[디지탈 앰프는 무엇인가?]
오디오 앰프(증폭) 는 주로 아날로그 앰프 또는 리니어앰프라고 부르기도 합니다. 이것은 소스(아날로그 음원)로부터 스피커출력까지 동일한 신호형태를 유지합니다. 즉, 아날로그 입력 -> 아날로그 증폭 -> 아날로그 출력 으로 흐름이 이어집니다.
증폭 방식에 따라 클래스(등급)로 나누는데, 입력되는 신호를 그대로 증폭함으로서 왜곡이 거의 없는 A급은 하이엔드제품에, 신호의 상단과 하단을 나누어 증폭함으로서 효율 및 열특성을 개선한 AB급은 보급형제품에 주로 사용됩니다.
디지탈앰프는 D급, 스위칭앰프 또는 PWM앰프라 부릅니다. 하지만 엄밀한 의미에서는 펄스변조증폭방식이 적절한 표현입니다. 그 이유는 소스신호(아날로그, 디지탈 음원)로부터 스피커출력까지
동일한 신호가 아니라 아날로그입력 -> PWM증폭 -> 아날로그출력 으로 이어지거나 또는, 디지탈입력 -> PWM 증폭 -> 아날로그 출력 방식을 취하고 있기 때문입니다.
일반적으로 오해를 많이 하는 부분은, 디지탈음원신호를 그대로 증폭하는 것이 아니라 항상 PWM 과정을 수행함으로서 신호형태의 변화가 일어난다는 것입니다. 이 과정은 스피커출력신호를 아날로그로 바꾸는 과정에서 반드시 거쳐야 합니다. 다시 말하면, 디지탈신호를 쉽게 증폭하고 이를 아날로그로 쉽게 바꾸기 위한 과정이라고 보면 됩니다. 하지만 신호의 변화로 인한 손실, 왜곡이 일어날수 있습니다.
[왜 디지탈앰프가 필요한가?]
과거의 오디오 시스템은 앞서 언급한 대로, 아날로그 소스 (턴테이블, 릴테이프, 카세트테이프)로부터 신호를 받아 이를 진공관, 트랜지스터 앰프를 사용하여 증폭하였습니다. 증폭된 신호는 케이블을 통해 스피커로 전달되며, 스피커의 콘을 진동시킴으로 소리를 만들어 내게 됩니다.
80년대 오디오 CD가 등장하면서 여러가지 변화를 가져오는데, 그중에서도 디지탈 음원이라는 새로운 길을 열게 됩니다. 하지만 오디오 CD플레이어는 내부에서 디지탈-아날로그 변환(DAC)을 수행하여 아날로그 신호를 내보내게 됨으로 기존의 오디오와 쉽게 연결하여 사용할 수 있는 장점이 있는 반면, 특정부분만의 디지탈화로 그치게 됩니다. 물론 당시의 기술적인 어려움이나, 여러가지 요인이 있었겠지만....
디지탈 앰프(PWM 앰프)은 입력되는 디지탈신호를 그대로 증폭하려는 의도에서 만들어 졌고, FET의 스위칭모드를 이용함으로 스위칭 앰프라고도 합니다. 다른 장점으로는 아날로그 앰프에 비해 효율이 높고, 열잡음이 적고 바이어스 회로가 단순하다는 것입니다. 즉, 소형으로 큰 출력을 얻을수 있다는 뜻입니다. 하지만, 값 비싼 PWM제어기, 고급 오디오용 FET의 부족, 스위칭 전원 장치 등 상대적으로 해결해야 할 부분이 많아서 일반적인 보급시기는 다소 늦어질 것입니다.
디지탈 신호는 아날로그 신호에 비해, 다루기가 쉽고 저장, 편집, 재생에 유리합니다. 따라서, 많은소스가 디지탈기술로 만들어 지게 되었고,또한 디지탈 신호를 그대로 증폭하려는 노력이 뒤따르게 됩니다. 하지만 풀-디지탈 오디오 시스템은 아직도 기술적으로 넘어야 할 한계가 많습니다.
대표적인 것이 물리적인 진동에 의해 소리를 만들어내는 스피커입니다. 즉, 스피커를 울리려면
반드시 증폭된 아날로그 신호를 공급해야 합니다.
정리해 보면, 디지탈앰프는 디지탈 음원를 받아서 디지탈 증폭을 하고 아날로그 출력을 발생하는 장치입니다.
(참고자료 : State of the Digital Pulse Modulated Amplifier System - Steen M. Munk)
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[Class-D Audio Amplirfier]
1) 용어적 의미
오디오 증폭회로 방식에서는 주로 A급, AB급을 적용하며, 아날로그 앰프 또는 리니어앰프라고 부르기도 한다. 소스신호(아날로그 음원)로부터 스피커출력까지 동일한 신호형태를 유지한다.
입력되는 신호를 그대로 증폭함으로서 왜곡이 거의 없는 A급은 하이엔드제품에, 신호의 상단과 하단을 나누어 증폭함으로서 효율 및 열특성을 개선한 AB급은 보급형제품에 주로 사용된다.
D급증폭은 스위칭증폭 또는 디지탈증폭이라 부른다. 하지만 엄밀한 의미에서는 펄스변조증폭방식이 적절한 표현이다. 이유는 소스신호(아날로그, 디지탈 음원)로부터 스피커출력까지
동일한 신호가 아니라 아날로그입력 -> PWM증폭 -> 아날로그출력 또는, 디지탈입력 -> PWM 증폭 -> 아날로그 출력 방식을 취하고 있다.
일반적으로 오해하는 부분은, 디지탈음원신호를 그대로 증폭하는 것이 아니라 항상 PWM 과정을 수행함으로서 신호형태의 변화가 일어난다는 것이다. 이 과정은 스피커출력신호를 아날로그로 바꾸는 과정에서 반드시 거쳐야 하며 신호의 변화로 인한 손실, 왜곡이 일어날수 있다.
2) 아날로그 (Analog) 와 디지탈신호 (Digital Signal)
오디오 역사는 아날로그음원 (LP, Tape 등)을 증폭하여 아날로그출력(스피커)으로 이루어지는 구조로 시작되었다. 시대가 흐르면서 디지탈 음원 (CD, DAT, DVD, 등)이 등장하였으나
아날로그출력 (스피커, 헤드폰, 등)은 아직도 변함이 없다.
따라서, 완전한 디지탈오디오 시스템은 아직도 존재하지 않는다고 볼수 있다.
대부분의 아날로그 신호는 디지탈신호로 바꿀수 있으며, 또한 다시 아날로그 신호로 되돌릴수 있다. 하지만 이과정에서 기술적인 한계로 인해 원래의 신호가 왜곡될수 있고 일부는 사라질수도 있다.
3) PCM (Pulse Code Modulation)
펄스코드변조라고 하며, 아날로그 신호를 디지탈신호로 바꾸는 방법을 의미한다.
아날로그 신호는 저장, 전송, 재생하는 방법이 어려우므로 이를 쉽게 하기 위하여 디지탈변환을 수행하게 된다. 먼저 신호를 시간(x축)과 진폭(y축)으로 표시하고, 일정한 간격으로 잘라낸다.
예를 들어, CD음악의 경우는 16 비트, 44 킬로헤르츠로 나타내는데 이는 진폭(y축)을 16비트 간격으로 나누고 시간(x축)을 44 킬로헤르츠로 가격으로 나누어 샘플링했다는 의미이다.
만일 24비트, 96 킬로헤르츠(DVD-audio)로 했다면, 더욱 작은 간격으로 샘플링을 했다는 뜻이고, 나중에 아날로그변환을 할때 원음에 더 가까운 신호를 만들수 있다는 의미이다.
더 높은 샘플링비율은 수준 높은 음악을 들려줄수 있지만 기술적인 어려움, 높은 비용, 복잡한 구성의 요구로 직결된다.
DSD 방식(SACD)은 1비트, 2.8 메가헤르츠 샘플링을 적용하며, 이론적으로는 PCM보다 더 높은 원음재생이 가능하다.
4) PWM (Pulse Width Modulation)
펄스진폭변조라고 하며, 아날로그 또는 PCM 신호를 받아 D급 증폭을 하기 전에 신호를 변환하는 과정을 의미한다. 따라서 PCM 이나, DSD 처름 소스신호를 위한 디지탈변환방식이 아니라, 입력받은 신호를 증폭하기 위한 일시적인 디지탈 변환이다.
이 방식은 입력신호를 캐리어신호(삼각파)와 합성하여 진폭의 변화량으로 표시하게 되고, 스위칭 증폭기를 통하여 큰신호로 증폭하게 된다. 이과정에서 입력 신호는 왜곡이 발생될수 있으며 노이즈에 영향을 받을 수도 있다. 아날로그 입력보다 PCM입력의 샘플링이 더 어려운 과정으로 볼수 있다.
5) DMA (Digital Pulse Modulation Amplifier)
펄스진폭변조와 D급 증폭을 적용한 증폭기를 의미한다.
고전적인 A, AB급은 아날로그 증폭을 수행함으로서 낮은 열특성과 효율로 인해 대출력 시스템을 만들기가
어렵고, 높은출력의 시스템일수록 높은 비용, 큰 외형을 가진다. 반면에 이 방식은 기존의 A, AB급 증폭의 한계점인 효율을 개선한 것으로 약 90%정도에 이르며, 작은 구조로 대출력시스템을 만들수 있다.
특히, 멀티채널시스템이나 AV 통합형시스템에서 많이 적용되고 있다.
가) 아날로그 입력인 경우,
아날로그 신호 -> 펄스진폭변조 -> D급증폭 -> 아날로그 출력
(RCA) (캐리어 합성) (스위칭증폭) (LC필터링)
아날로그신호를 펄스진폭변조를 하려면 캐리어 (삼각파)를 이용하여 Natual PWM, 즉 아날로그신호에 직접 캐리어를 합성하는 방법을 쓰며 ...참고로 합성된신호는 입력신호와는 전혀다른 디지탈신호이다. 합성된신호는 D급 증폭을 하게 되는데 이를 스위칭증폭을 하게 되는데 AB급에서 사용하는 푸쉬풀 방식을 적용한다. 푸쉬풀방식은 사인파신호의 상단과 하단을 2개의 FET가 증폭하는 방식으로 효율을 높인다. 겹치는 부분에서 크로스오버 왜곡이 생길수 있다. FET 출력(드레인)은 PWM신호가 큰 신호로 커진상태이며, 다시 LC필터를 거쳐서 아날로그 신호로 만들어 스피커입력으로 사용된다. 필터는 트랜스포머와 캐패시터로 구성되며 저주파 필터링을 하게 된다.
나) 디지탈입력인 경우,
PCM 신호 -> 업샘플링 -> 펄스진폭변조 -> D급증폭 -> 아날로그 출력
(x 4 ) (캐리어합성) (스위칭증폭) (LC필터링)
디지탈신호를 입력으로 받으면, PWM변환시 큰 왜곡을 발생함으로, 미리 업샘플링을 하여 품질을 높일 필요가 있다. 업샘플링은 x4, x8배의 주파수를 사용, 384, 786khz를 주로 사용한다. 변조방식은 Natual PWM을 쓰지않고, Uniform PWM을 적용하게 된다. 하지만 왜곡이 발생함으로 WPWM, WCC방식으로 보상을 할 필요가 있다.
WPWM은 연속되는 신호에 대해 미리 진폭의 변화를 예측을 함으로 손실을 줄인다.
[참고자료]
1) Class-d Audio Amplifier Design ... IOR, Oct 8. 2003 Jun Honda and Jorge Cerezo
2) Class-d Audio Amplifier Performance Relationship to MOSFET Parameters ... Jorge Cerezo
3) State of the Art Digital Pulse Modulated Amplifier System ... IcePower, 2003 steen m.munk
4) Audio Power Amplifier Techniques with Energy Efficient Power Conversion...Ph.d Thesis, Karsten Nielsen
5) CS44800 Data Sheet ... Cirrus Logic
6) TAS5518 Dats sheet ... TI
오디오 앰프(증폭) 는 주로 아날로그 앰프 또는 리니어앰프라고 부르기도 합니다. 이것은 소스(아날로그 음원)로부터 스피커출력까지 동일한 신호형태를 유지합니다. 즉, 아날로그 입력 -> 아날로그 증폭 -> 아날로그 출력 으로 흐름이 이어집니다.
증폭 방식에 따라 클래스(등급)로 나누는데, 입력되는 신호를 그대로 증폭함으로서 왜곡이 거의 없는 A급은 하이엔드제품에, 신호의 상단과 하단을 나누어 증폭함으로서 효율 및 열특성을 개선한 AB급은 보급형제품에 주로 사용됩니다.
디지탈앰프는 D급, 스위칭앰프 또는 PWM앰프라 부릅니다. 하지만 엄밀한 의미에서는 펄스변조증폭방식이 적절한 표현입니다. 그 이유는 소스신호(아날로그, 디지탈 음원)로부터 스피커출력까지
동일한 신호가 아니라 아날로그입력 -> PWM증폭 -> 아날로그출력 으로 이어지거나 또는, 디지탈입력 -> PWM 증폭 -> 아날로그 출력 방식을 취하고 있기 때문입니다.
일반적으로 오해를 많이 하는 부분은, 디지탈음원신호를 그대로 증폭하는 것이 아니라 항상 PWM 과정을 수행함으로서 신호형태의 변화가 일어난다는 것입니다. 이 과정은 스피커출력신호를 아날로그로 바꾸는 과정에서 반드시 거쳐야 합니다. 다시 말하면, 디지탈신호를 쉽게 증폭하고 이를 아날로그로 쉽게 바꾸기 위한 과정이라고 보면 됩니다. 하지만 신호의 변화로 인한 손실, 왜곡이 일어날수 있습니다.
[왜 디지탈앰프가 필요한가?]
과거의 오디오 시스템은 앞서 언급한 대로, 아날로그 소스 (턴테이블, 릴테이프, 카세트테이프)로부터 신호를 받아 이를 진공관, 트랜지스터 앰프를 사용하여 증폭하였습니다. 증폭된 신호는 케이블을 통해 스피커로 전달되며, 스피커의 콘을 진동시킴으로 소리를 만들어 내게 됩니다.
80년대 오디오 CD가 등장하면서 여러가지 변화를 가져오는데, 그중에서도 디지탈 음원이라는 새로운 길을 열게 됩니다. 하지만 오디오 CD플레이어는 내부에서 디지탈-아날로그 변환(DAC)을 수행하여 아날로그 신호를 내보내게 됨으로 기존의 오디오와 쉽게 연결하여 사용할 수 있는 장점이 있는 반면, 특정부분만의 디지탈화로 그치게 됩니다. 물론 당시의 기술적인 어려움이나, 여러가지 요인이 있었겠지만....
디지탈 앰프(PWM 앰프)은 입력되는 디지탈신호를 그대로 증폭하려는 의도에서 만들어 졌고, FET의 스위칭모드를 이용함으로 스위칭 앰프라고도 합니다. 다른 장점으로는 아날로그 앰프에 비해 효율이 높고, 열잡음이 적고 바이어스 회로가 단순하다는 것입니다. 즉, 소형으로 큰 출력을 얻을수 있다는 뜻입니다. 하지만, 값 비싼 PWM제어기, 고급 오디오용 FET의 부족, 스위칭 전원 장치 등 상대적으로 해결해야 할 부분이 많아서 일반적인 보급시기는 다소 늦어질 것입니다.
디지탈 신호는 아날로그 신호에 비해, 다루기가 쉽고 저장, 편집, 재생에 유리합니다. 따라서, 많은소스가 디지탈기술로 만들어 지게 되었고,또한 디지탈 신호를 그대로 증폭하려는 노력이 뒤따르게 됩니다. 하지만 풀-디지탈 오디오 시스템은 아직도 기술적으로 넘어야 할 한계가 많습니다.
대표적인 것이 물리적인 진동에 의해 소리를 만들어내는 스피커입니다. 즉, 스피커를 울리려면
반드시 증폭된 아날로그 신호를 공급해야 합니다.
정리해 보면, 디지탈앰프는 디지탈 음원를 받아서 디지탈 증폭을 하고 아날로그 출력을 발생하는 장치입니다.
(참고자료 : State of the Digital Pulse Modulated Amplifier System - Steen M. Munk)
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[Class-D Audio Amplirfier]
1) 용어적 의미
오디오 증폭회로 방식에서는 주로 A급, AB급을 적용하며, 아날로그 앰프 또는 리니어앰프라고 부르기도 한다. 소스신호(아날로그 음원)로부터 스피커출력까지 동일한 신호형태를 유지한다.
입력되는 신호를 그대로 증폭함으로서 왜곡이 거의 없는 A급은 하이엔드제품에, 신호의 상단과 하단을 나누어 증폭함으로서 효율 및 열특성을 개선한 AB급은 보급형제품에 주로 사용된다.
D급증폭은 스위칭증폭 또는 디지탈증폭이라 부른다. 하지만 엄밀한 의미에서는 펄스변조증폭방식이 적절한 표현이다. 이유는 소스신호(아날로그, 디지탈 음원)로부터 스피커출력까지
동일한 신호가 아니라 아날로그입력 -> PWM증폭 -> 아날로그출력 또는, 디지탈입력 -> PWM 증폭 -> 아날로그 출력 방식을 취하고 있다.
일반적으로 오해하는 부분은, 디지탈음원신호를 그대로 증폭하는 것이 아니라 항상 PWM 과정을 수행함으로서 신호형태의 변화가 일어난다는 것이다. 이 과정은 스피커출력신호를 아날로그로 바꾸는 과정에서 반드시 거쳐야 하며 신호의 변화로 인한 손실, 왜곡이 일어날수 있다.
2) 아날로그 (Analog) 와 디지탈신호 (Digital Signal)
오디오 역사는 아날로그음원 (LP, Tape 등)을 증폭하여 아날로그출력(스피커)으로 이루어지는 구조로 시작되었다. 시대가 흐르면서 디지탈 음원 (CD, DAT, DVD, 등)이 등장하였으나
아날로그출력 (스피커, 헤드폰, 등)은 아직도 변함이 없다.
따라서, 완전한 디지탈오디오 시스템은 아직도 존재하지 않는다고 볼수 있다.
대부분의 아날로그 신호는 디지탈신호로 바꿀수 있으며, 또한 다시 아날로그 신호로 되돌릴수 있다. 하지만 이과정에서 기술적인 한계로 인해 원래의 신호가 왜곡될수 있고 일부는 사라질수도 있다.
3) PCM (Pulse Code Modulation)
펄스코드변조라고 하며, 아날로그 신호를 디지탈신호로 바꾸는 방법을 의미한다.
아날로그 신호는 저장, 전송, 재생하는 방법이 어려우므로 이를 쉽게 하기 위하여 디지탈변환을 수행하게 된다. 먼저 신호를 시간(x축)과 진폭(y축)으로 표시하고, 일정한 간격으로 잘라낸다.
예를 들어, CD음악의 경우는 16 비트, 44 킬로헤르츠로 나타내는데 이는 진폭(y축)을 16비트 간격으로 나누고 시간(x축)을 44 킬로헤르츠로 가격으로 나누어 샘플링했다는 의미이다.
만일 24비트, 96 킬로헤르츠(DVD-audio)로 했다면, 더욱 작은 간격으로 샘플링을 했다는 뜻이고, 나중에 아날로그변환을 할때 원음에 더 가까운 신호를 만들수 있다는 의미이다.
더 높은 샘플링비율은 수준 높은 음악을 들려줄수 있지만 기술적인 어려움, 높은 비용, 복잡한 구성의 요구로 직결된다.
DSD 방식(SACD)은 1비트, 2.8 메가헤르츠 샘플링을 적용하며, 이론적으로는 PCM보다 더 높은 원음재생이 가능하다.
4) PWM (Pulse Width Modulation)
펄스진폭변조라고 하며, 아날로그 또는 PCM 신호를 받아 D급 증폭을 하기 전에 신호를 변환하는 과정을 의미한다. 따라서 PCM 이나, DSD 처름 소스신호를 위한 디지탈변환방식이 아니라, 입력받은 신호를 증폭하기 위한 일시적인 디지탈 변환이다.
이 방식은 입력신호를 캐리어신호(삼각파)와 합성하여 진폭의 변화량으로 표시하게 되고, 스위칭 증폭기를 통하여 큰신호로 증폭하게 된다. 이과정에서 입력 신호는 왜곡이 발생될수 있으며 노이즈에 영향을 받을 수도 있다. 아날로그 입력보다 PCM입력의 샘플링이 더 어려운 과정으로 볼수 있다.
5) DMA (Digital Pulse Modulation Amplifier)
펄스진폭변조와 D급 증폭을 적용한 증폭기를 의미한다.
고전적인 A, AB급은 아날로그 증폭을 수행함으로서 낮은 열특성과 효율로 인해 대출력 시스템을 만들기가
어렵고, 높은출력의 시스템일수록 높은 비용, 큰 외형을 가진다. 반면에 이 방식은 기존의 A, AB급 증폭의 한계점인 효율을 개선한 것으로 약 90%정도에 이르며, 작은 구조로 대출력시스템을 만들수 있다.
특히, 멀티채널시스템이나 AV 통합형시스템에서 많이 적용되고 있다.
가) 아날로그 입력인 경우,
아날로그 신호 -> 펄스진폭변조 -> D급증폭 -> 아날로그 출력
(RCA) (캐리어 합성) (스위칭증폭) (LC필터링)
아날로그신호를 펄스진폭변조를 하려면 캐리어 (삼각파)를 이용하여 Natual PWM, 즉 아날로그신호에 직접 캐리어를 합성하는 방법을 쓰며 ...참고로 합성된신호는 입력신호와는 전혀다른 디지탈신호이다. 합성된신호는 D급 증폭을 하게 되는데 이를 스위칭증폭을 하게 되는데 AB급에서 사용하는 푸쉬풀 방식을 적용한다. 푸쉬풀방식은 사인파신호의 상단과 하단을 2개의 FET가 증폭하는 방식으로 효율을 높인다. 겹치는 부분에서 크로스오버 왜곡이 생길수 있다. FET 출력(드레인)은 PWM신호가 큰 신호로 커진상태이며, 다시 LC필터를 거쳐서 아날로그 신호로 만들어 스피커입력으로 사용된다. 필터는 트랜스포머와 캐패시터로 구성되며 저주파 필터링을 하게 된다.
나) 디지탈입력인 경우,
PCM 신호 -> 업샘플링 -> 펄스진폭변조 -> D급증폭 -> 아날로그 출력
(x 4 ) (캐리어합성) (스위칭증폭) (LC필터링)
디지탈신호를 입력으로 받으면, PWM변환시 큰 왜곡을 발생함으로, 미리 업샘플링을 하여 품질을 높일 필요가 있다. 업샘플링은 x4, x8배의 주파수를 사용, 384, 786khz를 주로 사용한다. 변조방식은 Natual PWM을 쓰지않고, Uniform PWM을 적용하게 된다. 하지만 왜곡이 발생함으로 WPWM, WCC방식으로 보상을 할 필요가 있다.
WPWM은 연속되는 신호에 대해 미리 진폭의 변화를 예측을 함으로 손실을 줄인다.
[참고자료]
1) Class-d Audio Amplifier Design ... IOR, Oct 8. 2003 Jun Honda and Jorge Cerezo
2) Class-d Audio Amplifier Performance Relationship to MOSFET Parameters ... Jorge Cerezo
3) State of the Art Digital Pulse Modulated Amplifier System ... IcePower, 2003 steen m.munk
4) Audio Power Amplifier Techniques with Energy Efficient Power Conversion...Ph.d Thesis, Karsten Nielsen
5) CS44800 Data Sheet ... Cirrus Logic
6) TAS5518 Dats sheet ... TI
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