지난 달에 자작을 시작하면서 만든 앰프라곤 고작 CMOY와 A47 뿐이지만 시작부터 큰 문제에 부딪쳐서 많이 공부하고 있습니다. 처음부터 비싼 opamp 쓸 생각이 없어서 5532부터 사용했는데 트러블이 생겼거든요.
첫째로 CMOY 가상접지에서 전압불균형이 문제였고, 둘째로 A47에서 알 수 없는 요상한 노이즈가 들리더군요. 사용하는 헤드폰이 전화선처럼 줄이 돌돌 꼬여 있는데 이걸 늘였다 줄였다하면 노이즈가 심해졌다 줄어들었다 합니다. 결국 5532는 제거했고, 그나마 잘 사용되는듯이 보이는 4556 끼워서 듣고 있습니다.
하지만 거기서 멈출 수 없지요. 사놓은 5532는 써보고 싶고, 문제가 생기면 풀어보고 싶기도 하잖습니까.
일단 이런 문제가 생긴만큼 앰프 제작에서 몇가지 권고가 필요하지 않을까 합니다. 정리하자면 이렇습니다.
1. 일반적으로 JFET opamp에 맞게 설계되어 있는 회로는 Bipolar opamp에 맞지 않다.
2. 일반적으로 Bipolar opamp를 사용하는 회로에서 입력 임피던스를 결정하는 저항과, 게인을 결정하는 두 저항을 임의로 바꿔서는 안 된다.
3. bipolar opamp를 사용하는 회로에서 볼륨 저항값은 회로에서 지정한 값대로 써주는 게 좋다.
물론 JFET opamp를 사용하는 경우 대개 문제 없을 겁니다. 하지만 bipolar 입력 opamp의 경우 꽤 문제가 생길 것 같습니다. 물론 테스터가 없어서 제가 겪은 문제가 이런 문제 때문일는지는 모르겠습니다. 단지 다음 두 문서에 참고해서 하는 말입니다.
Working with Cranky Op-Amps (Tangentsoft)
Designing an Opamp Headphone Amplifier (Headwize)
첫번째 글은 LM6171과 같은 bipolar opamp를 사용할 때 생기는 DC offset 문제와 발진 문제를 다룬 글입니다. 두번째 글 아랫쪽에 보면 역시나 DC offset 문제가 나오는데, tangentsoft와 비슷한 내용으로 Jan Meier의 코멘트가 달려 있습니다.
그 내용을 간략히 요약하자면
1. DC Offset을 줄이기 위해서 저항값을 세심하게 설정할 것. (또한 Meier는 헤드폰 앰프를 파워앰프의 프리앰프로 이용할 때, 반드시 출력단에 coupling cap을 사용하라고 말하고 있습니다.)
2. opamp의 발진을 막기 위해서 decoupling cap과 bandwidth limiting을 해줄 것.
정도입니다. CMOY에서는 어떤 것 하나하고 있지 않습니다. 그도 그럴 것이 JFET opamp인 2134를 이용하고 있고, 위 사항을 지키지 않는다고 해도 딱히 문제될 게 없기 때문이죠.
이쯤되니 몇가지 생각이 들더군요. 일단 CMOY라고 해도 opamp에 따라서는 꽤 만들기 어려운 앰프가 될 것이고, 5532나 6171 같은 opamp는 상당히 쓰기 어려운 부품이라는 생각이 들었습니다.
각설하고 각 부분에 대한 해결책으로는 다음을 제시하고 있습니다. (저항 번호는 tangent의 CMOY 회로도 참고)
1. DC Offset을 줄이기 위해서 R3와 R4를 병렬연결했을 때의 저항값과 R2의 저항값을 최대한 같게 한다.
볼륨이 있다면 볼륨 바로 뒤에 100옴 정도의 저항을 넣거나, 입력 버퍼를 만들어어서 opamp와 차단하여 준다.
2. opamp의 발진을 막이 위해 0.1uF 정도의 모노리딕 컨덴서를 decoupling cap으로 사용한다. 적당한 용량의 탄탈 컨덴서를 써주는 것도 도움이 된다. (META42의 전원부처럼 필름 컨덴서를 써주는 것도 도움이 될 듯합니다.)
R4와 병렬로 작은 용량의 필름 혹은 마이카 컨덴서를 사용하여 bandwidth limiting을 해준다. 이 때 컨덴서는 R4와 함께 Low-Pass Filter를 형성하므로 cutoff 주파수를 적당히 맞춰서 컨덴서 용량을 선택한다.
그 외에 opamp 출력단에 47~100옴 정도의 저항을 넣어준다. (헤드폰과 앰프를 차단시켜주는 효과.) feedback loop 안과 밖 모두 장단점이 있다고 합니다. 안에 넣는 경우 저항으로 인한 부정적인 효과가 feedback되고, 밖에 넣는 경우 opamp의 output과 negative input을 모두 보호하지만 출력 임피던스를 높이는 효과가 있다고 합니다. 출력 임피던스를 높이게 되면 헤드폰의 음색에 영향을 추게됩니다. 소리가 좀 어두워진다고 하죠? 저항 어댑터를 쓰는 것과 같은 원리. 이 때의 음색에 관해선 meier sound 사이트에 설명되어 있습니다.)
혹은 opamp의 게인을 약간 올려주거나 배선을 개선한다.
feedback loop 내에 버퍼를 추가한다. (Tanget는 버퍼 IC만을 언급하고 있지만 discrete 버퍼도 문제 없을듯합니다.)
2의 발진을 막는 내용에 관해선 잘들 알고 계실듯한데, 1의 DC offset을 줄이는 방법에 대해서는 잘 안 알려진 것 같기도 합니다. positive input과 negative input의 전압을 같게 하여 DC offset을 줄이는 방법인데, 검색해도 잘 찾기 어렵더군요. 그리고 이건 거꾸로 이야기하면 DC offset을 늘리는 방법이기도 합니다. 요컨대
R2 ≠ (R3R4)/(R3+R4)
일 때, 이 정도가 커질수록 DC offset은 커집니다. 이건 신호에서 직류성분이 유입되어 생기는 DC가 아니라, opamp 자체에서 생기게 되는 것입니다. JFET 입력 opamp의 경우 bias current가 매우 작아서 거의 문제가 되지 않지만, bipolar 입력 opamp의 경우 bias current 값이 꽤 높기 때문에 문제가 됩니다. 게다가 증폭률까지 높다면 dc offset이 그대로 증폭되어 출력되는 만큼 저항값에 조심해야 합니다.
다만 위 수식에서 주의할 점은 positive input과 negative input의 bias current가 동일하단 가정하에 나온 식이라는 점입니다. 가끔 다른 opamp가 있으니 이 때는 좌변과 우변에 각각 양단의 bias current를 곱해주어야 합니다.
게다가 볼륨을 사용한다면 볼륨과 opamp 입력단을 차단해주지 않는다면 이 역시 계산에 포함해야 합니다. R2에 R2와 볼륨을 병렬연결한 값을 대입하면 되는데, 볼륨은 가변저항이므로 저항값은 수시로 바뀔 수 있습니다. 그래서 Jan Meier는 저항이나 버퍼를 추가해서 볼륨과 opamp를 차단하는 방법을 제안하고 있습니다.
또다른 방법으론 입력단을 Meier 앰프처럼 구성하는 방법 역시 있죠.
CMOY는 입력 저항을 100K로 잡았는데, Meier 입력단은 입력저항이 볼륨까지 포함해도 11k 정도 밖에 안 됩니다. (앞단에 47k짜리 저항이 또 있지만, 로우패스 필터를 형성하는 2.2k 저항으로 인해 차단될 것 같습니다.) 저항값이 꽤 적은 편이기 때문에 dc offset이 작아집니다. 이는 간단히 옴의 법칙에 의해 계산됩니다.
V=IR (I는 bias current, R은 입력 저항)
opamp에 따라 I는 고정이니, R이 낮으면 낮을수록 V 역시 낮아집니다. 그래서 이 회로에서는 게인값을 조정해도 DC offset은 매우 작게 나오는 듯 합니다.
CMOY 같은 입력단을 가진 앰프의 경우 게인을 변경하시려면 적당히 저항값을 조합하셔야 합니다. Tangentsoft에 간단한 DC offset 계산기가 있는데 꽤 유용합니다.
이런 모든 사항을 고려해서 신정섭님 방에 있는 "간단한 Headphone Amp"와 "Simple Class AB Amp I"을 만들어보려고 하고 있습니다. 문제 없이 소리가 잘 나면 좋겠군요. ㅠㅠ
덧. DC Offset을 고려하면 RA-1의 저항값이 왜 그렇게 결정됐는지 알만합니다.
덧 2. R3와 직렬로 적당한 용량의 전해 컨덴서를 달아주는 방법은 DC offset을 완전히 피드백하여 DC offset을 줄이는 방법입니다. 잘못 알고 있어서 수정했습니다.
첫째로 CMOY 가상접지에서 전압불균형이 문제였고, 둘째로 A47에서 알 수 없는 요상한 노이즈가 들리더군요. 사용하는 헤드폰이 전화선처럼 줄이 돌돌 꼬여 있는데 이걸 늘였다 줄였다하면 노이즈가 심해졌다 줄어들었다 합니다. 결국 5532는 제거했고, 그나마 잘 사용되는듯이 보이는 4556 끼워서 듣고 있습니다.
하지만 거기서 멈출 수 없지요. 사놓은 5532는 써보고 싶고, 문제가 생기면 풀어보고 싶기도 하잖습니까.
일단 이런 문제가 생긴만큼 앰프 제작에서 몇가지 권고가 필요하지 않을까 합니다. 정리하자면 이렇습니다.
1. 일반적으로 JFET opamp에 맞게 설계되어 있는 회로는 Bipolar opamp에 맞지 않다.
2. 일반적으로 Bipolar opamp를 사용하는 회로에서 입력 임피던스를 결정하는 저항과, 게인을 결정하는 두 저항을 임의로 바꿔서는 안 된다.
3. bipolar opamp를 사용하는 회로에서 볼륨 저항값은 회로에서 지정한 값대로 써주는 게 좋다.
물론 JFET opamp를 사용하는 경우 대개 문제 없을 겁니다. 하지만 bipolar 입력 opamp의 경우 꽤 문제가 생길 것 같습니다. 물론 테스터가 없어서 제가 겪은 문제가 이런 문제 때문일는지는 모르겠습니다. 단지 다음 두 문서에 참고해서 하는 말입니다.
Working with Cranky Op-Amps (Tangentsoft)
Designing an Opamp Headphone Amplifier (Headwize)
첫번째 글은 LM6171과 같은 bipolar opamp를 사용할 때 생기는 DC offset 문제와 발진 문제를 다룬 글입니다. 두번째 글 아랫쪽에 보면 역시나 DC offset 문제가 나오는데, tangentsoft와 비슷한 내용으로 Jan Meier의 코멘트가 달려 있습니다.
그 내용을 간략히 요약하자면
1. DC Offset을 줄이기 위해서 저항값을 세심하게 설정할 것. (또한 Meier는 헤드폰 앰프를 파워앰프의 프리앰프로 이용할 때, 반드시 출력단에 coupling cap을 사용하라고 말하고 있습니다.)
2. opamp의 발진을 막기 위해서 decoupling cap과 bandwidth limiting을 해줄 것.
정도입니다. CMOY에서는 어떤 것 하나하고 있지 않습니다. 그도 그럴 것이 JFET opamp인 2134를 이용하고 있고, 위 사항을 지키지 않는다고 해도 딱히 문제될 게 없기 때문이죠.
이쯤되니 몇가지 생각이 들더군요. 일단 CMOY라고 해도 opamp에 따라서는 꽤 만들기 어려운 앰프가 될 것이고, 5532나 6171 같은 opamp는 상당히 쓰기 어려운 부품이라는 생각이 들었습니다.
각설하고 각 부분에 대한 해결책으로는 다음을 제시하고 있습니다. (저항 번호는 tangent의 CMOY 회로도 참고)
1. DC Offset을 줄이기 위해서 R3와 R4를 병렬연결했을 때의 저항값과 R2의 저항값을 최대한 같게 한다.
볼륨이 있다면 볼륨 바로 뒤에 100옴 정도의 저항을 넣거나, 입력 버퍼를 만들어어서 opamp와 차단하여 준다.
2. opamp의 발진을 막이 위해 0.1uF 정도의 모노리딕 컨덴서를 decoupling cap으로 사용한다. 적당한 용량의 탄탈 컨덴서를 써주는 것도 도움이 된다. (META42의 전원부처럼 필름 컨덴서를 써주는 것도 도움이 될 듯합니다.)
R4와 병렬로 작은 용량의 필름 혹은 마이카 컨덴서를 사용하여 bandwidth limiting을 해준다. 이 때 컨덴서는 R4와 함께 Low-Pass Filter를 형성하므로 cutoff 주파수를 적당히 맞춰서 컨덴서 용량을 선택한다.
그 외에 opamp 출력단에 47~100옴 정도의 저항을 넣어준다. (헤드폰과 앰프를 차단시켜주는 효과.) feedback loop 안과 밖 모두 장단점이 있다고 합니다. 안에 넣는 경우 저항으로 인한 부정적인 효과가 feedback되고, 밖에 넣는 경우 opamp의 output과 negative input을 모두 보호하지만 출력 임피던스를 높이는 효과가 있다고 합니다. 출력 임피던스를 높이게 되면 헤드폰의 음색에 영향을 추게됩니다. 소리가 좀 어두워진다고 하죠? 저항 어댑터를 쓰는 것과 같은 원리. 이 때의 음색에 관해선 meier sound 사이트에 설명되어 있습니다.)
혹은 opamp의 게인을 약간 올려주거나 배선을 개선한다.
feedback loop 내에 버퍼를 추가한다. (Tanget는 버퍼 IC만을 언급하고 있지만 discrete 버퍼도 문제 없을듯합니다.)
2의 발진을 막는 내용에 관해선 잘들 알고 계실듯한데, 1의 DC offset을 줄이는 방법에 대해서는 잘 안 알려진 것 같기도 합니다. positive input과 negative input의 전압을 같게 하여 DC offset을 줄이는 방법인데, 검색해도 잘 찾기 어렵더군요. 그리고 이건 거꾸로 이야기하면 DC offset을 늘리는 방법이기도 합니다. 요컨대
R2 ≠ (R3R4)/(R3+R4)
일 때, 이 정도가 커질수록 DC offset은 커집니다. 이건 신호에서 직류성분이 유입되어 생기는 DC가 아니라, opamp 자체에서 생기게 되는 것입니다. JFET 입력 opamp의 경우 bias current가 매우 작아서 거의 문제가 되지 않지만, bipolar 입력 opamp의 경우 bias current 값이 꽤 높기 때문에 문제가 됩니다. 게다가 증폭률까지 높다면 dc offset이 그대로 증폭되어 출력되는 만큼 저항값에 조심해야 합니다.
다만 위 수식에서 주의할 점은 positive input과 negative input의 bias current가 동일하단 가정하에 나온 식이라는 점입니다. 가끔 다른 opamp가 있으니 이 때는 좌변과 우변에 각각 양단의 bias current를 곱해주어야 합니다.
게다가 볼륨을 사용한다면 볼륨과 opamp 입력단을 차단해주지 않는다면 이 역시 계산에 포함해야 합니다. R2에 R2와 볼륨을 병렬연결한 값을 대입하면 되는데, 볼륨은 가변저항이므로 저항값은 수시로 바뀔 수 있습니다. 그래서 Jan Meier는 저항이나 버퍼를 추가해서 볼륨과 opamp를 차단하는 방법을 제안하고 있습니다.
또다른 방법으론 입력단을 Meier 앰프처럼 구성하는 방법 역시 있죠.
CMOY는 입력 저항을 100K로 잡았는데, Meier 입력단은 입력저항이 볼륨까지 포함해도 11k 정도 밖에 안 됩니다. (앞단에 47k짜리 저항이 또 있지만, 로우패스 필터를 형성하는 2.2k 저항으로 인해 차단될 것 같습니다.) 저항값이 꽤 적은 편이기 때문에 dc offset이 작아집니다. 이는 간단히 옴의 법칙에 의해 계산됩니다.
V=IR (I는 bias current, R은 입력 저항)
opamp에 따라 I는 고정이니, R이 낮으면 낮을수록 V 역시 낮아집니다. 그래서 이 회로에서는 게인값을 조정해도 DC offset은 매우 작게 나오는 듯 합니다.
CMOY 같은 입력단을 가진 앰프의 경우 게인을 변경하시려면 적당히 저항값을 조합하셔야 합니다. Tangentsoft에 간단한 DC offset 계산기가 있는데 꽤 유용합니다.
이런 모든 사항을 고려해서 신정섭님 방에 있는 "간단한 Headphone Amp"와 "Simple Class AB Amp I"을 만들어보려고 하고 있습니다. 문제 없이 소리가 잘 나면 좋겠군요. ㅠㅠ
덧. DC Offset을 고려하면 RA-1의 저항값이 왜 그렇게 결정됐는지 알만합니다.
덧 2. R3와 직렬로 적당한 용량의 전해 컨덴서를 달아주는 방법은 DC offset을 완전히 피드백하여 DC offset을 줄이는 방법입니다. 잘못 알고 있어서 수정했습니다.
참 유용한 정보가 많은 곳이죠.