오디오 설계자들에게 주어진 가장 큰 과제는 ASIC이나 프로세서, 그리고 DC-DC 컨버터와 함께 작동하는 고성능의 저잡음 아날로그 회로를 만드는 것이다. 여기에서 고려해야 할 것은 일반적인 오디오 재생 체인에서 단 한 가지 부품, 즉 헤드폰 드라이버에 미치는 영향이다.
일반적인 헤드폰 드라이버는 원 소스의 동적 범위를 그대로 유지하면서 최대 1VRMS의 진폭 범위를 갖는 신호로 낮은 임피던스 부하(일반적으로 32Ω, 일부 경우 최저 16Ω)를 구동해야 한다. 이것은 간단한 작업처럼 보이지만 좀더 자세히 검토해 보면 실제로 매우 힘든 작업임을 알 수 있다.
헤드폰 출력은 단일 전원으로 전원이 공급될 때 이 동적 범위를 유지해야 하며, 이 전압은 주로 DC-DC 컨버터에서 파생되어 고속 디지털 회로와 공유된다.
이러한 회로에서 발생하는 신호 진폭 및 부하 임피던스를 고려해 볼 때, 전원에서 소비되는 피크 전류는 최대 90mA에 달한다.
전원 또는 헤드폰 드라이버를 셧 다운할 때, 클릭 또는 과도전류가 발생되어서는 안 된다.
전원 잡음
적당한 신호 대 잡음 비(SNR)를 구현하려면 헤드폰 앰프 출력에서 발생할 수 있는 전원 잡음의 영향을 최소화해야 한다. 이를 위해 헤드폰 드라이버 내의 전원전압 변동 제거비 (PSRR) 기능은 필수적이다.
예를 들어, CD 또는 DVD 기반 제품의 동적 범위는 90dB를 초과할 수 있다. 오디오 전원 전압에 100mV의 잡음 부품이 있고, 스펙트럼 내용의 대부분이 오디오 대역폭에 상주해 있다면, 90dB의 동적 범위를 유지하기 위해서는 헤드폰 출력에 잡음을 약 30µV로 감소시켜야만 한다. 실제로 헤드폰 드라이버의 PSRR은 유효 주파수에서 70dB를 초과해야 한다.
오디오 대역에서 이러한 전원 제거를 실현하려면, 특히 과도 주파수에 대한 앰프의 전원 잡음 억제를 고려한 신중한 설계 접근방식이 필요하다. 대부분의 op 앰프 데이터 시트에서는 PSRR이 대체적으로 DC 만큼 높고, 주파수가 증가하면 극적으로 떨어진다는 (일반적으로 -20dB/dec) 것을 보여주고 있다. 20kHz에서 일부 부품들의 경우 40dB 미만의 PSRR을 나타내기도 한다.
일부 DC-DC 컨버터는 오디오 주파수 스펙트럼의 상단에 더 높은 잡음 부품을 연결한다. 이러한 주파수대에서 들릴만한 수준인지 여부는 아직 논란의 여지가 남아 있지만, 헤드폰 출력에서는 여전히 측정될 수 있는 수준의 잡음인 것은 사실이다. 온 보드 헤드폰 드라이버를 탑재한 오디오 DAC 또는 CODEC에 관한 대부분의 데이터 시트에서는 고객들의 관심을 끌만한 PSRR 규격을 제시하고 있지 못하다. 규격이 제공된다 하더라도 보통 PSRR과 주파수 관계에 대한 내용보다는 전기적 특성과 관련된 한가지 항목 정도에 불과하다.
그 이유는 대부분의 헤드폰 앰프의 PSRR이 충분치 못하여 일반적으로 외부 LDO 레귤레이터가 추가되어 헤드폰 앰프의 공급 전압을 클린 업하기 때문이다. 예컨대 노트북 PC의 오디오 출력에 충분한 PSRR을 구현하려면, 오디오 회로에 공통 공급 전압이 아직 +5V인 경우, 특정 노드가 4.7V 이하로 종종 레귤레이트된다.
MAX9724 및 MAX9728과 같은 IC는 다른 방법으로 보통 도달되는 레벨보다 높은 PSRR을 구현한다. 이들 헤드폰 앰프는 기기 내 키 노드에 내부 서브 레귤레이션을 적용하여 추가적인 LDO에 대한 필요성을 효과적으로 제거한다.
클릭/팝 억제
클릭/팝의 억제는 일반적으로 IC가 정지되거나 파워 업(또는 파워 다운)될 때 발생하는 갑작스럽고 불안정한 과도전류를 최소화할 수 있는 IC의 기능이다. 예고되는 비정상적인 상태를 커버할 수 있도록 정지시킬 수 있는 다운스트림 회로가 없는 출력 드라이버에서는 이러한 기능을 수행하기가 어렵다. 헤드폰 플러그가 접속되면, 헤드폰 구동여부와 상관없이 오디오 시스템의 과도전류가 수행되거나 차단된다.
헤드폰 드라이버는 일반적으로 단일 전압으로부터 전원을 공급받으며, 그림 1에서와 같이 대형 DC 블로킹 커패시터를 통해 단자 소켓에 출력을 AC 커플링한다. 이렇게 하면 DC 전압이 헤드폰에 유입되는 것을 방지할 수 있다. 일반 동작 시, 커패시터의 헤드폰측은 접지 전위에 있고 앰프 출력은 전원의 약 ½로 바이어싱되는 DC 레벨을 가지므로 블로킹 커패시터에는 DC 전압이 흐른다. 커패시터는 전력이 처음 인가되면 동작하는 DC 전압으로 충전되어야 하지만 충전 전류도 부하(헤드폰 보이스 코일)를 통과해야만 한다. 어떻게 하면 이 전류가 가청 신호를 발생시키지 않도록 할 수 있을까?
그림 1. 단일 전원 애플리케이션에서 헤드폰 드라이버를 위한 일반적인 구성 회로로, 헤드폰 임피던스(헤드폰으로부터 DC를 차단하는 데 필요)를 사용하여 고역통과 필터를 형성하는 직렬 커패시터를 포함하고 있다.
일부 설계에서는 앰프의 출력 주변에 JFET와 개별 부품을 사용하여 충전 전류를 억제하기도 한다. 또 다른 설계에서는 턴 온 과도전류를 늦추기 위해 RC 시간 상수를 제공한다. 이 방식은 교란 주파수 콘텐트를 낮춰 불쾌감을 불러일으키는 요인을 감소시킨다. 최소한 하나의 부품은 파워 업 시 초래되는 팝 현상을 보다 완벽히 억제하기 위해 back-to-back 지수 램프(S형 프로파일)를 채택하게 되며, RC 지수 접근방식과는 달리 이러한 프로파일은 갑작스런 dv/dt 변화를 초래하지 않는다.
이러한 출력 커패시터가 GND로 방전되어야 할 경우 파워 다운 과도 특성은 더욱 문제가 된다. 전원이 없는데 어떤 앰프가 출력 커패시터 방전을 제어할 수 있을까?
다른 접근방식
이상적인 접근방식은 출력 커패시터를 완전히 제거하여 헤드폰 보이스 코일을 통한 충방전 효과를 무효화하는 것이다. 예를 들면, 헤드폰 구동을 DC 커플링하여 출력 바이어스를 0V로 하고, 듀얼 극성 전원으로부터 앰프에 전원을 공급하면 커패시터를 제거할 수 있다. 그러나 대부분의 배터리 전원 공급 방식 설계의 경우 한 개의 단일 종단 전원으로 제약이 있다. 그 결과 2 가지 옵션이 있다.
하나는 3차 앰프를 사용하여 미드 레일로 헤드폰 반사를 바이어싱함으로써 "pseudo-0V" 출력 바이어스를 생성하는 것이다. 메인 스테레오 앰프는 미드 레일에서도 바이어싱되기 때문에 DC 커플링 커패시터가 제거될 수 있다. 따라서 3차 앰프는 두 개의 메인 앰프에서 나오는 전류를 싱킹 및 소싱할 수 있어야 하고 또한 헤드폰 잭으로 유입되는 ESD 방전을 핸들링 할 수 있을 정도로 충분히 견고해야 한다(잭 슬리브는 섀시와 분리).
또 다른 한 가지 옵션은 공급되는 포지티브 공급전압으로부터 전용 네거티브 전압을 생성하거나, 간단하게 자체 네거티브 전압을 발생시키는 헤드폰 앰프를 사용하는 것이다(그림 2). 마지막 접근방식을 사용할 경우 ESD와 접지는 문제가 되지 않으며, 여분의 전압량이 생기기 때문에 피크-투-피크 출력전압은 거의 두 배가 된다. 이는 +3V 혹은 그 미만의 전원으로부터 동작할 때 매우 유용한 기능이다.
그림 2. 듀얼 전원으로부터 앰프에 전원이 공급되도록 온 보드 차지 펌프는 포지티브 전원 전압을 반전시킨다. 직렬 커패시터가 더 이상 필요하지 않고 차지 펌프를 위한 소형 세라믹 커패시터만 있으면 되기 때문에 PCB 공간을 최소화할 수 있다.
MAX9724/MAX9728 헤드폰 앰프는 포지티브 전원 핀으로부터 자체적으로 내부에 네거티브 전원을 생성한다. 각 앰프는 0V의 DC 출력 바이어스를 가지고 있기 때문에 출력 DC 블로킹 커패시터는 필요없다. 또한 내부의 차단회로가 전원 상승 또는 하강 중이거나 혹은 너무 낮은 경우에도 공급 전압에 의해 초래되는 스퓨리어스 연산을 방지하므로 팝 또는 클릭이 발생하지 않는다. 앰프의 출력 전압 스윙은 동등한 단일 전원의 두 배에 이르기 때문에 더 많은 신호 공간 및 출력 전력 증가 등의 이점을 제공한다.
기타 문제점
실험실에서 성공한 설계라 할지라도 일반적으로 제품화하기 전에 여러 가지 수정을 거치게 된다. 예를 들어, ESD와 관련해서 헤드폰 드라이버와 잭 소켓 사이에 페라이트 비드 또는 기타 EMC 측정치를 요구할 수 있다. 이러한 부품은 오디오 주파수에서 상당한 임피던스를 가지기 때문에 크로스토크나 출력 전력 손실 등과 같은 문제로 이어질 수 있다. 그러나 보다 주의 깊은 설계와 Kelvin 감지 기술을 이용하면 좋은 오디오 성능을 얻을 수 있다. 헤드폰으로부터의 리턴 전류도 고려해야 한다. 100mA 전류의 경우, 접지면이나 PCB 트랙의 유한 임피던스는 상당한 저항 분극이 발생할 수 있으므로 다시 출력 전력 감소 및 낮은 채널 분리도를 낳는다. 비슷한 원리로 DC-DC 컨버터와 접지를 공유함으로써 SNR을 저하시킬 수 있으며, 이러한 면에서 전용 리턴 트랙이나 구리 충진(copper fill)이 도움이 될 수 있다.
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