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http://www.audiodesignline.com/howto/showArticle.jhtml?articleID=177100588
[전형적인 Single-Ended(CC형) Class AB 앰프의 예]
2부: http://www.seeko.co.kr/zboard4/zboard.php?id=faq&no=8576
부록: http://www.seeko.co.kr/zboard4/zboard.php?id=faq&no=8577
휴대용 음향 기기 앰프부의 종류에 대해:
http://www.seeko.co.kr/zboard4/zboard.php?id=faq&no=7955
◎ 서론
음향 에너지는 교류(AC)입니다.
배터리와 같은 단일 양 공급 전압(Single Positive Power Supply)으로 구동되는 10V의 신호는, 5V의 직류(DC) 성분이 합쳐진 -5V~+5V의 교류 신호라고 볼 수 있는데, 이렇게 직류 성분이 담긴 신호를 스피커로 출력하게 되면 직류는 음향 에너지로 전환되지 않고 보이스 코일에서 열로 전환 되지요. 이는 스피커나 헤드폰에 심각한 손상을 초래할 수도 있으므로 직류 성분을 차단하기 위해 앰프의 출력부에 캐퍼시터를 커플링합니다만, 캐퍼시터를 적용하게 되면 캐퍼시터의 유도 저항(Reactance)에 의해 위상 천이(Phase Shift)가 발생하여 저역 저하(HPF)가 생기게 됩니다. 이 위상 천이는 캐퍼시터의 용량이 커질수록, 혹은 부하의 양이 커질수록 그 규모가 작아집니다.
The Role of the headphone coupling capacitor, Wolfson Microelectronics, p.1
<C1과 C2를 출력 캐퍼시터, 혹은 커플링 콘덴서라고 부릅니다>
물론, 큰 용량의 캐퍼시터를 채용하면 위상 천이도 없어질테고 더할 나위 없이 좋겠지요. 그러나 부품의 추가는 제조사에겐 제조 단가의 상승을 의미하므로, 결국 제조 단가의 상승은 제품 가격의 상승으로 이어져서 이는 곧 소비자가 감수해야 할 몫이 됩니다. 더군다나 휴대용 음향 기기 등의 소규모 제품들은 설계 공간에 따른 제약도 존재하지요. 따라서 출력 캐퍼시터 용량의 선택은 제조사 뿐에게만이 아니라 소비자에게 있어서도 참으로 난감한 문제가 아닐 수 없습니다.
그럼 제품의 가격을 일정 선에 유지 시키면서도 만족스러운 성능을 보장하는, 휴대용 음향 기기에 적용하기 적합한 캐퍼시터의 용량은 대체 어느 정도일까요?
그렇다면 직접 한번 47uF부터 1000uF까지의 성능을 검증 해 보도록 하겠습니다. 검증 방법의 첫째로는 위상의 응답을 관찰하고, 두번째로는 출력 캐퍼시터를 거친 위상 응답이 주파수에 미치는 영향을 고려 해 보도록 하겠습니다.
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① 위상의 반응성
위상의 반응을 알아보는데 앞서서 우선은 위상 응답의 해석 방법을 숙지해 두실 필요가 있겠지요:
http://users.tpg.com.au/users/ldbutler/Waveforms.htm
趙善翼 編著, "測定器의 使用法과 製作," 電波科學社, pp.282 (1986).
위상 응답이 뒤틀리게 되면 주파수 응답이 변하게 되는데, 출력 캐퍼시터가 신호에 미치는 영향(저역 감쇄)을 고려한다면, 역시 위상이 전진된 B에서 C의 형태를 보여야 하겠습니다. 방형파의 경사도면의 기울기는 원 신호의 파형보다 낮은 주파수에서의 특성을 의미하고, 또한 경사면의 평탄도는 그보다 높은 주파수에서의 특성을 보여줍니다. 따라서 경사가 급하면 급할수록 초저역의 감쇄가 심화됩니다.
아래는 상기된 캐퍼시터 용량을 출력단에 장착한 앰프에 100 Hz의 방형파(Square Wave)를 출력하여 오실로스코프로 관측한 결과입니다. 앰프의 출력 임피던스는 0.1Ω 이하이며, 측정 조건은 AC 10mV(16Ω에서 6.25mW)에 Time Scale 1ms 입니다.
無부하 상태:
A입니다. 별다른 문제점이 보이진 않습니다.
47uF @ 16Ω:
저역이 크게 하락하여 위상이 C의 형태가 아닌 B의 형태가 되었습니다.
100uF @ 16Ω:
50uF보다는 낫지만, 그래도 B의 형태라고 할 수 있겠습니다.
220uF @ 16Ω:
C의 형태로 바뀌어 갑니다.
330uF @ 16Ω:
C 입니다.
470uF @ 16Ω:
C에서 A로 변해갑니다.
1000uF @ 16Ω:
A와 가깝습니다.
무부하 / 47uF ~ 1000uF @ 16Ω:
캐퍼시터 용량에 따른 위상 응답성의 변화를 실시간으로 확인할 수 있습니다.
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② 주파수 응답성
아래는 통상 이어폰의 공칭 임피던스인 16Ω을 부하를 기준으로 한 각종 캐퍼시터 용량의 -3dB Cutoff 주파수와 그에 상응하는 주파수 응답의 그래프 입니다. 위상 천이의 결과를 확인하실 수 있습니다:
앰프의 출력 임피던스는 0.1Ω 이하. RMAA 6.2.1
캐퍼시터 용량에 따른 주파수 응답성의 변화를 실시간으로 확인할 수 있습니다.
저역 감쇄(-3dB) 주파수:
47uF: 211.642212 Hz
100uF: 99.4718394 Hz
220uF: 45.2144725 Hz
330uF: 30.1429816 Hz
470uF: 21.1642212 Hz
1000uF: 9.94718394 Hz
위상 응답과 주파수 응답의 관찰을 통해서 각종 캐퍼시터 용량의 성능을 가늠해 보았습니다만, 이것만으로는 휴대용 음향 기기에 적용하기 적합한 캐퍼시터의 용량을 알아내기엔 무리가 있습니다. 한편 이 문제에 대해, 음향 코덱 제조사로 유명한 Wolfson Electronics社는 앰프의 출력 캐퍼시터 용량에 대한 기준안인 'The Role of the headphone coupling capacitor'를 제시합니다
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③ Wolfson社의 해답
"The Role of the headphone coupling capacitor"
"헤드폰 커플링 캐퍼시터의 역할"
"Most DAC devices provide an audio output that has a dc component, usually at the mid-rail analogue supply voltage. Therefore the main role of the capacitor, that links the audio output of the DAC device and jack socket, is for dc blocking. A side effect of including this capacitor is to produce a High Pass Filter at the output. To maintain a satisfactory audio bandwidth this filter needs to have a sensible low frequency cut-off in the lower auditory range of the human ear."
"대부분의 DAC 기기는, 중간전압에서 직류 성분을 가진 오디오 출력을 내보냅니다. 그래서 DAC 기기의 오디오 출력과 출력단을 연결하는 캐퍼시터의 중요한 역할은 바로 그 직류를 차단하는 거지요. 다만 부작용이 하나 있는데- 이 캐퍼시터를 장착하면 출력에 하이패스 필터(HPF; 고역통과여과기)가 생긴다는 사실입니다. 만족스러운 오디오 음역대를 유지하기 위해서는, 이 HPF가 인간의 가청 영역의 아래쪽에 충분한 저역저하를 가져야만 합니다.
"The frequency response of the output is determined by the well known formula:"
"출력의 주파수 응답은 이 공식으로 계산됩니다:"
"fc= 1/(2π*Rl*Cc)"
"Rl is the sum of headhone and the output load resistor impedances..."
"이어폰 임피던스와 출력 부하 저항 임피던스의 합"
"Cc is the coupling capacitor..." "커플링 캐퍼시터 용량"
"fc is the low frequency cut-off..." "Cut-off 저역 주파수"
(역주: -3dB 이하로 떨어지는 주파수를 Cut-off 주파수라 부릅니다.)
"The audio coupling capacitor performs best with a value greater than 100uF. Wolfson Evaluation Boards employ 220uF capacitors in this role for optimal response..."
"오디오 커플링 캐퍼시터는 용량이 100uF 이상일때 최상의 효과를 보여줍니다. 울프슨 평가 위원회은, 220uF의 용량이 최적의 응답을 이끌어내기 위해 적합하다고 판단했습니다."
Load Impedance Rl Coupling Capacitor Cc Low Frequency Cut-off fc
8Ohm 220uF 90Hz
16Ohm 220uF 45Hz
32Ohm 220uF 22Hz
"Headphone Quality"
헤드폰의 품질"
"If it is likely that poorer quality headphones are to be used, which generally have poorer frequency response, that the low frequency cut-off at the audio output can be compromised to match that of the headphones. It should be considered that there is always the possibility that a good quality headphone and keen hearing will reveal this lack of quality."
"얕은 주파수 응답을 가지는 저급 헤드폰이 쓰여지게 된다면, 그 주파수 응답에 맞추어서 오디오 출력도 양보될 수는 있습니다. 그러나 고급 헤드폰과 예리한 청감은 이러한 편법을 드러낼 가능성이 있지요."
"Auditory Response"
"청각 응답"
"The response of the human ear, auditory response, is often not as sensitive or as linear as some good quality headphones. One effect called masking is due to the ability of the ear to interpret louder sounds while masking out the softer ones. Low frequency sounds below 200Hz are not perceived as well as frequencies above this up to 10kHz."
"귀의 응답성, 청각 응답은 고급 헤드폰들의 감도처럼 예민하지도, 응답성처럼 선형적이지도 않습니다. 귀가 더 큰 소리를 인식하면서 작은 소리를 가리는 현상을 마스킹 효과라고 부릅니다. 200Hz 이하의 저주파는, 그 이상의 주파수(10kHz 이하)만큼 잘 감지되지 않습니다."
"To achieve optimal performance the audio output AC coupling/DC blocking capacitor should be large, in the range 100uF to 1000uF. Wolfson find that a 220uF capacitor gives optimal performance versus size benefits. using values smaller than this may be acceptable in the end application, but with the above proviso's."
"최적의 성능을 위해서, 음향 출력 교류 커플링/직류 차단 캐퍼시터의 용량은 100uF부터 1000uF까지 됩니다. 울프슨은 220uF가 크기對 성능比 면에서 최적이라는 사실을 알아 냈습니다. 이보다 적은 용량을 채용할 경우엔, 상기(심리음향학적)의 조건이 적용될 경우에만 허용될 수 있습니다."
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④ 결론
상기의 기준안에서, Wolfson社의 평가 위원회는 220uF이 "최적의 응답성을 이끌어내기 위해 적합하다"라고 밝히고 있습니다. 그러나 16옴에서 220uF의 저역 감쇄 주파수는 45Hz인데, 어쩌면 40Hz 이하 초저역(Deep Bass)의 재생 능력이 문제가 될 여지도 있습니다. 하지만 저역 재생 능력이 취약한 오픈형 헤드폰이나 이어폰의 태생적 한계를 감안한다면, 220uF는 휴대용 음향 기기에 적합한 용량이라고 할 수 있을 것입니다. 확실히 위상/주파수 특성을 고려 해 볼때도, Wolfson社가 제시한 캐퍼시터 용량은 상당히 일리가 있지요.
아래는 또다른 Wolfson社의 기준안, 'A.C. Coupling Capacitor Selection'에서 발췌입니다:
"The load impedance is usually 16-32ohm, so the higher ESR of tantalum capacitors is significant for powerloss. To achieve good frequency response, 100uF is a minimum requirement, 220uF better." p.5
"부하 임피던스는 보통 16~32옴이기 때문에, 출력 손실을 막으려면 탄탈럼 캐퍼시터의 ESR(등가 직렬 저항)이 충분히 낮을 필요가 있습니다. 좋은 주파수 응답성을 위해서는, 최소한 100uF는 필수이며 220uF면 더욱 좋습니다." p.5
그렇다면 실제 기기의 출력 캐퍼시터 용량은 어떻게 될까요?
과연 여러분의 기기는 저역을 효과적으로 출력할 수 있을까요?
이 문제의 답에 대해선 이 글의 2부에서 계속됩니다.
* 자료 수집과 기술적 감수를 해 주신 낙동강굴다리님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다. |
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