오디오 컨버터의 성능을 향상시키는 방법
스위칭 전원 공급 장치에 의해 발생되는 AC 리플과 스위칭 잡음은 오디오 DAC 출력의 품질을 저하시키는 부정적인 영향을 미친다.
따라서 고성능의 디지털 아날로그 오디오 시스템을 설계하려면 DAC의 오디오와 전원 공급 장치 레일의 잡음을 분리해야 한다.
현재 이를 구현하는 가장 이상적인 솔루션으로는 스위처의 높은 효율과 LDO의 초저잡음을 결합한 방법이 적용되고 있다.
이 글에서는 이처럼 스위처와 LDO를 결합한 통합 솔루션이 어떠한 장점을 제공하는지 자세히 살펴본다.
디지털-아날로그 오디오 컨버터(오디오 DAC)는 디지털 오디오 코드를 아날로그 오디오 사운드로 변환시켜주는 디바이스다. 이러한 오디오 컨버터에 외부 잡음이 유입될 경우, 디지털 오디오 코드 변환 과정 동안 오디오 대역에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
특히 DAC 전원 공급 장치의 AC 리플 및 스위칭 잡음은 변환된 오디오 사운드의 품질을 저하시키는 원인 중 하나이다. 따라서 고성능의 디지털 아날로그 오디오 시스템을 설계하려면 DAC의 오디오와 전원 공급 장치 레일의 잡음을 분리할 수 있어야 한다.
이에 부응해 이 글에서는 오디오 품질을 향상시키기 위해 스위칭 전원 공급 장치의 높은 효율과 선형 전원 공급 장치의 최저잡음을 결합하는 통합 솔루션을 설명한다.
서론
현재 대부분의 오디오는 펄스코드변조(PCM), MP3와 같은 디지털 포맷으로 저장되고 있다. 이처럼 디지털 포맷으로 저장이 이뤄지면 데이터 손실 없는 저장, 품질 저하 없는 완벽한 복사, 무기한 저장, 다른 디지털 시스템에 대한 적응성 및 호환성을 제공할 수 있다.
그러면 이를 기반으로 오디오 DAC는 스피커에서 아날로그 파동으로 된 오디오 사운드를 만들어 낼 수 있도록 이 디지털 포맷을 아날로그 신호로 변환하는 역할을 담당한다. 그리고 오디오 증폭기는 오디오 사운드를 증폭시키고 스피커는 증폭된 사운드를 청중에게 전달하는 데 사용된다. 즉 이를 통해 전달되는 아날로그 오디오 사운드는 오디오 시스템에서 나오는 종합적인 최종 결과물로 볼 수 있다.
이러한 오디오 사운드의 품질은 전체 오디오 시스템에 의해 좌우된다. 즉 이와 같은 오디오 사운드의 품질을 좌우하는 요소에는 원래의 디지털 코드 자체와 오디오 DAC 기기, 오디오 전원 증폭기, 확성기나 헤드폰 등이 포함된다.
이 중 오디오 DAC에 초점을 맞춰 살펴보면, 성능은 DAC 자체의 품질뿐만 아니라 다른 외부적 요소에 의해서도 영향을 받는 것을 알 수 있다. 특히 고성능 오디오 DAC의 경우에는 변환 과정 중에 오디오 대역에 침투하는 외부 잡음에 민감한 것으로 확인됐다.
구체적으로 이 과정에서 발생하는 잡음은 AC 전원 공급 장치의 리플, 무선 주파수 간섭, 스위칭 잡음, 오디오 시스템의 다른 회로 부품의 열잡음에 기인할 가능성이 크다. 따라서 이 글에서는 오디오 컨버터의 잡음 성능을 개선하기 위해 DAC 전원 전압 잡음의 질을 향상시키는 방법을 검토했다.
오디오 성능 사양
사운드 시스템의 잡음 질을 파악하려면 특정 사양들을 측정해야 한다. 이때 이 과정에서 측정되는 전고조파 왜곡(total harmonic distortion, THD)은 오디오 신호가 재생되는 동안 오디오 컨버터에서 발생하는 바람직하지 않은 신호의 양을 나타내는 데 사용된다.
하지만 이러한 전고조파 왜곡 측면에서 보면, 오디오 컨버터와 같은 시스템들은 단일 또는 복수의 입력 및 출력을 가진 비이상적(non-ideal)이고 비선형(non-linear)적인 기기로 간주될 수 있다.
그 이유는 이 기기들은 항상 원래의 입력 신호들을 어느 정도 왜곡시키기 때문인데 이러한 왜곡은 대개 원래의 입력 신호의 고조파에 추가된 형태로 나타난다. 이를 통해 THD는 원래 신호의 왜곡 양을 보여주기 때문에, 오디오 DAC의 성능을 측정하는 훌륭한 평가항목으로 볼 수 있다.
그러나 THD만으로는 DAC에서 발생하는 출력 신호의 다른 왜곡과 관련된 잡음은 측정할 수 없기 때문에 총 고조파 왜곡은 다른 표준 측정값을 구성하는 잡음인 THD+N 평가항목과 결합된 형태로 표시된다.
즉 THD+N을 통해 입력 신호와 관련 없는 DAC에서 발생하는 모든 잡음을 정확하게 표시할 수 있는데, 보통 이때 측정되는 잡음은 전원 공급 장치의 AC 리플, 무선 주파수 간섭, 스위칭 잡음, 진동, 오디오 시스템 부품의 열잡음에 기인한다.
이를 기반으로 THD+N은 오디오 DAC 기기의 성능을 표시하는 데 사용된다.
하지만 이것은 DAC 주파수 대역 전체의 DAC 성능에 대한 이해는 제공하지 않는다.
때문에 주파수 대역의 아날로그 오디오 신호의 품질을 분석하려면 FFT 분석기의 플롯이 필요하다.
여기에 사용되는 분석기는 다양한 시간대의 아날로그 오디오 출력 신호를 취해 FFT(Fast Fourier Trans-form) 기술을 이용하여 이것을 주파수 스펙트럼으로 변환시키는 역할을 한다. 그리고 이를 통한 측정값은 전체 1∼20KHz 주파수 범위에서 오디오 컨버터의 성능은 물론, 잡음과 고조파 왜곡을 명확하게 보여준다.
전원 공급 장치가 오디오 성능에 미치는 영향
대부분의 가정용 오디오 애플리케이션들은 12V 버스를 제공하는 AC 어댑터로부터 전원을 공급받는다. 그러나 이를 통해 제공되는 12V 버스는 5V나 3.3V로 변환돼야 하므로, 이를 위해서는 오디오 DAC 컨버터가 필요하다.
그러면 이를 이용해 변환은 스위칭 레귤레이터나 선형 레귤레이터를 통해 이루어진다.
이 중 스위칭 레귤레이터는 매우 효율적이기 때문에 사용이 매우 용이한 것으로 알려져 있는데, 구체적으로 일반적인 스위칭 레귤레이터의 효율은 80∼95％ 정도로 시스템의 전력 손실과 열을 최소화할 수 있다.
그러나 이 경우 스위처에서는 스위칭 잡음이 발생하고 스위처의 DC 출력 전압 정상에서는 AC 리플 전압이 생성될 수 있다. 그리고 이러한 두 가지 부정적인 측면이 영향을 미칠 경우, 오디오 DAC의 성능은 떨어지게 된다. 그림 1은 이에 대한 예로 스위칭 컨버터의 전형적인 출력 전압을 보여준다.
이 그림을 보면 전원 공급 장치의 AC 리플과 잡음이 높아질수록 사운드 품질에는 더욱 나쁜 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 특히 입력 잡음과 리플은 IC 자체에 침투해 변환 과정 동안 내부 바이어스 전압, 클록, 오실리에이터 등을 간섭하고 오디오 대역에도 침투해 성능에 영향을 미칠 가능성이 있다.
게다가 이런 잡음과 리플은 보드의 레이아웃을 통해서도 출력과 결합될 수 있는데 그럴 경우 전원 오디오 증폭기와 스피커를 포함한 전체 오디오 시스템의 성능에 악영향을 미치게 된다. 때문에 전원 공급 장치의 잡음은 출력 오디오 사운드의 품질을 크게 악화시키는 주요 요인으로 봐야 한다.
그 일례로 그림 2는 3.3V 스위칭 레귤레이터를 통해 직접 전원을 공급받는 PCM5102와 같은 오디오 DAC의 성능을 보여준다. 이 경우 테스트는 DAC 디지털 입력에 사용되는 표준 1kHz 테스트 톤으로 수행했으며 측정은 오디오 정밀(AP) 분석기 시험 장비를 사용해 실시했다.
이를 활용한 측정 결과, 아날로그 오디오 출력 신호의 FFT 플롯은 좌측 채널과 우측 채널 간에 차이가 있는 것으로 나타났는데, 이는 양 채널의 잡음층이 다르기 때문이다. 그리고 이와 함께 나타낸 THD+N의 결과는 잡음을 발생시키는 전원 공급 장치는 출력 오디오 신호의 품질을 크게 저하시킨다는 것을 보여준다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 DAC의 전원 레일에서 스위칭 잡음과 리플을 분리시키면 보다 향상된 오디오 성능을 얻을 수 있다. 또한 스위처의 출력을 추가로 필터링하면 일부 잡음을 제거하는 데 도움이 된다.
그러나 일부 정교한 필터는 가격이 비싸고 복잡하며 많은 공간을 차지한다.
게다가 대부분의 필터는 전력 손실, 부하 조절 문제, 질 나쁜 과도응답이라는 단점을 갖는 것으로 알려져 있다.
따라서 다른 대안으로 선형 레귤레이터(LDO)를 사용해 12V 입력 버스를 3.3V로 변환하면 리플과 잡음을 크게 줄여 오디오 성능을 향상시킬 수 있다. 하지만 이처럼 LDO를 사용할 때에는 효율이 감소되고 설계에서 전력이 보다 많이 소모된다는 단점이 있는 것으로 확인됐다.
그림 3은 실제로 이러한 LDO를 사용해 전력이 공급되는 오디오 DAC의 FFT 플롯을 보여준다. 여기서는 앞선 시험에서와 마찬가지로 DAC의 광입력에 1KHz 정현파 오디오 신호를 사용하고, 이전과 동일한 조건에서 동일한 오디오 정밀 시험 장비를 측정 툴로 이용하여 다음과 같은 FFT 결과와 THD+ N 측정값을 얻었다.
이 경우 LDO에 보다 깨끗한 전원 레일을 사용하면 거의 8dB에 이르는 사운드 품질을 향상시킬 수 있다.
실제로 이를 적용해 그림 3의 경우에는 93dB을 넘는 THD+N이 측정된 것으로 조사됐다. 또한 FFT 스펙트럼 분석기의 그래프에서는 잡음층이 상당이 줄어든 것으로 나타났다.
이때 관찰되는 고조파는 기기의 성능으로 인해 발생한 것으로, 쉽게 인식이 가능하다. 특히 이 그림에서는 대부분의 주파수 대역폭의 잡음층이 -110dBV(그림 2)으로 측정되는데 반해 -120dBV이라는 낮은 수준을 유지하는 것으로 나타났다. 이를 통해 오디오 컨버터에 깨끗한 전원 공급 장치 레일을 사용하면 성능을 향상시킬 수 있다는 것이 분명히 확인됐다.
하지만 이처럼 LDO 전원 솔루션을 사용할 경우 스위처보다 깨끗한 출력 전압을 제공할 수 있지만, 선형 레귤레이터는 효율이 낮아지고 시스템에서는 열 문제가 발생하게 된다. 따라서 이상적인 솔루션은 스위처의 높은 효율과 선형 레귤레이터의 보다 깨끗한 출력 성능을 결합하여 효율적이고 깨끗한 전원 솔루션을 개발하는 것이다.
이에 부응한 스위처와 LDO을 통합한 솔루션은 TPS54120와 같은 스위칭 컨버터와 LDO 레귤레이터의 결합을 통해 제공할 수 있다. 특히 이를 위해 1A 스위칭 컨버터와 LDO를 결합하면 효율이 높은 오디오 컨버터에 깨끗한 전원을 공급하는 것이 가능하다.
또한 이런 통합 솔루션은 보드 공간을 보다 적게 차지하며 저렴한 솔루션을 제공한다. 더불어 이 솔루션은 우수한 부하 및 라인 과도 응답을 가지며 작은 패키지에 폭넓은 입력 전압 수용을 가능케 한다. 때문에 가정용 오디오 애플리케이션에 완벽한 솔루션을 제공할 수 있다. 이 외에도 먼저 측정한 스위처를 통합된 스위칭 컨버터와 LDO 레귤레이터로 교체하면 보다 깨끗한 출력 전압을 얻을 수 있다(그림 4). 특히 이 경우에는 출력 전압에서 잡음이나 리플이 발견되지 않는 것으로 나타났다.
그리고 이러한 상태에서는 12V 입력 전압을 인가하고 출력을 3.3V로 조절한 다음에도 측정된 출력 전압의 부하 전류는 여전히 400mA인 것으로 측정됐다.
이와 관련해 그림 5는 오디오 DAC의 전원 공급에 통합 스위처와 LDO 레귤레이터를 사용한 경우를 보여준다.
이 경우 레귤레이터 입력에는 12V의 입력 전압이 사용됐는데 그럼에도 불구하고 그림 3에서와 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
표 1에는 여러 가지 솔루션의 비용, 보드 공간, 효율, 성능을 서로 비교한 결과를 표시했다.
이를 통해 스위처와 LDO을 결합한 통합 솔루션이 가장 양호한 성능과 높은 효율을 갖는 것을 알 수 있었다.
결론
스위칭 전원 공급 장치에 의해 발생되는 AC 리플과 스위칭 잡음은 오디오 DAC 출력의 품질을 저하시키는 부정적인 영향을 미친다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 잡음 소스에서 오디오 컨버터를 분리시키는 몇몇 필터링 기술이 적용되고 있는데, 이 외에도 오디오 시스템의 필터 잡음, 효율, 비용 및 보드 공간 역시 중요한 요소로서 고려해야 한다.
이에 부응해 현재 사용 가능한 가장 이상적인 솔루션으로는 스위처의 높은 효율과 LDO의 초저잡음을 결합한 방법이 적용되고 있다.
이처럼 스위처와 LDO를 결합한 통합 솔루션은 각 솔루션에 의한 비용을 절감하고 보드 공간을 줄이는 장점을 제공할 수 있다.
Tahar Allag 텍사스 인스트루먼트
