합성이론 9: VCA 개요

제가 VCA에 대해서 언급했었던 기억이 납니다. Voltage Controlled Amplifier,  ‘VCA’, 라 불리는 이것은 analogue synthesizer 에서 아주 중요한 역할을 해 줍니다. Digital로 컨트롤되는 analogue synth는 ‘DCA’라는 것을 대신 사용하게 됩니다. 반면 pure digital synth와 sampler들은 time-variant amplifiers인’TVA’, 을 가지게 됩니다. 따라서 이번에는 VCAs에 초점을 맞추어서 여러분이 원하는 소리를 만드는데 보탬이 되어 보도록 하지요.

1. 두가지 형태의 VCA?
첫째로 우리는 참 혼동, 또는 착각하기 쉬운, audio signal chain에서의 amplifiers와 Voltages를 컨트롤하기 위한 것과 차이를 알아야 합니다. 합성이론 3장에서 보았었는데 여기 위의 그림 1을 보면, tone generator 와 amplifier로 구성된 단순한sound generator를 볼 수 있습니다. 분명 이 그림에서 amplifier의 역할은 hi-fi나 car stereo에서 하는 amp와 비슷한 역할을 하겠지요. 이것은 신호를 더 크게 해주겠지요.

Amplifier란 무엇일까요? 만약에 여러분이 기타리스트라면 아마 이것은 소리를 증폭하기 위해 distortion이나 다른 effect를 만드는 것이라고 말할 수도 있겠지요. 만약에 여러분이hi-fi 에 관심이 많은 사람이라면 이것을 거대하고 제어하기 쉬운 값비싼 power supply라고도 말할 수 있지 않을까요? 그러나 엔지니어라면, amplifier은 입력신호의 amplitude A1 이 모양의 변화 없이 A2로 변화시키는 장치라고 말할 것입니다.

하지만 분명하게 중요한 것은 A2 가 A1보다 크다는 것입니다. 즉, 신호는 전보다 커진다는 것이죠. 하지만 만약 그 A2 가 더 작다면 소리는 더 조용해지겠죠. 단순하죠? 그러나 이렇게 간단한 문제로 치부할 것은 아니랍니다. 우리가 알아야 하는 건 ‘어떻게 하는데?’입니다. 이것을 아주 단순하게 정의해보지요. A2 에서 A1 의 비율을 계산하고 그것을 amplifier의 ‘Gain’ 이라고 해봅니다.(Equation 1). 예를 들어 A2 가 A1의 두 배라면, 그 비율은 ‘2’ 가 되고 Gain은 2가 되겠지요. 하지만 이렇게 2배가 한다고 2배로 소리가 커지는 것이 아닙니다. 우리의 귀는 이런 방식으로 소리를 처리하지 않습니다.

하지만 지금은 단순하게 그냥 라디오에의 volume control 에 대해서 생각해봅시다. 여러분이 소리의 볼륨이 증가하고 감소한다고 이야기 할 때에 Gain이 조정되는 것임에 분명합니다. Figure 2는 이런 조절의 예를 보여줍니다.

이 그림에서 receiver회로는 low-amplitude signal을 만들며 이것은 직접 preamplifier를 통과합니다. 이것은 signal을 ‘line level’로 증폭합니다. 출력은 이때에volume control을 통과합니다. volume 손잡이가 시계방향으로 끝까지 올라가면 signal은 변화가 없고 line level에서 the power amplifier로 통과합니다. 그리고 시그널은 그 레벨로 증폭됩니다.
정리해볼게요.

1.preamp로 거치는 low-amplitude signal생성
2.signal을 line lever까지 증폭
3.volume control로 감
4.볼륨을 최대치로 해도 시그널은 영향을 받지 않고 line level에 통과
5.power amp로 간다
6.그 레벨로 소리 증폭

그러나 여기서 volume control을 버리면 소리가 줄어들게 됩니다. 그 이유는 위의 3번에서 volume control로 쓰였던 potentiometer가 signal의 양을 점차 줄이면서 power amp로 가게 됩니다. 이 볼륨 손잡이는 amplifier의 하나로 정의되어야 합니다. 이것의 Gain은 1을 넘지 않고 off일 때는 Out/Input비율은 0이 되는 것, 즉, Maximum일 때는 그 비율이 1이 된다는 말입니다.
따라서! Gain은 언제나 0과 1에 놓인다는 사실을 알았습니다. 그리고 이것을 Attenuator(감쇄기)라고 합니다.

중요한점은 하나 이상의 amp와 attenuator를 연결하여 사용할 때 전체 system의 Gain은 각각의 Gain을 곱하여 나오게 됩니다.
(pre-amp Gain * attenuator Gain * power Gain)

,2. 더 개선된 회로도 만들기
위의 그림 2는 이해하기가 제법 쉽지요. 하지만 그 회로는 단순하게 예를 들어 설명하기 위한 것이라서 썩 좋다 볼 수는 없겠습니다. 왜냐하면 audio signal 이 그냥 attenuator를 통과하는 것에 불과하니까요. 사실상 이런 회로는 distortion과 같은 부작용을 일으키기도 합니다. 이런 것을 피하기 위하여 더 나은 회로도를 작성해 볼 필요가 있습니다.

Figure 3이 바로 그런 것입니다. 이것은 같은 요소로 이루어져있지만 volume control 손잡이가 지금 voltage source를 줄여서 preamp의 Gain을 조절합니다. 다시 말해서 우리는 preamp를 Voltage Controlled Amplifier로 정의 내릴 수 있다는 것이 됩니다. 그리고 그audio signal 는 더 이상 직접적으로 volume control을 거치는 것이 아니라는 이야기입니다. 일종의 안전장치같이 말이에요.

3. Radio 에서 Synthesizer까지
이제 라디오에서 단순한 analogue synthesizer까지 가보는 겁니다. 분명, receiver 회로 에서 만들어지는signal은 어떤 것이든 가능하겠죠? 마이크로 들어오는 연설이 될 수도, Beethoven심포니 일수도, saw tooth wave일수도 있다는 말입니다. ‘receiver 회로’ 를 ‘tone generator’라는 말로 바꾸어 보는 것은 어떨까요? 그리고, 그 다음에 그림에 있는 power amplifier를 생각해봅시다.  몇몇의 합성기기에 있는built-in speakers들은 이런 power amp를 가지고 있지요. 그러나 대부분은 외부장비를 사용해서 쓰지요. 그 결과로 우리의 block diagram에서 ‘power amplifier’가 빠져있습니다.

지난번 합성이론 3장에서 우리는 volume control을 controller circuit로 이야기 했던 기억이 나시는지요. 위의 그림 4에서는 지난번처럼 했던 것과 같은audio signal을 보여줍니다. 그러나 preamplifier (줄여서’Amplifier’) 는 contour generator에 의해 조절되고 trigger에 의해 trigger됩니다. 이렇게 Figure 4 는 Figure 3는 아주 달라 보입니다. 그러나 이것은 generator, amplifier, volume control의 관계상에서 다른 점이 없습니다. 그럼 자세히 살펴보지요.

Tone Generator 가 ±2V로 시그널을 만들어 낸다고 해봅시다. 또한 contour generator 가 0V 에서 +5V 로 ADSR envelope을 만들었다고 해 봅니다. 그리고 VCA 가CV input에 0V가 올 때 아무것도 출력하지 않는다고 가정하면, 그것은, CV 입력이 +5V일 때에 ±10V의 maximum audio signal amplitude을 출력합니다. 즉, 그 amplifier는 maximum Gain 이 5 (G=10V/2V) 이며, minimum Gain 은 0 (G=0V/2V)이라는 이야기가 됩니다. 그리고 마지막으로 amplifier의 response 은 ‘선형적’입니다. 예를 들어CV input이 1V 은 Gain 2; CV input 이 2V면 Gain of 4를 만들어낸다. 이것은 즉, audio signal Gain 의 양은 amplifier의 CV input에 적용되는 contour 의 level에 비례한다는 것. 복잡해 보이지만 Figure 5를 보면 더 분명해집니다.
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4. Initial Gain
이만하면 충분하지 않냐구요. 않습니다. 하하..여러분 synthesizer에 판낼에  ‘Initial Gain’ 또는 ‘VCA Gain’라고 표시된거 본적 있으신가요? 이것이 바로initial CV, 또는 ‘offset’을 Contour Generator 가 만드는CV 에 첨가하는 것입니다. (Figure 6,).

그래서 예를들면 우리가 Figure 5 에서Initial Gain +3V을 더했다면, 우리가 얻는 것이 바로Figure 7이 됩니다. 이 offset은 즉각적인 효과를 가집니다. —  VCA 는 항상 0보다 큰 Gain을 만들어 내라고 말합니다. VCA 에 보여진 CV 는 계속적인+3V offset을 가집니다.

5.숨좀 돌리고...
지금까지 본 것을 가만 생각해보면 VCA 는 끝이 없이 증가할 수 있는 것처럼 보여집니다. 다시 말하면 여러분이 얼마만큼 증폭을 원하는지에 상관없이 이놈이 계속 증폭시켜줄 것처럼 보입니다. 하지만, 물론 이것은 불가능하지요. 만약에 능력 이상의 것을 요구하면 이것도 특정 방식의 distortion을 만들어냅니다.

다시 Figure 5를 봅니다. VCA 의 maximum output 을±10V로 했었지요? (CV 가 +5V일 때) 즉 우리가 만약에 0V 을 +8V contour를 동반한 +5V ADSR contour로 대체하면(Figure 7)? 분명 그 contour의peak 에서, VCA 는 시도는 하겠지만 ±16V 를 만드는것에는 실패하게 됩니다. ±10V이상을 넘지 못하기 때문에, signal 은’clipped’됩니다.(Figure 8)
ADSR contour의 주기 동안에 발생하는 출력 wave를 잘 살펴보면 우리는 원래 입력 시그널의 sawtooth shape 모양이 더 이상 출력에서 찾아볼 수 없음을 알게 됩니다. 그 Wave의 ‘정상’ 은±10V 제한위로 증폭하지 못하는 amplifier에 의한 Attack 과 Decay 단계에서 다시 구정되고 그 결과는 harsh distortion (‘clipping distortion’) 을 가집니다.

6.VCA의 또다른 사용!
지금까지 이야기한 VCA 는 모두audio signal path에 있습니다. 그러나 현실적으로 VCA의 대다수는 여기에 쓰이지 않습니다. 그것은 sunthesizer내에서 control voltage path로 쓰입니다.

Figure 6을 다시 봅니다. 이것이 Attack 의 끝에서maximum +5V를 가진ADSR contour를 출력한다는 것을 기억하시지요. 지난달 이야기했던 것으로 되돌아가 봅니다. analogue contour generators의 다수가 Attack끝에 level을 더 이상 제어하지 않았던 것 기억하시나요?( A, D, S, R의 setting과 관계없이), 그Attack Level은 언제나 +5V 입니다.(또는 장치의 성능에 따라 다름). 우리가 이미 이야기했듯, 이것은5의 gain을 VCA에서 만들어 냅니다. 그러나 우리가 드라마틱하게 signal에 영향을 미치고 싶지 않을 경우에는 어떻게 해야 할까요?
Figure 9를 봅니다. 보다시피VCA 이 control signal path에 있습니다. 이것은 CV에 의해 제어되고 그것은 또한attenuator에 의해 제어됩니다. 이VCA 는 Gain을 (attenuator에 위치에 의해 결정되는) ADSR contour에 적용시켜서 여러분은 그것을 shape의 변화 없이 attenuate/amplify 할 수 있게 되는 것입니다.

그 결과는 만약, ADSP이 단지 signal amplifier 에 영향을 주는CV라면 별로 중요하지 않을 것입니다. 결국, 그amplitude를 줄이는 것은 synth 의 최종 출력을 줄이는 것과 별로 다를 것이 없겠지요. 단순히 외부 amplifier를 줄이는 것과 같이 말이지요. 하지만 그 ADSR 는 단순한 CV가 아닙니다. 그림 9에있는 Initial Gain처럼 여러분은 LFO또는 다른controller들로 audio signal amplifier의 action을 변화시킬 수 있습니다. 이 경우에 ADSR 은 initial level 과 다른 modifier와 관련된 signal을 변화시키는 ‘범위’를 변화시킵니다.

이것도 복잡합니다. 더 분명하게 하기 위해 다른 예를 보지요. Figure 10 은 Figure 9와 비슷하지만, CV들이 amplifier 가 아닌 low-pass filter를 제어하고 있습니다. 보시다시피,  꼭대기에 있는fader 는 지금 filter의initial level이고, 이것을 ‘cutoff frequency’라 부릅니다. 그리고VCA 는 여기에 적용되는contour를 제어합니다. 분명히 여러분은filter가 여러분이 만드는 소리마다 전부 적용되는 것을 원하지 않을것이지요. 따라서 대부분의 synth 는 여러분이 VCA를 사용하여 그 contour를 attenuate 하게 해 줍니다. 보여진것 처럼요.

7. Real VCAs
VCA에 의해 연주될때의 중요점을 우리가 sunthesis를 생각할때에 줄곳 지나치게 되게 됩니다.참으로 우리가 많은 analogue synths의control panel들을 보면 ‘Amplifier’, ‘VCA’라고 쓰여진 것이ADSR contour generator에 속해있고 아마도 envelope level control ( ‘Amount’) 또는 Initial Level control 로 사용되는 것을 볼수 있습니다. 이것이 바로 많은 경험이 없는 사람들이 그것을 contour generator (CV path의 VCA) 또는 audio signal amplifier 와 구분하는데 힘들어 하는 점입니다. 이와 비슷하게, filter senction은 종종 second contour generator 와 또 다른 ‘Amount’ control 을 종종 포함할 것입니다. 이말인 즉슨 물론, VCF section 에도 VCA들이 있다는것입니다.

Figure 11 은 4개의 input과, 5개의 손잡이, 그리고 하나의 출력을 가집니다. 2개의signal input(SIG 1 IN, SIG 2 IN) 이 있고 그것은 module에 signal mixer가 있다는 것을 의미하기도 합니다. 또한 두 개의CV input이 있고 그것은VCA의 amplification을 조절하며, 이 말은 그 안에 CV mixer가 있다는 것을 의미합니다. 그CV input들은CV1-IN LIN 와CV2-IN LOG라고 표시되어있습니다. 각각 입력은 level control이 서로 연관 지어져 있으며 Initial Level control은 우리가 위에서 이야기한것과 같습니다. Figure 12처럼요.

우리는 이것을 단순하게 VCA라고 하지는 않습니다.

8…그리고 마지막으로
끝내기 전에 한가지 더 생각해 볼 것이 있습니다. 우리는 여태껏 main signal path를audio signal path로서만 생각해 왔습니다. 그러나 우리가 그림 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12에서 CV들을 사용하는 것을 멈추면?

VCA의 가장 흔한 사용목적 중 하나는 또 다른 CV를 사용해서 CV의 Action을 변화시키는 것에 있습니다.using other CVs;
그리고 또 중요한 것은

반드시 audio signal의 amplifier와 control voltages를 변화하는것에 사용되는것들과의 구분을 두어야 한다는 것입니다.(맨처음에 말했듯이)
그리고 여러분이 하나 이상의amplifier 또는 attenuator를 가질 때 마다, 단순하게 그 각각의 Gain들을 함께 여러 개 사용하면, 언제든지 전채의 시스템의 Gain을 계산할 수 있다는 것입니다.
이것이 자유롭게 patch될 수 있는 synth가 아주 강력한가에 대한 하나의 예가 될 수 있겠습니다. 따라서 여러분이 다른 또다른 신호를 이용하여서 아주 다이나믹하게 어떤 신호든 제어하고 변화시킬 수 있다는 것입니다.