DIY(오디오…)
리니어리티(linearity)가 탁월한 헤드폰 앰프 SKEL6120
루시엘
2007. 3. 23. 00:57
SKEL6120 + COSDAC V2
최근에 완성한 헤드폰 앰프를 소개한다.
2005년 겨울 하스에서 박은서님이 진행했던 SKEL6120 PCB 공구를 통해 PCB를 구하고 금방 만들 줄 알았으나 그러지 못했다. 시간 날 때마다 조금씩 작업을 진행했기 때문에 진척이 느렸고, 완성 직전에 예상 밖의 큰 문제가 터지는 바람에 2007년 초에야 완성했으니 참 오래 걸린 셈이다.
SKEL6120 헤드폰 앰프
SKEL6120은 국내 최대의 헤드폰 앰프 커뮤니티인 헤드폰 앰프 스테이션(이하 하스)에서 몇 분의 동호인들이 힘을 합쳐 만든 헤드폰 앰프이다. 이름에 포함된 '6120'이란 숫자에서 짐작할 수 있듯이 헤드폰 앰프 칩인 TPA6120A2을 사용했다. SKEL6120은 입력 필터와 OP앰프를 이용한 게인단, TPA6120A2을 사용한 버퍼부, LT1085/1033 혹은 LM317/337로 구성된 양전원부로 이루어져 있다. 때문에 TPA6120A2가 SKEL6120의 전부라고 할 수는 없지만 분명히 가장 큰 비중을 차지하고 있다.
TPA6120
TPA6120A2는 TI(Texas Instrument)에서 2004년 발표한 HIFI(HIGH FIDELITY)용 헤드폰 앰프 칩인데 인상적인 스펙과 성능으로 주목을 받았다. TPA6120A2의 가장 큰 특징은 커런트 피드백 아키텍처(Current-Feedback Architecture)와 높은 대역폭, 매우 적은 노이즈이다. 다이내믹 레인지(Dynamic Range)는 120dB 이상이며, 신호대 잡음비(SNR)는120dB나 되며 1300V/μs라는 높은 Slew Rate를 지닌다. 일단 스펙 면에서 TPA6120A2는 상당했고 실제 성능도 뛰어나 직접 사용해본 어떤 이들은 TPA6120A2를 괴물이라 평가하기도 했다.
하지만 TPA6120A2는 상당히 매력적인 헤드폰 앰프 소자임에도 이 칩을 사용한 자작(DIY)이 활발히 이뤄지지는 못했다. 무엇보다도 TPA6120A2는 민감한 부분이 있어 발진을 비롯한 오작동을 일으키는 경우도 잦아 몇몇 자작인의 헤드폰을 불구로 만들거나 저 세상으로 보내는 일도 적잖게 있었기 때문이다. 그리고 칩 자체가 표면실장형(SMD) 부품이다 보니 핀 간격이 조밀해 다루기가 어렵다.
SKEL6120은 그런 TPA6120A2의 까다로움을 극복한 성공적인 사례라 할 수 있는데, 다수를 대상으로 한 공제에서 그것을 증명했기 때문에 그 의미가 더욱 크다. 물론 여기서 상용제품은 논외이다.
SKEL6120의 회로
SKEL6120의 입력필터와 증폭부
회로에 대해서는 문외한이라 잘 모르지만 TPA6120A2만으로 게인을 높게 잡고 증폭하는 것보다는 안정적으로 작동할 수 있는 구성이라 한다. (참고: 하스, 정원기님의 "SKEL6120 설계질문"에 대한 박은서님의 답변)
SKEL6120의 전원부
전원부는 단파 2개를 묶어 양전원을 구성하는 방식이다. 정전압 레귤레이터는 LT1085/1033을 쓰게 되어 있으나 LM317/337도 핀 호환이 된다. 정류용 다이오드는 듀얼 타입의 다이오드를 사용해 부품의 수와 차지하는 면적을 줄였다.
TPA6120A2 디커플링(바이패스)용 캐패시터의 용량은 데이터시트에 제시된 용량인 100uF과 10uF 그대로이다.
부품
부품은 고급스러운 부품에 집착하지 않고 가진 것을 주로 쓰고자 했다. 보유하지 않은 나머지 부품은 저렴하고 구하기 쉬운 것 위주로 선정했다.
OP앰프는 싱글타입인데 전에 하스의 김건우님에게 선물 받은 아날로그 디바이스(Analog Device)의 AD8610이다.
AD8610
SKEL6120 전원부 |
전원부에 사용한 캐패시터 |
정류용 다이오드는 듀얼타입을 써야 하는데 Common Cathode Diode는 필립스의 쇼트키 다이오드 PBYR1545을, Common Anode Diode는 쇼트키를 구하지 못해 Fuji Electric의 Fast-Recovery Rectifier ESAC25-02N(C25 O2N)를 썼다.
캐패시터는 다음과 같다. 10pF과 220pF은 실버마이카를, TPA6120A2 디커플링 10uF과 100uF은 오스콘(OS-CON)을, OP앰프 디커플링 47uF은 니치콘 RZ를, 전원부의 전해캐패시터 120uF은 하스 황용근님에게 선물 받은 파나소닉 FM을, 1000uF은 BC를, 2200uF은 삼영의 NXB를, 필름캐패시터는 TPA6120A2용 디커플링 필름캐패시터로 쓴 ERO의 0.1uF를 제외하고 모두 ARCOTRONICS의 0.1uF과 1uF을 사용했다.
볼륨은 알프스(ALPS) 블루벨벳 10KA 클릭형이다. 개인적으로 클릭형 볼륨을 싫어하지만 같은 용량의 논 클릭형 블루벨벳을 구할 수 없어 어쩔 수 없이 썼다.
저항은 모두 국산 1% 오차의 1/4W와 1/2W 금속피막 저항이다. 몸통이 자성체라는 점이 불만이지만 구하기 쉽고 저렴하기 때문에 애용한다.
입출력 잭의 경우 헤드폰 출력 잭은 뉴트릭(Neutrik) 폰잭을, RCA 잭은 대만산 금도금 잭을 사용했다.
선재는 4심 선재인 벨덴 8723이다. 오디오용으로 제작된 선재이며, 주석도금 된 구리 전도체와 폴리프로필렌 재질의 절연체, 트위스트 된 페어 구조, 페어별로 차폐율이 100%인 독립된 실드를 갖췄고, 상대적으로 다른 4심 선재에 비해 가격이 저렴해 자주 쓴다.
노브(KNOB)는 내가 하스에서 공구한 소리전자의 검은색 노브 S-17을 썼다. 색상이 짙은 남색 기운이 도는 검은색이라 케이스의 진한 검은색과 다르고, 날개 두께가 두꺼워 전면 패널 앞으로 돌출되는 부분이 있어 이질감이 드는 점이 아쉽다.
트랜스는 어떤 트랜스를 쓸까 고민하던 중에 전에 내가 하스에서 스와니양스를 통해 공구했던 Toroid의 13V 양파 트랜스를 생각나 그것을 쓰려고 했다. PCB 위에 놓아 보니 크기도 대충 맞았다. 하지만 SKEL 6120의 전원부는 단파 2개를 묶어 양전원을 만들기 때문에 양파 트랜스를 그냥 쓸 수 없다. 양파 트랜스를 단파 2개로 고치던지 아니면 정류부를 양파 트랜스에 맞게 개조해야 한다. Toroid 13V 양파 트랜스는 센터 몰딩이 된 트랜스라 단파 2개로의 개조가 불가능하기 때문에 정류부를 바꿔야 한다.
Toroid의 13V 양파 트랜스 |
PCB에도 대충 맞았지만… |
Amveco Talema 25VA |
토글 스위치 부착을 위해 가공된 전면 패널 안쪽
제작
김상록님이 특별히 제작해준 케이스를 받아보고 크게 감동하여 케이스의 격에 맞게 안에 들어갈 앰프도 특별히 신경 써서 만들겠다는 마음을 먹었다. 그래서 평소라면 비교적 간단히 만들고 넘어갈 부분도 귀찮음을 무릅쓰고 주의하며 만들었다.
납땜
통상적으로 전원부를 먼저 만들어 적정 전압이 나오는지 확인하고서 증폭부를 만들기를 권장한다. 하지만 개인적으로 부위에 상관없이 되도록 높이가 낮은 부품부터 납땜을 하는 것을 선호한다. PCB를 뒤집어 납땜할 때 편하기 때문이다. 물론 주의가 필요한 IC 등의 능동소자는 순서를 뒤로 미룬다. 그래서 높이 순서별로 실장 및 납땜하고, 전원부가 정상적으로 작동하는 것을 확인한 뒤에 증폭부의 TPA6120 칩을 가장 나중에 납땜했다.
레이아웃
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정면 |
뒷면 |
입/출력 선택 스위치
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출력 선택 스위치는 헤드폰 아웃과 프리 아웃을 선택용이다. 주위에 적당한 그라운드 포인트가 없어 스위치 몸통에 동박 테이프를 부착해 접지용 선을 납땜했다.
입력 선택 스위치는 입력 소스인 COSDAC V2와 RCA 입력을 고르기 위한 것이다. 여기에 입력 필터 일부를 하드와이어링했다.
OP앰프 게인 조절용 저항을 위한 소켓 처리
내 SKEL6120은 헤드폰앰프 외에 프리앰프의 용도로도 사용할 예정이었기 때문에 게인 값 조절용 저항(R5와 R13)을 위해 소켓 처리를 해서 편하게 저항값을 바꿀 수 있게 했다.
R5 |
R13 |
라운드 소켓 |
OP앰프용 디커플링 캐패시터
하드와이어링
어떤 식으로 이 SKEL6120에 공을 들일 수 있을까 생각하던 중 하드와이이링을 떠올리게 됐다. PCB를 쓰면서 도대체 왜 하드와이어링에 관심을 두게 되었나 의아해할 수 있는데, 그것은 다음과 같은 이유 때문이었다.
첫 번째 이유는 볼륨과 입력 선택 스위치이다. SKEL6120의 신호경로는 먼저 입력필터를 거친 뒤에 볼륨으로 가는 구조이다. 내 SKEL6120의 경우 입력 선택 스위치가 추가되어 있고, 볼륨을 PCB에 붙일 수 없고 케이스에 장착해서 써야 하기 때문에 PCB의 입력필터를 활용하자면 신호 경로가 많이 길어지게 된다. 또한 볼륨을 위치를 바꿔 필터 앞에 위치시키면 어떨까 하는 생각도 해봤지만 입력필터가 제대로 작동하지 않을 것이란 하스 이정석님의 조언이 있어 볼륨 위치 변경은 포기하기로 했다. 그래서 입력선택 스위치에서 볼륨으로 가는 경로에 입력필터를 하드와이어링으로 추가해 경로를 단축하고자 했다.
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스위치 쪽 입력필터 하드와이어링 |
볼륨 쪽 입력필터 하드와이어링 |
빈 자리로 남은 PCB의 입력필터 |
두 번째 이유는 TPA6120A2의 안정적인 작동이다. 하스 이승찬님의 SKEL6120 자작기를 보고 TPA6120A2의 하드와이어링에 대해 떠올리게 되었는데 처음에는 SMD 부품에 무슨 하드와이어링인가 하고 그만두었다. 하지만 TPA6120A2의 데이터시트와 TPA6120A2 Evaluation Module 유저 가이드를 유심히 보면서 하드와이어링을 할 수만 있다면 그 의미가 크겠다는 생각이 들었다.
1. 입력저항과 출력저항을 최대한 칩 가까이에 붙이고, 피드백 저항은 IN-핀에 가까이 붙이고 피드백 선로의 길이를 최대한 줄이고, IN+ 핀을 그라운드와 최대한 가깝게 하라.2. TPA6120A2 전원공급용 디커플링 캐패시터는 필수이며, 소용량의 캐패시터를 최대한 파워핀 가까이 붙이고, 모든 캐패시터는 Low ESR 타입을 사용하라.
레이아웃에 대한 주의사항
전원 공급 디커플링에 대해
(출처: TI의 TPA6120A2 데이터시트)
이 점은 TPA6120A2 데이터시트의 'Figure 36. Typical Application Circuit'과 EVM 유저 가이드에서도 확인 가능한데, 10uF과 100uF의 디커플링용 캐패시터 외에 0.1uF 캐패시터를 추가로 4개의 전원핀(LVCC-/+, RVCC-/+) 가까이에 달아놓고 있다.
사실 SKEL6120 공제에 참여한 여러 사람의 경우에서 확인할 수 있듯이 SKEL6120의 PCB는 그 자체만으로도 TPA6120A2 데이터시트에 나온 안정적인 동작을 위한 조건을 만족한다. 그렇지만 아무래도 PCB 상에 일반적인 부품을 사용하도록 레이아웃을 잡다 보니 경로가 좀 길어지게 된다. 그래서 하드와이어링으로 저항이나 캐패시터를 최대한 TPA6120A2 칩 가까이에 붙여 안정적으로 동작하게끔 하려는 것이다.
피드백 저항과 VCC-용 디커플링캡 |
오른쪽 입력저항 |
왼쪽 입력저항 |
오른쪽 Rs |
왼쪽 Rs |
VCC+용 디커플링캡까지... |
오른쪽 출력저항 |
왼쪽 출력저항 |
칩 저항이나 칩 캐패시터가 아닌 일반 1/4W와 1/2W 저항과 적층필름 캐패시터를 이용해 하드와이어링하려니 무척 까다로웠다. 특히 시력이 좋지 않아 고생을 했는데, 특별 제작된 케이스에 걸맞은 앰프를 만들려면 이 정도는 해야 한다는 생각에 마음을 가다듬고 작업에 임했다. 저항과 캐패시터를 최대한 TPA6120A2 칩의 핀 가까이 붙이고, 리드는 테프론 피복을 입혀 절연시켰다.
잡음과 오른쪽 채널의 험(HUM)
하지만 고생을 무릅쓰고 하드와이어링한 보람도 없이 작동시켜보니 게인에 비해 소리가 너무 크며, 모든 채널에서 심한 잡음이 들렸고, 특히 오른쪽 채널에서는 험이 있었다. 미세하게 남아있는 플럭스가 문제인가 해서 강력세정제로 세척해보았지만 소용이 없었다. 출력단의 DC는 왼쪽에 24mV, 오른쪽에 19mV가 검출되었다.
잡음은 그렇다 치고 오른쪽 채널에서 발행하는 험은 어찌된 것인가 고민했다. 오른쪽 채널과 트랜스가 가까이 있기 때문에 혹시 트랜스 때문인가 싶어 철판으로 가려보았다. 그랬더니 출력단의 DC는 변함없었지만 오른쪽 채널의 험이 상당히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 그래서 1T 철판 2개를 겹쳐 차폐 격벽을 만들어 PCB에 장착했다.
오른쪽 채널의 험은 그렇게 해결을 했지만 높은 게인과 잡음은 여전히 남아있었다. OP앰프의 게인을 매우 낮게 잡아 봤지만 그래도 소리가 컸다. 잡음을 떠나서 게인이 이렇게 큰 것은 뭔가 실수가 있었다는 의미일 텐데, 자세히 검토하던 중 2.2K 옴을 쓰게 되어있는 R3과 R11에 2.2 옴 저항을 쓴 것을 발견했다. 낯뜨거운 실수라 자책하면서 2.2K 옴으로 교체했고, 게인을 정상적으로 잡을 수 있었다.
그렇지만 잡음은 사라지지 않았다. 그래서 냉땜 때문인가 싶어 납땜 부위를 다시 인두로 지졌다. 그 후 출력단의 DC 체크를 깜빡 잊고 바로 MX400 이어폰으로 테스트했는데 이번에는 오른쪽이 아예 소리가 나지 않았다. 잠시 후 이어폰의 오른쪽이 뜨거워져 섬뜩한 느낌에 전원을 끄고 DC를 검사해보니 오른쪽에 12V라는 높은 전압이 측정되었다. 딱 한 번 출력단의 DC 체크를 잊은 것인데 그 탓에 6년을 함께 해 정들었던 MX400이 희생되었다. 안타깝지만 자만과 미숙함의 대가를 치렀다고 생각한다.
하드와이어링은 납땜 자체를 오래 하지 않았기 때문에 문제의 원인이 아닌 것 같았다. 아마도 TPA6120A2의 써멀 패드와 PCB의 동박을 납땜 과정에서 장시간 열을 가해 칩에 손상이 갔으리라, 그리고 냉땜 잡는다고 다시 인두를 댔을 때 칩의 오른쪽 채널이 완전히 망가졌으리라는 생각이 들었다.
다시 한 번 하드와이어링
하스의 다른 사람들의 SKEL6120 자작기와 질문/답변을 검토하면서 출력단의 DC가 많이 검출될 경우 TPA6120A2 칩을 교체하라는 이야기를 발견했다.
애써 하드와이어링한 저항과 캐패시터를 제거하려니 아쉬움이 들었지만 마음을 독하게 먹고 다 뜯어냈다. 이미 한 번 쓴맛을 봤기 때문에 하드와이어링을 포기할까도 생각해봤지만 실패했기 때문에 다시 한 번 해야겠다는 오기가 생겼다.
두 번째 하드와이어링
왼쪽에서 |
오른쪽에서 |
다행히 이번 하드와아이어링은 성공이었다. 출력단의 DC도 왼쪽 5mV, 오른쪽 4mV로 적은 양이 검출되었고 잡음이 없는 깨끗한 소리를 들을 수 있었다. 아울러 오른쪽 채널에서 들렸던 험은 이제 차폐 격벽 없이도 들리지 않았다. 먼저 납땜했던 TPA6120A2 칩의 손상을 확신하는 순간이었다.
SKEL6120에서 TPA6120 칩의 써멀 패드 납땜 시 주의점
TPA6120A2 써멀 패드와 만나는 동박이 그라운드로 연결되어 있기 때문에 열이 바로 분산되어 쉽게 납땜 되지 않는데 인두를 오래 대면 안 된다. 작업의 편의성을 우선한다면 써멀 패드를 동박에 납땜하기보다는 열전도 패드를 이용해 접착하는 편이 더 낫다고 생각한다.
COSDAC V2의 외부전원 작동
외부전원은 별도의 트랜스를 이용하지 않고 SKEL6120의 전원부에서 가져다 7805 레귤레이터를 사용해 5V로 만들어 공급했다. 13V 정전압에서 5V로 낮추는 것이기 때문에 안정화를 위한 캐패시터는 부피를 적게 차지하는 적층세라믹 캐패시터 1.0uF과 0.1uF을 사용했다. 드랍 아웃 전압이 8V가량 되지만 전류소모량이 많지 않기 때문인지 7805의 발열은 예상보다 상당히 적었다. 대신 SKEL6120의 전원부에 걸리는 부하가 늘어나 LM317의 발열이 더 늘어났다.
청감상 잡음감소 측면에서 현격한 차이를 느끼지는 못했다. 막연히 기분에 좀 좋아진 것 같고, 사운드 카드를 2개 쓰는 상황에서 SKEL6120의 전원을 끌 때 COSDAC V2에 공급되는 전원이 차단되어 자동으로 다른 사운드 카드로 전환이 되는 점이 편리하게 느껴졌다.
PCB 서포터 고정과 소음방지 라벨 부착
그리고 쏠림 방지용 고무가 내장되지 않은 플라스틱 금장발에 소음방지용 라벨을 부착했다. 고정용 고무가 없는 금장발은 지지력이 약해 케이스가 잘 밀리는 편이라 그냥 고무발을 선호하는 편인데, 케이스가 이 금장발에 딱 맞춰 만들어져서 이런 식으로 보강했다. 하지만 이렇게 해지만 소음방지 라벨의 지지력이 약해 좀 불만족스럽다.
마무리로 플럭스 제거
플럭스를 제거하며 마무리
라이터기름과 초강력 세정제로 플럭스를 제거했다. 청감상의 차이는 느끼지 못하지만 기분상 그리고 보기에 깔끔하기 때문이다.
감상
모든 문제를 해결하고 편한 마음으로 SKEL6120의 소리를 들어봤다. 출력이 상당히 인상적이었다. 단순히 소리가 크다는 느낌과 달리 낮은 볼륨과 높은 볼륨에서도 헤드폰을 확실히 제어한다는 느낌으로, 볼륨을 처음부터 끝까지 올려도 무리라는 기분이 전혀 들지 않는다. 또한 풀 볼륭 상태에서 클리핑 없이 출력되기 때문에 과장해 표현하면 헤드폰이 터질 것 같은 불안감까지 들 정도이다. 그러면서도 화이트노이즈를 비롯한 각종 잡음이 상당히 적은 점이 놀랍다.
흔히들 앰프에 대해 이야기할 때 리니어리티(linearity)가 좋다는 표현을 쓰고는 하는데 그 말이 어떤 내용인지 이해하지 못했다가 SKEL6120을 통해 비로소 그것이 어떤 것인지 체험한 것 같은 기분이 든다.
십인십색이란 말처럼 헤드폰 앰프 역시 마찬가지라 각기 고유한 개성이 있다. 때문에 앰프 간의 우열을 가리기는 상당히 어려우며, 무의미한 일이 되기 쉽다. 그렇지만 아주 단순히 개인적인 취향에 맞는 가를 놓고 가볍게 이야기한다면 비교는 의외로 간단해진다. SKEL6120의 소릿결은 내 취향에 상당히 맞는 편이다. 무척 마음에 들어 3년이 넘는 기간 부동의 메인을 지켜왔던 길모어 헤드폰 앰프가 결국 그 자리를 넘기게 되었다.^^
기대했던 프리앰프로서의 능력도 생각보다 뛰어났다. 별도의 프리앰프와 비교해본 것은 아니지만 전에 만든 모노블럭 게인클론 파워앰프와의 상성도 상당히 좋았다. 프리앰프로 SKEL6120을 사용하고, 파워앰프로 게인클론을 사용했을 때 스피커로도 잡음이 거의 없고 마음에 드는 소리가 났다. 실제로 TPA6120A2를 프리앰프부에 사용한 헤드폰 앰프 겸 인티앰프-EGA(Eugene Acoustics)의 푸가-도 있는데 왜 그런 구성을 취했는지 좀 공감이 되었다.
그리고 다른 무엇보다도 이 SKEL6120는 많은 분의 헌신적인 도움으로 만들 수 있었던 앰프로 소리 그 이상의 의미가 담겨 있어서 그런지 감회가 더 깊다. 도와준 많은 분에게 감사한다.
참고링크
하스, 박은서님의 "TPA6120 을 이용한 엠프 - SKEL6120 공제기"
하스, 박은서님의 "회로도- SKEL6120"
하스, 황용근님의 "SKEL6120 사진으로 쉽게 따라하기 ^^ -ac인렛 연결법 추가-"
ryan님 블로그의 "헤드폰 앰프 #10, SKEL6120"