휴대형 오디오 기기의 헤드폰 앰프 선택 요건

글│데이비드 브라운, 기술 마케팅부, 울프슨 마이크로일렉트로닉스

 시중에 나와 있는 많은 헤드폰 앰프는 DAC나 코덱과 같은 출력단의 IC에 위치하는 클래스 AB, 클래스 D, 혹은 클래스 G와 같은 설계 토폴로지를 사용하고 있다. 이와 같이 여러 앰프 중에서 적합한 앰프를 선택하기 위해서는 비용, 제품 크기, 관련된 외부 부품, 오디오 성능, 공급 전원, 전력 소비 및 효율 등의 주요 요건을 모두 살펴야 한다. 특히, 배터리로 구동되는 미디어 플레이어와 모바일 통신 기기의 경우, 시스템 설계자는 헤드폰 앰프 및 출력단의 회로 설계에 따르는 다양한 요인을 감안해야 한다.

클래스 AB 헤드폰 앰프

 현재 가장 보편적으로 사용되는 앰프는 클래스 AB 앰프이다. 클래스 AB 앰프의 효율은 증폭되는 신호의 특성과 함께 변한다. 비정상적인 트랜지스터 반응 및 트랜지스터 바이어스 전류, 부하 임피던스에 의한 부품 반응 및 전원 공급 효율의 감소와 같은 손실로 인해 클래스 AB 앰프는 풀스케일 사인파의 70% 정도의 최대 효율만 가질 수 있다.

 그러나, 전형적인 오디오 신호 레벨은 상당히 많은 폭의 변동이 있다. 신호 레벨이 낮을 경우, 앰프의 평균 전압 감소의 폭이 증가되어 전력 누출은 높아지고 효율은 감소된다.

 대다수의 휴대형 오디오 IC는 접지 상태로 1.8V에서 5V 사이의 단극 전압으로 공급되어 구동된다. 이는 클래스 AB 헤드폰 앰프 출력이 공급 수준의 반 정도의 DC 레벨로 바이어스된다는 것을 의미한다. 또는 VMID, 즉 레일 중간 기준 전압으로 언급되기도 한다. 오디오 신호가 VMID를 중심으로 앰프 출력이 헤드폰 부하로 커패시터와 결합된다(그림 1).

그림 1. 클래스 AB 헤드폰 앰프 외부 부품 회로 및 출력 신호 그림. 앰프 오디오 신호는 VMID을 중심으로 나타난다.

 이러한 커패시터를 통한 AC 결합은 DC 바이어스된 앰프가 보통 접지면과 연결된 헤드폰 부하 전체에 걸쳐 DC 전압이 떨어지는 것을 방지하며, 바이어스를 제거함으로써 전류가 정지 상태에서 앰프로부터 누출되는 것을 막을 수 있다. DC 블로킹 커패시터는 대부분 1mm 높이의 100~220μF 탄탈륨 커패시터이며, 이러한 커패시터는 휴대형 기기의 제한된 공간에 적합하지 않다.

 AC 결합 커패시터는 헤드폰 부하에서 하이패스 필터를 형성하며 시스템의 저음 반응을 제한할 수 있다. 이러한 커패시터는 앰프를 포함한 IC 비용에 비해 상대적으로 비싼 경우가 많다. 또한, 시간이 지남에 따라 노후화되어 제품 신뢰에 문제를 야기할 수 있다.

 헤드폰 부하의 끝 부분을 VMID로 바이어스 함에 따라 DC 블로킹 커패시터가 제거될 수 있다(그림 2). 이는 일차 출력 앰프가 오디오 신호에 부하를 줌과 동시에, 추가 앰프를 사용해 레일 중간 DC 기준 전압을 형성함으로써 가능해진다.

그림 2. 중간 레일 바이어스 앰프가 있는 캡리스 클래스 AB 헤드폰 앰프 회로와 출력 신호 그림

 이러한 설계는 크고 신뢰성이 떨어지는 커패시터를 사용하지 않는다는 장점은 있으나, 추가된 앰프가 보다 많은 전류를 필요로 하기에 전력 소비가 늘어 배터리 수명이 단축되는 단점도 있다.

 이러한 구조에서 음극의 헤드폰 부하 단자가 접지면 대신 DC 레벨 복귀 연결을 공유하면서 채널 분리가 퇴화되는 것이다. 중간 레일 기준 토폴로지는 헤드폰 슬리브가 접지면 윗 부분에서 중간 레일 기준까지 바이어스된다는 단점도 있어, 헤드폰 잭이 접지된 다른 시스템과 연결되는 경우 실제로 접지면에 중간 레일 앰프로 회로를 합선함으로써 IC를 훼손시키는 문제가 일어날 수 있다.

클래스 D 헤드폰 앰프

 클래스 D 헤드폰 앰프가 점차 많이 활용되고 있다. 클래스 D 오디오 앰프는 클래스 AB 앰프보다 높은 출력의 전압(32Ω 저항 상태에서 5mW 이상)에서 작동되므로 근본적으로 보다 효율적인 장점을 가지고 있다. 즉, 자연스럽게 배터리 수명이 길어지는 것이다. 하지만, 정지 상태이거나 음량이 낮을 경우에는(32Ω 저항 상태에서 1mW 이하) 오히려 상대적으로 비효율적이다.

 이는 아날로그 비교 회로 블록의 구동을 위해 높은 주파수 클럭이 필요한 출력 부문 및 정지 상태라 하더라도 출력 트랜지스터가 계속 전환이 되고 있기 때문이다.

 이러한 클래스 앰프의 높은 주파수 PWM(Pulse width modulated: 펄스폭변조) 신호 출력은 부하 연결 이전에 오디오 신호를 복원하기 위해 필터링이 필요하다. 출력 회로에서 중간 레일 DC 바이어스 전압(그림 3)을 제거하기 위해 AC 결합 커패시터도 필요하다.

그림 3. 클래스 D 헤드폰 앰프 외부 부품 회로 및 출력 신호 그림

 보통 클래스 D 앰프 구성은 클래스 AB 앰프보다 높은 출력 전압 레벨에서 구동해 효율이 높다는 장점을 가지는 것으로 알려져 있다. 그러나, 헤드폰 앰프는 보통 신호의 최고 레벨보다 상대적으로 낮은 출력 전압에서 구동된다. 이것은 청취자에게 듣기 편한 2mW 이하 및 32Ω 저항 상태를 유지하나 클래스 D 효율의 장점 또한 없어진다는 문제를 야기한다.

 클래스 D 앰프는 로우 패스 재생 필터를 이루는 채널당 2개의 추가 부품(보통 인덕터, 커패시터 LC 필터)을 필요로 하나, 이러한 부품은 공간이 부족한 기기의 PCB 공간을 차지하고 BOM비용은 높이게 된다.

접지 헤드폰 앰프

 앰프가 접지되면 부피가 큰 DC 블로킹 출력 커패시터 사용이 필요없어진다. 이러한 경우, 헤드폰 앰프로 듀얼 레일 전압을 공급함으로써 앰프 출력 부문의 가운데 레일이 접지된다(그림 4).

그림 4. 접지 클래스 AB 헤드폰 앰프 회로 및 출력 신호 그림

 배터리로 구동되는 기기의 앰프에서 듀얼 레일 전원 공급이 되기 위해서는 별도 부품을 사용하는 방법을 포함해 다양한 방법이 있다. 그러나 최근의 휴대형 오디오 IC에서는 앞서 언급한 단극 공급 전압에서 구동되므로 보통 통합된 차지 펌프에서 듀얼 레일 공급이 형성된다.

 차지 펌프 회로는 보통 10μF 범위에서 크기가 작은 외부 고압(fly-back) 커패시터 및 양극과 음극 전원 공급 레일을 분리하는 커패시터가 필요하다. 따라서, 접지된 앰프는 3개의 작은 외부 부품이 필요하다.

 최근에는 오디오 회로를 방해하는 차지 펌프와 연관된 고주파수 스위칭 소음없이 앰프에 전원 공급을 하는 것으로 차지 펌프 설계가 이루어지고 있다. 이로 인해 오디오 성능이 저하되지는 않는다. 거의 모든 접지된 앰프는 작은 크기의 외부 부품의 이점을 가진 클래스 AB 앰프 아키텍처를 사용하고 있다.

클래스 G 앰프 구동

 클래스 G 앰프는 클래스 AB 형식의 앰프에 확장된 파워 공급 레일을 제공함으로써, 앰프 공급을 최적화하고 입력 신호의 왜곡없이 통과할 수 있는 신호 공간을 제공한다. 청취자가 편안한 볼륨 레벨에서 상당히 오랜 시간동안 상대적으로 작은 신호 공간에서 헤드폰 재생이 가능하게 된다. 불필요한 전원 공급으로 인한 전력 낭비 및 비효율성이 클래스 G 아키텍처 구현으로 최소화될 수 있는 것이다.

그림 5. 조정 가능한 VDD/VSS 전력 레일을 나타내는 클래스 G 구동

 앰프가 가장 최적의 전원 공급 범위에서 구동되기 위해 VDD 및 VSS의 조정으로 클래스 G가 구현된다. 작은 진폭 신호에서의 앰프 효율성은 VDD와 VSS 전압 범위를 축소함으로 개선될 수 있다. 오디오 기기에서는 신호를 왜곡시키지 않고 구현되는 것이 중요하다.

 단순화된 클래스 G 구조는 그림 1에 나타나 있다. 변화되는 신호 진폭에 의해 반응하는 2개의 다른 VDD와 VSS 레벨(레벨 1과 레벨 2)이 설정된다. VDD와 VSS 레벨을 변조함으로써, 앰프 효율성은 원래의 클래스 AB 구조에 비해 개선이 된다.

 헤드폰 앰프를 위한 클래스 AB 및 클래스 D, 클래스 G의 장점을 알아보기 위해 통합 스테레오 헤드폰 앰프를 내장한 3개의 울프슨 오디오 코덱을 선정해 DAC to 헤드폰 전력 소비, 오디오 성능, 효율성, 그리고 외부 부품 사양에 대해 알아보도록 하자. 여기서 DAC to 헤드폰 모드를 비교하는 이유는 최신 휴대형 전자 기기에서 가장 보편적으로 사용되는 오디오 앰프 구조를 반영하기 때문이다.

요약

 그림 6은 클래스 G의 접지된 헤드폰 출력 부문을 통해 클래스 D 헤드폰 앰프에 비해 외부 부품 수를 줄일 수 있으며 PCB 공간을 40% 감소시킨다는 것을 보여준다. 클래스 AB 출력에 비해서는 PCB 공간 사용이 15% 커질 수 있으나, 보통 작은 제품 케이스 크기에 맞는 작은 외부 부품이 요구되므로 얇은 PCB 두께와 낮은 BOM 비용으로 설계가 가능하게 된다.

그림 6. 외부 부품 요건 및 오디오 성능에 대한 클래스 AB, D, G 오디오 코덱의 비교(*는 접근 불가영역 및 전력공급 분리상태 제외)

 접지된 클래스 G 헤드폰 앰프의 DAC to 헤드폰 전력 소비는 보편적으로 청취하는 2mW 32Ohm 헤드폰인 경우, 그림 7과 같이 클래스 AB 앰프에 비해 전력 소비를 20%, 클래스 D에 비해서는 40% 개선할 수 있다. 이것은 곧 20~40%의 배터리 수명 연장을 의미한다. 그림 8에서 볼 수 있는데로, 접지된 클래스 G 헤드폰 앰프는 클래스 AB나 D앰프와 비교해 오디오 성능은 유지하면서 DAC에서의 헤드폰 효율을 2~8% 개선할 수 있다.

그림 7. 클래스 AB, D, G 헤드폰 앰프를 가진 울프슨의 3종 오디오 코덱의 DAC에서 헤드폰으로의 전력 소비

그림 8. DAC to 헤드폰 전력 소비 관련 클래스 AB, D, G 앰프 비교(1kHz 사인파 재생)