[펌]헤드폰 앰프나 DAC에 대한 몇가지 중요한 사실들

골든이어스의 '당근' 님이 작성하신 글입니다.

거의 10년 전에 작성된 것이라 일부분 만을 발췌하려다 글 전체를 스크랩했습니다.

1. 많은 헤드폰 앰프들은 최근의 iPod Touch/iPhone/iPad보다 출력 특성이 나쁘다?

-> 맞습니다. 많은 헤드폰 앰프들은 최근의 iPod Touch/iPhone/iPad보다 고충실 재생면에서 전혀 이점을 가지지 못하며, 기껏해야 차이라고 하면 최대 출력 전압 차이에만 있습니다. 그러나 아주 오래된 구형 헤드폰을 사용하지 않는 바에야, 최대출력 전압을 걱정할 필요는 전혀 없습니다. 현대 헤드폰의 추세는 저임피던스/고감도로 가고 있기 때문에, 1Vrms 정도로 고출력을 내주는 근래 iPod Touch/iPhone/iPad 모델에서는 아무런 걱정도 할 필요가 없습니다. 헤드폰 앰프 고민을 하실 바에는 대개 iPad2 16GB 정도를 구하시는 게 이래저래 즐거운 퍼스널 오디오 환경을 갖추는데 훨씬 도움이 됩니다.

2. 클래스 A/디스크리트 설계가 클래스 AB/IC(Op-Amp) 기반 설계보다 좋다?

-> 틀립니다. 오히려 고충실 재생 면에서 본다면 클래스 A/디스크리트 설계가 클래스 AB/IC(Op-Amp) 기반에 비해서 나쁩니다. 현재 증폭기의 퍼포먼스 향상은 Op-Amp 기반 설계에서 이뤄졌다고 봐도 과언이 아닌데, 특히 여기에 이용되는 네거티브 피드백(negative feedbaqck, NFB)의 역할이 큽니다. 네거티브 피드백은 앰프의 대역폭을 증가시키고, 왜곡을 낮추며, 그 출력 임피던스를 비약적으로 줄여줍니다. 또한 증폭률을 효과적으로 조절하기 때문에, 앰프 자체가 외부 신호에 민감해지지 않도록 해줍니다. (즉 저잡음 특성을 만들기 유리합니다.) 단점이라면 회로의 불안정성이 커질 수 있다는 건데, 이 점은 잘 설계된 회로에서는 사용대역 내에서는 불안정해지지 않도록 관리됩니다.

 다시 말해, 안정성 문제만 잘 해결한다면, 네거티브 피드백을 통해 증폭기의 퍼포먼스를 비약적으로 상승시킬 수 있습니다. 이를 적극적으로 이용하는 것이 Op-Amp 기반 증폭기이며 - 사실상 현대 증폭기의 대부분이 Op-Amp 등의 리니어 IC 기반입니다 - Op-Amp의 클래스 AB 동작 방식도 (애초에 문제가 있었던 것도 아니지만) 네거티브 피드백을 통해서 단점이 사라집니다.

 클래스 A가 클래스 AB보다 좋다는 것도 네거티브 피드백을 사용하지 않을 때의 이야기고, 디스크리트 설계가 IC 기반보다 유리한 점은 잡음 특성 밖에 없는데, 극히 저잡음의 Op-Amp도 현재는 많이 출시되어 있습니다. 따라서 클래스 A/디스크리트 설계가 클래스 AB/IC(Op-Amp)보다 좋다는 소리는 아직 Op-Amp의 성능이 좋지 못했던 과거의 유물에 가깝고, 현재 전문가들 중에 그런 이야기를 하는 사람은 거의 없습니다. 게다가 IC는 동일한 웨이퍼에서 다수의 수량을 얻어내기 때문에, 제품의 품질관리도 디스크리트 설계보다 유리한 면이 있습니다.

 클래스 D의 스위칭 증폭 방식으로도 고충실 재생이 가능한 상황에서 아직까지 클래스 A/디스크리트 설계에 관한 환상에 빠져 있는 사람들이 많은 것은 좀 웃긴 일이 아닐까요?

3-1. SMPS 방식 전원부보다는 리니어(트랜스포머) 방식 전원부가 더 좋다?

-> 절반만 맞습니다. SMPS는 고주파 스위칭을 이용해 입력된 교류 전원을 직류 전원으로 바꿔줍니다. 이 때 흔히 스위칭 노이즈가 가청대역에 간섭을 일으켜서 왜곡 내지는 노이즈의 형태로 최종 출력에 실리게 됩니다. 그 때문에 SMPS 방식 전원부는 리니어(트랜스포머) 방식 전원부보다 나쁜 것으로 알려져 있습니다. 그러나 충분히 잘 설계된 SMPS에서는 이러한 문제가 발생하지 않고, 오히려 리니어 방식의 단점인 발열과 전원 험을 효과적으로 잡을 수 있습니다. 문제는 그러한 SMPS는 상당히 고가이기 때문에 충분히 비싼 제품이 아닌 경우 접하기가 힘듭니다. 따라서 중가 이하의 제품에서 사용하는 SMPS 전원부의 경우 여전히 스위칭 노이즈 문제가 있을 수 있지요.

3-2. (3-1 때문에) USB나 FireWire를 통한 외장 오디오 기기가 PCI, PCI-E 기반의 내장 오디오 기기보다 더 좋다?

-> 현재에는 틀린 말입니다. 3-1에서 SMPS에 얽힌 이야기를 했었는데, 최근 PC 전원에 적용된 스위칭 모듈의 가격대성능비가 비약적으로 좋아지고 있습니다. 과거에는 PC의 전원질이 얼마나 나쁜지에 관한 이야기가 정말 흔했는데, 최근 액티브 PFC가 적용되고 80Plus가 널리 적용되면서 데스크탑 PC의 파워서플라이 역시 저잡음, 고효율로 나아가고 있습니다. 그렇기에 재미있게도 PC에서 전원을 공급받는 오디오 기기가 비싼 외장 오디오 기기보다 더 나은 경우가 종종 생깁니다. 질 좋은 PC 파워서플라이와 PC의 마더보드/오디오 장치의 PCB 아트웍과 노이즈 차단 회로가 효과적으로 적용되어 있는 경우, 웬만한 외장 오디오 기기보다 더 좋은 퍼포먼스를 보여줍니다. 앰프의 경우는 조금 어렵겠지만, DAC이나 ADC의 경우, PCI나 PCI-E 기반 오디오 장치를 사용함으로써 더 저렴하면서도 고충실의 퍼포먼스를 보여줄 수 있습니다.

 참고로 최근 마더보드의 온보드 사운드도 상당히 좋아져서 리얼텍의 ALC1150 칩셋을 적용하고 잘 설계된 마더보드와 파워 서플라이 조합의 경우, 최대출력 1Vrms에 110dB 가량의 SNR을 보여줍니다.

4. 헤드폰 앰프의 출력은 클 수록 좋다?

-> 틀립니다. 어디까지나 헤드폰은 기껏해야 100mW 정도만 사용하는 소전력 장치라는 것을 언제나 고려해야 합니다. 오히려 헤드폰 앰프의 출력이 지나치면 문제만 될 수 있습니다. TRS 잭 자체는 상당히 세심하게 설계되어 있기 때문에 대개는 그런 일이 생기지 않겠습니다만, 잭을 넣고 뺄 때 간혹 출력이 그라운드와 단락되어 버리는 경우가 생깁니다. 이럴 때를 단락 회로(short-circuit) 상황이라고 하고, 이 때 헤드폰 앰프는 무한히 전류를 출력해야 합니다. 이 때 효과적인 보호회로가 내장되어 있지 않은 경우, 앰프의 증폭소자들이 타버리는 현상이 발생합니다. 또한 고임피던스 헤드폰을 사용하기 위해 볼륨 노브를 최대 쪽으로 돌려놨는데, 실수로 인이어 이어폰을 그 상태로 재생했다고 생각해봅시다. 출력이 높은 경우, 클리핑이 되지 않고 가능한대로 전압을 헤드폰에 다 출력해버리기 때문에 헤드폰이 타버리는 현상도 발생합니다.

 따라서 출력이 큰 헤드폰 앰프의 경우는 반드시 전류 제한 기능이 포함되어야 합니다. 전류 제한 기능이 있다면 앰프와 헤드폰을 모두 보호할 수 있습니다. 대부분의 IC 기반 앰프에서는 IC 자체가 이를 지원하기 때문에 굳이 신경 쓸 필요도 없는 경우가 많습니다. 그러나 디스크리트 설계에서는 반드시 적합하게 전류 제한 기능을 설계해놓을 필요가 있습니다. (사실 디스크리트 앰프에서 출력 임피던스를 크게 해놓는 것도 이러한 목적을 달성하기 위한 경우가 많습니다.) 거기에 증폭률 변경 기능도 같이 포함하는 게 좋습니다.

5. 입출력 콘덴서는 왜곡을 불러온다?

-> 논쟁의 여지가 있습니다. 입출력 콘덴서는 기본적으로 불필요한 전압인 직류전압을 차단하기 위해서 사용하는 것으로, 앰프와 헤드폰을 보호하고 대기전류를 줄이기 위해서 매우 중요한 것 중 하나입니다. 물론 입출력 콘덴서를 사용하지 않고, Op-Amp로 DC 서보(servo) 회로를 구성하여 이를 해결할 수도 있지만, 입출력 콘덴서를 사용하는 것보다 반드시 낫다고 하긴 그렇고, 설계상 이러저런 점을 고려하여 도입하게 됩니다. (물론 대개 DC 서보를 사용하는 경우, 저잡음으로 만들기가 편합니다.)

 일단 출력 콘덴서는 큰 용량의 전해 콘덴서를 사용해야 하기 때문에 부피도 차지하고 저역 대역폭만 깎아먹으니, 잘 설계해서 있을 필요가 없는 쪽으로 한다고 합시다. 문제는 입력 측에 섞일지 모를 직류 성분을 막기 위해서 입력 쪽에 콘덴서를 다는 일인데, 여기에서 주로 큰 논쟁이 발생합니다. 주로 신호의 결합(coupling) 용으로는 필름 콘덴서를 주로 사용하는데, 필름 콘덴서 중에서도 폴리프로필렌 재질을 사용하는 것이 현재로서는 가장 좋습니다. 그러나 대개 부피가 너무 크기 때문에 보통은 폴리에스터 재질의 콘덴서를 사용하고, 정 안 되면 탄탈 전해 콘덴서를 사용하기도 합니다. 탄탈의 경우, 현재 인권 문제도 있고 단가가 비싸기 때문에 되도록 쓰지 않는 게 권장되기 때문에, 웬만하면 폴리에스터 콘덴서를 사용합니다만 폴리프로필렌 재질에 비해 음질이 열화된다는 주장들이 종종 있습니다. 그러나 대개는 오디오 미신으로 여겨집니다.

 앰프 내부의 필터 설계에 사용되는 세라믹 콘덴서도 논란거리입니다. 적합한 유전체를 사용한 세라믹 콘덴서(NP0, C0G)에서는 어떠한 왜곡도 생기지 않는다고 합니다만 필름 콘덴서에 비해 음질이 열화된다는 주장이 종종 있습니다. 이 또한 논쟁의 여지가 있고, 그리 폭넓게 받아들여지는 주장은 아닙니다.

6. Op-Amp에 따른 음질 차이가 있다?

-> 역시 논쟁의 여지가 있습니다. 제가 생각하기에는 앰프의 설계에 달려 있는데, 보통 음질에 차이가 있다면 원래의 앰프 설계가 잘못되었거나, 교체한 Op-Amp가 회로에 맞지 않는 경우인 것 같습니다. 잘 설계된 헤드폰 앰프에서, 헤드폰 앰프에 적합한 Op-Amp를 사용하였다면 - 즉 호환가능한 Op-Amp로 교체하였다면 - 그 청감상 차이는 없어야 정상입니다. 그러나 노이즈 레벨의 미약한 차이는 있을 수 있고, 비선형 왜곡에서도 미약한 차이가 있을 수 있는데, 이게 귀가 예민한 사람의 경우 들릴 가능성이 없는 건 또 아닙니다.

 애초에 Op-Amp 교체란 것 자체가 DIYer들이 잘못 퍼뜨린, 잘못된 관점 같습니다. 왜냐하면 Op-Amp는 결국 전체 증폭기 회로의 일부이기 때문에, 전체 회로를 가지고 판단할 수 있는 것이지, 개별 Op-Amp만 가지고 판단할 수는 없는 것이기 때문입니다. 단순히 Op-Amp가 소켓처리되어 장착되어 있다고 하더라도 그건 본래 제조 및 수리에서 편리하기 위해서이지 교체를 위한 것이 아닙니다.

7. 슬루율(slew rate)이 높고 광대역폭의 고속 앰프가 더 좋다?

-> 그렇지 않습니다. 슬루율은 기본적으로 증폭기의 대신호 수준(large signal level) 퍼포먼스를 따지기 위해서 존재하는 것인데, 주로 신호가 갑자기 큰 폭으로 변할 때, 그 변화를 증폭기가 얼마나 따라가느냐는 지표로서 사용합니다. 그러나 앞서 말씀드렸듯이 이는 대신호 수준, 그러니까 앰프가 클리핑을 일으켜야 할 레벨에서나 영향을 줍니다. 다시 말해 소신호 수준(small signal level), 다시 말해 클리핑이 일어나지 않는 선형 동작 레벨에서는 슬루 레이트가 별로 중요하지 않습니다. 오히려 이 때 중요한 지표는 앰프 자체의 대역폭이지요.

 그러면 광대역폭인 앰프가 더 좋지 않을까 싶기도 한데, 이건 그렇지 않을 거란 게 당연히 이해되실 겁니다. 가청대역 이내만 문제 없이 잘 재생할 수 있다면 앰프의 속도가 어떻든 아무 영향도 주지 않습니다. 오히려 가청대역 너머 라디오 주파수까지 재생할 수 있는 앰프의 경우, 라디오주파수 간섭(RFI) 내지는 전자기 간섭(EMI) 트러블만 생길 수 있기 때문에 좋을 게 전혀 없습니다.

이 외 가상접지 및 그라운드 채널에 관한 것도 있지만 근래 가상접지 및 그라운드 채널에 관한 논란은 쏙 들어갔으니 굳이 적지 않겠습니다.

또한 진공관에 관한 이야기나 앰프 에이징 같은 이야기에 대해서는 잘들 아실테니 역시 굳이 안 적겠습니다.

제발 헤드폰 앰프 및 DAC 관련해서 혹세무민, 조삼모사 하는 이들에게 넘어가지 않도록 합시다.

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