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◎ 서론
1부: http://www.seeko.co.kr/zboard4/zboard.php?id=faq&no=8527
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
현재 출시되어 있는 대부분의 휴대용 음향 기기는 Class AB Single-Ended 앰프를 적용하고 있습니다. 그리고 여기엔 직류 성분을 제거하기 위한 출력 캐퍼시터가 탑재되어 있지요. 1부에서는 이 출력 캐퍼시터의 역할과 이론적 배경을 간단히 짚고 넘어가 보았습니다. 이론/계산상으로, 출력 캐퍼시터의 용량마다 저역이 감쇄(-3 dB)되는 주파수가 달랐으며 한편 Wolfson Electronics社(이하 Wolfson)는 220μF이 휴대용 음향 기기의 조건에 최적의 용량이라고 판단, 이에 대한 기준안인 'The Role of the headphone coupling capacitor'을 발표하게 됩니다. 확실히 이론/계산상으로 Wolfson의 제시 용량은 상당히 일리가 있었습니다.
그렇다면 실제 제품들의 앰프부는 어떨까요??
과연 여러분의 기기는 효과적으로 저역 재생이 가능할까요?
2부에서는 실제 휴대용 음향 기기 앰프부의 위상 응답, 주파수 응답, 그리고 실제 헤드폰/이어폰의 저역 재생력을 살펴보면서 이론상으로 최적 용량인 220μF가 실기에 미치는 영향을 알아보도록 하겠습니다.
[기기명 / 앰프 형식 / 출력 캐퍼시터 용량 / 출력 임피던스 / 16Ω 저역 저하 주파수]
Apple iPod 2세대
eStar-Lab Monolith2 (모노리스2)
Cowon iAudio U5
Samsung YP-S2 (조약돌)
Cowon iAudio S9
iRiver H120
B&O Beosound 2 (베오2)
Apple iPod Touch 2세대
(S9와 Touch 2세대의 출력 임피던스는 측정 대기 중)
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① 위상 응답성
1부와 마찬가지로, 위상의 반응을 알아보려면 우선 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 전진(Advance)된 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 실제 휴대용 음향 기기에 이어폰의 보편적인 임피던스인 16Ω을 부하로 물리고 100 Hz의 방형파(Square Wave)를 출력하여 오실로스코프로 관측한 결과입니다. 측정 조건은 AC 10mV(16Ω에서 6.25mW)에 Time Scale 1ms 입니다.
Apple iPod 2세대
위상이 크게 전진되어 있습니다. B의 형태를 보입니다.
eStar-Lab Monolith2 (모노리스2)
B에서 C로 변해가는 과도적인 응답성을 보여줍니다.
Cowon iAudio U5
C의 형태입니다.
Samsung YP-S2(조약돌)
C에서 A로 변해갑니다.
Cowon iAudio S9(스구)
역시 C의 형태입니다.
iRiver H120
H120의 앰프부는 출력 캐퍼시터를 탑재하지 않는 배열 형상(Output Capactor-Less)을 채용하고 있습니다. 위상은 천이가 크게 발생하지 않은, A에 매우 근접한 형태를 띄고 있습니다. 약간의 잡음이 눈에 띕니다.
B&O Beosound 2
모노리스2와 마찬가지로, B에서 C로 사이의 위상 응답성을 보여줍니다.
Apple iPod Touch 2세대
iPod Touch 2세대의 앰프부는 출력 캐퍼시터를 탑재하지 않는 배열 형상(Ground-Referenced)을 채용하고 있습니다. 역시 H120과 마찬가지로 위상 천이가 발생하지 않은 A에 가까운 형태를 띄고 있습니다.
☞ 2세대는 1세대처럼 Wolfson社의 코덱(Single-Ended)을 채용하지 않고, 최신 Sony社의 NW-A800/910 및 NWZ 시리즈에 사용된 Cirrus Logic社의 코덱(Ground-Referenced)을 채용하여 왜율 쪽에 약간의 문제가 있습니다:
http://homepage.mac.com/marc.heijligers/audio/ipod/comparison/measurements/measurements.html
http://goldenears.net/board/16343
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② 주파수 응답성
아래는 통상 이어폰의 공칭 임피던스인 16Ω을 부하를 기준으로 한, 각종 휴대용 음향 기기들의 저역 특성입니다. 위상 천이의 결과를 확인하실 수 있습니다:
RMAA 6.2.1 @ 16Ω
출력 임피던스가 높은 S2 조약돌은, 같은 용량의 출력 캐퍼시터를 채용한 S9나 U5에 비해 좀 더 나은 저역 응답성을 보여줍니다. 다만 출력 임피던스의 상승은 곧 음색의 변조를 의미하므로 S2가 꼭 S9/U5보다 재생 능력이 선형적이라고 할 수는 없습니다. 또한 독보적인 음질을 가졌다는 베오사운드2 가 모노리스2와 동급의 저역 재생력을 보여준다는 사실은 매우 흥미롭습니다.
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③ 실용성의 검증
현재 시중에 유통되고 있는 대부분의 휴대용 음향 기기들은 울프슨이 제시한 용량(220μF)에 준하는, 혹은 그 이상의 출력 캐퍼시터를 탑재하고 있습니다. 그러므로 이러한 앰프부를 가진 기기들은 준수한 수준의 저역 재생 능력을 가지고 있다고 할 수 있겠지요.
물론, '저역 저하' 발생 자체를 문제삼고 이러한 기기들의 초저역(Deep Bass) 재생력에 문제를 제기 할 수도 있습니다: "16Ω 이어폰을 베오2에 물리면 저역 재생이 42.5Hz부터 시작하는데, 지금 초저역 (피아노/하프의 최저음) 무시하나요?"
아래는 1부에서 소개된 Wolfson의 기준안에서 발췌입니다:
"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."
"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."
그리고 상기된 '고급 헤드폰'에 50Hz 방형파를 출력한 결과를 보시면:
보시다시피 인간의 귀는 200Hz 이하에서 그 이상 주파수의 마스킹 효과에 둔감하며(등청감곡선과 무관), 또한 고가의 하이엔드 헤드폰들도 겨우 200μF @ 16Ω의 Cut-off 주파수인 50Hz의 재생에 큰 어려움을 겪습니다. 220μF를 탑재한 베오2에 16Ω 이어폰을 물려서 '저역 저하' 가 발생하여도, 쾌적한 음악 감상에 큰 문제가 되지 않을 정도로 출력되는 저역의 양감은 충분하다고 볼 수 있겠습니다.
아래는 고/저역 감쇄 주파수별 검지 한계입니다:
Kang, Sung-Hoon. (2000). "Broadcast sound engineering". Seoul: Gijeon. pp. 380.
그 이외에도, Sony Discman의 최고 명기로 알려져 있는 D-555(D-Z555)는 출력 캐퍼시터의 용량이 '깡통 소리' 아이팟 3/4세대와 동일한 100μF 밖에 안됩니다. 여기에 16Ω짜리 이어폰/헤드폰을 물리면 저역이 99.4Hz 에서 시작되지요. 그러나 D-555가 저음이 모자란다는 이야기는 들어 본 적이 없군요.
한편 출력 캐퍼시터의 용량을 늘리지 않고 이러한 저역 저하의 문제를 풀기 위해서, 제조사들은 앰프부의 출력 임피던스를 상승시켜서 이어폰/헤드폰 공진점(주로 저역)의 증폭을 도모하거나, 기기 자체의 저역 응답을 증폭하기도 합니다. 전자는 기기 출력이 하락하는 문제로 잘 사용되지 않는 반면, 후자는 Sony를 필두로한 일본 기업들이 자주 사용하고 있습니다: http://www.seeko.co.kr/zboard4/zboard.php?id=freeboard&no=98934
제조사의 입장을 고려할 때, 이는 제조 단가를 상승시키지 않고서도 효과적으로 저역 감쇄를 상쇄하는 좋은 수단이라고 할 수 있습니다. 혹자는 이러한 편법에 가까운 수단을 '제조사의 음향 기술', 혹은 '음 튜닝'이라고도 칭하지요. 그러나 이렇게 임의로 행해지는 저역의 증폭은 위상 응답의 지연(Delay)을 가져오게 되고, 결과적으로 음향 재생 기기가 가지는 전달 함수의 선형성에 왜곡을 초래하게 됩니다.
아래는 Wolfson의 제품 마켓팅 기술자이신 Yan Goh氏의 '설계 단계에서 노멀음에 임의로 가해지는 저역 증폭'에 대한 견해입니다:
"It is possible to counteract the effect of small headphone capacitors with a bass boost circuit. However, in order to produce a perfect linear frequency response, the bass boost characteristic must be exactly the opposite of the headphone-capacitor combination. Since the headphone impedance is usually not known, it becomes impossible to know where the bass-boost cut-off should be, and the end result is a non-linear frequency response. Moreover, bass boost circuits often increase distortion at high volumes."
"출력 캐퍼시터의 용량에서 오는 저역 재생의 한계는 저역 증폭 회로의 적용으로 보상이 가능하긴 합니다. 그러나, 완벽히 평탄한 주파수 응답을 재생하기 위해서는 저역 증폭의 특성이 헤드폰 부하와 캐퍼시터 용량의 영향의 역으로 정교하게 적용되어야 하는데- 헤드폰 임피던스는 천차 만별이기 때문에 저역 증폭의 기준을 잡기가 사실상 불가능해 지며, 이러한 조건 하에서의 저역 증폭은 비선형적인 주파수 응답만 초래하는 결과를 가져옵니다. 나아가서, 저역 증폭 회로는 높은 음량에서 왜곡을 만들어 내는 문제도 가지고 있습니다." http://www.audiodesignline.com/showArticle.jhtml?articleID=180204291
사실 이러한 음색 변조는 음질의 선형성을 중시하는 시각(Hi-Fi)에선 분명한 '왜곡'입니다만, 철저히 취향에 따른 주관적인 시각(My-Fi라고도 부르지요)에서 보자면 '튜닝'이라고도 볼 수도 있겠지요.
그러나 인간의 귀가 가진 주파수 특성 *검지 한계를 충분히 고려해 본다면 출력 캐퍼시터로 생기는 '저역 감쇄'나 그걸 상쇄하기 위한 '저역 증폭'이나 같은 맥락에서 볼 수 있으므로, 되도록이면 재생의 선형성이 보장되는 '저역 감쇄'의 경우가 음향 재생 기기로서 좀 더 바람직한 경우라고 할 수 있겠습니다.
* http://www.seeko.co.kr/zboard4/zboard.php?id=faq&no=8245
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④ 결론
아래는 다시 Wolfson에 계신 Yan Goh氏의 출력 캐퍼시터에 대한 견해입니다:
"External component requirements should be evaluated carefully, as they can have a strong impact on a design’s physical size and weight. Their cost can also contribute significantly to the final bill-of-materials cost. Headphone capacitors are the prime culprits, and although no capacitor-less circuit architecture is perfect, designers should always examine the available options for eliminating these capacitors."
"앰프 부품의 구성 조건은 앰프부의 공간/중량 설계에 큰 영향을 끼치므로 신중하게 평가되어야 합니다. 부품의 가격 또한 또한 최종 제조 단가를 결정 짓는 중요한 요소 중 하나이죠. 특히나 출력 캐퍼시터는 단가를 상승시키는 주범이기 때문에 설계자들은 언제나 이 비싼 캐퍼시터들을 제거하는 수단을 고려해 볼 필요가 있습니다. 그 어떠한 대안도 완벽할 수는 없다 해도 말이죠."
http://www.audiodesignline.com/showArticle.jhtml?articleID=180204291
오늘날, 휴대용 음향 기기의 앰프부는 대부분 Class AB Single-Ended형이 지배하고 있습니다.
저역이 잘리는 문제가 발생하는 Single-Ended형의 대안으로서 3가지의 Push-Pull형들, 즉 그라운드를 제 3의 앰프로 따로 구동한 Output Capacitor-Less형, 임의로 부전압을 생성하는 Ground-Referenced형, 그리고 좌/우 채널을 독립적으로 구동하는 Bridge-Tied Load형이 시도되어 왔습니다. 그러나 음질/효율/단가 등의 한계로 인하여 범용성에 한계를 드러냈지요.
전력 효율과 음질을 개선한 Ground-Referenced의 변종인 Class G/H/W 등이 개발되기도 했습니다만 이들 역시 아직까진 제조 단가 상승 등의 문제로 인해 실제 채용된 경우는 없습니다. 심지어 앰프계의 장밋빛 미래를 보장해 줄 것으로 여겨졌던 디지털(Class D) 앰프도 소형화에 따른 제약으로 직류 성분을 상쇄할 수 없어 출력 캐퍼시터를 채용했기에 그다지 큰 힘을 발휘하지 못했지요.
현재 (Class AB) Single-Ended가 시장을 지배하고 있는 현상은, 제조 단가가 저렴하기도 한 이유도 있겠지만- 어쩌면 옛 Walkman이나 Discman등 휴대용 음향 기기의 초창기부터 오랜 세월에 걸쳐 채용되며 지속적으로 소비자에 의해 검증되어 그 성능과 효율성이 입증 된 증거라고 볼 수도 있지 않을까요?
앞으로도 휴대용 미니기기 앰프부는 지속적으로 진화를 거듭하겠지만, 성능/효율/가격 면에서 '완벽한 대안'이 나오지 않는 한 그 때까지 Single-Ended형은 휴대용 음향 기기 앰프부의 왕좌로 군림 할 것으로 예상됩니다.
* 자료 수집과 기술적 감수를 해 주신 낙동강굴다리님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다.
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