터를 붙인 경우
    먹먹했던 조건과 다르게 상당량의 전류가 R1을 경유하여 C1, 그리고 GND로, 그것도 단락에 준하는 조건으로, 노골적으로 흐릅니다. 그 순간 R1의 양단 전압 즉, T3의 Vbe를 충족하는 전압이 생기고... 그러면 마치 외부 격발에 의해 폭발물이 터지는 것처럼 T3는 즉시 정상 가동 상태가 됩니다.

    3. C1이 완충 되기 전까지, 아주 짧은 시간이 지났습니다. 이미 T3는 가동을 시작했기 때문에 C1의 상태에 전혀 상관이 없고요. 이후는 C1은 T1에 의해 위상 반전된 사운드 시그널만 넘겨주는 역할 즉, 커플링 커패시터 역할을 합니다.

    ※ 완충 시간은 Self Mute 효과도 있다고 생각됩니다. 앰프 볼륨 크게 정해 놓고 갑자기 마이크를 연결하면 난리가 날 것인데... 연결하고 아주 짧은 시간은 먹통이라서요.

    4. 짧은 격발로 제 정신을 차린 T3가 펑펑 돌아가기 시작하면... 회로 경로를 보면 T4도 당연히 돌아가지요. 왜냐하면 수 십 V의 충분한 전기 에너지가 T3에 의해 T4 영역에 공급되고 적당한 저항의 배치에 의해 Vbe를 충족하는 조건이 되기 때문에.

    5. 짧은 시간이 지난 후에는 T3, T4는 대등하게 동작할 것이네요. 그리고 1) 펜텀 파워를 공급하는 경로, 2) 각각의 커플링으로 넘겨 받은 신호를 외부로 보내는 역할 두 가지를 수행할 것이고요.

    이상이 제가 생각했던 동작 시나리오입니다. 저도 처음보는 회로인지라... 논리 오류나 정리 오류가 있으면 말씀해주세요.

    ---

    "T3의 이미터 39V, 베이스 36V, 컬렉터 35V"에 대해서는...

    1) 직관적으로 정상입니다. GND를 기준으로 측정을 하셨을 것이고 직관적으로는 그냥... E/B/C 전압이 각기 다르기 때문이지요.

    2) 전력을 공급하는 쪽은 에미터가 우선, 그 다음에 베이스 제어에 의해 일정한 전력이 콜렉터쪽으로 넘어갑니다. PNP형이니까요. 그러므로 에미터 전압이 가장 높은 게 당연하고 그것은 콜렉터 전압보다 클 것이네요.

    3) V_be는 프로브를 옮겨서 GND 기준이 아닌, 트랜지스터 베이스~에미터에서 측정해야 하고 그것은 PNP 0.2V 정도, NPN형 0.7V 정도이지요?! 멀티미터에 따라서 또 프로브의 상태에 따라서, 프로브와 단자/핀/새시와의 접촉 상태에 따라서 조금씩 달라지니까... 그점은 감안해야겠습니다.

    참고로 2항의 관점에서, 말씀하신 값을 가지고 생각해보면, V_e - V_b가 0.2 또는 0.6이 되어야 할 것 같지만... 중간에 R1이 개입되어 있으므로 산술식으로는 더하기 빼기가 안 됩니다. 그래서 39V - 36V = 4V라는 큰 값이 나왔습니다. 일단 각 리드선 전압이 다르고 V_be 0.2V를 넘어섰으므로... 뭔가 잘 처리하고 있는 것이겠지요.

    T_soondori-20210928-H-8.jpg


  • 2021-09-28 16:04

    아! 그리고...

    ○ CN 표기점과 MIC 연결에 대해서는,

    부품으로서의 MIC 센서에는 전압을 인가하는 핀, GND 핀, 신호를 빼내는 핀 3개가 있어야 하고... 위 회로도에서 CN으로 표기된 것은 마이크 신호가 흐르는 경로라고 판단했습니다. 신호가 그곳을 넘어 FET로 가면 증폭 후 신호가 1) 위상 반전 T1, 2) 노멀한 T4에 전달되는 것으로요.

    ○ T3가 ON이면 LED로 전류가 흐르고 그것이 주 전원처럼 FET와 T2를 동작하게 합니다.

    참고로 XLR 대응을 위한 Balanced 모드로 동작하지 못하는 현재 상태에서, 마침 망가진 트랜지스터 두 개가 그냥 구리선처럼 작용하고 있으므로 LED가 점등하고요.

    반대의 경우로서, T3/T4가 완전히 망가져서 내부 단선된 것처럼 되어 있다면 LED는 켜지지 않을 것이네요. 그에 따라 전력을 공급받지 못하는 T2와 FET도 OFF 상태일 것이지요.


  • 2021-09-28 18:00

    참고로 단락으로 의심되는 T3와 T4를 분리 제거하였습니다. 둘 중 하나는 리드선이 망가져서 측정 불가, 하나는 베이스-이미터, 베이스-컬렉터 순방향 저항이 5옴, 역방향 저항이 10옴, 이미터-컬렉터간 저항은 15옴정도 나옵니다. 고장이 맞네요. 내일 부품이 도착할 것 같으니, 수리가 되어 정상 동작을 하면 회로를 조금 더 음미해 보아야 하겠습니다. 감사 드립니다. 많이 배우고 있습니다.


  • 2021-09-28 18:21

    참고로 제 마이크의 콘덴서 마이크 유닛 리드 선은 두 개네요. 하나는 그라운드에 접속하고, 하나는 적당한 저항을 통해 전원에 접속합니다. 그런 상태에서 소리(압력)가 가해지면 콘덴서 양판 간격이 변하고 정전 용량이 달라져 미세한 전기가 흐릅니다. 이때 그라운드와, 저항-콘덴서 접속부(CN - R1(=510M/메가 옴 -> 콘덴서 마이크 임피던스가 매우 크기 떄문에))에서 교류 신호를 빼내어 다음 단 증폭회로 베이스로 보냅니다.

    (1) 그런데 마이크 유닛 자체가 콘덴서인데, 또 CN이라는 콘덴서가 있네요. 이것은 무슨 역할을 하나요? 베링거 C-2에도 같은 위치에 470pF이 있네요. 어떤 글을 읽어 보니, 이것을 1000pF(재질도 다르네요)으로 바꾸면 더 좋아진다고 하네요.
    https://www.hilberink.nl/codehans/luxman90.htm

    혹시 이것이 저역 필터인가요? 용량이 커지면 저역이 더 강조되나요?

    (2) 또 커플링 콘덴서 재질(세라믹, 폴리프로필렌)에 따라 소리도 달라지나요?


  • 2021-09-28 20:11

    말씀해주신 링크를 살펴보니까...

    잘은 모르겠습니다만... 2 핀이 사용되었다기에 뭘까? 검색해보니 DIY할 때 흔히 쓰는 2핀 컨덴서 마이크가 나오는군요. 그것은 <3 Pin 정전형 콘덴서 마이크>가 아니라 감지판 + 직접 회로가 안에 들어가 있는, 기술발전으로 쉽게 쓰도록 제조된 일종의 신형 패키지형 제품으로 속성을 분류하며 어떨까 싶습니다.

    그 관점에서 팬텀 파워 48V는 국제 규격으로 정한 오리지널? 콘덴서 마이크용 48V가 아니라 과거의 관성을 준수하면서 패키지 전자회로에 동작 에너지를 공급하는 B+ 개념이 될 것이라 보이고요. 아무튼 그 전원 공급점에서 신호를 빼내고 있습니다. DC는 들어가고 교류가 나오면 옆길로 새는 구조... 이것 역시 배선을 줄이기 위한 아이디어라고 생각하였습니다..

    CN이 반드시 들어가야 하는 이유는 48V DC 전압을 블로킹하고 MIC 소자 +와 - 핀 사이에서 생기는 전압의 변화를 옆구리로 픽업하기 위함일 것입니다. 누군가 CN을 Coupling Network을 무의식적으로 상상하고 그렇게 축약 표기하신 것인지... 아무튼요. "재질을 바꾸면?" 소리가 달라질 가능성이 있다고 생각합니다. "용량을 키우면?"은 잘 모르겠습니다. CN 전/후 임피던스 변화라는 것이 생길 것이지만 ... 글쎄요? 어떤 결과가 나올까요?

    그리고... 가급적 전해 콘덴서는 쓰지 않는 게 어떨까 합니다. 혹시라도 Leakage가... 센싱부에서 스피커 쪽을 바라보면... 중간에 증폭기, 증폭기, 뭐에 뭐에, 파워앰프에, 작은 오류를 크게 키울 요소가 대단히 많다고 상상해보았습니다. 사용 여건이 DIY 공작 수준과는 다를 것이라고 보면... 네. 노파심이지요.

    Bias-power-to-an-electret-microphone.png


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