2019년 8월 26일 월요일

T 기술기고문

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최상의 ‘오디오 코덱’과 ‘앰프’를 고르는 방법

최근 스마트폰 태블릿 노트북 등 휴대용 디바이스 사용이 급증하면서 오디오 품질에 대한 요구도 함께 높아지고 있다. 오디오 품질은 높은 퍼포먼스를 구현하면서 전력 소모는 최소화하는 것이 숙제다. 엔지니어의 고민도 여기서부터 시작된다. 

글- 황정기 부장 / 맥심 인터그레이티드 코리아 

최상의 오디오 코덱을 고르기 위해서는 오디오 코덱의 입력부 디지털 신호 처리(DSP) 코어 출력단의 차별적인 특징과 함께 사이즈 적은 전력 소모 여부를 꼼꼼히 따져봐야 한다. 

오디오 회로를 설계할 때 각 용도에 맞는 최적의 오디오 앰프 토폴로지도 신중하게 결정해야 한다. 따라서 다양한 오디오 앰프 유형을 제대로 이해하는 것이 해당 설계에 맞는 최상의 오디오 앰프를 선택하는데 도움이 된다. 


최상의 오디오 코덱을 고르는 방법 

■ 입력단을 보자 - 디지털과 아날로그 신호 인터페이스 지원
맥심의 ‘MAX98091’ 스테레오 오디오 코덱은 총 3개의 입력 단자를 지원한다. 3개 모두 스테레오 Single-ended/differential 아날로그 신호를 처리할 수 있고 그 가운데 2개는 디지털 마이크로폰 신호도 처리할 수 있다. 예를 들어 사용자는 3개 단자 모두를 스테레오 아날로그 입력으로 혹은 2개 단자는 디지털 마이크 인터페이스로 사용하고 나머지는 일반 오디오 아날로그 인터페이스로 사용할 수 있다. 이는 맥심의 오디오 코덱이 아날로그와 디지털을 포함한 다양한 인터페이스를 지원하기 때문이다. 

스테레오 ADC(아날로그 디지털 변환)는 외부 신호를 처리하며 이 때 2개 디지털 마이크로폰의 입력 신호는 노이즈와 에코 캔슬레이션 기능에 사용될 수 있다. 라디오와 같은 일반 아날로그 입력 신호도 바로 디지털로 전환되는 등 휴대용 디바이스에서 다양한 애플리케이션을 지원하도록 설계됐다. 맥심은 여기에 헤드셋 종류에 따른 극성을 구별하기 위해 ‘잭 디텍션’ 기능을 추가 지원한다.  

■ 코덱 DSP의 성능이 중요하다
오디오 코덱의 핵심인 DSP 코어의 성능을 살펴보는 것도 중요하다. 맥심의 ‘FlexSound® DSP’는 입력단과 ADC에서 넘어온 신호에 사운드 이펙트를 주는 역할을 한다. FlexSound DSP 코어는 ▲바이쿼드(Biquad) 필터 ▲이퀄라이저 ▲다이나믹 레인지 ▲디지털 게인 ▲디지털 필터링 등을 최적화했다. 

신호가 마이크로폰에서 들어와 애플리케이션 프로세서(AP)로 전달되는 보이스 패스 상에서 바이쿼드 필터 기능을 통해 다양한 보이스 필터 셋팅 기능을 제공한다. 또한 신호가 AP에서 앰프 헤드셋까지 전달되는 플레이백 패스 상에서는 7밴드 파라미터 이퀄라이저를 통해 신호가 튜닝되며 이 과정을 통해 재즈나 팝 등 음악 사운드에 다양한 이펙트를 줄 수 있다. 기존 사용된 이퀄라이저 방식은 1 2 5 밴드인 반면 맥심의 MAX98091 코덱은 7밴드 이퀄라이저까지 지원한다.

주목할 점은 다이나믹 레인지 컨트롤에 컴프레션과 익스팬더 기능이 추가됐다는 것이다. 이들은 사용자 환경에 따라 높고 낮은 음폭에 변화를 준다. 그리고 보이스 패스와 플레이백 패스상에서 각각 제공되는 DIA 필터링은 사람의 보이스를 위한 IIR 필터와 음악을 위한 FIR 필터가 제공된다. 

■ 저전력 코덱인가 아닌가?
휴대용 디바이스의 중요 고려 사항 가운데 하나가 전력 소모다. 한정된 배터리를 좀더 오래 쓰기 위해서는 각 디바이스단에서 전력 소모를 최소화해야 한다. 맥심 스테레오 오디오 코덱의 핵심 차별화 요소는 스테레오 스피커 플레이백 기준으로 4mW만을 사용한다는 점이다. 중요한 것은 헤드폰 플레이백 조건 뿐 아니라 전력 소모가 큰 스테레오 스피커 플레이백 조건에서도 저전력 지원이 앰프의 핵심 기술이다. 즉 오디오 코덱의 대기 동작 DSP ADC 등의 소비 전력 기술이 저전력으로 구성돼야 한다. 

■ 디바이스 설계에 맞는 칩 사이즈를 충족하는가?
마지막으로 칩 사이즈다. 휴재용 디바이스의 회로 설계상 솔루션 크기가 크면 퍼포먼스가 아무리 높아도 장애 요소가 될 수 있다. 자체 칩 사이즈 크기를 얼마나 줄이느냐는 것은 주변 소자를 얼마나 많이 통합했는가와 직결된다. MAX98091 오디오 코덱은 3.2x3.6mm의 굉장히 작은 패키지로 지원된다. 작지만 증폭기나 출력단의 용량을 통합해 회로 설계의 여유를 주었다.

이 밖에도 최근 가장 많이 쓰이는 디지털 인터페이스 등을 모두 지원하는지도 살펴봐야 한다. 예를 들어 오디오 포맷에 가장 많이 사용하는 I2S 인터페이스 지원 여부와 LJ/RJ/TDM 디지털 오디오 인터페이스 지원 여부도 확인해야 한다. 


최상의 앰프를 고르는 방법 
오디오 앰프는 소신호의 증폭을 유용한 수준으로 끌어올리면서 신호의 내용을 유지한다. 이를 ‘선형성(linearity)’이라 한다. 앰프의 선형성이 커질수록 출력 신호가 입력 신호를 그대로 대변하게 된다.

오디오 앰프는 토폴로지 측면에서 많은 발전이 있었다. 따라서 설계자들은 현재 이용 가능한 클래스 A B AB D G DG H 특징을 반드시 이해해야 용도에 맞는 최상의 오디오 앰프를 선택할 수 있다. 

■ 클래스 A   
클래스 A는 가장 단순한 형태의 오디오 앰프다. 클래스 A 앰프는 출력 신호 파형에 상관 없이 전기를 전도(완전히 전원이 꺼지지 않는)하는 출력 트랜지스터가 있다. 클래스 A는 가장 선형적인 오디오 앰프지만 효율이 낮다. 따라서 높은 선형성이 필요하고 이용 가능한 전력이 충분한 경우 사용된다



■ 클래스 B  
클래스 B 앰프는 푸시-풀(Push-pull) 토폴로지를 이용한다. 클래스 B 앰프 출력은 양극/음극 트랜지스터를 포함한다. 입력 신호를 복제하기 위해 각 각의 트랜지스터에는 (입력)신호 파형의 반주(180°) 동안만 전류가 흐른다. 따라서 전류가 흐르지 않는 대기상태 또는 Zero current 때는 트랜지스터가 동작하지 않기 때문에 A 앰프보다 효율이 더 좋다.
 


■ 클래스 AB  
클래스 AB 앰프는 클래스 A와 B 토폴로지의 절충형이다. 클래스 AB는 클래스 A 음질과 클래스 B 의 효율성을 제공한다. 이 같은 성능을 발휘할 수 있는 이유는 양쪽 트랜지스터를 거의 제로 신호 출력 즉 클래스 B 앰프가 비선형성을 가지는 지점에서 전류가 흐르도록 바이어스(Bias 직류공급)하기 때문이다.




■ 클래스 D 
 
스마트폰 MP3 플레이어 휴대용 도킹 스테이션 등 손에 들고 다니는 모바일 오디오 기기의 인기에 따라 전력 소비에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서 배터리 수명을 늘리기 위해 전력 소비를 줄여야 한다. 클래스 D 앰프는 PWM(Pulse-Width Modulation)를 이용함으로써 아날로그 입력 신호와 가까운 가변 듀티 사이클(Duty Cycle)의 레일-투-레일(Rail-to-Rail) 디지털 출력 신호를 생성한다. 또한 동작하는 동안 출력 트랜지스터의 전원을 완전히 켜거나 끈 상태(트랜지스터를 스위칭 모드로만 동작)이기 때문에 높은 효율(최대 90% 이상)을 얻을 수 있다.
 

■ 클래스 G  
클래스 G 앰프는 클래스 AB와 유사하지만 2개 이상의 공급 전압을 사용하는 점이 다르다. 클래스 G는 저신호 레벨에서 동작할 때 낮은 공급 전압을 선택하지만 신호 레벨이 증가할 때 자동으로 적절한 공급 전압을 선택한다. 또한 클래스 G 앰프는 필요할 때만 최대 공급 전압을 사용하기 때문에 항상 최대 공급 전압을 사용하는 클래스 AB보다 효율성이 높다. 





■ 클래스 DG 
클래스 DG 앰프는 가변 듀티 사이클의 레일-투-레일 디지털 출력 신호를 생성하는 PWM를 사용한다. 이 점에서 클래스 DG 앰프는 클래스 D와  같다. 그러나 클래스 DG는 출력 신호의 규모를 감지하기 위해 멀티레벨의 출력 단계를 이용한다. 그리고 나서 필요에 따라 필수 신호 전력을 보다 효율적으로 공급하기 위해 공급 레일(증폭기에 공급되는 전원)을 스위치(전환)한다. 



■ 클래스 H  
클래스 H스 앰프는 출력 단계에서 전압 하강을 최소화하기 위해 공급 전압을 조절한다. 클래스 H 앰프 실행은 다수의 개별 전압을 사용하는 것부터 무한 조절 가능한 공급 전압에 이르기까지 다양하다. 클래스 H는 출력 기기 내 전력 손실 감소라는 측면에서 클래스G 앰프와 유사하지만 다수의 전원장치를 요구하지 않는다.

클래스 H 앰프 디자인은 일반적으로 다른 오디오 앰프보다 훨씬 복잡하다. 클래스 H 는 공급 전력을 예측 및 제어하기 위한 별도의 제어 회로가 필요하다. 맥심 MAX98090 MAX98091 등과 같은 오디오 코덱은 클래스 AB 헤드폰 앰프와 클래스 H 전력 구조를 통합함으로써 매우 낮은 전력의 완전한 오디오 솔루션을 제공한다. 

MAX98091은 라인 아웃 또는 리시버로 사용할 수 있는 앰프가 내장됐다. 스테레오 앰프기 때문에 스테레오 스피커 앰프 출력을 가지고 있다. 또한 헤드폰 앰프에서는 클래스 H를 구동해 전류 소모를 줄여준다. 클래스 H 앰프를 사용하면 휴대용 디바이스에서 소비 전력을 낮추고 내부적으로 충전 펌프를 내장해 주변 소자를 줄여준다.