연재(9) - 디지털 오디오를 직접 제작한다

게재월 | 2014 - 05 조회156731 추천0

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인터넷을 이용한 프린트 기판 제조 서비스가 가능해졌고, 100만 개 이상의 부품을 갖춘 부품 회사가 탄생함에 따라 핸드메이드 붐이 다시 찾아왔다. 과거와 달라진 점은 고기능 IC와 프린트 기판으로 마무리할 수 있게 되었다는 것이다. 여기서는 디지털 오디오의 개요 및 제작 방법에 대해 알아본다.


전지, USB, AC 전원으로 갖고 싶은 전압을 만든다

오디오용 전원 회로의 다양한 제작 방법


스피커나 헤드폰을 울리는 에너지는 전원에서 공급되므로 전원전압은 항상 안정되어 있어야 한다. 여기서는 전지, USB 버스 파워, AC 전원을 사용하여 원하는 전압이 나오도록 하는 회로 제작법을 소개한다.


만들기 쉽고 성능이 제대로 나오는 플러스/마이너스 양전원


플러스/마이너스 양전원은 성능을 나오게 하기 쉽고 저렴하게 만들 수 있다는 점에서 많이 사용되고 있다.


1. 제작 방법 ① … AC 어댑터 2개를 사용한다

그림 1(a)와 같이 AC 어댑터를 사용하면 간단하게 양전원을 만들 수 있다. 

그림 1(b)와 같이 건전지를 직렬로 연결하는 요령으로 출력 단자를 접속하는 것이다. 용량은 충분히 크게 잡을 수 있으므로 실용적이지만, 어댑터를 여러 개 사용하므로 마무리가 깨끗하지는 않다.


▲ 그림 1. 양전원 제작 방법


2. 제작 방법 ② … 충전 펌프 방식 전원 IC를 사용한다

그림 2와 같이 충전 펌프를 이용하여 양전원을 만들 수 있다. 그림 3의 충전 펌프 회로는 전하를 이동시킴으로써 입력의 2배 전압이나 마이너스 전압을 생성하는 회로이다. 전원전압이 Vsupply, 입력이 “L”일 때 Cchg에는 Vsupply의 전압이 충전된다. 


▲ 그림 2. 충전 펌프를 사용하면 단전원으로 양전원을 만들 수 있다


▲ 그림 3. 충전 펌프 회로의 동작 원리


입력이 “H”로 천이하면 Cchg의 + 측이 GND로 떨어지므로 출력에는 -Vsupply의 전위가 나타난다.

시판되고 있는 충전 펌프 회로 IC는 최대 100mA 정도밖에 공급할 수 없다. 채널당 50mApeak의 소비전류는 실효값으로 하여 35.4mARMS이므로 40mW+40mW(32Ω) 출력을 기대할 수 있다.

충전 펌프 IC인 BP5122(롬)를 이용한 플러스/마이너스 양전원 회로는 그림 4와 같이 구성한다. BP5122는 8~20V 입력에 대해 -12V/100mA를 출력하는 DC-DC 컨버터 모듈이다.


▲ 그림 4. 충전 펌프 회로(마이너스 전원 모듈)를 사용한
플러스/마이너스 양전원 회로


3. 제작 방법 ③ … 전원 트랜스를 사용한다

그림 5에 나타난 리니어 트랜스를 사용하는 방법은 전 세계 양전원에서 가장 많이 사용되는 방식이다. 센터 탭 유무에 관계없이 양전원을 만들어 낼 수 있다. 

HT-1712(도요즈미전원) 등을 사용하면 ±12V/1A 정도의 전원을 쉽게 만들 수 있다.


▲ 그림 5. 전원 트랜스를 이용하는 양전원


4. 제작 방법 ④ … 플라이백 컨버터를 사용한다

그림 6과 같이 스위칭 전원으로도 양전원을 출력할 수 있다. 플라이백 컨버터에서 스위칭 트랜스 2차 측을 센터 탭이 달린 것으로 하고, + 측과 - 측에서 각각 정류하는 개념은 앞에서 설명한 방식과 같다. 스위칭 트랜스를 전용으로 설계해야 한다는 점에서 범용은 아니다.


▲ 그림 6. 플라이백 컨버터를 사용한 양전원 회로


나중에 설명할 가상 GND를 사용하여 단전원을 만들면 출력 전류가 가상 GND에 사용하는 능동 소자의 전류 용량에 지배되거나, 입출력 GND 전위가 맞지 않는 등의 문제점이 있다.

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전지, USB 버스 파워로 양전원을 만든다


1. 다양한 회로

단전원으로 양전원 회로를 동작시키고자 할 때에는 전원전압과 GND 중간에 기준이 되는 가상 GND를 만든다. 가상 GND를 설치하면 ±로 진폭하는 아날로그 신호를 전송할 수 있다.


2. 가상 GND ① … 저항 2개+콘덴서

가장 간단한 가상 GND는 그림 7과 같이 저항 2개의 분압 회로로 만들 수 있다. 저렴하고 간단한 회로이지만, 이 회로의 결점은 가상 GND에 흐르는 부하전류에 의해 ± 전위가 불균형해진다는 점이다. 전원 불균형은 전송 시스템의 최대 진폭값에 영향을 주므로 최소한으로 하는 것이 좋다. 이 회로를 사용할 경우, 부하전류에 대해 충분히 큰 전류를 저항에 흘려 두어야 한다.


▲ 그림 7. 가상 GND는 저항 2개로 만들 수 있다


3. 가상 GND ② … 레일 스플리터를 사용한다

TLE2426(텍사스 인스트루먼트)은 레일 스플리터라고 하며 가상 GND를 만드는 전용 IC이다. 단전원을 레일로 보고 양전원으로 스플리트(분할)할 수 있다. 이것을 사용하면 그림 8과 같이 가상 GND를 만들 수 있다.


▲ 그림 8. 가상 GND를 간단하게 만들 수 있는 레일 스플리터 IC TLE2426


앰프에서 부하전류를 공급함으로써 기준 분압 회로의 변동을 억제했다. 전류 변동에 대해 전압 변동이 적고 전원의 임피던스가 낮다는 것을 의미한다. 

그림 9와 같이 TLE2426과 3개의 콘덴서만으로 가상 GND를 실현할 수 있으므로 편리하지만, 6V 출력에서는 67.2mA 정도밖에 나오게 할 수 없다.


▲ 그림 9. 레일 스플리터 IC TLE2426과 3개의 콘덴서로 가상 GND를 만들 수 있다


4. 가상 GND ③ … OP 앰프에 의한 레일 스플리터

OP 앰프를 사용하여 레일 스플리터를 그림 10과 같이 구성할 수 있다. 높은 전류를 나오게 하고 싶을 때에는 출력에 이미터 폴로어 부스터를 설치한다. 단, OP 앰프 출력에 큰 콘덴서가 부하로 연결된 경우, 고주파 위상 지연에 의해 앰프가 발진하는 경우가 있다. 이것에 대해서는 참고 문헌 (1)에 자세히 설명되어 있다.


▲ 그림 10. OP 앰프를 사용한 레일 스플리터


5. 설계법

시판되고 있는 단전원 AC 어댑터로 양전원을 구성해 본다. 그림 9와 같이 레일 스플리터 TLE2426을 사용하여 가상 GND를 만든다. 전원 전압과 전류 용량을 정하고 소비전력을 검토하는 순서이다.

(1) 순서 ① … 필요한 전류값 계산

헤드폰에 일반적으로 요구되는 출력 음압 레벨은 대체적으로 100dB/mW 전후인 것이 많은 것 같다.

음압 100dB이라고 하면 오케스트라를 맨 앞열에서 생음악으로 들었을 때의 피크 음압 정도이므로 그 10배의 출력 10mW에서 110dB, 100배의 출력 100mW에서 120dB의 음압을 얻을 수 있다. 10m~100mW의 출력이 있으면 충분히 실용적인 출력이라고 생각한다. 시판되고 있는 헤드폰 앰프 출력 사양은 출력이 100mW까지인 제품이 많으므로, 출력 파워의 목표 사양을 100mW+100mW로 한다.

시판되고 있는 헤드폰의 임피던스 Zload는 16~64Ω이다. 여기서는 간이적으로 정격 부하 임피던스를 32Ω으로 하여 100mW+100mW에 필요한 전류값을 계산했다.


 …(1)


즉, 필요한 전류는 2채널에서 111.8ARMS(32Ω)가 된다. 실제로 전원 사양은 평균값(DC값)으로 정의되는 경우가 일반적이다. 

계산한 전류값을 평균값으로 환산해 보자. 실효값 → 평균값으로 하려면 실효값의 반주기 T/2를 적분한다.


• 반주기의 평균 전류


…(2)


사인파의 1주기를 생각하면 반주기는 전류를 흘리지 않으므로 평균 전류는 다시 절반이다.


• 1주기의 평균 전류


 (3)


즉, 전원에 필요한 DC 전류값은 2채널에서 50.4mA(32Ω) 이다. 그러나 헤드폰뿐 아니라 일반적인 오디오용 전원에서는 평균 전류 외에 순간적인 피크 전류가 요구되어 순간적으로 공급할 수 있는 전원이 필요하다.


 (4)


필요한 전류는 2채널에서 158.1Apeak@32Ω이다.

(2) 순서 ② … 전원전압을 계산한다

앰프의 출력 임피던스와 헤드폰의 부하 임피던스 분압에 의해 그림 11과 같이 출력 레벨이 감쇠된다. 이것을 고려하여, 전원전압은 출력 신호의 최대 진폭에 여유분(헤드 마진)을 추가해야 한다. 전원전압이 필요하다.


▲ 그림 11. 출력 임피던스가 클수록 출력 전압 레벨은 낮아지기 쉽다


헤드폰 앰프의 출력 임피던스 Zout을 100Ω, 10Ω, 1Ω으로 했을 때의 전원전압을 각각 계산한다. 무부하 시의 앰프 출력 Vout1과 부하를 접속했을 때의 앰프 출력 Vout2의 관계는 식 (5)와 같다.


 (5)


출력 파워 Pout일 때 필요한 전원전압 Vsupply는 식 (6)과 같다.


…(6)


100mW의 출력을 얻기 위해서는 헤드폰의 임피던스가 32Ω, 헤드폰 앰프의 출력 임피던스가 100Ω일 때 14.8V 이상의 전원이 필요하다. 마찬가지로 앰프 출력이 10Ω일 때는 4.7V 이상, 1Ω일 때는 3.8V 이상의 전원이 필요하다.

이상의 내용을 정리하면 전원전압 사양은 피크 200mA, 헤드폰 앰프의 출력 임피던스 100Ω, 100mW+100mW(32Ω)일 때 DC15V/200mA가 된다.

아키즈키전자통상에서 판매하고 있는 AC 어댑터 GF12-US1508이나 NP12-US1508은 DC15V/100mA를 뽑아낼 수 있으므로 이번 사양에는 최적이다. 헤드폰 앰프의 출력 임피던스를 작게 얻을 경우 전원전압을 작게 취할 수 있다. 그러나 헤드폰 앰프 출력 소자의 포화 전압이 커서 무시할 수 없을 경우에는 전원전압을 크게 해야 한다.

(3) 순서 ③ … 소비전력을 검토한다

TLE2426 LP 패키지의 75℃에서 정격 소비전력은 496 mW이다. 이번 사양 DC15V/100mA에서 가상 GND에 요구되는 전력 750mW는 TLE2426의 정격 소비전력을 넘어선다. 그러나 최대 출력이 100mW+100mW(32Ω)일 때의 DC 전류값을 50.4mA로 한 경우, 필요한 전력은 378.0mW가 되어 실제 사용하는 데에는 문제가 없다.

DC15V/100mA에서 가상 GND에 요구되는 전력 750mW를 만족할 경우, 채널별로 디바이스를 나누거나 이미터 폴로어에 의한 부스터를 출력에 추가한다.

헤드폰의 출력 임피던스는 부하 임피던스에 대한 덤핑 팩터나 주파수 특성에 크게 영향을 준다. 또한, 전원과 가상 GND에 흐르는 전류, 방열 설계라는 의미에서도 영향이 크다. 즉, 덤핑 팩터나 출력을 크게 하고자 할 때에는 소자의 소비전류와 방열에 주의를 기울여 설계할 필요가 있다.

(4) ‌순간적으로 대전류를 공급할 수 있는 능력이 중요하다

전류를 공급했을 때 전원이 전류 공급 능력보다 부족하고, 출력 전압이 변동하여 피크의 전압 파형을 재생할 수 없으면 재생음은 왜곡된다. 더욱이 음성 피크 레벨을 표현하지 못하면 음성의 다이내믹스를 표현할 수 없다.

순간적으로 대전류를 공급할 수 있는 능력이 필요하며 대전류를 흘려도 전압이 변동하지 않고, 또한 전원의 입력 전압이 변동해도 출력 전압이 변동하지 않아야 한다.

① 레귤레이션

전원을 유지하는 능력을 레귤레이션이라고 한다. 그림 12와 같이 부하전류에 대한 안정성인 로드 레귤레이션과 입력 전압 변동에 대한 안정성인 라인 레귤레이션이 있다.


▲ 그림 12. 전원의 출력 전압 안정도를 나타내는 성능 ‘레귤레이션’


(5) 정격 용량을 지켜 과도하게 발열하지 않도록 한다

전원의 정격을 넘어선 상태에서 사용하는 것은 안전 면에서 바람직하지 않다. 전원을 제어하는 반도체 소자가 발열하여 최악의 경우 파손되는 사고로 연결될 수 있다. 전압, 전류, 온도 사양을 감안하여 절대 최대 정격을 넘지 않도록 설계해야 한다.

(6) 노이즈를 줄이는 연구가 필요하다

전원 변동이 크면 노이즈도 커진다. 노이즈가 큰 전원에서 헤드폰 구동 전류를 공급한 경우, 그 노이즈가 출력으로서 그대로 재생되는 경우가 있다. 이것은 S/N의 악화를 의미하며 오디오 성능 악화로 연결된다. 특히, 앰프 첫 번째 단 등의 미소 신호를 다루는 회로의 전원부에서는 날아든 노이즈가 마지막 단까지 증폭되어 출력되므로 신경 써야 한다.

바이패스 콘덴서를 넣어 전원의 임피던스를 낮추고, 리플 필터를 넣거나 대용량 콘덴서를 넣는 등과 같이 노이즈를 저감하는 방법이 있다.

(7) 저코스트로 심플하게 마무리한다

전류를 흘려도 전압이 변동하지 않고 노이즈가 적으며 발열하지 않는 이상적인 전원도 중요하지만, 요구되는 비용에 맞춘 전원 사양으로 너무 복잡하지 않은 시스템을 만들어야 한다는 것을 명심하기 바란다. 심플한 회로 구성은 트러블을 줄일 수 있다.


앰프만 좋다고 되는 것은 아니며 전원의 품질도 중요하다


헤드폰 앰프는 플레이어(음원)에서 재생된 음성 신호를 입력하면 헤드폰이 구동할 수 있는 신호로 증폭한다. 이 때, 헤드폰을 구동하는 전류는 모두 전원 회로에서 공급되므로 전원이 항상 안정되어 있지 않으면, 그림 A와 같이 입력 파형과 출력 파형의 상사성(왜곡 정도)에 악영향을 준다. 

노이즈가 많고 안정되지 않은 전원은 출력에 악영향을 줄 뿐만 아니라 동작에 불량을 부여하는 경우도 있다.


▲ 그림 A. 앰프만 좋다고 되는 것이 아니며 전원의 품질도 중요하다


1. 전원 품질에 따라 출력 전압의 안정성, 잔류 노이즈 특성이 변한다

NJM4556(신일본무선, 이하 JRC)을 사용한 비반전 앰프의 헤드폰 앰프에 더미 로드 33Ω을 부하로 하여 20Hz 사인파를 입력했을 때의 특성에 대해, 전원 종류를 바꿔 실험해 보았다.

그림 B와 같이 전원 레귤레이션 특성, THD+N(전고조파 왜곡률+노이즈) 특성, 무신호 시(입력 쇼트)의 잔류 노이즈 특성을 측정했다. 사용한 전원은 다음과 같은 3종류이다.


▲ 그림 B. 전원 성능과 헤드폰 앰프의 출력 특성 [비안정 전원에서는 디커플링 콘덴서가 너무 적을 경우, 부하전류가

증가하여 전원 레귤레이션이 악화된다. 그 결과, 전원이 드롭하여 출력 전류를 공급할 수 없어 신호가 클립된다.

또한, 전원에 포함된 리플 노이즈(전원 주파수 60Hz의 2배=120Hz)가 앰프의 첫 단에서 혼입되어 THD+N 특성과

잔류 노이즈 특성이 악화된다]


(1) 리니어 레귤레이터 IC

리니어 레귤레이터 IC NJM7812(JRC), NJM7912(JRC)를 사용한 안정화 회로이다. 

IC 입력은 ±16V이고 입력 디커플링 콘덴서는 3300㎌이며, 출력 디커플링 콘덴서는 470㎌이다. 전원 ±12V를 리니어 트랜스로 작성했다.

(2) 리니어 비안정 전원

전원 ±12V를 전원 트랜스로 작성, 디커플링 콘덴서 22㎌

(3) 스위칭 안정화 전원

PKS607(Power Integrations)의 ±12V 전원

(a)~(c)에서 (1) 직접 제작한 전원의 경우 각 특성에서 출력이 가장 안정되어 있다.

(d)~(f)에서 (2) 비안정 전원에서는 THD+N이나 잔류 노이즈가 리니어 안정화 전원과 비교했을 때 악화되었다.

(g)~(i)에서 (3) 스위칭 안정화 전원에서는 전원 레귤레이션이 리니어 안정화 전원과 마찬가지이지만, 스위칭 노이즈가 신호 라인에 실려 THD+N 특성과 잔류 노이즈가 낮게 나왔다.

이와 같이 품질 좋은 신호를 출력하는 오디오를 설계하기 위해서는 잡음이 작고 전압이 안정적인 전원이 필요하다.



三田村  規宏 


本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

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