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04 반도체 오디오 앰프의 이해와 설계 제작
글 이재홍 2015-08-01 |   지면 발행 ( 2015년 8월호 - 전체 보기 )



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.

마. LT1115
LT1115는 리니어 테크놀로지 사가 오디오용을 염두에 두고 개발한 NE5534 타입의 OP AMP로, 싱글형만 발매하고 있다. 데이터 시트에도 명시되어 있듯이 초저잡음, 저왜율의 오디오 OP AMP인데, 잡음 스펙트럼 밀도 값이 0.9㎵/√㎐밖에 되지 않아 초저잡음용의 용도, 즉 마이크 프리앰프나 포노 앰프의 RIAA 회로에 사용하기 아주 알맞다.
LT1115의 핀 배치를 살펴보면, DIP형은 8핀으로 일반적이지만, 오프세트 전압 조정 단자와 5번 핀에 ‘Over Compensation’이라는 대역 보상용 콘덴서 접속 단자가 설치되어 있는 것이 특징이다. 그것은 대역 보상을 통해 단형파(Rectangular Wave) 응답에 있어서 오버 슈트(Over Shoot)와 언더 슈트(Under Shoot)의 양을 보상해 파형을 개선하려는 목적으로 설치되어 있는 것이다.
LT1115의 데이터 시트에 의하면 오프세트 전압은 ±75㎶, 온도 드리프트는 0.5㎶/℃로 규정되어 있는데, 오프세트 전압은 최악의 경우에도 1㎷ 미만이어서 대부분의 오디오 회로에서는 문제가 되지 않을 정도이고, 더 낮은 오프세트 전압이 요구되면 오프세트 단자에 반고정 저항을 통해 최소화되도록 하면 된다. 또한 바이어스 전류는 ±70㎁로 나와 있는데, 일반적인 FET 입력 소자의 OP AMP에 비해 높기 때문에 입력 저항을 가능한 적게 되도록 하는 것이 유리하다.
LT1115의 적정 전원 전압은 ±18V이지만 최대 ±22V까지 사용할 수 있어 다른 OP AMP보다는 약간 높은 전압을 사용한다. 이는 프로용 오디오 기기나 방송용 기기에서의 사용을 염두에 두고 개발되었기 때문으로 생각된다. 가장 좋은 특성은 15~18V의 전원 전압을 사용할 때 얻어진다. 출력 전압은 출력 신호 진폭과 부하 조건에 따라 다르지만 ±18V 전원 전압을 사용할 때 무 부하에서는 ±15V, 600Ω 부하에서는 ±10V 정도를 얻을 수 있다.
LT1115의 가장 큰 특징 중 하나는 초저잡음 특성인데, 데이터 시트에는 특별히 ‘100% Tested’라고 명기되어 있다. 일반적으로 잡음 스펙트럼 밀도가 0.9㎵/√㎐이고, 최대 1.2㎵/√㎐를 넘지 않는다고 되어 있다. 이를 20KHz 오디오 대역에 있어서 입력 환산 잡음 값을 구해 보면 

  이 된다. 기준 출력 전압 2V에 대해 S/N비를 구해 보면 
이 된다. 이런 값은 OP AMP 중에서 가장 낮은 값이라 생각된다. 다만 실제 회로에 있어 잡음은 입력 신호원 저항에 따라 많이 좌우되므로 적정한 값이 되도록 해야 LT1115의 초저잡음 특성을 충분히 살릴 수 있다.
LT1115의 이득 대역폭은 70MHz로 상당히 광대역이며, 슬루 레이트도 15V/㎲로 고속 응답성을 겸하고 있다. 다만 위상 특성이 그리 좋지 않기 때문에(특히 2~8MHz 부근에서) 귀환 루프에 위상 보정용 콘덴서를 같이 병렬로 연결해서 사용해야 안정적인 동작을 얻을 수 있다.
핀 5번과 출력 사이에 단형파 응답 특성 개선을 목적으로 콘덴서를 부착할 수 있다. 콘덴서 용량이 커질수록 이득과 슬루 레이트는 작아지지만 더 안정적이고 깨끗한 응답 특성을 얻을 수 있다. 최적치는 30㎊ 정도로 추정되지만, 대략 10~47㎊ 정도의 콘덴서를 사용하면 된다.
LT1115의 데이터 시트에는 다른 OP AMP에서는 잘 표시하지 않는 상호 혼변조 왜율(IMD : Inter Modulated Distortion)이 THD+N의 잡음 값과 함께 규정되어 있다는 점이 특색이다. IMD는 프로용 오디오나 통신 분야의 응용에서 많이 필요한 것인데, 일반 오디오 사용에서 중요한 THD+N은 ‘AV = 10, VO = 7V, RL =  600Ω’의 조건에서 0.002%로 나와 있다.

●LT1115의 응용 회로
LT1115의 최대 특징인 초저잡음 특성을 최대한 살릴 수 있는 부분은 미소 신호를 높은 이득을 얻도록 하는 부분으로, 실제 데이터 시트에는 많은 오디오용 응용 회로가 소개되어 있고, 첫 번째가 마이크로폰 프리앰프로 <그림 1>에 표시했다. 이 회로는 입력 임피던스는 150Ω, 10mVP-P의 차동 미소 신호를 2.92VP-P의 출력으로, 약 300배의 이득으로 증폭을 하는 회로다. 미소 신호를 다루는데다가 이득이 매우 크기 때문에 사용하는 부품의 품질 및 정밀도도 매우 좋아야 하는데, 0.1% 정도의 정밀도를 가져야 차동 앰프에 있어 CMRR(Common Mode Rejection Ratio)의 특성을 살릴 수 있다. 저항의 경우 적어도 1% 오차 급을 사용해야 70~80dB 정도의 CMRR 특성으로 동상 잡음을 효과적으로 제거할 수 있다. 그리고 핀 7과 4에 접속하는 전원 디커플링 콘덴서는 특히 낮은 ESR(Equivalent Series Resistor) 값을 갖는 오디오용을 사용하도록 지정되어 있다. 0.1㎌ 정도의 특성이 우수한 필름 콘덴서를 병렬로 같이 사용하면 더욱 좋은 결과가 얻어진다.


▲ 그림 1 데이터 시트에 제시된 마이크 프리앰프 회로도

<그림 2>에는 또 하나의 미소 신호를 큰 이득으로 증폭해야 하는 회로인 MC 카트리지용 프리-프리앰프 회로에 적용하는 경우를 나타내었다. 이 회로의 특징은 DC 서보 기능을 포함시켜 DC 오프세트 전압의 영향을 최소화시켰기 때문에 음질에 큰 영향을 주는 커플링 콘덴서를 사용하지 않고 있다는 점이다. 이 회로의 이득은 입력 저항 값의 차이(24Ω 또는 75Ω)에 따라 40dB 또는 30dB의 설정이 가능하다. 위상 보정을 겸해서 귀환 루프에는 100㎊의 콘덴서가 접속되어 있다. LT1115에서 본 신호원 저항 RS는 100Ω 미만의 저임피던스이기 때문에 LT1115 자신의 입력 환산 잡음이 증폭되어 출력 잡음이 된다. 하지만 이 값은 1㎶ 이하로 되기 때문에 저잡음 특성을 충분히 살리는 회로라고 할 수 있다.


▲ 그림 2 MC 카트리지용 프리-프리앰프 회로도

바. LME49860
LME49860은 내셔널 세미컨덕터 사에서 하이엔드 오디오용으로 개발한 OP AMP로, 데이터 시트의 제목에 ‘44V Dual High Performance, High Fidelity Audio Operational Amplifier’라고 적어 놓은 것과 같이 고성능, 고음질의 오디오용으로 개발된 듀얼 OP AMP이다. 전기적 특성으로는 잡음 특성, 대역폭, 왜율 등 주요한 파라미터의 밸런스가 아주 우수하고, 600Ω 부하를 잘 구동할 수 있다는 점도 특징이다. 그래서 대부분의 오디오 분야에 있어 거의 만능으로 사용할 수 있다.
LME49860의 DC 특성을 살펴보기 위해서 일단 DC 오프세트 전압을 보면 ±0.12㎷로 되어 있는데, 이 정도의 수치는 대부분의 오디오 회로에서 실용상 문제가 없을 정도이다. 한편 DC 바이어스 전류는 바이폴라 트랜지스터형이기 때문에 다소 높아 10㎁ 정도이다. 입력 임피던스가 높은 경우에는 사용에 있어 고려가 필요하다.
LME49860의 특징에서 특기할 만한 것이 140dB 정도로 매우 높은 오픈 루프 이득을 갖고 있다는 점이다. 이렇게 높은 오픈 루프 이득을 가졌기 때문에 부궤환(NFB)을 좀 크게 걸 수 있어서 THD+N 특성이 0.00003%라는 매우 낮은 값을 얻을 수 있다. 이 값은 여러 OP AMP 중에서 가장 낮은 값의 하나이다.
이득 대역폭도 일반적으로 50MHz, 최소 45MHz가 보장된 데다 위상 여유가 커서 안정적 동작도 예상된다. 또한 상호 혼변조 왜율(IMD) 값도 데이터 시트에 명시되어 있는 등 프로 오디오 분야 및 방송 분야에서의 요구에도 대응하고 있다.
LME49860의 잡음 특성은 1KHz 입력 환산 전압 잡음 값이 2.7㎵/√㎐라고 표준 값이 데이터 시트에 나와 있는데, 이를 20KHz 오디오 대역에서 잡음 실효치와 2V 출력 전압을 기준으로 해서 S/N비를 구해 보면 각각 381.8㎵, 134.4dB가 된다. 이러한 S/N비 값은 다른 OP AMP에 있어서는 달성하기 어려운 것으로, 높은 이득과 저잡음이 동시에 얻어지는 등 아날로그 오디오 회로에서 사용하기에 아주 적합하다.
AC 특성을 살펴보면 슬루 레이트가 ±20V로 규정되어 있어 오디오용으로 사용하기에 적당하며, 세틀링 타임도 1.2㎲로 규정되어 있는데, 이 정도의 값은 펄스성 신호를 다루는 데는 다소 문제가 있지만 아날로그 신호는 충분히 처리가 가능한 수준이다. 출력 신호 레벨에 있어서는 전원 전압을 다소 큰 ±22V 정도까지 사용할 수 있어 거의 40V에 육박하는 큰 신호 레벨로 600Ω의 낮은 부하를 드라이빙할 수 있는 특징을 갖고 있다. 단 용량성 부하를 드라이브하는 데는 다소 주의가 필요하다. 100㎊ 정도의 용량성 부하를 드라이브함에 있어 오버 슈트 율이 16%나 된다는 것을 데이터 시트에서 밝히고 있다.
PSRR(전원 전압 제거비)는 오디오 회로 사용에 있어 주요한 요소인데, LME49860은 20KHz 오디오 영역 내에서 100dB 이상이라는 아주 좋은 값을 보여 준다. 그렇다고 해서 전원 디커플링 콘덴서를 생략해서는 안 된다. 듀얼 구성의 LME49860의 양 채널 간의 크로스 토크(Cross Talk) 율은 오디오 전 대역에 있어 100dB 이상이기 때문에 두 회로 간의 상호 간섭은 무시할 수 있을 정도이다.
<그림 3>은 LME49860의 간략 등가 회로이다. 대체적인 구성은 일반적인 OP AMP와 거의 같다. 하지만 내셔널 세미컨덕터 사는 ‘High Integrated PNP’라는 고성능 프로세스를 통하여 저잡음, 광대역 특성을 양립시켰는데, 그 이유 중의 하나가 초단 차동 증폭 회로에 있어 매우 높은 이득을 갖도록 한 것이다. 이득을 높일 경우 콜렉터 전류가 증가하면 바이어스 전류가 커지고, 오픈 루프 이득이 칩 내의 열적 안정도에 따라 많이 의존되는 문제가 있는데, 이를 고성능 프로세스를 통해 해결했다는 점이 돋보인다.


▲ 그림 3 LME49860의 간략 등가 회로

●LME49860의 응용 회로
LME49860의 초저잡음, 높은 이득을 얻을 수 있는 장점을 잘 살릴 수 있는 부분이 포노 이퀄라이저 회로이다. <그림 4>에 포노 이퀄라이저 앰프 회로를 나타내었다. 이 회로는 1KHz에 있어 신호 이득은 35dB(AV = 56.23)로 설정했는데, 이때 입력 환산 잡음 실효값은 n = 0.33㎶가 된다. 입력 신호 레벨을 10㎷라고 하면 잡음 출력은 
 이 된다. 한편 출력 신호 레벨은 
이 되고, S/N비를 구해 보면  
이 된다. 이 정도 값이면 포노 이퀄라이저용으로는 충분히 우수한 값이라 할 수 있다. 낮은 THD+N 값과 함께 간단히 자작할 수 있으면서도 훌륭한 포노 이퀄라이저 회로를 LME49860을 사용해서 꾸밀 수 있음을 알 수 있다.


▲ 그림 4 포노 이퀄라이저 앰프 회로도

또 다른 응용 예로 <그림 5>에 톤 컨트롤 회로를 나타냈다. 저음과 고음을 1KHz 대역을 기준으로 해서 저역/고역 제어 주파수 fLB/ fLH로 3dB, 저역/고역 증감 주파수 fL / fH는 17~20dB 정도이다. 잡음 특성에 관해서는 110~120dB 정도의 높은 S/N비로 동작시킬 수 있다. 저역/고역의 각 주파수 특성은 <그림 6>에 나와 있는 계산식을 통해서 주파수 특성을 설계할 수 있다. 이 LME49860의 음질 경향은 그레이드가 높으면서도 솔직, 담백한 느낌을 준다는 평을 받고 있는 반면 다소 파워감이 부족하다는 평도 대중적으로 받고 있다.


▲ 그림 5 톤 컨트롤 앰프 회로도


▲ 그림 6 톤 이퀄라이저의 저역·고역 주파수 특성 계산식

사. OPA2134
OPA2134는 버 브라운 사가 개발한 듀얼형의 OP AMP로, 싱글형의 OPA134, 4개의 유닛이 든 OPA4134가 한 패밀리를 이루고 있다. 모두 FET 소자로 입력 회로가 구성되어 있는데, 전기적 특성의 밸런스와 가격, 특히 음질 면에서 좋은 평가를 받고 있다. 많은 오디오 메이커의 중·고급 오디오 기기에 많이 사용된다.
<그림 7>에 데이터 시트 중 주요 특성을 기술한 부분을 발췌했는데, 특히 오디오용을 중점으로 사용할 목적으로 개발되었음을 밝히고 있다. 다만 저잡음 OP AMP라고 해도 다른 오디오용 OP AMP(예를 들면 NE5532)보다는 다소 성능이 떨어진다. 특기할 만한 점은 슬루 레이트가 상당히 높다는 점으로, 동적 특성이 우수해 음질적으로도 좋은 방향으로 기여를 하는 것 같다.


▲ 그림 7 OPA2134의 데이타 시트 중 주요 특성


▲ 표1 NE5532와의 주요 특성 비교

OPA2134의 DC 특성으로, 우선 입력 오프세트 전압과 입력 바이어스 전류치를 살펴보면, 표준치를 각각 ±0.5㎷ 및 ±5㎀로 나타내고 있는데, 이는 FET 소자를 사용한 오디오용 OP AMP로서는 비교적 좋은 특성을 갖고 있다고 할 수 있다. 차동 입력 임피던스도 1013Ω/2㎊라는 꽤 높은 임피던스 특성을 갖고 있다. 오픈 루프 이득은 120~130dB로 고이득 OP AMP와 거의 같은 수준이다.
OPA2134의 잡음 특성을 알 수 있는 데이터를 살펴보면, 전압 잡음 스펙트럼 밀도 값이 8㎵/√㎐, 전류 잡음 스펙트럼 밀도 값이 3fA/√㎐로 나와 있는데, 전류 잡음은 거의 무시 가능한 정도이다. 하지만 전압 잡음 값은 저잡음이라고는 할 수 있지만, 초저잡음 OP AMP라고 하기에는 다소 높은 값이다. 20KHz 오디오 대역폭에 있어 입력 환산 잡음 실효값 Vn과 2V 정격 출력 시의 S/N비를 구해 보면 각각 다음 
  , 
와 같은 값을 얻을 수 있다. 이 정도의 S/N비는 저잡음 영역에 들어가지만 24비트 분해능을 가진 텍사스 인스트루먼트 사의 DAC인 PCM1792A의 127dB보다는 좋지 않은 값이다. 상기의 DAC 칩이 갖는 잡음 값을 살리기 위해서는 더 낮은 잡음 스펙트럼 밀도 값을 갖는 OP AMP를 선택해야 한다.
OPA2134의 가장 큰 장점은 우수한 동적 특성에 있다. 동적 특성을 좌우하는 요소로 오픈 루프 이득과 위상 특성이 가장 중요하고, 다음으로 슬루 레이트, 세틀링 타임, THD+N 특성이라고 할 수 있다. OPA2134의 오픈 루프 이득 대역은 8MHz로 오디오용으로는 충분한 대역을 갖고 있다. 특히 위상 부분에 있어서는 오디오 대역인 20KHz를 넘어서 100KHz까지도 위상 특성이 평탄한데, 이러한 특성은 오디오의 동적 특성을 우수하게 함과 동시에 음질적으로도 차별을 두게 하는 요소이다. 슬루 레이트도 20V/㎲으로 NE5532 계열에 비해 상당히 우수함을 알 수 있다. 단순하게 슬루 레이트만 높은 OP AMP의 경우 단형파 응답 특성에 있어 오버 슈트가 크게 생기기 쉬운데, 다행히 OPA2134의 경우는 0.01%의 정도에 대한 세틀링 타임이 1㎲라는 데이터 시트 값에서도 알 수 있듯이 상당히 고속이면서도 안정 동작함을 알 수 있다. 이 정도의 값은 현재 하이 레졸루션(High Resolution) 오디오 파일의 일반적인 규격인 96KHz 8배 오버 샘플링 데이터의 처리 한도인 1.3㎲ 이내에 충분히 들어오는 값으로, 고속 데이터 처리 기능에 있어서 상당히 우수한 OP AMP라고 할 수 있다. 또 하나의 OPA2134의 특성은 0.00008%라는 THD+N 왜율 특성에 있다. 하지만 전체적인 왜율과 잡음은 전압 잡음 스펙트럼 밀도 값에 더 많이 의존하는 경향이 많으므로 하나의 참고치 정도로 생각하면 좋다.
OPA2134에서 사용할 수 있는 전원 전압은 ±15V가 일반적이지만 ±2.5V에서 ±18V로 상당히 넓은 범위에서 사용할 수 있고, 소비 전류는 최대 4.8㎃가 넘지 않는다. 한편 600Ω의 낮은 부하도 잘 구동할 수 있다.

OPA2134의 응용 회로
OPA2134는 일반적인 오디오 분야에서 대부분 잘 사용할 수 있다. 하지만 초저잡음 특성을 요구하는 MC 포노 카트리지용 헤드 앰프나 마이크 프리앰프 회로에는 그리 좋은 선택이라고 할 수 없다. 대신 우수한 동적 특성을 잘 살릴 수 있는 DAC 이후 회로나 반대로 ADC(Analog to Digital Converter) 입력 부의 버퍼 회로 등에 사용하기에는 아주 좋다고 할 수 있다.
<그림 8>에는 텍사스 인스트루먼트 사에서 나온 8채널용 DAC 칩인 PCM1690의 후단에 차동 2차 LPF 겸 출력 앰프로 OPA2134를 사용하는 예를 들었다. PCM1690은 THD+N이 0.002%, 다이내믹 레인지가 113dB이기 때문에 OPA2134는 이와 조합해서 사용하기에 적당한 특성을 갖고 있다. 이러한 조합으로 홈시어터용 AV 리시버나 프리앰프가 요구하는 7.1채널 사운드를 쉽게 구현이 가능하다.


▲ 그림 8 DAC 출력 I/V 변환 및 LPF 회로

이 OPA2134는 다수의 오디오 메이커의 기기가 채용하고 있는데, 이는 일반적으로 음질이 타 OP AMP보다 더 우수하다고 생각되기 때문이다. 비교 대상인 NE5532 계열에 비해 명료도가 증가하고, 각 악기 간의 분리도가 향상되는 것 같이 느껴진다. 특히 관악기군의 파워감 증가와 현악기 음의 배음 증가 등에서 좋은 평가를 받고 있고, 음상의 정위, 와이드 레인지 감 등도 NE5532 계열보다 한 차원 높다는 느낌을 받게 된다.

아. MUSES8820
MUSES8820는 일본 JRC 사가 개발한 오디오용 듀얼형 OP AMP로, 여러 전기적 특성이 특출나게 우수한 것은 아니지만 전체적으로 밸런스가 잘 잡힌, 특히 청감상 우수하다고 알려졌다. 일본 쪽에 국한되어 판매되고 있는 것이 다소 아쉽다. 같은 MUSES8820 계열이지만 MUSES01, MUSES02라는 한정 형번도 있다. MUSES01은 FET 소자를 입력부에 사용한 모델이며, MUSES02는 MUSES8820과 같은 바이폴라 트랜지스터를 사용했지만 리드 프레임을 고순도 무산소동을 사용해 임피던스를 20% 정도 낮추었고, 회로 소자의 레이아웃도 좌우 밸런스를 조절하고, 어셈블리 과정에서도 본딩에 특수 공법을 사용하는 등 오디오적으로 좋은 특성이 나오도록 여러 가지 면에서 신경을 쓴 특제품이다. <그림 9>에 데이터 시트 중 특징적인 부분을 발췌했다.


▲ 그림 9 MUSES8820 데이터 시트 중 주요 특성

MUSES8820의 DC 오프세트 전압은 평균 ±0.3㎷, 최대 ±3㎷라고 데이터 시트에 나와 있는데, 이는 실용상 거의 문제가 되지 않는 수준이다. 한편 DC 바이어스 전류는 평균 5㎁, 최대 200㎁로 바이폴라 트랜지스터형 OP AMP의 일반적 수준이다. 오픈 루프 이득은 110dB이라고 나와 있지만, 측정 조건에 대한 기술은 없다(구미의 메이커에서 나온 OP AMP보다 데이터 시트에서 제공하는 정보량이 적고, 측정 조건에 대한 기술도 생략된 부분이 많다). THD+N 특성은 신호 주파수 1KHz, 회로 이득 AV = 10, 신호 출력 레벨 VO = 5V, 부하 저항 2KΩ의 조건에서 0.001%로 나와 있는데, 이는 다소 높은 값이긴 하지만 다행히 비직선성에서 생기는 THD 성분은 크게 높지 않다.
MUSES8820의 잡음 특성은 4.5㎵/√㎐으로 NE5532와 거의 비슷한 수준이다. 오디오 주파수 대역 20KHz에 있어서 잡음 실효값과 2V 출력 신호 기준으로 S/N비를 구해 보면 각각 636.4㎵와 129.9dB이 된다. 이 정도의 값은 마이크 프리앰프나 MC 카트리지용 헤드 앰프 등 미세 전압을 고이득으로 증폭하는 회로 이외의 대부분의 오디오 회로에서 사용하는 것에는 문제가 없다.
OP AMP의 동적 특성 중 슬루 레이트는 5V/㎲로 그리 나쁘지 않다. 데이터 시트 상에는 <그림 10>과 같이 과도 응답 특성 곡선이 온도 별로 그려져 있는데, 오버 슈트나 언더 슈트가 거의 보이지 않는 우수한 파형을 보여주고 있다.


▲ 그림 10 MUSES8820의 온도별 과도 응답 특성 곡선

MUSES8820의 또 하나의 특징은 매우 우수한 채널 분리도에 있다. 2개의 소자가 동일 패키지에 있지만, 회로의 레이아웃과 패키지 등에 있어 다른 OP AMP와는 차별화시킨 섬세한 공정을 통해 1KHz 주파수에서 140dB라는 매우 우수한 채널 분리도를 보여 준다.
MUSES8820은 600Ω과 같은 저임피던스 부하에 대한 구동에는 좋지 않고, 보통 수KΩ 대의 부하 조건에 대해 사용하는 것이 적당하다. 또한 PSRR(전원 전압 제거비)의 값도 평균 110dB, 최소 80dB로 규정되어 있는데, 이는 타 OP AMP와 비슷한 값으로, 전원 디커플링 콘덴서를 최단 거리에 접속해서 사용해야 한다.

MUSES8820의 응용 회로
<그림 11>에는 라인 버퍼 앰프 회로로 응용한 예를 나타내었다. 이득이 없는 단순한 비반전 버퍼 회로이다. MUSES8820의 DC 오프세트 전압이 최대 3㎷이기 때문에 라인 버퍼 앰프에서 사용함에 있어 허용 범위 내에 있기 때문에 커플링 콘덴서 없이 사용해도 되지만, 전단 회로에서 DC 성분이 넘어 오는 것을 막기 위해 커플링 콘덴서를 설치했다. 100㎌의 전해 콘덴서 2개를 연결해 무극성 콘덴서 역할을 하도록 했으며, 고역에서의 임피던스 증가를 억제하기 위해 필름 콘덴서를 병렬로 연결했다. 출력 측에는 47Ω의 저항을 직렬로 연결했는데, 이는 용량성 부하에 대한 영향을 줄이는 동시에 쇼트되었을 때 OP AMP 등의 소자를 보호하기 위함이다. 입력 임피던스는 입력 저항의 값에 의해 대부분 결정된다. 잡음 특성상 이 입력 저항 값이 낮은 것이 유리하지만, 버퍼 회로의 기능을 위해서는 높은 값을 갖는 것이 유리하다. 여기에서는 10KΩ을 사용했다.


▲ 그림 11 라인 버퍼 앰프 회로도

또 다른 응용 예로 <그림 12>에 2채널 믹싱 회로를 나타내었다. 이것은 <그림 11>의 버퍼 회로를 기본으로 해서 채널 A와 B의 2회로 신호를 믹싱하는 것으로, 볼륨을 통해서 각 채널에 들어오는 신호의 양을 조절한다. 각 회로의 버퍼 출력은 4.7KΩ의 저항을 통해서 다음 단의 가산 회로와 접속되어 있는데, 이 가산 회로의 이득은 2로 설정되었다. 이는 전단의 출력 저항 4.7KΩ과 입력 저항 10KΩ을 통해 신호 레벨이 떨어지는 것을 보상하기 위함이다. 가산 회로 내의 귀환 저항 470Ω과 병렬로 접속되어 있는 220㎊의 콘덴서는 고역 주파수에서의 차단 특성을 가지는 LPF 기능과 위상 보정 역할을 겸하고 있다.


▲ 그림 12 2채널 믹싱 회로도

자. LME49726
LME49726은 내셔널 세미컨덕터 사에서 나온 OP AMP로, 저전압, 저소비 전력에 특화된 제품이다. 휴대용 오디오 기기는 주로 배터리를 사용하기 때문에 단일 전원의 낮은 전압으로 구동할 수 있고, 또 소비 전력도 최대한 적게 해야 한다는 요구에 부응한 모델이라 할 수 있다. 단일 전원의 동작으로 전원 전압과 거의 같은 정도로 출력 신호를 낼 수 있어야 한다는 어려운 조건을 달성해야 되기 때문에 일반적인 오디오용 OP AMP와는 다른 특징과 구조를 가지고 있다. 이러한 부류의 OP AMP를 레일 투 레일(Rail to Rail) OP AMP라고 부르는데, 이들 OP AMP의 최저 동작 전원 전압은 1.5~2.7V으로, 이는 1.5V 건전지 1개 또는 2개로 동작 가능한 범위이다. 이득과 이득 대역, 슬루 레이트 등은 소비 전류와 비례하기 때문에 적당한 범위에서 제한해 전류의 소비를 줄이고 있다.
<그림 13>에 레일 투 레일 OP AMP 개념을 나타내었다. 일반적인 OP AMP는 ±양전원으로 보통 동작하는 경우가 많은데, 예를 들어 ±15V의 전원 전압을 사용한다면 최대 출력 전압은 보통 ±12V 정도이다. 이는 OP AMP 내부의 트랜지스터 소자의 구조 및 회로에서 결정되지만, 대부분 2~3V의 전압 로스가 생기게 된다. 그런데 이런 OP AMP를 1.5~3V 사이의 단일 전원으로 구동한다면 출력 신호 진폭이 나와 실용적이지 못하게 된다. 따라서 이 같이 낮은 전원으로도 구동할 수 있도록 입력 및 출력 소자와 회로 설계를 새로 한 OP AMP가 레일 투 레일 OP AMP인데, 전원 전압에 대한 출력 전압의 손실이 대부분 0.1V 미만이며, 특성이 좋은 것은 수㎷ 정도로 최소화되어 있다.


▲ 그림 13 레일 투 레일(Rail-to-Rail) OP AMP 개념도

이 같은 부류의 OP AMP는 저전압, 저소비 전류를 달성하기 위해 희생해야 하는 부분이 생기기 때문에 이에 대한 고려가 필요하다. 첫째로 입력 임피던스가 크지 못하다. 일반 FET 입력 소자를 갖는 것은 수MΩ, 바이폴라 트랜지스터를 사용한 것도 100KΩ 전후 정도인데 비해 수KΩ 정도로 낮은 것도 있다. 또한 출력 임피던스도 일반형의 것이 부궤환을 걸면 수Ω 정도로 작은데 반해 수KΩ에서 10KΩ 정도로 높은 것도 있다. 이와 함께 신호 진폭 레벨이 어느 정도 보장되어 있다고 해도 직선성이 떨어지는 경우가 많으므로 사용에 있어 주의를 요한다.
LME49726은 이러한 레일 투 레일형 OP AMP의 대표적인 모델의 하나인데, 특히 휴대형 오디오 기기에 사용하는 것을 목적으로 개발되었고, 2채널 스테레오 회로 구성에 알맞게 듀얼형 회로이다. <그림 14>에 데이터 시트에서 발췌한 주요 특성을 표시했다.


▲ 그림 14 LME49726 데이터 시트 중 주요 특성

LME49726은 2.5~5V의 저전압 동작이 가능하면서도 THD+N 특성이 우수하다. 전원 전압 5.5V에서 소비 전류는 0.7㎃ 정도이므로 2채널 구동에 필요한 전력은 3.5㎽ 정도이기 때문에 배터리로 구동되는 휴대용 기기에 사용하기 적당하다. 입력 오프세트 전압은 0.5㎷, 입력 바이어스 전류는 0.2㎀로 대부분의 오디오 용도에서 사용할 수 있다. 출력 전압은 부하 2KΩ의 조건에서 VDD-0.004V, VSS+0.004V의 출력을 낼 수 있기 때문에 리튬 이온 배터리의 3.7V 전원으로 구동한다면 최대 3.6992의 진폭을 얻을 수 있다. 이는 출력 기준 전압 2V를 훨씬 상회하는 것이다. 출력 전류도 200㎃ 이상을 흘릴 수 있기 때문에 상당한 부하 구동 능력을 갖고 있다.
LME49726의 이득 대역폭은 평균 6.25MHz, 슬루 레이트는 3.76V/㎲로 일반적인 오디오 회로에서 사용하기에 적당한 값을 갖고 있다. THD+N 특성은 상당히 우수한데, 반전 증폭 회로에서 2.5V의 단일 전원으로 구동해도 0.0008%(RL= 2KΩ 시)의 값을 나타낸다. 구동하는 부하가 가벼울수록(즉, RL 값이 커질수록) THD+N 값은 더 좋게 된다. 그리고 잡음 특성을 살펴보면 일반적인 오디오 대역에서 평균 0.7㎶로 나와 있는데, 출력 전압을 1V라고 가정할 때 S/N비를 구해 보면 
로 상당히 좋은 값을 보여 주어 레일 투 레일형 OP AMP 앰프로서는 오디오 회로 사용에 있어 알맞은 모델이라 할 수 있다.

LME49726의 응용 회로
LME49726의 응용 분야에서 가장 적합한 분야는 낮은 공급 전압, 저왜율, 높은 드라이브 능력을 잘 활용할 수 있는 USB 기기의 오디오 입·출력 부분이다. USB 기기는 기기 자체에서 전원을 갖고 있는 경우도 있지만 외부의 기기에서 USB 버스를 통해 5V, 최대 500㎃의 전원을 공급받아 사용하는 경우도 많다.
<그림 15>에는 USB 버스를 통해 전원을 공급받는 USB 코덱(Codec) 기기의 입·출력 부분인 A/D, D/A 변환 회로에서의 사용을 나타냈다. USB 버스를 통해 공급받는 경우 상당한 잡음 성분이 섞여 있어 이를 잡음 필터를 통해 제거한 다음 사용할 필요가 있다. 따라서 정전압 레귤레이터 IC를 통한 뒤 사용하는데, 이 경우 실제 LME49726에 공급되는 전압은 더욱 낮아지게 된다. 이 회로는 5V의 중점 전압인 2.5V를 중점 전위로 사용한다. 신호원의 진폭이 3V라고 하면 1~4V가 입·출력단의 신호 진폭 레벨로 된다. 이 정도는 LME49726이 공급받는 전원 전압 안에 충분히 들어오므로 문제없이 사용이 가능하다.


▲ 그림 15 USB 코덱 기기의 A/D, D/A 변환 회로도

라인 입력으로는 정격 2V 입력에 대해서는 이득을 0.5 이하로 조정하고, 마이크로폰 출력에 대해서는 상당한 이득을 갖도록 해서 신호 진폭을 1~4V 영역에 맞도록 할 필요가 있다. 한편 출력에 관해서는 라인 출력일 경우 정격 1V 내외가 되도록 하지만, 헤드폰 출력에 대해서는 대략 300㎃ 미만의, 적합한 임피던스(대체로 16Ω 이상)를 가진 헤드폰은 구동이 가능하다. DAC 출력 측에는 오디오 대역 이외의 신호를 제거하는 LPF를 구성해서 사용하는 것이 필요하다.
<그림 15>의 하단에 있는 실제 LME49726을 사용한 회로는 ADC와 DAC 측 모두 사용이 가능한 LPF 회로이다. 이 회로의 이득은 1이며, DC 전류가 들어오거나 나가는 것을 막기 위해 커플링 콘덴서가 설치되어 있다. 단 단일 전원을 사용하므로 신호의 중심은 그라운드가 아니라 공급 전압 VCC의 1/2에 있다. <그림 15> 하단의 LPF 회로는 2차 MFB(Multiple Feedback)형 능동 필터로, 컷 오프 주파수는 40KHz 정도로 설정되어 있다. 

<Monthly Audio>


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