개요: 오디오 회로에 있어 수동 부품은 이득을 설정하고 바이어스 및 전원 리플 제거를 제공하며 하나의 단에서 다음 단으로의 DC 블로킹을 형성한다. 공간, 높이, 비용이 무엇보다 중요시되는 휴대용 오디오의 한계는 면적이 작고, 높이가 낮으며, 가격이 저렴한 수동 부품의 사용을 요구한다.
이들 장치의 가청 효과는 좀더 자세히 살펴볼 가치가 있다. 부품을 잘못 선택하면 측정된 시스템 성능을 크게 떨어뜨리기 때문이다. 일부 설계 엔지니어들은 저항과 커패시터가 오디오 품질에 측정 가능한 영향이 없다고 생각한다. 그러나 오디오 신호 경로에 사용되는 많은 일반 수동 부품의 비선형 특성은 총 고조파 왜곡(THD)을 심각하게 손상시킬 수 있다. 경우에 따라서는 수동 부품의 비선형성 의 영향이 많은 설계 엔지니어들이 오디오 성능의 제한적 요소라고 생각하는 증폭기나 DAC 같은 능동 소자의 영향을 초과한다.
커패시터와 저항은 모두 전압 계수라 불리곤 하는데, 부품에 인가되는 전압 변화는 부품의 물리적 특성을 변화시켜 어느 정도는 그 값을 변화시키기 때문이다. 예를 들어, 부품에 전압이 인가되지 않은 특정 1.00kΩ 저항은 10V의 전압이 가해질 경우 1.01kΩ 저항이 된다는 뜻이다. 이 효과는 부품의 유형, 구조 및 화학적 성질(커패시터의 경우)에 따라 크게 변한다. 때때로 제조업체로부터 그래프 형태로 입수할 수 있는 전압 계수 정보는 정격 전압 백분율 대비 커패시턴스의 백분율 변화를 보여준다.
최근의 필름 저항의 전압 계수는 매우 훌륭해, 실험실에서 쉽게 측정하지 못 할 정도이다. 이에 비해, 커패시터는 이상형으로부터의 여러 가지 이탈 현상으로 인해 성능을 제한할 수 있다.
전압 계수: 앞에서 설명.
유전체 흡수(DA): 메모리 같은 효과로서, 방전된 커패시터가 이전에 저장되어 있던 전하의 일부를 그대로 유지하는 것을 말한다.
등가직렬저항(ESR): 주파수 의존적이며, 직렬 커플링 커패시터가 헤드폰 또는 스피커의 낮은 임피던스를 구동하면 출력 전력을 제한할 수 있다.
마이크로포니: 일부 커패시터는 현격한 압전 효과를 가지고 있어, 커패시터의 물리적 긴장 및 변형(휨)이 소자 양단에 전압을 생성한다.
낮은 허용오차: 대부분의 값이 큰 커패시터(수 µF 이상)의 경우, 정확도는 엄격하게 지정되어 있지 않다. 이에 반해, 저항은 쉽게 그리고 값싸게 1% 또는 2%의 허용오차로 지정된다.
다음에서는 간단한 테스트 회로와 쉽게 구할 수 있고 오디오 신호 경로에서의 원치 않는 커패시터의 영향을 계량화할 수 있는 오디오 테스트 장비로 구성된 한 가지 테스트 방법을 소개한다. 목적은 특정 사이즈, 정격 전압, 케이스 유형을 평가하기보다는 이 현상에 대해 독자들에게 경고하고 대표적인 결과를 보여주어 의미 있는 비교와 결론을 내릴 수 있는 테스트 방법을 제공하는 데 있다.
테스트 설명
비선형 AC 효과는 커패시터에서 흔히 발견된다. 아날로그 오디오(제한적일 수 밖에 없는)의 주파수 응답은 대부분의 회로 블록이 고역, 저역 또는 대역통과 필터 회로를 포함하고 이들 필터의 비선형성이 실질적이고 측정 가능한 영향을 미친다.
간단한 고역통과 RC 필터를 생각해 보자(그림 1). -3dB 컷오프를 훨씬 넘어선 주파수에서, 커패시터의 임피던스는 저항의 임피던스에 비해 충분히 낮다. 고주파 AC 신호의 인가는 커패시터 양단에 이렇다 할 전압을 만들지 못하며, 전압 계수로 인한 변화는 따라서 미미할 수 밖에 없다. 그러나 커패시터를 통해 흐르는 신호 전류는 커패시터의 ESR에 상응하는 전압을 발생시킨다. 이 ESR의 모든 비선형 성분은 어느 정도 레벨로 합쳐져서 THD를 저하시킬 수 있다.
그림 1. 간단한 고역통과 RC 필터
그러나 -3dB 컷오프 지점 및 그 주변에서, 커패시터 및 저항의 임피던스는 같은 차수를 갖는다. 그 결과, 입력 신호에 단지 소량의 감쇠만을 강요하는 응답 지점에서 커패시터 양단에 상당한 AC 전압이 발생한다. 그러므로 전압 계수 효과는 그 지점 주위에서 정점을 이루는 경향이 있다.
-3dB 컷오프에서의 THD에 초점을 맞춤으로써, 이 테스트는 비이상적인 동작을 부각시킨다. 일차적으로 전압 계수 때문에 그렇다. 이 테스트 회로는 1kHz에서 -3dB 컷오프를 갖는 고역통과 필터 및 서로 다른 구조, 화학적 성질 및 유형의 다양한 커패시터가 대체되는 동안 THD+N이 나빠지는 것을 보여주는 오디오 분석기(Audio Precision System One)로 구성된다. 1µF의 커패시터 값이 선택되었는데, 이유는 테스트를 위한 다양한 커패시터 유형을 선택할 수 있기 때문이다. 공칭 1kHz 컷오프를 갖는 헤드폰 필터를 형성하기 위한 150Ω의 저항이 장착되어 있다. 이 테스트의 커패시터는 커패시터 양단에 DC 바이어스를 가지고 있지 않음에 유의해야 한다. 입력 및 출력은 동일한 DC 전위를 갖는다.
폴리에스테르 커패시터와 참조 기준선
그림 2의 THD+N vs. 주파수 응답 그림표는 테스트 설정에서의 해상도 한계 및 일반적으로 휴대용 설계에 사용되지 않는 25V 스루 홀 (through-hole) 폴리에스테르 커패시터가 가지는 최소 효과를 보여준다. 전압 계수로 인해 THD가 떨어지는 현상도 거의 보이지 않는다. 폴리에스테르 커패시터는 THD가 1kHz 아래에서 상승하도록 하지만, 출력 신호는 실제로 주파수와 더불어 1kHz 아래에서 떨어져 분석기에 기록된 신호 대 잡음 (플러스 왜곡) 비율을 감소시키고 있음에 유의할 필요가 있다. 핵심 영역은 1kHz 및 그 위 영역이며, 폴리에스테르 커패시터는 여기서 성능을 발휘해, 그 수준은 기준 측정값보다 약간 떨어지는 수준이다.
그림 2. 기준 측정값과 비교하여 폴리에스테르 커패시터가 내장된 1kHz 고역통과 수동 필터에 대한 THD+N vs. 주파수 특성 비교
탄탈 유전체
탄탈 커패시터는 휴대용 장치에서 흔히 볼 수 있다. 보통은 헤드폰으로의 DC 전압을 차단하기 위한 것으로, 특히 수 µF 이상이 요구되는 경우에 사용된다. 그림 3에 보이는 또 다른 THD+N vs. 주파수 그래프는 많이 사용하는 SM 탄탈 커패시터의 3가지 유형과 실험실에서 쉽게 볼 수 있는 기존 스루 홀 "딥(dipped)" 탄탈 커패시터를 비교한다. 커패시터들은 여기서도 1µF의 값을 가지며, 단지 물리적 치수(케이스 사이즈)와 정격 전압만이 다르다. (표 1 참조) 테스트 중에는 커패시터에 DC 바이어스가 인가되지 않았다.
그림 3. 1kHz 고역통과 수동 필터에서의 다양한 탄탈 커패시터에 대한 THD+N vs. 주파수 특성 비교
표1. 그림 3에서 테스트한 SM 탄탈 커패시터 비교
Value
Case Size L x W (mm)
Voltage Rating (V)
1µF
A (3.2 x 1.6)
25
1µF
B (3.5 x 2.8)
35
1µF
C (6.0 x 3.2)
50
세라믹 유전체
세라믹 유전체는 오디오 단 사이의 AC 커플링, 베이스 부스트, 필터 회로 등에 흔히 사용된다. 그림 4에서 볼 수 있듯, 표 2에 나열된 부품들에 기초해 다양한 유전체 유형을 사용할 수 있다.
그림 4. 1kHz 고역통과 수동 필터에서의 다양한 세라믹 커패시터에 대한 THD+N vs. 주파수 특성 비교
표 2. 그림 4에서 테스트된 SM 세라믹 커패시터
Value
Case Size
Voltage Rating (V)
Dielectric Type
1µF
0603
10
X5R
1µF
0805
16
X7R
1µF
1206
16
X7R
그림 4는 실험실 부품 중에서 임의적으로 선택된 스루 홀 세라믹 커패시터의 성능도 보여주고 있다. 최악의 경우는 X5R 유전체에 대한 -3dB 지점에서 0.2% THD의 결과가 나오는 것이다. 전체적으로 볼 때, 이 성능은 -54dB 수준의 왜곡에 해당한다. 대다수 16비트 오디오 DAC 및 CODEC에 있어, 풀 스케일(full scale)에서의 THD는 적어도 이것보다 한 차수는 좋다. C0G 유전체는 매우 낮은 전압 계수를 갖지만 현재 이들의 커패시턴스 범위는 0.047µF 부근 및 그 이하의 값으로 제한되어 있다는 점에 유의한다. 이들 테스트는 1µF 커패시터에 기초해 있으므로 C0G 유형은 포함되지 않았다.
커패시터 전압 계수 효과를 피하는 방법
그림 5는 해당 AC 커플링 구성이 기존 구성의 입력 커패시터에 비해 훨씬 낮은 값의 입력 커패시터를 허용하는 새로운 회선 입력 토폴로지를 보여준다. 이 예 (C1)의 입력 커패시터는 0.047µF로, 이는 1206 케이스 사이즈의 C0G 유전체를 가진 세라믹으로 지정할 수 있다. 이는 전압 계수 효과로부터의 THD 영향을 최소화하는 구성이다. op 앰프(MAX4490 같이 낮은 입력 바이어스 전류를 갖는 소자이어야 함)에 대한 DC 피드백은 2개의 100kΩ 저항에 의해 제공된다. 오디오 주파수에서의 DC 피드백 경로의 영향은 C2 및 R5에 의해 감쇄되어, 대부분의 피드백은 R1 및 C2를 통한 R2로 주어진다. 표기된 값에서, -3dB 지점은 5Hz로 설정된다.
그림 5. 이 새로운 회선 입력 단은 전압 계수 효과로 인한 열화를 감소시킨다. 기존 AC 커플링 커패시터를 증폭기의 오차 경로 안쪽에 포함시켜서 해당 커패시터의 용량을 작게 하여 휴대용 설계에서 C0G 커패시터의 사용을 가능하게 한다.
이 유형의 합성 피드백은 궁극적으로 1차 LF 롤오프(rolloff)를 가지지만, 고역 컷오프 주파수 부근에서 2차 응답 특성으로 튜닝할 수 있다. 따라서 그림 6에 보이는 값들로부터 부품 값을 조정할 때는 오버슈트와 피킹에 주의를 기울여야 한다. 예의 값들은 최대한으로 평탄한 고역 통과 기능에 접근한다. 이 회로 개념은 의사 차동(접지 센싱) 및 차동 입력 단에도 쉽게 적용할 수 있다.
그림 6. 그림 5 회로에 대한 주파수 응답은 -3dB 지점이 5Hz에 위치한 10Hz 아래에서의 유연한 롤오프를 보여준다. 감소하는 주파수의 궁극적인 롤오프율은 20dB/decade이다.
그림 7에 보이는 스테레오 헤드폰 드라이버 IC(MAX4410)는 DirectDrive라고 하는 혁신적인 기술을 선보인다. 여기서는 단일 포지티브 전원에 의한 출력 바이어스가 0V로 설정되어 헤드폰으로의 직접적인 DC 커플링을 허용한다. 여러 가지 장점은 아래와 같다.
대형 DC 블로킹 커패시터(100µF-470µF, typ)를 제거하여 전압 계수에 기인하는 눈에 띄는 THD 영향을 제거했다.
입력 커패시터 및 입력 저항에 의해 설정된 낮은 -3dB 컷오프는 그림 7에 보이는 값에서 1.6Hz 부근이다. 그러나 16Ω 헤드폰용 표준 AC 커플 헤드폰 드라이버에서 1.6Hz의 -3dB 지점은 약 6200µF을 필요로 한다. 더욱이 낮은 주파수 응답은 더 이상 부하 의존적이 아니다.
덩치가 큰 커패시터의 제거는 PCB 영역의 상당 부분을 절약한다. 이런 커패시터는 MAX4410 차지 펌프 회로에 필요한 1µF 및 2.2µF 세라믹 커패시터에 비해 비싸다.
접지 기준 부하에 출력을 소스/싱크 하기 위하여, 이 칩은 증폭기용 내부 네거티브 전원을 생성한다. 이 전원(PVss)은 포지티브 전원(VDD)의 역 버전이기 때문에, 출력에서 사용할 수 있는 전압 스윙(거의 2VDD)은 기존 단일 전원 AC 커플 헤드폰 드라이버 전압 스윙의 2배이다.
그림 7. MAX4410 스테레오 헤드폰 드라이버의 일반 애플리케이션 회로에서 CIN을 10µF로 설정하면 가청치 이하의 주파수에 대한 모든 전압 계수 효과를 제한한다. 출력에서 큰 용량의 커플링 커패시터는 필요하지 않다.
이 예에서는 오디오 대역폭에 대한 입력 커패시터의 전압 계수 효과를 해당 커패시터의 크기를 늘려서 최소화하는 것이 비교적 간단한 작업이었다. 10kΩ 입력 저항의 경우는 CIN에 대해 10µF 세라믹을 선택한다. 이 결합은 -3dB 지점을 1.6Hz에 두어, 전압 계수 비선형성으로 인한 최악의 효과가 적어도 재생 중인 최저 가청 주파수의 한 차수 아래 오도록 한다.
큰 용량의 커패시터와 관련해, 그림8은 수동 고역통과 필터를 구성하려고 16Ω 저항과 함께 사용된 두 유형의 100µF 커패시터를 비교한다. 100Hz, -3dB 주파수에서, 두 유형 모두 커패시터의 전압 계수로 인해 눈에 띄게 THD에 영향을 준다. THD+N에 대한 100µF 탄탈의 영향은 -3dB 컷오프에서 0.2%이며, 이는 그림 4에서의 성능이 가장 떨어지는 세라믹 소자와 대등한 수치이다. Maxim의 DirectDrive 부품 또는 유사한 기법을 사용하여 오디오 경로로부터 이들 소자를 제거하면 낮은 주파수에서 오디오 품질을 크게 개선시킬 수 있다. 그림 8에서, MAX4410은 기준선(측정 한계)을 추출하는데 사용되었다.
그림 8. 16Ω 부하를 구동하는 대용량의 100µF 커패시터에서 THD+N vs. 주파수. 탄탈 및 알루미늄 전해질의 두 유형 모두 100Hz의 공칭 -3dB 지점에서 THD에 크게 영향을 미치고 있다. Maxim의 DirectDrive 헤드폰 앰프에는 그러한 출력 커플링 커패시터가 필요 없다.
요약
수동 부품은 아날로그 오디오 경로에 실질적이고 측정 가능한 열화 현상을 줄 수 있다. 이같은 효과는 표준 오디오 테스트 장비를 사용해 쉽게 검사하고 평가할 수 있다. 테스트한 커패시터 유형들 가운데, 알루미늄 전해 커패시터와 폴리에스테르 커패시터가 가장 낮은 THD를 제공한다. X5R 세라믹은 THD가 가장 불량하다.
능동 부품을 선택할 때는 아날로그 오디오 단의 AC 커플링 커패시터의 수를 최소화하기 위해 노력해야 한다. 예를 들면 차등 신호 경로를 사용하거나 헤드폰 피드(즉 MAX4410)용 DirectDrive 부품을 사용한다. 가능하면 C0G 또는 PPS 유전체의 사용이 가능한, 커패시턴스 값이 낮은 오디오 회로를 설계하는 것이 좋다. AC 커플 오디오 단에서 전압 계수 효과를 줄이려면 -3dB 지점을 필요 이상으로 낮춰 (예컨대 10x 정도) 서브오디오 주파수에 대한 잠재적 문제들을 해결해야 한다.
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