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USB Audio CODEC(PCM2902) + Headphone Amp

루시엘 2007. 1. 6. 13:02

USB Audio CODEC(PCM2902) + Headphone Amp in Silvia(실비아) Case

2004년에 만든 USB Audio 코덱의 단점을 보완하고자 만든 것이 이것이다.


계기

2005년초부터 부품만 책상위 펼쳐놓고 있다가 방정리를 하기 위해서 집중해서 이틀만에 뚝딱 만들었다.
내 성격상 뭔가 시작하면 필요한 것들이 손을 뻗어 닫는 범위 안에 펼쳐져 있어야 하기 때문에 방을 정리하기 위해서는 별려놓은 일을 빨리 끝내거나 포기하는 수밖에 없다.^^;;


구상 및 만들기

내부

단전원 저전압 구동 헤드폰 앰프 내장, 볼륨 장착, 쓰기 불편한 아날로그 입력은 생략, 디지털 신호(S/PDIF) 단자는 역시 점퍼로 입/출력을 선택하기로 했다.

단전원 저전압 구동의 헤드폰 앰프부

헤드폰 앰프는 2.5V~6V 단전원에서 작동되는데 5V 구동 32옴 부하에서 50mW의 출력을, 3.3V 구동 32옴 부하에서 35mW의 출력을 낸다고 한다. 구동전압을 5V로 할까 3.3V로 할까를 놓고 고민했는데 3.3V가 정전압이며, 총 하모니 왜곡 + 노이즈(THD+N) 특성에서 3.3V 구동이 나은 면모를 보여 3.3V로 결정했다.

하나뿐인 점퍼

배선도 그리는데 많은 시간을 할애했는데 특히 점퍼를 줄이는데 주력했다.(점퍼를 줄이는데 이상하게 집착하는데 거기서 재미를 느끼고 있다.)

나름대로 공들인 배선작업

이 녀석은 어느정도 확신이 있었기 때문에 성공적으로 작동하면 선물할 생각이었기 때문에 납땜과 케이스 가공에 신경을 썼다.

변환기판들의 압박

역시 난관은 변환기판이었는데 이번에도 약간의 희생이 있었다. SMD칩인 PCM2902의 좁은 핀간격의 압박은 언제 겪어도 엄청나다. 변환기판 작업을 할 때마다 느끼는 것이지만 기판의 폭을 좀 넓게 잡고 할 걸 하는 생각이 든다.


테스트

항상 주의하는 부분은 출력단에서 검출되는 DC이다. 아직까지 DC로 인해 헤드폰이나 이어폰이 손상된 적은 없으나 그 위험성에 대해서는 직/간접적으로 충분히 경험했기 때문에 만들고 난 뒤에는 꼭 DC가 얼마나 검출되는지 체크한다. 더군다나 이번 USB 코덱에는 헤드폰 앰프를 추가했기 때문에 위험요소가 하나 더 늘어난 셈이니...

납땜을 끝내고 테스트해보니 2V에 육박하는 DC가 검출되었다. 만능기판의 신호부를 디지털 멀티미터(DMM)로 출력단에서부터 거꾸로 체크해보니 헤드폰 앰프를 거친 이후로 문제가 있음을 발견했다. 그래서 배선도를 회로도와 비교하면서 세심히 검토한 결과 내가 잘못 연결한 부분이 있음을 알았다. 급히 수정하고 다시 DC 테스트해보니 이번에는 정상이었다.^^


감상

안도의 한숨을 내쉬고 음악을 들어봤다.

이번 USB 코덱은 소리의 찢어짐이나 갈라짐 없이 깨끗하고 힘있는 소리를 들려준다.^^ 추가한 헤드폰 앰프 덕분이었다. 3.3V의 저전압 구동인데도 생각보다 출력이 괜찮고 소리도 꽤 괜찮게 들렸다.

지난 번에 만든 USB 코덱도 그랬지만 이번 것도 깔끔하지만 너무 날카롭지 않은 그런 소리이다.

무엇보다 좋은 점은 화이트 노이즈가 볼륨의 전 영역에서 감지 되지 않는 다는 점이다. 덧붙여서 내 HFi-650 헤드폰과의 궁합이 상당히 좋다.^^

만들고 나서 이성적으로 냉철히 생각해보면 옵토플레이랑 비슷한 구성이니까 담부턴 그냥 중고 옵토플레이를 사자인데, 기분은 "이렇게 한 번 정도는 만들어 보는 것도 재미있다." 이다.(하지만 그 이상은 좀...ㅡ.ㅡ;;)



보너스: 실체배선도^^

실체배선도(용량 표시)

실체배선도

하스의 황용근님이 배선도 공개를 요청해서 실체배선도를 새로 만들었다. 이번에 만든 USB코덱의 실체배선도는 칩 콘덴서를 사용하는 것이고 구하기 쉽지 않은 전용 헤드폰 앰프 칩이 사용되었기 때문에 공개의 의미가 크지 않다는 생각이 들었기 때문이다. 칩 콘덴서 대신에 다루기 쉬운 래디얼 타입의 콘덴서를 사용할 수 있게 하고 이번 실체배선도에서 불편했던 부분을 수정했다. 물론 기본적으로 실비아 케이스에 딱 맞게 들어가는 사이즈이다.

간단히 설명하면 둥근 배선은 기판 위로 배선작업을 하는 것-점퍼 와이어로 대채해도 무방하다-이고, 디지털 입/출력은 점퍼를 통해 선택하게 했고, 디지털 신호 경로의 비드는 생략해도 되며 점퍼 와이어를 사용할 경우 기판을 가로질러 바로 디지털 출력단자로 연결해주는 것이 좋다.

Low Pass Filter나 헤드폰 앰프부는 배선도에서 비워두었는데, 부피가 큰 부품을 쓸 수 있도록 되도록 많은 공간을 할애했다. 만약 별도의 앰프를 같이 사용한다면 생략하는 것이 음질상 좋을 것이고, 따로 앰프를 사용하지 않는다면 취향에 맞는 Low Pass Filter나 헤드폰 앰프부를 구성하면 된다. 단전원 저전압 구동 필터나 헤드폰 앰프면 무방할 것이다.


기본 회로는 Ukram Data의 USB DAC 프로젝트인 PCM2902 USB DAC/ADC에 소개된 것이다.

Ukram Data의 PCM2902 USB DAC/ADC 회로

USB 코덱칩 PCM2902의 데이터시트의 기본 회로와 큰 차이는 없으나 시그널(아날로그) 그라운드와 USB(디지털) 그라운드를 격리(isolation)하여 그라운드간의 전위차에 의해 발생하는 노이즈를 최소화하고자 했다.


Low Pass Filter는 아래 회로를 참고하라.

Low Pass Filter가 들어간 회로

출처: Ti의 DEM-PCM2900/2902 EVM User Guides Abstract


헤드폰앰프칩 TDA1308을 이용한 단전원 구동


출처: TDA1308 데이터시트

단전원 저전압 구동 헤드폰 앰프는 디바이스 마트를 통해 구하기 쉽고 저렴하며 성능이 좋은 TDA1308 칩을 추천한다.

위 회로는 반전입력 회로로 증폭률이 1인 회로로 증폭률이 크지 않으므로 더 높은 증폭률이 필요하다면 피드백저항값을 좀 올려서 게인을 높게 잡으면 될 것이다.

반전입력에서 증폭률은 입력저항과 피드벡저항의 결정되는데 다음의 공식과 같다.
증폭률=피드백저항값/입력저항값

첨부한 회로에서 입력저항은 Vin-(2번, 6번핀)에 연결되는 저항이고, 피드백저항은 Vin-(2번, 6번핀)과 Vout(1번, 7번핀) 사이에 연결되는 저항이다.