현재의 오디오 상황은 하이엔드와 PC-FI가 공존하는 듯하다. 오디오 소스기기로는 DSD와 24비트/192kHz 음악 파일을 재생할 수 있는 파일 플레이어가 주력 기기로 대두되고 있다. 하지만 오디오 앰프 부분은 아직도 또 먼 미래에 있어서도 반도체 및 진공관을 사용한 형태가 그대로 유지·발전될 전망이다. 이번 연재를 통해 오디오 기기의 근간이 되는 트랜지스터, FET 및 OP AMP를 사용한 반도체 오디오 앰프에 대한 이해와 이를 사용해 앰프 및 소스기기를 설계·제작하고자 하는 분을 위한 기술적 토대를 제공코자 한다. 가급적 수식은 자제하고, 평이하게 기술해 누구라도 쉽게 이해할 수 있도록 했다.
1. 주요 오디오용 OP AMP
오디오용으로 사용할 수 있는 OP AMP는 많지만, 디지털 오디오 시대에 있어 우수한 특성을 보이는 것을 제조사별로 나열하면 <표 1>과 같다. 그중 많이 사용되거나 특출난 성능을 가진 OP AMP를 중심으로 그 특성과 응용 회로의 예를 알아본다. OP AMP를 선택할 때에는 인터넷으로 해당 OP AMP의 데이터 시트를 구해서 꼼꼼히 읽어 볼 필요가 있다. 보통 PDF 파일 형태로 제공되는데, 여러 가지 제원 및 특징, 회로 설계 시의 유의해야 할 점, 그리고 대표적인 응용 회로까지 제공되는 매우 중요하고 유용한 자료이기 때문이다.
가. AD797
아날로그 디바이스가 설계, 제조하는 AD797는 오디오 회로에 사용하는데 있어 매우 우수한 OP AMP이다. 특히 잡음 스펙트럼 밀도가 0.9nV/√Hz라는 초저잡음 특성과 20V/㎲의 높은 슬루 레이트, 110MHz의 넓은 주파수 대역 특성은 다른 OP AMP에서는 찾기 힘들 정도이다. 극히 높은 S/N비가 요구되는 마이크 앰프, 믹서, 포노 EQ 앰프 등의 회로에 사용하기에 최적이다. 이외에 수중 소나(Sonar) 및 지진 탐지용과 같은 극히 높은 S/N비가 요구되는 곳에서도 사용된다.
●특성
AD797의 최대 특징의 하나가 초저잡음 특성이다. <그림 1>에 데이터 시트의 일부 발췌한 부분을 나타냈는데, 이 데이터 시트에는 잡음 스펙트럼 밀도가 1KHz 주파수에 있어 0.9nV/√Hz(표준)이며, 최대 1.2nV/√Hz를 넘지 않는 특성을 특별히 보장하고 있다. 이는 일반적 오디오 회로에 사용하는 NE5532가 5nV/√Hz인 것과 비교하면 매우 낮은 수치라는 것을 알 수 있다.
최악의 경우를 가정해 입력 환산 잡음 전압 실효치를 2V 기준 출력으로 S/N비를 계산해 보면, 오디오 주파수 20KHz 대역에 대해
<그림 2>는 AD797의 내부 간략 블록 다이어그램이다. 초단에 높은 GM의 차동 증폭 회로를 배치한 후, 후단에 버퍼 기능을 하도록 설계되어 있다. 이런 회로 구성에 따라서 저 임피던스 광대역 특성을 실현시킬 수 있게 되었다. 또한 초단 증폭 회로의 커런트 미러(Current Mirror) 노드에 귀환 콘덴서 CN을 걸어서 신호의 비직선성을 개선해 -110dB의 낮은 왜율(THD)을 자랑한다.
●AD797의 응용 회로
AD797은 오디오 회로 어느 부분에서나 다 사용할 수 있는 만능적인 OP AMP이지만, 특히 초저잡음 특성을 잘 살릴 수 있는 곳이 MC 포노 카트리지의 0.1~1㎷ 정도의 낮은 신호 출력을 증폭시키는 MC 헤드 앰프(또는 프리 프리앰프) 회로이다. <그림 3>에 응용 회로를 표시했다. 이 회로를 통해 약 10배(20dB)의 증폭이 이루어지는데, 이 회로의 가장 큰 특징은 밸런스 입력 구성을 통해 더 정확한 신호 증폭을 이룰 수 있다는 것이다. 그라운드 측에 접속 단자를 설치해 일반적인 구성으로 사용하는 것에도 대응했다.
0.9nV/√Hz라는 초저잡음 잡음 스펙트럼 밀도 특성으로 입력 환산 잡음은 20KHz에서 127㎵가 되고, 출력 잡음은 11배 증폭이 되어 1.406㎶가 된다. 출력 신호 레벨을 5㎷(10배 증폭)로 하면 표준 SNR은 68.6dB이 된다. 이 AD797의 이득 대역폭은 10MHz로 매우 넓기 때문에 발진을 일으키기 쉽다. 따라서 입력 저항 220Ω과 함께 귀환 콘덴서 4700㎊으로 150KHz 이상의 대역을 차단했다.
<그림 4>는 또 하나의 중요한 적용 가능한 부분인 포노 이퀄라이저 회로에 이 AD797을 적용한 예이다. 오디오 특성에 있어 잡음, 왜율, 주파수 특성이 주요하지만, 현재 주목받고 있는 것이 DC 앰프로 구성할 수 있는가의 여부이다. 이 회로에서는 입력단에 커플링 콘덴서가 없는 DC 앰프로 구성되어 있다. 이 회로의 DC 이득은 단순히 계산하면
한편 RIAA 특성에 따라 AC 이득은 1KHz에서 약 35dB(56배)이 되고, 입력 환산 잡음 값으로 출력 잡음은 20KHz 대역에서
입력되는 신호 레벨을 5㎷라고 한다면 출력 신호 레벨 ES는
나. OPA604
●특성
OPA604는 버 브라운(현재는 텍사스 인스트루먼트로 합병)이 FET 트랜지스터를 근간으로 설계 단계부터 오디오용을 목적으로 개발한 제품이다. 데이터 시트 중에서 중요한 부분은 <그림 5>에 표시했지만, 그중에서 특기할 만한 것은 ‘THD+N : 0.003%, 입력 환산 잡음 : 10nV/√Hz, 이득 대역폭 : 20MHz’라고 할 수 있는데, 전원 전압으로서 ±24V까지 사용할 수 있다는 점도 특기할 만하다. 넓은 전원 전압으로 대진폭 레벨의 신호를 600Ω의 낮은 부하도 드라이브할 수 있는 능력도 함께 갖고 있다.
<그림 6>은 OPA604의 간략 등가 회로로, 초단은 차동 입력 회로로 FET를 사용했고, 둘째단 및 출력단도 역시 FET로 구성되어 있는 등 FET가 기본적으로 신호 증폭계에서 사용되고 있다. 하나의 특징은 둘째단의 차동 회로에 ‘왜율 제거 회로(Distortion Rejection Circuit)’라고 하는 동작점과 귀환 회로를 최적화시켜 왜율이 최소화되도록 동작하게 하는 회로가 들어가 있는 것이다. 이에 따라 상당히 낮은 THD 특성을 보여 준다. 또 하나의 특징은 오픈 루프 이득이 그리 크지 않다는 점이다. 평균적으로 100dB, 낮게는 80dB 정도로 작아서, 높은 이득을 요구하는 회로에는 그리 적합하지 않다.
음질적으로는 FET를 사용한 관계로 전달 특성 곡선 상에서 보아도 알 수 있듯이 고조파 왜율이 2차, 4차, 6차와 같은 짝수 차만이 나오기 때문에, 홀수 차 및 짝수 차 왜율이 모두 나오는 바이폴라 트랜지스터를 사용한 OP AMP에 비해 왜율이 낮다. 전달 특성 곡선도 진공관의 것과 닮은 점이 많고, 음질적 경향도 따듯하지만 맺고 끊음이 확실한 음이라는 평가를 받고 있다.
OPA604의 오디오 회로 적용에 있어서 다른 OP AMP에 비해 우월한 부분이 대진폭 신호에 대한 처리 능력이다. OPA604의 데이터 시트에 보면 600Ω의 부하 조건에서 ±12V의 출력 전압을 낼 수 있다고 명시되어 있다. 이는 전원 전압이 ±15V 하에서 가능한 것으로, 공급 전압보다 3V 낮은 전압까지 출력 전압이 나올 수 있음을 의미한다. OPA604의 최대 적용 가능 공급 전압은 ±24V이기 때문에 최대로 얻을 수 있는 신호 전압의 크기는 대략 40V 정도까지도 가능하다. 주파수 응답 특성도 400KHz까지는 평탄하고, 슬루 레이트도 20V/㎲ 정도로 양호한 편이다.
●OPA604의 응용 회로
OPA604의 최대 특징의 하나인 대진폭 신호 처리 능력을 600Ω의 비교적 낮은 부하도 잘 구동할 수 있다는 점에서 프로용 오디오 회로에서 자주 사용하는 싱글 엔드 신호를 차동(밸런스드) 신호로 바꾸어 드라이빙할 수 있는 회로를 <그림 7>에 소개한다. 이 회로의 신호 이득은 2배이며, 비반전과 반전 증폭 회로로 구성되어 있는데, 600Ω의 밸런스드 케이블을 드라이브할 수 있다. 케이블의 정전 용량에 따른 신호 왜곡을 보상하기 위한 보정 회로(22Ω과 0.22㎌)를 추가해 최대 5000㎊의 용량성 부하도 드라이브할 수 있게 했다. 사용 전원 전압은 ±18V이기 때문에 ±12VP-P 진폭 크기의 신호를 잘 다룰 수 있고, 100KHz 이상의 주파수 영역까지도 평탄한 특성을 갖고 있다. 오프세트 전압은 ±1㎷ 정도이기 때문에 이 회로에서는 거의 영향을 미치지 않는다.
<그림 8>은 OPA604의 특징인 대진폭 신호 드라이브 능력을 이용해 진공관 파워 앰프의 입력 신호부와 드라이브 회로를 구성했다. 2A3 싱글 파워 앰프의 입력단에 진공관 대신 OPA604를 사용했는데, 전원 전압을 ±22V로 했기 때문에 ±18V(36VP-P) 정도의 대진폭 신호를 얻을 수 있다. 비반전 회로 구성으로 이득은 약 10배(20dB)를 얻도록 설계되어 있기 때문에 일반적인 라인 입력 2V(5.66VP-P)에 대해 출력단 진공관 그리드에 충분한 진폭으로 드라이브할 수 있다. 입력은 직류 전압의 유입을 방지하기 위해 커플링 콘덴서를 통하도록 했으며, 10KΩ의 볼륨을 통해 음량 조절을 가능하도록 했다. 한편 귀환 회로에는 27Ω의 저항과 22㎊의 콘덴서로 위상 보정을 했다. 잡음 특성은 1.56㎶의 입력 환산 잡음 레벨을 11배의 잡음 이득을 얻게 됨에 따라 OP AMP의 출력단에서의 잡음 출력은
이 되어 저잡음으로 충분한 드라이브 능력을 갖게 됨을 알 수 있다.
다. NE5532
●특성
NE5532는 상당히 오래 전에 텍사스 인스트루먼트에서 개발된 OP AMP로서, 현재는 텍사스 인스트루먼트와 일본의 JRC에서 주로 생산된다. 5532가 듀얼형, 5534가 싱글형이다. 앞의 NE는 텍사스 인스트루먼트, 그리고 MJM이 붙으면 일본의 JRC에서 제조된 것을 나타내는데, 거의 동등한 특성을 갖고 있다. 또한 말미에 A또는 D의 기호가 나타나는 경우가 있는데, 이것은 우수한 잡음 특성 선별품을 표시한 것으로 잡음 최대치를 보증한다.
<그림 9>에 NE5532의 데이터 시트에서 발췌한 주요 특성 규격을 나타냈다. 오프세트 전압은 0.5㎷, 바이어스 전류는 200㎁로 나와 있는데, FET 입력에 비해서 바이어스 전류가 상당히 큰 것을 알 수 있다. 하지만 신호원의 소스 임피던스가 아주 크지 않는 한 사용에 별 지장이 없고, 오프세트 전압도 일반적인 OP AMP의 수준이다. 오픈 루프 이득은 600Ω의 부하 조건에서 94dB, 2KΩ 부하 조건에서 100dB 정도이고, 이득 대역폭은 10MHz 정도로, 또한 슬루 레이트도 9V/㎲으로 오디오용으로 사용하기에 충분한 수치를 갖고 있다.
NE5532의 가장 큰 특징의 하나가 저잡음 특성이다. 1KHz에서의 입력 환산 잡음은 5nV/√Hz로 나와 있는데, 이 잡음 스펙트럼 밀도를 20KHz 오디오 전 대역에 있어서 실효값으로 변환하면
한편 NE5534는 싱글형으로, 오프세트 전압을 별도로 조정할 수 있어 고이득 DC 앰프 등 정밀하게 오프세트 전압을 조정할 필요성이 있는 경우에도 사용이 가능하다.
<그림 10>은 NE5532의 내부 등가 회로도이다. 바이폴라 트랜지스터 구조로 되어 있으며, 초단은 NPN 트랜지스터의 저항 부하 + 정전류 소스 구성의 차동 증폭 회로로 되어 있다. 모두 3단 구성으로, 일반적인 OP AMP의 구성과 거의 같지만, 커런트 미러 회로와 잘 조합시켜 전체적인 밸런스를 잘 잡도록 했으며, 국부적으로 귀환 콘덴서를 사용해 왜율을 낮추도록 구성되어 있다.
한편 NE5532 사용에 있어 유의할 점은, 바이폴라 트랜지스터형이므로 입력 임피던스가 낮다는 점이다. 데이터 시트에 따르면 평균 100KΩ, 최소 30KΩ으로 나와 있는데, 이와 같이 낮은 임피던스로 사용상의 제약이 따를 수 있다. 그리고 사용 전압은 ±5~22V로 넓지만 ±15~18V에서 사용하는 것이 가장 좋은 특성을 얻을 수 있다.
●NE5532의 응용 회로
NE5532는 오디오용으로 여러 방면에서 사용할 수 있지만, 디지털 회로에서 빠질 수 없는 DAC와 결합해 아날로그 신호로 출력하는 부분에서의 응용에 대해서 살펴보자. <그림 11>은 일반적인 DAC 이후 차동 I/V 변환과 이를 싱글 엔드로 출력하는 회로의 개념도이다. OP AMP의 A1, A2는 차동 전류 출력에 대응하는 I/V 변환 회로이며, 각각의 입력 환산 잡음을 en1, en2라고 하고, 잡음 증폭율을 G1, G2로 한다. 그리고 A3는 차동 입력 싱글 출력 변환 앰프로, 역시 입력 환산 잡음을 en3, 잡음 증폭률을 G3라고 하면, 종합 출력 잡음은 다음과 같은
여기서 I/V 변환 회로와 밸런스-싱글 출력 변환 회로의 잡음 이득을 1이라고 취급해도 무방하므로 간략히 하면 위의 식은
<식 1>를 사용해 <그림 11>의 회로에 NE5532를 사용했다고 가정하면 입력 환산 잡음은 5nV/√Hz이기 때문에 20KHz 오디오 대역에서의 실효 잡음 값은 N=707㎵가 되어
<그림 12>는 텍사스 인스트루먼트에서 나온 DAC인 PCM1792A와 조합한 아날로그 변환 회로로, 차동 입력을 싱글 엔드 출력으로 바꾸어 주고, 동시에 능동형 LPF(Low Pass Filter)를 구성한 예이다. 이 회로의 이득은 입력 대 귀환 저항의 비로 결정되는데, 330Ω/680Ω의 비율을 통해서 약 1/2 정도가 된다. 이것은 I/V단에서의 변환 후 전압이 높기 때문에 2V 정도의 기준 출력에 맞추어 주기 위함이다.
라. OPA627
●특성
OPA627은 OPA637과 함께 버 브라운(현재는 텍사스 인스트루먼트)에서 나온 싱글형 고속 OP AMP 모델이다. 데이터 시트에 따르면 이 OP AMP는 ‘Precision High Speed Difet Operational Amp’라고 하면서, 특히 오디오용으로 개발되었음을 강조하고 있다. 이와 같은 고속, 저잡음, 저THD 특성은 버 브라운이 독자적으로 개발한 Difet 프로세스를 사용하기 때문인데, 이것은 ‘Dielectrically Isolated FET’라고 하는 프로세스로, 반도체의 실리콘칩 생성에 있어 FET 디바이스를 실리콘 Die에서 분리되어 있는 구조를 갖게 했기 때문에 붙여진 이름이다. 이 프로세스는 제조 공정이 복잡해 가격이 비싸긴 해도 오디오용으로 사용하기에 최적인 우수한 특성을 낼 수 있다.
OPA627은 이득 1, 즉 유니티 게인에서 안정 동작을 하며, 이득 대역폭은 10MHz이며, OPA637은 G≥4에서 안정 동작, 이득 대역폭은 80MHz를 갖는 두 가지 형태로 발매된다. 오프세트 전압과 바이어스 전류의 최대치에 따라 A형과 B형으로 나뉘며, 동작 온도의 범위, 그리고 패키지의 형태에 따라 다른 형번이 붙는다. 특이한 것은 현재는 잘 생산되지 않는 메탈 케이스 형태의 TO-99형의 것도 있다는 것이다. 하이엔드 오디오용으로 사용하는 것을 고려한 듯하다.
OPA627의 특성을 살펴보면, 오프세트 전압 및 바이어스 전류가 A형과 B형에 따라 다르다. 일반적인 A형은 각각 280㎶, 2㎀이고, B형은 100㎶, 1㎀이다. 일반적인 오디오용으로 사용에 있어서 A형도 충분히 사용할 수 있는 정도의 오프세트 전압을 가지고 있다. 더 정밀한 오프세트 전압 조정은 외부에 포텐셔미터(고정밀 반고정 저항)를 통해 쉽게 조정이 가능하다. 바이어스 전류도 다르지만 입력부가 FET 소자로 되어 있어서 바이어스 전류가 매우 낮아 일반적인 오디오용으로 사용함에 있어서는 전혀 문제가 되지 않는다.
<그림 13>은 OPA627의 잡음 특성을 포함한 주요 특성을 알 수 있도록 데이터 시트에서 발췌한 것이다. 잡음 스펙트럼 밀도는 A, B형이 각각 5.6nV/√Hz, 5.2nV/√Hz로 나와 있다. 이를 오디오 대역인 20KHz 대역에 있어 잡음 실효치를 구해 보면
OPA627의 가장 큰 장점의 하나는 탁월한 다이내믹 특성에 있다. OPA627은 유니티 게인(이득이 1) 대역폭이 16MHz에 이르고, 100KHz 주파수에 있어서는 오픈 루프 게인이 50dB을 보인다. 슬루 레이트도 평균 55V/㎲ 정도로 크기 때문에 대진폭, 고주파수 신호에 대한 대응 능력을 잘 갖추고 있다. 이 때문에 DAC 출력 회로에 사용함에도 아주 좋은 OP AMP이다. 특히 이 OPA627은 세틀링 타임(Settling Time)이라고 하는 특성(규정된 정도(精度)에 들어가는데 필요한 시간)이 우수하다. 0.01% 정도에 들어가는 세틀링 타임이 550㎱이라고 규정되어 있는데, 이 정도의 수치는 CD가 사용하는 16비트의 정도(0.0015%)인 1㎲ 안에 들어와야 한다는 요구 조건을 충분히 만족시킨다. 이러한 특징은 DAC 후단부의 I/V 회로에 적용에 이 OPA627이 아주 적합하다는 것을 증명한다.
THD+N 특성도 매우 중요한 특성인데, OPA627은 0.00003% (이득이 1인 상태)라는 매우 낮은 값을 갖고 있다. 실제 오디오 회로에 있어 0.001% 미만이면 크게 문제없이 사용할 수 있다. 이런 낮은 값은 잠수함의 소나(Sonar) 탐지기와 같은 극히 낮은 잡음을 요구하는 회로에도 잘 적용할 수 있을 정도이다.
<그림 14>는 OPA627의 개략 등가 회로이다. 입력부는 Difet 프로세스를 통한 FET 입력을 캐스코드(Cascode) 접속해 능동형 부하 구성을 통해 광대역 특성을 실현시키고 있다. 다음 단은 커런트 미러(Current Mirror)이고, 이곳에서 드라이브단, 최종 출력단으로 접속되어 있다. 커런트 미러 회로 일부에는 국부 귀환이 걸려 있어 위상 보정을 한다. 특히 오프세트 전압을 낮추기 위해 고정밀 피막 저항에 레이저 트리밍 기법을 구사하는데, 이는 반도체 웨이퍼에 직접 전원을 넣은 상태에서 오프세트 전압 값이 최적 값이 되도록 미세 조정하는 기술이다.
●OPA627의 응용 회로
OPA627이 오디오 회로 중에서 가장 실력을 발휘할 수 있는 분야가 DAC 회로 후단부의 I/V 변환 회로이다. THD+N 특성이 좋은 점도 있지만, 멀티 비트형 DAC 동작 샘플링 레이트에 대응하는 동작 속도를 가진 다이내믹 특성이 좋은 점이 특히 그러하다.
<그림 15>는 일반적인 멀티 비트형 DAC 회로 구성 블록 다이어그램과 동작 속도를 표시했는데, 보통 DAC 전단에서 디지털 필터를 통하여 8배 오버 샘플링을 하기 때문에 기준 샘플링 레이트 fS의 8배 속도로 동작한다. 따라서 기준 샘플링 레이트가 48KHz, 96KHz일 때 실제 동작은 이의 8배 속도로 하므로 그것을 시간 변환해 보면 각각 2.604㎲, 1.302㎲이 되는데, OPA627은 0.0015% 정도에서 세틀링 타임이 1.25㎲이기 때문에 상기의 동작 속도에 충분히 대응하는 고속 응답성을 갖고 있음을 알 수 있다. 다른 OP AMP는 이 세틀링 타임에 대한 값을 제시하지 않고 있거나, 있어도 충분하지 않은 경우가 많으므로 위와 같은 멀티 비트형 DAC 회로에 사용에 있어서는 주의를 요한다.
<그림 16>은 PCM1704 DAC와 조합한 OPA627을 통한 I/V 회로의 예를 나타내었다. 귀환 저항과 병렬로 접속된 콘덴서는 과도 응답 성능을 보정하기 위한 것으로 대략 22~100㎊ 용량의 콘덴서를 붙여 준다. 또한 전원 디커플링 콘덴서도 최대한 거리를 짧게 해 그라운드와 연결한다.
최신의 DAC인 PCM1792A 등과 같이 사용할 경우 이 DAC의 잡음 레벨이 127dB 정도여서 OPA627의 124~125dB(20KHz 대역에서)보다 더 낮기 때문에 총체적인 S/N 레벨은 OPA627에 의해 지배되게 된다는 점이 다소 마음에 걸리기는 하나, 이를 상쇄할 좋은 다이내믹 특성을 갖고 있고, 이 정도의 높은 S/N비 대역에 있어서는 수dB의 잡음 레벨 차는 오디오 회로에 있어 크게 문제가 되지 않는다.
OPA627의 음질은 주관적이긴 하지만 스트레이트하고 시원시원하며 와이드 레인지한 동시에 적당한 파워감을 갖고 있다는 평을 받고 있다. 이는 Difet 프로세스를 통한 초단 FET 구성 때문인 것으로 생각된다.
