헤드폰 앰프 종류는 무척 다양하지만 어떤 앰프를  선택해야할 지를 알려주는 지침은 현실적으로 찾아보기가 어렵다. 이 기사에서는 사용 가능한 헤드폰 앰프 유형에 대해 설명하고 각 유형의 장점과 단점을 알아본다. 최상의 앰프 유형을 선택하는 올바른 지침을 보여주기 위해 여러 애플리케이션에 대한 실례를 들어서 설명할 것이다.

헤드폰 앰프; 애플리케이션에 적합한 토폴로지 선택

글│존 가이(John Guy), 애플리케이션 엔지니어, 내셔널 세미컨덕터

헤드폰 앰프 출력 설명

 헤드폰은 앰프 사운드가 사용된 초기부터 음악을 듣기 위한 다용도 방법으로 사용되어 왔다. 오랜 시간에 걸쳐 헤드폰의 형태는 비교적 공통된 설정으로 발전했다. 거의 모든 헤드폰이 TRS(Tip-Ring-Sleeve) 커넥터로 알려진 3.5mm(명목상 1/8″) 3 단자 커넥터를 사용하며 일부 헤드폰에는 더 큰 ¼″(명목상 6.3mm) 형식 TRS 커넥터가 제공되기도 한다. TRS 커넥터 다이어그램이 그림 1에 나와 있다. 이 커넥터의 공통점이 바로 헤드폰의 중요 장점 중 하나이다. 이 커넥터는 오디오 및 멀티미디어 전자 기기의 거의 모든 부분에서 서로 호환이 가능하다.

그림 1. TRS(Tip-Ring-Sleeve) 커넥터

 하지만 이러한 헤드폰이 널리 사용되는 것만큼이나 이 공통점이 단점으로 작용하기도 한다. 즉, 두 개의 스피커 요소가 하나의 공통(또는 접지) 연결을 공유한다. 이것이 단점인 이유는 대부분의 휴대용 소비자 전자 기기는 하나의 포지티브 전력 공급원으로 작동하기 때문이다. 오디오의 AC 특성으로 인해 전자 기기는 전력 공급 장치의 단일 극성과 오디오 신호의 이중 극성 간에 일종의 레벨 이동을 수행하게 된다.

커패시터 커플링 앰프 출력

 단일 포지티브 전력 공급 장치로 작동하는 헤드폰 앰프는 커플링 커패시터를 사용하여 접지 레퍼런스 헤드폰을 쉽게 구동할 수 있다. 이 방법의 예가 그림 2에 나와 있다.

그림 2. 커패시터 커플링 헤드폰 앰프

 중간 공급장치에서 바이어스된 이중 앰프가 한 쌍의 커플링 커패시터를 사용하여 스테레오 헤드폰을 구동한다. 이러한 커패시터의 값은 다음 방정식(1)을 사용하여 비교적 간단하게 선택할 수 있다.

 여기서 CMIN은 최소 전기 용량 값이고, fC는 이상적인 저주파 컷오프, ZL은 헤드폰의 임피던스이다. 예를 들어, 100Hz의 컷오프 주파수와 16Ω의 로드 임피던스가 이상적인 경우에는 100μF 커플링 커패시터를 사용한다. 실제로는 종종 충분한 저음역을 보장하고 컷오프 근처에서 주파수 왜곡을 더 낮은 주파수로 떨어뜨리기 위해 표준 크기에서 다음으로 더 큰 값을 선택하기도 한다.

 출력 커패시터가 수행하는 레벨 이동의 극성이 알려져 있으므로 주로 극성이 있는 커패시터가 선택된다. 극성이 있는 커패시터는 C-V 밀도가 높지만 해당 커패시터가 여전히 앰프 시스템에서 가장 큰 물체로, 커넥터 자체보다도 더 크다.

 표준 Op 앰프는 커패시터 커플링 헤드폰 앰프에 사용할 수 있지만 일반적으로 앰프 출력을 높이고 낮출 때 딸각하거나 펑하는 큰 소리가 나기도 한다. LM48100과 같이 이 애플리케이션에 사용하는 앰프에는 딸각하는 소리와 펑하는 소리를 없애기 위한 제어 방식 파워 업/다운 시퀀스가 있다.

 커패시터 커플링 앰프는 일반적으로 가장 저가의 헤드폰 앰프 IC이다. 물론 앰프 비용 절약은 커플링 커패시터 비용으로 상쇄된다. 커패시터 커플링 헤드폰 앰프는 일반적으로 공간이 문제가 되지 않는 장소에서 사용된다.

OCL(Output Capacitor-Less) 앰프

 접지 레퍼런스 헤드폰을 구동하는 더 좋은 방법은 제3의 앰프를 사용하여 슬리브(접지) 단말기를 구동하는 방법이다. 이 방법에 대한 예가 그림 3에 나와 있다. 중간 공급장치로 바이어스된 제3의 앰프가 슬리브를 고정 DC 전압으로 구동한다. AC 오디오 신호는 이 중간 공급 전압으로 바이어스되어 있다.

그림 3. OCL 헤드폰 앰프

 OCL 앰프의 가장 큰 장점은 저음역을 DC로 확장할 수 있다는 점이다. 대부분의 시스템에서는 회로에 커플링 커패시터가 있는 다른 섹션이 존재하기 때문에 이러한 확장은 매우 어렵다. 그렇다고 해도, 이러한 커플링 커패시터는 약 20kΩ 가량 더 큰 임피던스에서 작동하므로 이러한 커패시터에 필요한 크기와 비용을 최소한으로 유지할 수 있다.

 OCL 헤드폰 앰프는 일반적으로 커패시터 커플링 헤드폰 앰프에 비해 IC 비용과 전력 소비가 점진적으로 증가하는 작은 시스템이다. OCL 헤드폰 앰프는 저음역이 뛰어나다. OCL 헤드폰 앰프는 일반적으로 크기 요건이 까다롭고 작동 전압이 2.5V 이상인 시스템에서 사용된다.

 몇몇 시스템은 접지 위에 바이어스된 슬리브에서 문제가 발생한다. 이 문제는 헤드폰 잭이 실제 헤드폰 이외의 다른 장비에 연결될 때 생긴다. 두 개의 시스템이 접지 레퍼런스(비분리)를 통해 공통된 접지를 공유하는 경우 슬리브 연결을 통해 과도한 전류가 흐를 수 있다.

접지 레퍼런스 앰프 출력

 비접지식 슬리브의 OCL 헤드폰 앰프 문제를 정정하는 한 가지 방법은 접지 레퍼런스 헤드폰 앰프이다. 접지 레퍼런스 헤드폰 앰프의 예가 그림 4에 나와 있다. 앰프 IC의 차지 펌프는 음극 전압을 생성하며 명목상 포지티브 전력 공급 장치와 동일하지만 극성이 반대이다. 접지 레퍼런스 헤드폰 앰프는 포지티브 전력 공급 장치 및 네거티브 전력 공급 장치 사이에서 작동하여 AC 오디오 신호를 생성하는 출력을 가능하게 한다.

그림 4. 접지 레퍼런스 헤드폰 출력

 접지 레퍼런스 헤드폰 앰프는 일반적으로 OCL 헤드폰 앰프에 비해 IC 비용이 점진적으로 증가하고 전력 소비가 약 두 배에 달하는 단점이 있으며 저음역이 뛰어난 것은 장점으로 꼽힌다. 접지 레퍼런스 헤드폰 앰프는 공급 전압을 두 배로 늘려주므로 1.4V의 낮은 전압에서도 사용이 가능하며 여전히 적절한 출력을 생성한다. 접지 레퍼런스 헤드폰 앰프는 일반적으로 크기 요건이 까다롭고 헤드폰 잭이 다른 장비에 연결되어 있는 시스템에서 사용된다. 접지 레퍼런스 헤드폰 앰프의 가장 큰 단점은 전력 소비가 많다는 점이다.

 차지 펌프는 차지 펌프의 효율성 부족으로 인해 앰프의 바이어스 전류보다 약간 높은 포지티브 전력 공급 장치에서 전류를 끌어 온다. 차지 펌프의 또 다른 문제는 인접한 회로에 작은 영향을 미칠 수 있는 자유 방출 발진기라는 점이다. 차지 펌프 주파수는 네거티브 스윙 중에 오디오 신호에서 볼 수 있지만 스위칭 주파수 자체는 들을 수 없다.

고성능 헤드폰 앰프 

 고성능 헤드폰 앰프는 최고의 오디오 경험을 제공한다. 고성능 헤드폰 앰프의 예가 그림 5에 나와 있다. 이 경우 시스템은 일반적으로 ±5V ~ ±15V의 이중 공급 장치로 작동하며 두 공급 장치 모두 적절히 조절되어 있다. 고성능 Op 앰프는 복합 앰프 회로에 대한 피드백을 사용하여 공통 루프 내에서 고전류 버퍼를 구동한다.

그림 5. 고성능 헤드폰 앰프

 이 고성능 헤드폰 앰프의 가장 큰 장점은 두 개의 핵심 시스템 구성 요소를 분리하고 있다는 점이다. 입력 앰프는 시스템의 전체 음색을 결정한다. 이 경우 0.00003% THD N의 LM4562가 뛰어난 기초성능을 제공한다. 그런 다음 낮은 임피던스 헤드폰의 실제 구동은 LME-49600 고전류 버퍼에 의해 수행된다. 이 방법은 정밀 제어 회로의 부하 전류로 인한 열의 누적를 제거해준다. 이는 라인배커의 완력을 제어하는 우아한 발레리나의 동작과 유사하다. 고성능 헤드폰 앰프는 주로 고품질 오디오 소스와 함께 사용된다. 고성능 헤드폰 앰프는 음질을 가장 중요하게 생각하며 비용, 크기 및 전력 소비량은 무시된다.

 최고의 오디오 재생 시스템은 120dB 이상의 동적 범위에서 DAC를 구동하는 높은 샘플링 비율(예: 24bit, 192kHz)의 고해상도 오디오 소스이다. DAC의 출력은 고성능 헤드폰 앰프의 입력을 직접 구동한다. 때때로 헤드폰 분리를 보완하기 위해 약간의 크로스 피드가 추가되는 점을 제외하고는 아날로그 영역에서는 추가로 신호 처리가 수행되지 않는다. 모든 볼륨 제어는 마이크로컨트롤러 명령 하에 DAC에 의해 디지털 방식으로 수행된다. 몇몇 시스템에서는 DC 서보가 헤드폰 앰프에 구축되어 DC 구성 부품을 제거하여 오디오 경로에서 모든 커패시터를 제거한다.

여러 헤드폰 앰프 유형 간의 장단점

 사용자 애플리케이션에 가장 잘 맞는 헤드폰 앰프를 선택하는 것은 상대적으로 간단하다. 그림 6의 데이터는 다양한 토폴로지에 대한 양적 등급과 함께 최적화해야 하는 시스템에 대한 몇몇 공통 매개변수를 보여준다.

그림 6. 다양한 헤드폰 앰프 토폴로지의 매개변수 비교

예제 애플리케이션

- 단일 1.2V/1.5V 배터리를 사용하는 디지털 오디오 플레이어
 디지털 오디오 플레이어(DAP)는 오디오 품질이 좋고 크기가 작아야 한다. 알카라인 1차 전지 또는 니켈 수소 충전기와 같은 단일 셀에서 작동할 때에는 충분한 출력 전력을 얻기가 어렵다. 여기서는 접지 레퍼런스 앰프 및 해당하는 공급 이중 차지 펌프가 좋은 해결책이다. 이 차지 펌프는 회로 크기가 작고 저음역이 뛰어나다는 이점이 있다.

- Li 배터리를 사용하는 디지털 오디오 플레이어
 Li 배터리(또는 리튬 포리머 배터리 등)에서 동일한 DAP를 작동하면 사용 가능한 공급 전압의 증가로 인해 OCL 헤드폰 앰프 사용이 가능하다. 많은 DAP는 실제로 컴퓨터에 연결되면 아날로그 헤드폰 출력이 사용 불가능하게 되어 슬리브 바이어스 전압이 문제가 되지 않는다. 게다가 OCL 앰프에는 약간 작은 애플리케이션 회로가 있고 일반적으로 접지 레퍼런스 헤드폰 앰프보다 비용이 덜 든다.

- 스테레오 헤드셋이 있는 핸드셋
 핸드셋 시장은 OCL 및 접지 레퍼런스 헤드폰 앰프로 구분되어 있다. 이러한 앰프는 Li 배터리로 작동하므로 전압은 문제가 되지 않는다. 몇몇 핸드셋에는 다기능 포트가 있는데, 이 포트가 문제를 일으킬 수 있다. 비디오 입력으로 사용된 경우 포트는 네거티브 동기 펄스를 견딜 수 있어야 한다. 접지 레퍼런스 헤드폰 앰프는 이 네거티브 펄스를 쉽게 견딜 수 있다.

- 핸드셋 또는 DAP 도킹 스테이션
 많은 도킹 스테이션 내부에는 볼륨이 충분하므로 커패시터 커플링 헤드폰 앰프에서 커패시터의 크기는 문제가 되지 않는다. 특히 저가 도킹 스테이션 시장에서 이 스테이션이 적합하다. 고급 모델은 OCL 또는 접지 레퍼런스 앰프의 저음역 향상을 통한 혜택을 활용한다. 사실, 고급 도킹 스테이션 시장은 고성능 헤드폰 앰프 적용이 가장 적합한 부문이다.

- 고성능 개인용 헤드폰 앰프
 개인용 헤드폰 앰프 시장에서는 방대한 배열이나 회로 토폴로지를 사용하며 대부분은 그림 5에 표시된 방법과 유사하다. 이 토폴로지의 변수는 진공 튜브부터 단일 트랜지스터 앰프까지 다양하다.

결론

 설계자가 사용할 수 있는 앰프의 다양성을 고려할 때 공통 헤드폰에서 TRS 커넥터의 공통 접지 단자가 갖는 제한 사항을 쉽게 극복할 수 있다. 각 방법의 장점을 활용하여 설계자는 주요 매개변수의 손상이 최소화되도록 설계를 최적화할 수 있다.

 헤드폰 앰프를 사용하는 장치 수가 증가함에 따라 헤드폰 음악을 청취하는 시간도 날로 증가하고 있다. 볼륨을 크게 해서 헤드폰을 들으면 청력이 영구적으로 손상될 위험이 높아진다. 실제로 프랑스 정부는 자국에서 판매되는 모든 오디오 플레이어에 100dBA 제한을 부과했고 몇몇 언어병리학자들은 90dBA로 제한 낮추는 것이 좋다고 권장한다.

 헤드폰에서 사용 가능한 전력출력을 제한하는 가장 간단하고 값싼 방법은 앰프의 출력에 시리즈 레지스터를 추가하는 것이다. 또는 앰프의 공급 전압을 줄여도 최대 출력 전력이 줄어든다. 조정 가능한 게인이 있는 장치의 경우 선택된 레지스터가 사용 가능한 최대 전력을 제한할 수 있다. 애플리케이션에 대한 최대 진폭 선택은 다양한 요소에 따라 다르며 시스템 설계자가 올바른 진폭을 결정해야만 한다.

 대부분의 음악은 한 쌍의 라우드스피커가 있는 스튜디오에서 믹싱된다. 라우드스피커는 고주파에서는 방향이 있지만 중하부 영역에서는 방향성이 감소하기 시작한다. 일반적으로 저음 주파수는 방향이 없는 것으로 알려져 있다.
이러한 음악을 헤드폰으로 들으면 문제가 생긴다. 헤드폰은 청력 도관과 직접 연결되어 있으므로 저음 주파수까지 모두 방향이 있다. 그러므로 음악이 원래 의도했던 것과 사용자가 확성기를 통해 듣고 익숙해진 음이 다르게 들릴 수 있다.

 이렇게 다르게 들리는 차이점을 수정하기 위한 몇 가지 간단한 방법이 있는데, 이를 크로스 피드 회로라고 한다. 크로스 피드 회로는 왼쪽 신호의 필터링된 부분을 오른쪽으로 공급하고, 거꾸로 오른쪽의 유사한 부분을 왼쪽으로 공급하는 방법으로 중하부 주파수의 원래 믹싱을 재저장한다. 그림 7의 회로는 크로스 피드 회로의 한 예제를 보여준다. 회로에 대한 응답이 그림 8에 나와 있다.

그림 7. 크로스 피드 회로 예제

그림 8. 크로스 피드 회로 응답