전부터 헤드폰 앰프 타령을 해왔던 친구의 대학 졸업과 대학원 입학을 축하하기 위해 작은 선물을 하나 만들었다.

선물한 앰프가 어딘가 구석에 처박혀 있는 경우를 종종 본 적이 있는데 이미 내 손을 떠난 것이라 별로 신경 쓰지는 않지만 이왕 선물할 것 가급적이면 선물 받는 사람에게 활용도가 높은 앰프를 만들어야겠다고 생각하게 된다. 친구의 성격을 고려할 때 거치형 앰프는 사용하지 않을 가능성이 대단히 높고 휴대용 앰프 역시 배터리나 전원 어댑터의 사용과 소스기기와의 선 연결을 귀찮아하여 사용하지 않을 가능성이 높아보였다. 집에서 먼 대학원에서 주로 노트북을 사용할 예정이라는 이야기에 USB 코덱과 USB 전원으로 작동되는 앰프를 만들어보기로 했다. USB 사운드카드와 앰프를 합친다면 전원공급의 불편함과 소스기기와의 연결의 번잡함을 해소할 수 있으리라 생각했다.


Simple Class-AB Headphone Amp

헤드폰 앰프는 하스 신정섭님의 Simple Class-AB Headphone Amp를 택했는데, 작년 하스 정모에서 만난 김창훈님의 추천도 있었고 그람슬리 솔로를 비롯한 여러 상용 앰프에 사용된 회로이기도 하고 평이 좋은 편이라 호기심이 동했다.

배선도는 신정섭님이 공개한 배선도를 참고하여 나의 취향에 맞추어 저항을 눕힐 수 있도록 새로 그렸다.


OP앰프는 저전압에서의 작동에 비중을 두어 듀얼OP앰프와 핀호환이 되는 헤드폰앰프인 필립스의 TDA1308을 사용했다.

버퍼단의 TR은 원회로의 BC337/BC327을 사용했다. 저렴할 뿐 아니라 소자의 특성도 좋다고 한다.


전원부

USB 전원을 사용해야 하기 때문에 전원부는 공급 전압을 -전압으로 바꿔주는 볼테이지 컨버터인 LM2663을 사용하여 양전원부를 구성했다.


Simple Class-AB Headphone Amp가 USB 전원에서도 제대로 작동하는지 테스트해봤는데 작동은 하지만 USB 전원의 품질에 영향을 많이 받음을 알 수 있었다. 내 데스크탑 PC의 경우 USB 전원을 그대로 사용해도 지장이 없었지만 노트북에서는 그냥 사용할 경우 잡음이 심해서 LDO를 사용해야지 잡음을 잡을 수 있었다. 이처럼 경우에 따라 달랐기 때문에 LDO를 사용하여 USB의 5V를 3.3V로 레귤레이팅하여 사용했다. 이렇게 레귤레이팅한 3.3V를 볼테이지 컨버터를 통해 -3.3V를 만들어 +-3.3V 양전원을 갖추는 것이다.

큰 의미는 없지만 원활한 전원공급과 빈 공간을 활용하기 위해 3쌍의 전해콘덴서와 필름콘덴서를 추가했다.


만들기
가공하기 쉬운 재질이고 나름대로 휴대하기 편한 사이즈인 실비아 케이스를 사용했다.

동테이프를 사용해 접지 면적을 가능한 넓게 만들려고 했다.

기판 밑면을 볼 일은 드물겠지만 선물로 만드는 만큼 배선 작업에 신경썼다.

공간을 확보하게 위해서 콘덴서의 일부를 기판 밑면에 SMD타입의 MLCC으로 사용했다.

볼륨은 알프스 미니 스위치볼륨이다. 좌우 편차가 약간 있는 편이지만 마땅한 대안이 없어서 사용한다. 하스 이정석님이 소개해준 볼륨의 오차를 줄이는 방법을 적용했다.

높이를 낮추기 위해 USB 단자는 A타입을 사용했다. 때문에 양쪽이 A 타입 플러그로 이뤄진 케이블을 사용하여 컴퓨터와 연결해야 한다.

디지털 입/출력 선택 스위치. 그다지 쓸 일은 없을 것 같지만 추후 디지털 입력이나 출력이 필요할 경우를 대비하여 넣었다.

USB 오디오 코덱인 PCM2902. 얼마나 효과가 있을지는 모르겠지만 접지한 동테이프로 감싸주었다.

USB 전원 잡음을 조금이라도 줄이기 위해 비드를 추가했다.


소감

+-3.3V의 저전압이라 Simple Class-AB Headphone Amp가 제대로 작동할지 조금 걱정했는데 다행히도 괜찮은 편이다. 이 회로에 있어 최적의 동작 조건은 아니겠지만 이 정도면 나름대로 만족한다.

전원이 충분하지 않기 때문인지 저임피던스 이어폰일 경우 최대 볼륨에서 클립핑이 발생하지만 친구를 위한 또 다른 선물인 32옴의 PX-200에서는 그러한 문제가 없었다.

이 USB Audio CODEC + Headphone Amp는 지금까지 취미 삼아 만들었던 앰프와는 달리 처음부터 선물하기 위해 만든 것이라 구상에서부터 배선도 그리기, 부품 준비와 제작, 마무리까지 오랜 시간과 공을 많이 들여서 그런지 큰 애착을 느낀다. 부디 잘 쓰이기를 바란다.

친구의 대학 졸업과 대학원 입학을 축하하며, 건강과 성공을 기원한다.

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

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

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.

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

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

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^^

증폭률=피드백저항값/입력저항값

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

계기

2004년 봄에 학교 선배에게 노트북과 함께 쓸 수 있게 만든 헤드폰 앰프(SHA, Sol Headphone Amp)를 선물한 적이 있다. 유감스럽게도 그때 받은 평가는 "노트북 내장 사운드의 출력만으로도 음량확보에는 충분하고 근본적인 음질의 한계 때문에 굳이 앰프를 쓸 필요를 느끼지 않는다." 였다. 그때 선배가 한 가지 제안을 했는데 차라리 노트북에서 쓸 수 있는 고음질의 사운드 카드를 만들어 보는 것은 어떠냐는 것이었다. 가능하다면 헤드폰 앰프도 추가해서 말이다.

그 말을 들었을 때 처음 생각한 것이 USB DAC이었다. 하지만 일단 중요 부품을 구하기가 어렵고, 구한다 하더라도 납땜이 수월하지 않은 SMD 부품이 있으며, 무엇보다 시중에 비슷한 컨셉의 제품-오디오트랙의 옵토플레이 등-이 적당한 가격에 나와있다는 것 때문에 만들기도 어렵고 굳이 만들 필요가 없다고 답했던 것 같다. 하지만 나 역시 호기심이 동했기 때문에 부품만 구할 수 있다면 한 번 생각은 해보겠다고 했다.

그렇게 이야기만 하고 넘어갔는데 그해 9월 즈음 선배가 필요한 부품을 구해주었다. 그 바람에 결국 앞서 내렸던 이성적인 판단을 외면한 채 USB Audio CODEC을 만들게 되었다.

회로

회로는 Ukram Data의 USB DAC 프로젝트인 PCM2902 USB DAC/ADC에 소개된 것을 사용했다. 내가 처음으로 USB DAC의 존재에 대해 알게 된 곳이기도 하고, 상당히 간결한(?) 회로가 마음에 들었기 때문이다.

USB 코덱칩인 PCM2902의 데이터시트의 기본 회로와 큰 차이는 없으나 시그널(아날로그) 그라운드와 USB(디지털) 그라운드를 격리(isolation) 시켰고, LPF(Low Pass Filter)나 앰프가 생략되었다.

PC와 사운드 카드의 그라운드를 격리시킴으로써 그라운드간 전위차에 의해 발생하는 노이즈를 줄일 수 있다고 한다. PCM2902의 아날로그 부와 디지털 부사이에는 약 10 mV의 전위차가 발생하기 때문에 10옴 저항을 사용해 격리시켜준다.


제작

당초의 생각은 작고 가볍게-휴대하기 편하게 만들자였는데 적당한 케이스를 찾기 어려워 실비아 케이스를 사용하기로 했다.

코덱이라 입/출력이 지원되기 때문에 아날로그 입/출력 스테레오 단자를 갖추고, 디지털 입/출력은 사용빈도가 낮을 것이기 때문에 하나의 단자에 점퍼로 입/출력을 설정할 수 있게 하고, 휴대용으로 쓸 예정인 만큼 사용하지 않을 때는 전력 소모를 줄이기 위해 전원 온/오프 스위치를 넣었다.


남는 공간에는 전원 보강용으로 전해 캐패시터와 세라믹, 필름 캐패시터를 추가했다.

부품은 구하기 쉬운 일반적인 것이며, 가지고 있던 것만을 사용했는데, 그 때문에 12Mhz 발진소자를 크리스탈로 하지 못하고 아쉽게도 크리스탈보다 정밀도가 떨어지는 세라믹 진동자로 했다. 물론 세라믹 진동자의 그런 단점을 감수한 까닭은 세라믹 진동자에 대한 호기심이 낮은 정밀도로 인한 꺼려짐보다 더 컸기 때문이다.^^;;


PCM2902는 SMD 칩이라 만능기판에 바로 부착하기 어려워 SME 교역의 특수 코팅 배선용 점프 와이어를 이용해 변환기판을 직접 만들었다. 칩의 핀 간격이 워낙 좁아서 변환기판 만들다가 몇 개의 칩이 희생되었다.

최대한 점퍼를 줄이고자 했으나 3개의 점퍼는 어쩔 수 없었다.(이상하게 배선도 그리면서 점퍼를 줄이는 배치를 구상하는데 열중하게 된다.^^;;)

여유 있을 때마다 조금씩 그리고 느긋하게 만들었기 때문에 실체 배선도 그리는 기간을 포함하여 케이스 완성까지 한 달여거 걸렸다.


감상


기대에 부푼 마음으로 테스트하는데 가장 먼저 느낀 것은 "출력이 너무 약하다!"였다. USB DAC에 바로 이어폰이나 헤드폰을 연결하면 소리가 찢어지고 갈라지는 것이... 도저히 들을 수가 없었다. USB 버스 파워(5V)를 3.3V로 정전압화해서 작동시켰기 때문에 출력에 많은 기대를 한 것은 아니었지만 망연자실해지는 순간이었다. 당황한 마음을 추스리고 아무 앰프나 연결해서 사용해보니까 그제서야 제대로 된 소리가 나왔다.

음질은 옵토플레이를 비교 대상으로 놓았을 때 그만큼 선명하진 않았지만 나름대로 깔끔하면서도 날카로운 느낌이 없어서 듣기에는 더 편하고 좋은 것 같았다.

그 외에 옵토보다 더 안정적으로 동작한는 것이 기특했다. 옵토의 경우 USB 컨트롤러를 가리기도 하고 굉음이 나는 문제가 있었는데, 이 USB 코덱은 2년이 넘는 기간동안 별 탈 없이 작동되고 있다.

약간 기대를 했던 아날로그 입력(ADC)은 녹음하면서 모니터링이 되지않아 괜히 만들었다 싶을 정도로 불편했다.

처음에는 완성하고 나니까 뿌듯하긴 한데, 다른 한편으로는 기대치가 충족되지 않아 괜한 고생을 한 것 같다는 생각이 들었다. 그래도 만드는 재미가 있었으니 그것에 의미를 둔다. 만약 다음에 또 USB DAC을 만들 기회가 있다면 그때는 출력을 보강하기 위해 꼭 헤드폰 앰프나 LPF를 추가하기로 다짐하며 안타까움을 달랬다.


휴대용으로 계획했지만 출력이 약해서 당초의 의도와는 달리 그냥 거치형(?) 메인 사운드카드로 쓰고 있다. 프리와 파워앰프와 연결해서 쓰면 출력이 약한 점을 신경쓸 필요가 없기 때문이다. 케이스가 실비아라는 점이 좀 아쉬운데, 이렇게 거치형으로 쓸 것이었다면 처음부터 다른 케이스를 사용했더라면 어땠을까 하는 생각이 든다.