아날로그에서 디지털로 진화된
디지털 TV용 오디오 앰프 ST의 원칩 STA323W
일상 생활에 가장 오래 전부터 가장 많이 사용하고 있는 반도체가 오디오 앰프 디바이스라 해도 과언이 아닐 것이다. 왜 디지털 앰프 디바이스가 이토록 급속도로 많이 쓰여지는지, 아날로그 앰프 디바이스에 비해 어떠한 점이 좋은지 알아보도록 하겠다.
글│곽병운 차장, ST마이크로일렉트로닉스 코리아
오디오 앰프의 역사는 인류의 과학,문화의 발전과 맥을 같이 해왔다. 토마스 에디슨의 축음기에 들어가는 구식 아날로그 오디오 앰프 시스템에서부터 디지털 제품군으로 판매되고 있는 AV디지털 홈씨어터, 디지털TV, 미니컴포넌트, 컴퓨터, 카오디오와 길거리나 지하철에서 흔히 볼 수 있는 MP3 플레이어용 헤드폰 앰프 또는, 핸드폰, PDA, PMP, DMB의 저출력 스피커 앰프까지 오디오 앰프는 우리의 일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 거의 모든 가정용, 포터블 가전에 사용되고 있다.
일상 생활속에 사용되고 있는
오디오 시스템의 종류
실제로 소리가 나는 모든 전자기기에는 오디오용 앰프 디바이스가 100% 사용된다고 볼 때, 우리의 일상 생활에 가장 오래 전부터 가장 많이 사용하고 있는 반도체가 오디오 앰프 디바이스라 해도 과언이 아닐 것이다. 그러나 현재 실상은 상당수의 디지털 제품이라 명명되는 제품의 케이스를 열어 보면 아직도 아날로그 앰프 사용되고 있다는 것이다. 그렇다면 이러한 제품은 진정한 디지털 가전이라 할 수 없을 것이다.
ST의 디지털 오디오 앰프 솔루션인 DDX는 Direct Digital Amplifier의 약자로써 미국에서 특허 등록된 ST의 디지털 디지털 앰프 디바이스 브랜드이다. 현재 세계에서 가장 많이 팔리는 디지털 앰프용 IC이며 국내 홈씨어터 제품과 디지털TV에 가장 많이 사용되고 있는 베스트 셀링 디바이스이다. 그렇다면 왜 디지털 앰프 디바이스가 이토록 급속도로 많이 쓰여지는지, 아날로그 앰프 디바이스에 비해 어떠한 점이 좋은지 알아보도록 하겠다.
디지털 앰프가 아날로그 앰프보다 좋은 점
대개 아날로그 앰프와 디지털 앰프의 차이는 효율의 특성 차이에서 시작된다. 오디오 앰프 IC는 효율에 따라 클래스 A/B급, 클래스 D급, DDX와 같은 풀 디지털 앰프로 분류되며, 그림 2 그래프와 같은 특성을 나타낸다. 그림 2에서와 같이, ST의 디지털 앰프 DDX는 바이너리 방식의 클래스 D급 앰프보다는 20% 이상, 아날로그 앰프와의 비교에서는 3배 가량 효율이 앞서있다.
앰프에서의 효율은 에너지의 입력에 대한 에너지 출력의 비율로서 수치가 높을수록 에너지 효율이 좋은 전자 제품이 된다. 가장 많이 사용되고 있는 클래스 A/B급 앰프의 효율이 약 40%라고 하면, 클래스 D급 앰프는 70%이고 디지털 입력을 받아서 디지털 출력을 발생시키는 바이너리 방식 풀 디지털 앰프의 경우 통상적으로 95% 정도의 진일보한 효율을 보여준다.
여기에 만족하지 않는 ST의 DDX는 터너리모드(Ternary)라는 독특한 댐핑 방식을 사용하여 95%의 최고 효율로서 명실상부한 디지털 앰프의 지존이라 할 수 있을 것이다. 효율이 좋다는 것은 전류의 소모를 줄일 수 있기에 심미성이 좋은 고출력 슬림형 오디오 앰프 시스템의 설계를 가능하게 한다.
그림 3 사진이 보여주듯이 디지털 앰프 IC가 적용된 앰프 보드의 경우 PCB의 사이즈는 물론, 가장 많은 공간 및 무게를 차지하는 히트싱크의 크기를 현저하게 줄임으로써 100W급의 오디오 시스템 기준으로 247mm의 SET 높이를 최대 60mm까지 줄일 수 있는 디자인의 혁신을 달성할 수 있다. 그렇다면 DDX 디지털 앰프는 어떠한 원리로 동작되는지 살펴보도록 하겠다.
아날로그 앰프와 디지털 앰프의
신호 흐름 차이
그림 4는 아날로그 앰프와 디지털 앰프의 구성을 블럭화한 동작 개요도이다. 디지털TV, 핸드폰, DMB로 대표되는 최근 IT 제품군들의 대부분은 그림 4와 같이 디지털 오디오 신호를 출력단으로 내보내지만 스피커나 헤드폰으로 최종 드라이브하기 전에 디지털 신호를 아날로그로 변환해주는 DAC(Digital Analog Converter)에서 아날로그로 컨버전한다.
그 다음 외부소자에 의한 볼륨 컨트롤이나 톤, EQ(이쿼라이저) 회로 등의 Post 프로세싱 과정을 거친 후 아날로그 앰프인 클래스 A/B급이나 클래스 D급 앰프에서 증폭한 후 스피커나 헤드폰으로 최종 출력된다. 이 과정에서 앞에서 언급한 볼륨, Tone, EQ IC 등의 외부 디바이스가 추가로 소요될 뿐만 아니라 앰프 증폭 시 발생하는 열에 대한 대책으로 큰 사이즈의 메탈 히트싱크가 필요하게 된다.
하지만 DDX로 설계할 경우, 디지털 오디오 신호는 별도의 디지털-아날로그 변환 없이 DDX의 PWM(Pulse Width Modulation) 섹션을 처리하는 24비트 DSP 멀티미디어 프로세서에서 볼륨 컨트롤, 톤 조정, 이퀄라이저 보정 후 다이렉트로 원하는 출력 만큼 파워 증폭되며 주변의 LPF(Low Pass Filter)를 거쳐 스피커나 헤드폰으로 최종 출력된다.
30W 스테레오 이상의 경우, 동급 출력의 아날로그 앰프에 소요되는 히트싱크 보다 50% 이상 사이즈가 줄어드는 효과가 있으며 30W 2ch 이하의 경우 아예 히트싱크를 쓰지 않아도 되는 회로, 기구 설계의 놀라운 효과를 기대할 수 있다. 현재 국내 대기업에서 생산하는 30인치 이상 50인치급 디지털 TV에 사용되는 오디오 앰프는 거의 대부분 디지털 앰프로 전환되고 있는 추세이고 그 중 가장 많이 채용되고 있는 디지털 앰프는 단연 ST의 DDX 시리즈이다.
디지털 앰프는 그림 4의 DDX Amp-lifier 블럭도에서 볼 수 있듯이 디지털 신호원인 I2S 입력을 받아 PWM 모듈레이션, 볼륨 컨트롤, 톤 조정, 이퀄라이저 기능을 처리해주는 드라이버 IC와 파워 증폭을 담당하는 Power Stage IC 2개로 구성되는 것이 일반적인 디지털앰프 KIT 솔루션이다. 하지만 ST는 세계 최초의 ONE CHIP DDX 플랫폼을 보유하고 있다. 그것이 바로 DDX Super Intergration 디바이스인 STA323W이다.(그림 5)
ST DDX가 다른 클래스 D급 앰프나 FULL 디지털 앰프보다 우수한
특성은 무엇인가?
1) 가장 높은 에너지 효율, 95%
2) AM간섭/EMI에 강한 Tenary Damping 특성 일반적인 타사의 클래스 D급 앰프나 FULL 디지털 AMP의 경우는 바이너리 또는 Bi-State라는 동작 방식을 사용하고 있다. 이러한 방식은 Positive Power와 Negative Power로 불리는 단지 2개의 스위칭 상태의 바이너리 구성이다. 이에 반해 ST의 터너리(Ternary) 방식 또는 Tri-state 동작은 Positive, Negative, Zero Power State의 3가지 스위칭 상태로 구성되어 있다.
DDX의 탁월한 특허 가치는 세 번째 Zero Power State를 운용하는데 있다. 그림 6은 Damped 상태인 Zero Power State를 보여주며, 그림 7은 오디오 출력인 Sinewave를 얻기 위한 바이너리 모듈레이션과 비교하여 댐프(Damped) 되어진 터너리의 이득을 보여준다. 바이너리 모드의 경우, 동작이 취소되었거나 사용하지 않는 2개의 큰 신호에도 작은 전원을 요구하게 된다.
결국 파워 앰프단에서는 계속적으로 고출력을 뿜어내게 되어 파워의 소모로 이어지는 것이다. 또한 원하지 않는 RF 에너지를 발생시켜서 방사로부터의 대책을 필요로 하게 된다. 하지만 ST DDX의 터너리 방식은 신호가 존재할 때만 전원을 공급하면서 Sinewave의 오디오 출력을 만들어내기 때문에 에너지 효율이 우수한 특성을 지님과 동시에 EMI에 상대적으로 매우 강한 결과치를 수반해준다.
DDX 파워 앰프의 로드맵
그림 8에서와 같이 ST의 디지털 파워 앰프 라인업은 40W 스테레오에서 180W 스테레오까지 폭넓은 로드맵을 자랑한다. 하지만 파워 앰프의 경우 STA308A라는 8채널 드라이브용 PWM 모듈레이터와 KIT로 설계해야 하는 2칩 솔루션이다.
DDX 윈칩 로드맵
그림 9는 80W 스테레오까지 지원되는 원칩 DDX의 로드맵이다. 노란색 로드맵은 현재 양산중인 ST의 원칩 플랫폼이며 분홍색 로드맵은 이미 개발이 끝난 상태에서 양산 준비중인 신형 DDX 원칩 엔진이다. STA323W의 후속 모델로서 코스트다운 버전이라 할 수 있다.
이와 같이 디지털 앰프의 로드맵은 고출력을 위한 2칩 솔루션과 디지털TV나 포터블 디지털 기기를 위한 원칩 DDX로 사용자 선택의 폭을 넓혀가고 있고 심지어 1W급의 미니 DDX와 아날로그 입력을 위하여 ADC를 내장한 모바일용 DDX도 오는 3사분기에 출시될 전망이어서 이젠 모든 IT기기에서 DDX의 고효율, 디지털 사운드를 체험할 수 있을 것이다. 하지만 ST의 DDX 로드맵은 여기서 멈추지 않고 블루투스나 와이어리스 랜 등의 무선 통신과 접목되어 더 진보된 디지털 오디오 디바이스로의 형태로 가정과 모바일 환경에 이미 디자인되고 있기에 디지털 오디오의 대표 브랜드라 할 수 있을 것이다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 07월호>
디지털 TV용 오디오 앰프 ST의 원칩 STA323W
일상 생활에 가장 오래 전부터 가장 많이 사용하고 있는 반도체가 오디오 앰프 디바이스라 해도 과언이 아닐 것이다. 왜 디지털 앰프 디바이스가 이토록 급속도로 많이 쓰여지는지, 아날로그 앰프 디바이스에 비해 어떠한 점이 좋은지 알아보도록 하겠다.
글│곽병운 차장, ST마이크로일렉트로닉스 코리아
오디오 앰프의 역사는 인류의 과학,문화의 발전과 맥을 같이 해왔다. 토마스 에디슨의 축음기에 들어가는 구식 아날로그 오디오 앰프 시스템에서부터 디지털 제품군으로 판매되고 있는 AV디지털 홈씨어터, 디지털TV, 미니컴포넌트, 컴퓨터, 카오디오와 길거리나 지하철에서 흔히 볼 수 있는 MP3 플레이어용 헤드폰 앰프 또는, 핸드폰, PDA, PMP, DMB의 저출력 스피커 앰프까지 오디오 앰프는 우리의 일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 거의 모든 가정용, 포터블 가전에 사용되고 있다.
일상 생활속에 사용되고 있는
오디오 시스템의 종류
실제로 소리가 나는 모든 전자기기에는 오디오용 앰프 디바이스가 100% 사용된다고 볼 때, 우리의 일상 생활에 가장 오래 전부터 가장 많이 사용하고 있는 반도체가 오디오 앰프 디바이스라 해도 과언이 아닐 것이다. 그러나 현재 실상은 상당수의 디지털 제품이라 명명되는 제품의 케이스를 열어 보면 아직도 아날로그 앰프 사용되고 있다는 것이다. 그렇다면 이러한 제품은 진정한 디지털 가전이라 할 수 없을 것이다.
ST의 디지털 오디오 앰프 솔루션인 DDX는 Direct Digital Amplifier의 약자로써 미국에서 특허 등록된 ST의 디지털 디지털 앰프 디바이스 브랜드이다. 현재 세계에서 가장 많이 팔리는 디지털 앰프용 IC이며 국내 홈씨어터 제품과 디지털TV에 가장 많이 사용되고 있는 베스트 셀링 디바이스이다. 그렇다면 왜 디지털 앰프 디바이스가 이토록 급속도로 많이 쓰여지는지, 아날로그 앰프 디바이스에 비해 어떠한 점이 좋은지 알아보도록 하겠다.
디지털 앰프가 아날로그 앰프보다 좋은 점
대개 아날로그 앰프와 디지털 앰프의 차이는 효율의 특성 차이에서 시작된다. 오디오 앰프 IC는 효율에 따라 클래스 A/B급, 클래스 D급, DDX와 같은 풀 디지털 앰프로 분류되며, 그림 2 그래프와 같은 특성을 나타낸다. 그림 2에서와 같이, ST의 디지털 앰프 DDX는 바이너리 방식의 클래스 D급 앰프보다는 20% 이상, 아날로그 앰프와의 비교에서는 3배 가량 효율이 앞서있다.
앰프에서의 효율은 에너지의 입력에 대한 에너지 출력의 비율로서 수치가 높을수록 에너지 효율이 좋은 전자 제품이 된다. 가장 많이 사용되고 있는 클래스 A/B급 앰프의 효율이 약 40%라고 하면, 클래스 D급 앰프는 70%이고 디지털 입력을 받아서 디지털 출력을 발생시키는 바이너리 방식 풀 디지털 앰프의 경우 통상적으로 95% 정도의 진일보한 효율을 보여준다.
여기에 만족하지 않는 ST의 DDX는 터너리모드(Ternary)라는 독특한 댐핑 방식을 사용하여 95%의 최고 효율로서 명실상부한 디지털 앰프의 지존이라 할 수 있을 것이다. 효율이 좋다는 것은 전류의 소모를 줄일 수 있기에 심미성이 좋은 고출력 슬림형 오디오 앰프 시스템의 설계를 가능하게 한다.
그림 3 사진이 보여주듯이 디지털 앰프 IC가 적용된 앰프 보드의 경우 PCB의 사이즈는 물론, 가장 많은 공간 및 무게를 차지하는 히트싱크의 크기를 현저하게 줄임으로써 100W급의 오디오 시스템 기준으로 247mm의 SET 높이를 최대 60mm까지 줄일 수 있는 디자인의 혁신을 달성할 수 있다. 그렇다면 DDX 디지털 앰프는 어떠한 원리로 동작되는지 살펴보도록 하겠다.
아날로그 앰프와 디지털 앰프의
신호 흐름 차이
그림 4는 아날로그 앰프와 디지털 앰프의 구성을 블럭화한 동작 개요도이다. 디지털TV, 핸드폰, DMB로 대표되는 최근 IT 제품군들의 대부분은 그림 4와 같이 디지털 오디오 신호를 출력단으로 내보내지만 스피커나 헤드폰으로 최종 드라이브하기 전에 디지털 신호를 아날로그로 변환해주는 DAC(Digital Analog Converter)에서 아날로그로 컨버전한다.
그 다음 외부소자에 의한 볼륨 컨트롤이나 톤, EQ(이쿼라이저) 회로 등의 Post 프로세싱 과정을 거친 후 아날로그 앰프인 클래스 A/B급이나 클래스 D급 앰프에서 증폭한 후 스피커나 헤드폰으로 최종 출력된다. 이 과정에서 앞에서 언급한 볼륨, Tone, EQ IC 등의 외부 디바이스가 추가로 소요될 뿐만 아니라 앰프 증폭 시 발생하는 열에 대한 대책으로 큰 사이즈의 메탈 히트싱크가 필요하게 된다.
하지만 DDX로 설계할 경우, 디지털 오디오 신호는 별도의 디지털-아날로그 변환 없이 DDX의 PWM(Pulse Width Modulation) 섹션을 처리하는 24비트 DSP 멀티미디어 프로세서에서 볼륨 컨트롤, 톤 조정, 이퀄라이저 보정 후 다이렉트로 원하는 출력 만큼 파워 증폭되며 주변의 LPF(Low Pass Filter)를 거쳐 스피커나 헤드폰으로 최종 출력된다.
30W 스테레오 이상의 경우, 동급 출력의 아날로그 앰프에 소요되는 히트싱크 보다 50% 이상 사이즈가 줄어드는 효과가 있으며 30W 2ch 이하의 경우 아예 히트싱크를 쓰지 않아도 되는 회로, 기구 설계의 놀라운 효과를 기대할 수 있다. 현재 국내 대기업에서 생산하는 30인치 이상 50인치급 디지털 TV에 사용되는 오디오 앰프는 거의 대부분 디지털 앰프로 전환되고 있는 추세이고 그 중 가장 많이 채용되고 있는 디지털 앰프는 단연 ST의 DDX 시리즈이다.
디지털 앰프는 그림 4의 DDX Amp-lifier 블럭도에서 볼 수 있듯이 디지털 신호원인 I2S 입력을 받아 PWM 모듈레이션, 볼륨 컨트롤, 톤 조정, 이퀄라이저 기능을 처리해주는 드라이버 IC와 파워 증폭을 담당하는 Power Stage IC 2개로 구성되는 것이 일반적인 디지털앰프 KIT 솔루션이다. 하지만 ST는 세계 최초의 ONE CHIP DDX 플랫폼을 보유하고 있다. 그것이 바로 DDX Super Intergration 디바이스인 STA323W이다.(그림 5)
ST DDX가 다른 클래스 D급 앰프나 FULL 디지털 앰프보다 우수한
특성은 무엇인가?
1) 가장 높은 에너지 효율, 95%
2) AM간섭/EMI에 강한 Tenary Damping 특성 일반적인 타사의 클래스 D급 앰프나 FULL 디지털 AMP의 경우는 바이너리 또는 Bi-State라는 동작 방식을 사용하고 있다. 이러한 방식은 Positive Power와 Negative Power로 불리는 단지 2개의 스위칭 상태의 바이너리 구성이다. 이에 반해 ST의 터너리(Ternary) 방식 또는 Tri-state 동작은 Positive, Negative, Zero Power State의 3가지 스위칭 상태로 구성되어 있다.
DDX의 탁월한 특허 가치는 세 번째 Zero Power State를 운용하는데 있다. 그림 6은 Damped 상태인 Zero Power State를 보여주며, 그림 7은 오디오 출력인 Sinewave를 얻기 위한 바이너리 모듈레이션과 비교하여 댐프(Damped) 되어진 터너리의 이득을 보여준다. 바이너리 모드의 경우, 동작이 취소되었거나 사용하지 않는 2개의 큰 신호에도 작은 전원을 요구하게 된다.
결국 파워 앰프단에서는 계속적으로 고출력을 뿜어내게 되어 파워의 소모로 이어지는 것이다. 또한 원하지 않는 RF 에너지를 발생시켜서 방사로부터의 대책을 필요로 하게 된다. 하지만 ST DDX의 터너리 방식은 신호가 존재할 때만 전원을 공급하면서 Sinewave의 오디오 출력을 만들어내기 때문에 에너지 효율이 우수한 특성을 지님과 동시에 EMI에 상대적으로 매우 강한 결과치를 수반해준다.
DDX 파워 앰프의 로드맵
그림 8에서와 같이 ST의 디지털 파워 앰프 라인업은 40W 스테레오에서 180W 스테레오까지 폭넓은 로드맵을 자랑한다. 하지만 파워 앰프의 경우 STA308A라는 8채널 드라이브용 PWM 모듈레이터와 KIT로 설계해야 하는 2칩 솔루션이다.
DDX 윈칩 로드맵그림 9는 80W 스테레오까지 지원되는 원칩 DDX의 로드맵이다. 노란색 로드맵은 현재 양산중인 ST의 원칩 플랫폼이며 분홍색 로드맵은 이미 개발이 끝난 상태에서 양산 준비중인 신형 DDX 원칩 엔진이다. STA323W의 후속 모델로서 코스트다운 버전이라 할 수 있다.
이와 같이 디지털 앰프의 로드맵은 고출력을 위한 2칩 솔루션과 디지털TV나 포터블 디지털 기기를 위한 원칩 DDX로 사용자 선택의 폭을 넓혀가고 있고 심지어 1W급의 미니 DDX와 아날로그 입력을 위하여 ADC를 내장한 모바일용 DDX도 오는 3사분기에 출시될 전망이어서 이젠 모든 IT기기에서 DDX의 고효율, 디지털 사운드를 체험할 수 있을 것이다. 하지만 ST의 DDX 로드맵은 여기서 멈추지 않고 블루투스나 와이어리스 랜 등의 무선 통신과 접목되어 더 진보된 디지털 오디오 디바이스로의 형태로 가정과 모바일 환경에 이미 디자인되고 있기에 디지털 오디오의 대표 브랜드라 할 수 있을 것이다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 07월호>
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