[DIY] MHHA v2.0 (Multi-Hybrid Headphone Amp)

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[DIY] MHHA v2.0 (Multi-Hybrid Headphone Amp) - 신정섭

약 2주 전에 중고로 Oscilloscope(50 MHz)와 Function Generator를 구입했습니다.
또한 엊그제는 약간 맛이 가서 버려진(그러나 쓰는데는 문제없는) 70W급 3-출력 Power Supply를 주웠고요.
저도 이런 것까지 구하게 될 줄은 꿈에도 생각 못했지만 갈 때까지 가고 있습니다.^^

이러한 장비의 도움으로 지금 소개하려는 앰프를 좀더 잘, 그리고 더욱 자신있게 설명할 수 있음이 큰 소득입니다.
아직은 고급스럽게 사용하진 못하지만 천천히 배우고 즐길까 합니다.

각설하고, 본문으로 들어가서...

제가 비슷비슷하긴 하지만 Hybrid Amp를 최근 2달 넘게 꽤나 여러대(완성품만 7대)를 만들고,
관찰 및 테스트 해보고, 또한 열심히 듣고 있습니다.
그래서 구성마다 장단점이 파악되었고, 제 나름대로 가장 바람직한 형태를 구상하게 되었습니다.
한편, 전술한 바와 같이 오실로스코프로 관측은 개선의 방향을 잡는데 큰 역할을 하였습니다.
다행히 이미 제가 생각했던 수준보다는 하이브리드 앰프들이 대체로 만족스러운 결과가 나왔었고요.

하여간 v2.0에서는 다음과 같은 항목에 중점을 두었습니다.
1. Less Distortion, (전의 것이 문제 있었다는 것이 아니고 좀더 이론적으로 개선된...)
2. Less Noise,
3. More Output Level, (결국 왜곡 없이 최대한 출력)
4. More Easy...

여기서는,
원래 애초에 소개되었던 앰프와 비교하여 바뀐 부분이나 바뀌지 않은 부분을 그 이유와 함께 설명하고자 합니다.


*** 구성의 유용성 ***

제작의 편의성 때문에 소위 부하저항을 쓰는 "Grounded Cathode"(사실은 다 G.C.이지만...) 앰프를 만들기도 했는데,
편의성이라는 장점이 있지만 원래의 CCS 버전에 비해 다음과 같은 단점이 있다고 생각합니다.

- 입력커플링 콘덴서 필수
- 잡음에 취약 (즉, 험이 없기 위해선 아주 질 좋은 전압부 요구됨, 반면 CCS 버전은 왠만한 전원은 용서됨)
- 최대 출력 진폭의 제약 (즉, CCS 버젼에 비해 클리핑이 좀더 일찍 발생)
- 대신 증폭율은 CCS 버전에 비해 수십% 낮음 (증폭율은 좀 낮을수록 편리)
- 진공관의 특성곡선상으로 볼 때 왜율이 상대적으로 큼

결국 원래의 CCS 버젼으로 돌아가기로 했는데,
대신 초기 버전은 조정하기가 까다롭고, 입력전압 등이 바뀌면 특성곡선을 어렵게 봐가면서 저항값(Cathode 저항)을 바꿔야 하는 등의 문제가 있었습니다.
그래서 앰프 입장에서는 별다른 점은 없지만 만드는 입장에서 훨씬 편리한 구성을 채택했습니다.
즉 CCS쪽은 고정저항을 이용하여 정전류량을 정하고, 대신 Cathode에 가변저항을 달아서 플레이트 전압을 조정하는 것입니다.
이런 구성은 다음 Pete Millett의 유명한 하이브리드 앰프에서도 볼 수 있습니다.

http://www.pmillett.com/hybrid_head.htm

그리고 진공관으로는 역시 6922를 애용하기로 했습니다.
이 역시 현대의 하이파이 앰프에 아주 많이 사용되는 대표적인 관 중 하나입니다.
그래서 상대적으로 구하기 쉽고, 저렴한 것들도 많습니다. 수명도 길고...
현재 제가 아는, 온라인상 신품 최저가는 *****************에서 Sovtek 것을 7천원에 파는 것입니다. (필립스 중고는 5천원)


*** 고증폭율 문제 ***

일반 부하저항대신 CCS 버전으로 만들면 증폭률이 상당히 커지므로 헤드폰 앰프에선 많이 불편합니다.
10정도도 크다고 보는데 이것은 위 실측한 바와 같이 증폭률이 25정도나 됩니다.

물론 전에는 출력단에 120옴 저항을 넣어서 증폭률을 줄였지만 Best 방법은 아니었습니다.
그 대신 예전의 글에 김상록님께서 쓰셨다는, 입력쪽을 아예 줄여서 받는 방법이 전체적인 신호의 전달 경로를 봐서도 균형이 맞는 것 같았습니다.
물론 볼륨감도 좋아지고요.
즉, 필요이상으로 증폭한 후 잘라내는 것 보다는, 아예 필요한 만큼만 증폭하는 것이죠.
그래서 볼륨직전에 볼륨 용량의 2-3배되는 저항을 직렬로 연결하여 신호의 크기를 약 1/4-1/3 정도로 줄였습니다.
(즉 입력부에 Voltag Divider 적용)
그러므로 이젠 50K-100K의 저항대신 10K-20K의 저항이 이 앰프에 더 잘 어울리게 됩니다.
저는 Tocos 볼륨(10KA)을 썼고 저항은 24K를 사용했습니다.
이 경우 32옴 헤드폰에서 최종 증폭률은 약 3정도 되겠습니다.


*** 배터리 유용성 ***

실제로 파형을 관찰하고 검토해보니 배터리를 넣을 때의 유용성이 별로 크지 않았습니다.
그냥 눈으로 관찰하기엔, 왜곡없이 증폭할 수 있는 신호의 크기가 1V-2V 더 커지는 정도였습니다.
비슷한 이유로 배터리를 여러개 다는 것은 더욱 내키지 않아 일단 1개만 옵션으로 포함시켰습니다.
배터리 사용으로 분명 음질적인 특성은 더 좋아지겠으나 실용적인 면에선 없어도 될 듯합니다.


*** 파형 관측 결과 ***

Oscilloscope를 이용해 Clipping이 일어나는 현상을 좀 관찰했습니다.
관찰 결과 제가 만든 위의 앰프와 조건(26.2VDC 전원공급)에서는 약 7V-0-7V (Peak to Peak, 출력커플링단에서 측정시)에서 Clipping이 일어나기 시작하더군요.
RMS로 보면 약 5 VAC 이므로 저 임피던스는 물론이고 고 임피던스 헤드폰에서도 거의 부족함 없는 출력이라고 생각됩니다.

실제로 가변저항 조정 등은 오실로스코프 등을 보면서 가장 왜곡이 없이 증폭하는 지점으로 잡아야 할텐데, 장비가 없다면 그것은 불가능 하므로 그냥 제가 위에서 제시한 정도가 되도록 맞추셔도 최소한 5V-0-5V의 Peak-to-Peak 출력은 확보될 것으로 봅니다.
한편, 아무리 진공관의 증폭단에서 Clippin이 없도록 한다고 해도, 이 앰프의 출력단인 MOSFET Buffer단에서의 출력가능 범위가 있으므로 5V-0-5V 만 확보되어도 제대로 된 것이라 봅니다.


*** 기타 설명 ***

1. 기판 크기:
PCB의 Size는 60x70 mm 입니다. 면적으로 보면 신용카드보다도 좀 작습니다.
즉, 매우 작은데 크기보다도 이 60x70 mm는 황금비와 같다고 생각합니다.
뭔 얘기냐 하면 아주 효과적으로 동박판에서 잘려지기 때문입니다.
200x300 mm 동박판 한장이면 거의 버리는 부분 없이 딱 14장이 나옵니다. (기판 사용률 98%)
3500원짜리 페놀기판이라면 장당 250원, 7000원짜리 에폭시 기판이라면 장당 500원 밖에 안해요.(학생과학사 판매가 기준)

한편, 위 기판은 에폭시지만 페놀 기판 이야기를 좀 하겠습니다.
페놀도 써 보니까 에폭시에 비해 더 마음에 드는 부분이 있더군요.
물론 견고성이나 모양은 덜 나지만,
일단 자르기가 몇배 쉽고, 특히 에칭하기 너무 편합니다.
에폭시에 비해 가벼우므로 에칭 시 잘 뜹니다.
더욱이 에칭이 진행됨에 따라 에칭액은 무거워지고 기판은 가벼워지므로 더 잘 뜨는데,
그래서 저는 에칭할 때 기판을 뒤집에 띄워 놓습니다. (제 에칭 노하우 중 하나^^)
그러면 에칭이 정말 골고루 빠르게 잘 됩니다.
이런 점이 너무 마음에 들어서 청계천 갔을 때 페놀로 3장 더 구입했습니다. 가격도 절반값이니...

2. Blue LED 조명:
요즈음 진공관에도 Blue LED로 조명하는 것이 유행인 것 같습니다.
그래서 이 하이브리드 앰프에서 한번 해 보았습니다.
좀 촌스럽지 않을까 걱정했는데 생각보다 괜찮습니다.
실물은 위 사진보다 더 볼만합니다.
IC114에서 300원에 구입한 3mm Blue LED에 5mA 정도 보낸 것입니다.
이번이 청색 조명을 단 두번째 앰프인데, 앞으로 모든 진공관 앰프엔 달게 될 듯 합니다. 달다가 안달기는 어렵겠습니다. 이거...

3. 납땜:
얼마 전 구입해서 엄청 펌프했던 Almit KR-19 실납(0.8mm)으로 작업했습니다.
다른 것은 이미 다 이야기 했고 또 하나 마음에 드는 점을 말씀드리면,
제가 써본 여러 납 중에서 가장 광택이 나서 아름답다는 것입니다.^^
실제로 사진이 잘 나와서 그런지는 모르지만 좀더 미려해 보임을 알 수 있습니다.
금속상의 차이는 없다 하므로 아마 플럭스가 표면을 좀더 매끄럽게 하지 않았나 생각합니다.

4. 볼륨:
역시 왕펌프 했던 Tocos Mini Volume (10KA)를 썼습니다.
정말 쓸 때마다 느끼는 것이지만 참으로 훌륭하고 특히 회전느낌이 너무 좋습니다.


*** 기타 제작상 Comments ***

- CCS로는 0.7mA 짜리 CRD인 E-701을 사용하는 것이 젤 편합니다만 아세아상가 무진전자에서 판매하는지는 모릅니다. 저는 2SK117-Y가 집에 많이 있어서 썼습니다.
Idss=1.7mA 짜리가 있었는데 220옴 저항을 다니까 0.75mA 정도가 나오길래 그렇게 사용했습니다.
(2SK30A와 같이 다른 부품이나 다른 Idss 값의 FET에 저와 동일하게 220옴 저항을 다시면 0.75mA가 안 나옵니다)
한편, 어제 알았습니다만 IC114에서 2SK30A-Y를 개당 100원씩에 판매하니 그것도 아주 좋은 선택일 겁니다.

- 보시다시피 좌우채널의 증폭률이나 여러 특성이 서로 크게 다릅니다.
워낙 일반적으로 사용하지 않는 영역에서 작동시키다보니 특성이 많이 다른 것 같습니다.
마치 최저볼륨에서 좌우채널 간의 상대적인 차이가 아주 많이 나듯이요.
그래도 다행히 수치적으로는 저리 차이가 많아도 실제 청감상 좌우의 차이는 느끼기 힘들다는 것입니다.
좀더 정확하게 맞추기 위해 입력단이나 출력단의 저항값을 다소 조정할 수 있지만, 그리되면 진공관을 바뀌낄 때마다 다른 값이어야 하므로 그냥 두었습니다.

- 기타 실측한 상세 데이터가 위 그림으로 나와 있으니 공부하시거나 제작 시 감을 잡기에 무엇보다 도움이 될 것입니다.
그림 중 노랑사각바탕 속의 숫자는, 1 kHz의 Sine 신호 인가 시 각 지점마다의 ACV 실측값을 나타내는 것입니다.

아마 앞으로 큰 변화는 없고 이것으로 최종판 비슷하게 정할 예정입니다.
그럼. 마지막으로 본 앰프를 추천하며 하스 만세를 외칩니다.^^


*** 추가 (2005.2.26) ***

위 앰프의 PCB Layout을 추가합니다.
배치가 위 사진상의 실제 만들어진 앰프와는 좀 다릅니다.



다음은 High Resolution Artwork Image 입니다.

http://www.has.pe.kr/ftp/sijosae/MHHAv2-PCB.gif


*** 추가 (2005.10.4) ***

Altoids 박하사탕통 안에 넣어 보았습니다.
케이스가 후끈후끈 하군요.
얇은 양철판에 진공관 삽입용 구멍 뚫는 것이 걱정이었는데,
사진과 같이 "뚫는다"기 보다는 "갈래갈래 잡아당겨서" 해결했습니다.




*** 추가 (2005.11.1) ***

6922대신 12AU7(=ECC82)을 달아 보았습니다.
6922과는 히터쪽의 약간 변경 외에 큰 차이없이 사용이 가능합니다.
여러가지 기능적인 면에서는 6922보다 더 나은 것 같습니다. (낮은 증폭율, 히터전압의 유연성, 마이크로포닉 노이즈 등)
추천합니다. 기존에 6922용으로 만든 앰프에 100% 호환되지는 않지만 히터쪽에 몇가닥 수정으로 쉽게 사용가능합니다.
이 또한 가장 흔한 관 중의 하나라 구하기 쉬운 편입니다.
제가 아는 가장 저렴한 신품 구입처는 EI 제를 7000원에 판매하는 http://www.primeaudio.co.kr/ 입니다.


*** 추가 (2005.12.24) ***


RMAA 5.5 로 위 앰프(Philips JAN 6922관 사용)의 왜율을 측정해 보았습니다. 출력 레벨은 약 1 VAC RMS 정도에서 측정되었습니다.
한편, 보시다시피 사용한 사운드 카드 자체가 썩 좋은 것은 아니나 위의 THD 결과에 영향을 많이 줄 정도는 아닌 것 같습니다.

물론 사용하는 관마다 다소 차이가 있겠지만 이 정도라면 아주 만족스럽습니다.
실제 Headwize Library에 발표된 진공관 헤드폰 앰프의 왜율특성이 위의 값보다 좋지도 않습니다.

한편 EI사의 12AU7(=ECC82)를 달아 본 결과는 다음과 같습니다.
역시 사용하는 진공관에 따라 결과가 달라짐을 볼 수 있습니다.