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.

이퀄라이저/스피커 전환/셀렉터/볼륨…

디지털 오디오를 강력하게  지원하는 액세서리 회로집

여기서는 아날로그 음성 신호의 주파수 특성을 바꾸는 이퀄라이저 회로, 레코드, 플레이어의 출력 신호를 증폭할 수 있는 포노 이퀄라이저, MOSFET에 의한 스피커 보호 회로, 오디오 소스의 셀렉터 회로를 소개한다. 마이컴을 사용하는 셀렉터 회로나 전자 볼륨도 소개한다.

이퀄라이저 ① … 고음과 저음의 양을 조절할 수 있는 액티브 이퀄라이저

트랜지스터나 IC 등의 반도체를 사용한 이퀄라이저를 액티브 이퀄라이저라고 한다. 그림 1은 OP 앰프로 만든 액티브 이퀄라이저를 나타낸 것이다. 저항의 상수에 따라 저역, 고역의 주파수 차단, 부스트 양을 조절할 수 있다. 특성은 다음과 같은 식으로 결정한다. 

▲ 그림 1. 저항 상수로 저역이나 고역 특성을 바꿀 수 있는 액티브 이퀄라이저

① 저역 부스트

② 저역 차단

③ 고역 부스트

④ 고역 차단

<>

이퀄라이저 ② … 100Hz, 1kHz, 10kHz를 조절할 수 있는 3밴드 그래픽 이퀄라이저

3밴드 그래픽 이퀄라이저(GEQ : Graphic Equalizer) 회로는 그림 2와 같다. 100Hz, 1kHz, 10kHz로 저역, 중역, 고역을 조절할 수 있다.

▲ 그림 2. 100Hz, 1kHz, 10kHz를 조절할 수 있는 3밴드 그래픽 이퀄라이저 회로

회로의 기본형은, 그림 3과 같은 밴드 패스 필터(이하, BPF)를 이퀄라이저 소자로 한 액티브 가산형 GEQ이다. B커브 볼륨을 사용한다. 소자 감도가 낮고 주파수 결정에 L을 이용하지 않아 C의 단순 용량값으로 실현할 수 있다. 시판되고 있는 그래픽 이퀄라이저 PRO-G51(아큐페이즈)을 참조했다.

▲ 그림 3. 액티브 가산형 그래픽 이퀄라이저의 기본형

비교적 출력 전류를 크게 할 수 있고, 잡음 특성과 주파수 특성이 좋은 OP 앰프 NJM5532D를 ±15V로 사용한다.

VR은 2련 타입이며 L/R 동시에 가변할 수 있는 RV24YG20 SB203(도쿄코스모스)이다. 최대 가변량은 ±10dB로 했다.

VR은 10k~50kΩ이다. 고정 저항기는 카본 피막 저항기여도 상관없다. 주파수 결정용 콘덴서는 필름이다. 100pF은 반드시 OP 앰프 근처에 접속하도록 한다.

VR은 50% 위치에서 AMP1의 귀환 저항과 AMP2의 입력 저항이 같아지므로, 피드백과 피드포워드 양이 완전히 일치하여 주파수 특성이 평탄해진다.

실측 데이터는 그림 4와 같다. 10Hz~100kHz까지 완전히 평탄하게 할 수 있다. 이웃한 2개의 VR을 최대 또는 최소로 하면 게인의 산과 계곡이 생기는데, 그 차이는 거의 2dB 정도이므로 실용상 별로 신경쓰지 않아도 된다.

입력 임피던스는 1kΩ으로 낮으므로, 입력 임피던스를 높이고 싶은 경우 전압 폴로어를 앞단에 설치하도록 한다.

▲ 그림 4. 제작한 그래픽 이퀄라이저의 주파수 특성 (실측)

1. 제작 힌트

이웃한 주파수 간격이 넓으므로 공진 피크의 예리함을 나타내는 Q를 낮게 설정해야 한다. 각 밴드의 조정 회로는 그림 5와 같이 Q＝0.5, 게인 0.5배의 다중 귀환형 BPF로 구성한다. 시뮬레이션 결과는 그림 6과 같다.

▲ 그림 5. 각 밴드의 필터 회로 (다중귀환형 BPF)

▲ 그림 6. 각 밴드 BPF(그림 5)의 주파수 특성

(Q＝0.5, f0＝1kHz, 시뮬레이션)

게인 0.5배에서는 변화량 설정 저항을 설계값 절반으로 하거나 반전 앰프의 게인을 미리 2배로 하면 ±10dB의 가변량을 얻을 수 없다. S/N이 좋은 것은 후자이므로 반전 앰프의 2배를 사용했다. 최대 입력 허용전압은 절반인 3.5VRMS 정도이다. <>

스피커를 파괴로부터 보호하는 고신뢰성 보호 회로

그림 7은 기계식 릴레이를 사용한 보호 회로보다 신뢰성이 높은 MOSFET에 의한 스피커 보호 회로를 나타낸 것이다. MOSFET은 직류 동작이므로 2개를 직렬로 하여 교류, 직류 양쪽을 ON/OFF한다. 이 회로의 ON/OFF 동작 속도는 10ms 정도이다.

▲ 그림 7. MOSFET에 의한 스피커 ON/OFF 회로

제어용 전원은 앰프의 플러스 측 전원보다 12V 정도 이상의 전압이 필요하다. 차지 펌프 회로나 별도의 소형 트랜스로 승압한다. 

게이트 전압은 10kΩ×1mA＝10V이다. 이 1mA는 MOSFET의 기생 다이오드를 흘러 앰프에 흡수된다.<>

레코드 바늘이 포착한 미소 신호를 증폭하는 포노 이퀄라이저 회로

아날로그 레코드를 재생할 때, 레코드 바늘의 진동으로 생긴 미소 전압을 증폭한다. 이 때 고역을 차단하고 저역을 부스트하는 포노 이퀄라이저가 필요하다. 

그림 8은 MM(Moving Magnet) 타입의 카트리지에서 사용 가능하며 OP 앰프 하나로 만들 수 있는 간단한 포노 이퀄라이저이다.

▲ 그림 8. OP 앰프 하나로 만들 수 있는 포노 이퀄라이저 회로

주파수 특성은 그림 9와 같다. 1kHz의 게인은 35.5dB이다. 주파수 특성은 1kHz에 대해 대략 20Hz에서 ＋20dB, 20kHz에서 －20dB이다.

▲ 그림 9. 포노 이퀄라이저의 주파수 특성

MC(Moving Coil) 타입의 카트리지를 사용할 경우 입력에 20dB 정도의 스텝업 트랜스를 추가한다. <>

셀렉터 ① … 마이컴을 사용하지 않고 만들 수 있는 입력 셀렉터 회로

1. 로터리 스위치와 릴레이로 만든다

그림 10은 스테레오, 2입력 셀렉터 회로를 나타낸 것이다. 셀렉터 전환은 1회로 12접점 로터리 스위치 RS-2688-0112-38N(COSLAND)이다. 전환 시 접점 사이가 쇼트되지 않으므로 릴레이 여러 개를 동시에 동작시키지 않고도 전환할 수 있다. 스토퍼의 위치를 변경하면 셀렉터 입력 수를 임의로 변경할 수 있다. 그림 10의 회로에 부품을 추가하면 스테레오, 12입력까지 대응할 수 있다.

▲ 그림 10. 2입력 셀렉터 회로

2. 제작 시 주의할 점

(1) 릴레이의 동작 파형을 오실로스코프로 확인한다

릴레이 동작 시 채터링이 발생하는 경우도 있으므로 릴레이의 동작 파형을 확인해 둔다. 그림 11은 기계식 릴레이의 동작 확인 회로를 나타낸 것이다. 그리고 그림 12는 G6S-2(DC5V) 릴레이(오므론)의 A 접점 측에 ＋1.5V, B 접점 측에 －1.5V를 인가하여 릴레이 스위치의 센터 단자를 오실로스코프로 관측한 결과이다. 이 결과와 데이터시트를 참고하여 동작 시간, 귀환 시간 모두 4ms 이하로 설계했다.

▲ 그림 11. 릴레이 동작을 확인하기 위한 회로

▲ 그림 12. 릴레이의 응답 속도

(2) 로터리 스위치의 동작 파형을 확인한다

로터리 스위치는 그림 13과 같이 코먼 단자를 GND로 떨어뜨리고, 기타 단자를 전원에 풀업하여 동작을 확인했다. 스위치 전환 시간은 그림 14와 같이 7ms였다. 스위치 사용 시 5ms를 밑도는 속도로 조작하지 않도록 하기 위해 스위치 전환 시간을 5ms 이상으로 했다.

▲ 그림 13. 로터리 스위치의 실험 회로

▲ 그림 14. 로터리 스위치 전환 시간은 7ms

(3) 클램프 다이오드는 릴레이 근처에 둔다

트랜지스터 어레이 TD62083AP에는 클램프 다이오드가 내장되어 있다. 그러나 TD62083AP와 릴레이의 거리가 멀어지면 배선 임피던스가 커져 클램프 다이오드의 효과가 작아지므로 릴레이 바로 옆에 다이오드를 추가한다.

3. 음원 출력끼리 단락되지 않도록 한다

그림 10의 회로에서는 사용하는 로터리 스위치나 릴레이에 따라 음원기기끼리 단락될 수도 있다. 그 경우, 로터리 스위치와 트랜지스터 어레이 사이에 상승과 하강 지연 시간을 조정하는 딜레이 회로(그림 15)를 추가하면 음원 간 단락을 방지할 수 있다. R1과 C의 시정수로 트랜지스터 어레이 입력 신호의 하강 지연 시간을 정하고, R2와 C의 시정수로 상승 지연 시간을 정한다. R3는 ICB의 입력 보호를 목적으로 하는 전류 제한 저항이다. 

<>

▲ 그림 15. 음원 출력끼리의 충돌을 피할 때에는 딜레이 회로를 추가한다

셀렉터 ② … 마이컴을 사용한 지능형 입력 셀렉터

PIC16F88과 그림 16의 셀렉터 IC NJM2755를 사용한 4입력 1출력 스테레오 셀렉터 회로를 그림 17에 나타낸다. NJM2755는 내부에 기준전압 4.5V를 갖고 있으므로 전원전압 9V로 동작시키는 것이 일반적이다. 단전원으로 동작시키려면 스위치 입출력에 디커플링 콘덴서가 필요하다.

▲ 그림 16. 셀렉터 IC NJM2755의 내부 구성

(NJM2755의 데이터시트에서 인용)

▲ 그림 17. 전용 IC NJM2755로 만든 셀렉터 회로

NJM2755의 스위치 제어 논리는 표 1과 같다. 그림 18은 전원을 넣으면 디폴트 채널이 되는 펌웨어의 흐름도이다.

▲ 표 1. 스위치 제어 논리 (NJM2755의 데이터시트에서 인용)

▲ 그림 18. 제어 마이컴 PIC16F88의 펌웨어 흐름도

(EEPROM을 사용하지 않은 경우)

전원 OFF 직전까지 사용했던 입력 채널을 기억하는 사양으로 하려면 그림 19와 같이 한다. 채널을 전환할 때마다 EEPROM의 데이터를 다시 기록한다. 마이컴의 인터럽트 입력용 포트에 전원전압 감시용 리셋 IC 등을 접속하여 전원 OFF 시에만 다시 쓰도록 하면, EEPROM의 재기록 횟수를 절약할 수 있다. <>

▲ 그림 19. 제어 마이컴 PIC16F88의 펌웨어 흐름도

(EEPROM을 사용하는 경우)

주파수 특성 추구는 적당히 한다

어떤 주파수에서 게인을 기준(0dB)으로 하고 다른 주파수 게인을 그리면 그 앰프의 주파수 특성을 얻을 수 있다. 오디오에서는 적어도 가청 대역인 20Hz~20kHz, 여유를 보면서 DC~수백kHz까지 주파수 특성이 평탄한 앰프가 좋다고 알려져 있다.

단, 증폭단을 늘리고 게인을 가동하여 왜곡률 향상을 노리면, 안정도를 확보하기 위해 위상 보상이 무거워져 고역 특성이 나빠진다. 반대로 저역 주파수 특성을 늘리면 신호 전환 시 노이즈 등의 원인이 된다. <>

스위치 조작의 마이컴 제어 전자 볼륨

전자 볼륨은 저항, 스위치, OP 앰프만 조합한 단순한 구성으로 되어 있다. 전자 볼륨 IC에서는 이러한 스위치를 마이컴으로 제어한다. 일반적인 전자 볼륨 회로는 그림 20과 같다.

▲ 그림 20. 일반적인 전자 볼륨 IC의 내부 회로

1. 회로 설계

(1) CR 부품의 상수

Rin은 10k~100kΩ으로 한다. Rin과 Cin 사이에서 CR의 하이 패스 필터를 형성하므로 컷오프 주파수 fC는 다음 식과 같이 된다.

여기서 fC는 1Hz 정도 이하로 한다. Cin이 클수록 저역 특성이 좋아지지만, 전원 투입 시 Cin 전압이 안정되는 시간이 길어진다.

주파수 특성으로 결정할 경우에는 그림 21을 참고한다. Cout도 똑같은 방법으로 결정한다. 저항값은 다음 단 파워 앰프 등의 입력 임피던스를 참고한다.

▲ 그림 21. 버퍼의 입력 저항 Rin과 커플링 콘덴서 Cin은 HPF를

구성한다(주파수 특성에서 Cin을 설정한다)

(2) 감쇠량을 정하는 R1~R3의 저항값

R1, R2, R3의 게인 조정용 저항을 결정한다. 음성 신호가 대수 변화로 출력되도록 설정하지만 단순히 저항을 직렬로 접속하여 0dB~－80dB를 조정할 수 있도록 하면 0dB 부근과 －80dB에서 1000배 정도 값이 다른 저항이 필요하다. 그래서 가능한 한 비슷한 저항값이 되도록 연구한다.

그림 22에서 볼륨 전체의 임피던스를 10kΩ, 출력 게인을 －20dB라고 하면 다음과 같이 된다.

▲ 그림 22. 게인 조정 회로 1 … 입력

임피던스를 10kΩ으로 하고, 출력을

－20d B로 한 경우 (그림 20의 A를

발췌한 것)

여기서 R2＝10kΩ이라고 하면 다음과 같다.

R1＝9kΩ, R3＝4.737kΩ, R2/R3＝1kΩ

R2의 값을 전체 임피던스 10kΩ에 맞추면 그림 22의 회로는 그림 23에 나타난 회로로 치환할 수 있다. OUTPUT1은 INPUT의 －20dB 게인으로 출력하고, OUTPUT2는 INPUT의 －40dB 게인으로 출력한다. 마찬가지로 3종류의 저항 R1, R2, R3만으로 －20dB, －40dB, －60dB…와 같은 식으로 출력을 얻을 수 있다.

▲ 그림 23. 게인 조정 회로 2 … R2의

값을 10kΩ으로 설정한 경우

(3) 감쇠 스텝을 더 작게 한다.

R1을 분할하면 세밀한 볼륨단 수를 얻을 수 있다. 그림 24와 같이 R1의 저항값을 R1a, R1b로 분할하면 OUTPUT의 감쇠량 Gatt는 다음에 나타난 식으로 결정할 수 있다.

▲ 그림 24. R1을 R1a와 R1b로 분할하면 볼륨 단수로 세밀하게 할 수 있다

Gatt＝20log(R1a/10kΩ)

표 2는 Gatt[dB]를 1dB마다 설정한 경우의 저항값을 나타낸 것이다. 20dB 이하로 하고자 할 경우에는 R3를 추가하고, 다시 R1a에서부터 반복한다. 감쇠량은 －80~100dB이면 충분하다. 

그림 20과 같이 증폭 측 스위치를 추가하면 ＋20dB까지 증폭 측 게인 설정을 겸할 수 있다.

▲ 표 2. 감쇠량이 1dB 스텝으로 되는 저항값 설정

(4) 조립

좌우의 음량 밸런스가 무너지지 않도록 L 채널과 R 채널의 저항 편차를 ±0.1% 이하로 한다. OP 앰프는 오프셋이 낮은 것으로 한다. 오프셋 전류가 Rin이나 ATTR에 흘러들어가 DC 오프셋 전압으로 되어 감쇠량을 전환했을 때 쇼크 노이즈가 발생하기 때문이다. 또한, 음성 신호의 최대값 2VRMS를 여유 있게 다룰 수 있는 10V(±5V) 이상의 전원전압에서 동작하는 것을 선택한다. 스위치는 CMOS 타입의 아날로그 스위치(4066 시리즈 등)로 한다. 저항은 정밀도나 온도 특성, 가격 면에서 금속 피막 저항을 이용했다.

(5) 쇼크 노이즈 대책

완성 후 음성 신호를 입력하지 않고 감쇠량을 변환하여 ‘붑’하는 노이즈가 발생할 경우, IC1에서 DC 오프셋 전압이 발생한 것이다. 100㎌ 정도의 콘덴서를 삽입한다. IC1은 계산상 0V를 출력하지만 실제로는 1mV 이상 또는 －1mV 이하가 출력되는 경우도 있다.

이 전압을 GND와의 사이에서 저항 분압하므로 감쇠량을 변환했을 때 DC 전압이 변동하여 노이즈가 발생한다.

2. 업다운 시의 노이즈 대책

그림 25와 같이 파형 정점에서 감쇠량이 변환되면 큰 노이즈가 발생한다. 그림 26과 같이 동작점 중심에서 변환하는 제로크로스 변환 방법으로 대책을 세운다.

▲ 그림 25. 어떤 대책도 세우지 않으면 감쇠량이 바뀔 때 노이즈가 발생한다

▲ 그림 26. 감쇠량 변경 시 노이즈가 나오지 않는 제로 크로스 변환 사용

콤퍼레이터 등으로 동작점을 검출하는데, 제로점 검출 정밀도 문제나 급격한 음량 변화, 낮은 주파수가 많은 음악 등에서는 검출할 수 없다. 그 외에도 일단 감쇠량 변화를 작게 하여 여러 회로 나눠 변환하는 방법이나 트랜지스터의 선형성을 이용한 것 등이 고안되고 있다. <> 

스테레오 좌우의 회로는 가능한 한 멀리 한다

스테레오에서는 좌 채널과 우 채널이 독립되어 있으므로 이론적으로 각각의 신호가 독립적으로 출력되지만, 실제로는 전자 회로 내에서 간섭이 일어나 좌 채널 신호 성분이 우 채널에서 흘러나오거나 반대되는 현상 등이 발생한다. 이러한 채널 간 간섭을 채널 세퍼레이션이라고 한다.

좌우 채널 배선이 가까우면 도체 사이에 공기를 두고 콘덴서를 형성하여 주파수가 높을수록 상호 배선에 신호 성분이 혼입되기 쉬워진다.

채널 세퍼레이션을 향상시키는 노하우로는 좌 채널과 우 채널 회로를 가능한 한 멀리두거나 임피던스가 높은 배선을 설치하는 것, 또는 대전류가 흐르는 곳에서 공통 임피던스를 갖지 않도록 한 점 어스로 처리하는 방법 등이 있다. <>

IC vs 저항체

전자식 볼륨 IC의 예로 사진 A의 BD3464FV(롬)를 들 수 있다. 내부 구성은 그림 A와 같다. 

▲ 사진 A. BD3464FV의 외관

▲ 그림 A. BD346FV의 내부 블록

다채널 볼륨의 최대 문제는 채널 간 음량 오차이지만, IC를 사용하면 각 채널의 음량 편차 조정이 필요 없다. 또한, IC라면 경년 변화를 억제할 수 있다. 단점은, 확실히 조정된 저항체 볼륨에 대해 잡음이나 왜곡에서 한 발 양보해야 한다는 점이다. 또한, 마이컴에 의한 제어 회로도 필요하다. 

<>

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.