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.

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

입력 필터는 Meier의 코다의 입력 필터와 같고, 증폭을 위해 OP앰프를 이용하며, TPA6120A2는 버퍼로 사용한다.

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)

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.

평이 좋지만 고가인 OP앰프이다. SMD 부품이라 변환기판을 사용해야지 DIP용 소켓에 장착할 수 있다. 단 2개뿐인 귀한 OP앰프라 기존에 쓰던 PPA 헤드폰 앰프에서 쓰던 것을 끄집어 냈다.

정전압 레귤레이터는 LT1085/1033 대신 LM317/337을 쓰기로 했다. LT1085/1033이 더 정교한 전압을 내보내지만, LM317/337이 구하기 쉽고 저렴하며 다른 무엇보다 SKEL6120의 전류 소모량이 많지 않기 때문이다.

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.
정류부 변경의 번거로움 때문에 작업을 미루던 중 하스의 황용근님이 진행한 SKEL6120용 부품 공구에 참여하게 되어 15V 단파 2개로 이뤄진 암베코 탈레마 트랜스(Model No. 70063)를 입수했다. 크기가 작아서 별로 무겁지 않아 보이는데 몰딩에 쓰인 수지 때문인지 직접 들어보면 보기보다 상당히 무겁다. 가격만 괜히 비싸고 성능 면에서 잘 감은 국산트랜스와 차이가 없다는 냉정한 평가도 있지만, 파란 벽돌처럼 각 잡힌 외관과 몰딩으로 말미암은 무거움이 주는 느낌 때문에 기분상 신뢰가 된다. 아마도 이런 이유 때문에 사람들이 그렇게 암베코 탈레마 트랜스를 선호하는 게 아닐까? ^^;;

케이스는 하스의 김상록님이 SKEL6120 케이스 2차 공제 때 특별히 제작해준 것이다. 2차 공제 케이스는 1차 케이스와는 볼륨 노브용 홀 가공과 USB DAC인 COSDAC V2를 넣을 수 있게 설계된 점이 다르다. 그리고 내 SKEL6120용 케이스는 전면에 스위치와 볼륨을 부착하게 특별 가공이 된 점이 다르다. 케이스의 완성도가 상당히 높아 큰 감명을 받았다.


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
케이스에 SKEL6120외에 USB DAC COSDAC V2가 같이 들어가고, 볼륨을 케이스 고정하며, 입력선택과 출력선택용 토글 스위치가 추가된 구성이라 케이스의 깊이가 꽤 늘어났다.

신호 경로를 줄이기 위해서 SKEL6120 PCB를 86도가량 돌려 배치했다. PCB 고정용 홀의 수정이 필요했지만 PCB 고정용 홀의 대각선 간격은 같아서 고정용 홀은 기존의 2개를 그대로 활용하고 2개만 추가로 만들면 됐다.

붉은색 LED를 사용한 정면은 블랙+레드의 포스(?)가 느껴진다. 뒷면에는 필요한 RCA 입력 단자와 SPDIF 아웃 단자를 직접 구멍을 뚫어 추가했다. 신호 경로를 짧게 하고자 INPUT이라 적혀 있는 부분의 RCA 단자는 표기와는 달리 출력단자로 사용한다. '입/출력 RCA 단자를 몰아서 배치했다면…'이란 생각에 아쉬움이 들지만 케이스 제작 시 의사전달이 제대로 이뤄지지 못한 탓이므로 아쉬운 데로 만족한다.

입/출력 선택 스위치
스위치는 2회로 롱토글 스위치다. 손잡이가 길고 조작감이 마음에 들어 비싸지만 애용한다.

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.
리드가 굵은 저항은 소켓에 들어가지 않지만 1/4W 국산 금속피막 저항은 잘 맞는다.

OP앰프용 디커플링 캐패시터
사용한 OP앰프가 SMD 타입이라 변환기판을 쓰기 때문에 경로가 길어져 OP앰프의 작동에 악영향을 주는 것을 줄이기 위해 디커플링용 캐패시터를 소켓 가까이에 추가했다. 의도를 극대화하려면 소켓이 아닌 변환기판에 추가해야 하겠지만, 변환기판의 경우 그라운드 포인트의 확보가 쉽지 않아 소켓에 부착하는 것으로 만족하기로 했다.

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.

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.

레이아웃에 대한 주의사항

2. TPA6120A2 전원공급용 디커플링 캐패시터는 필수이며, 소용량의 캐패시터를 최대한 파워핀 가까이 붙이고, 모든 캐패시터는 Low ESR 타입을 사용하라.

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.

(출처: TI의 TPA6120A2 Evaluation Module User Guides)

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.

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.

TPA6120A2 디커플링용 캐패시터 10uF과 100uF은 Low ESR 캐패시터로 유명한 산요 오스콘을 썼다.

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.
전과 마찬가지로 저항과 캐패시터를 최대한 TPA6120A2 칩의 핀 가까이 붙이고, 리드는 테프론 피복을 입혀 절연시켰다. 납땜 시 칩에 오래 인두질 하지 않게 최대한 빨리 납땜하고 중간 중간 열을 식히며 작업했다. 이번에는 디커플링용 캐패시터를 리드가 좀 길어지는 점을 참작하고 좀 더 땜하기 편한 것으로 바꿨다.

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
일전에 COSDAC V2를 평하면서 PC 전원의 잡음에 좀 민감한 것이 아쉽다고 한 적이 있다. COSDAC V2의 디지털부와 아나로그부의 그라운드가 격리되지 않았기 때문인데, 이 점을 보완하고자 외부전원을 사용했다.

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
PCB 서포터가 풀리는 경우를 막으려고 추가로 너트를 이용해 고정해주었다.

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
언제나 그렇듯이 마무리는 플럭스 찌꺼기의 제거이다. SKEL610의 PCB는 납땜이 잘 먹는 PCB였기 때문에 플럭스를 거의 사용하지 않았지만 땜납에 기본적으로 포함된 플럭스가 있다.

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"

작년 11월 말에 COSDAC V2를 완성했는데 이제야 포스팅한다.

COSDAC V2와의 만남

COSDAC V2는 PCM2704칩을 사용한 USB 사운드카드-엄밀히 이야기하면 USB Audio DAC(이하 USB DAC)이다. 'COSDAC V2'라는 이름은 정호윤님 PCB를 설계하면서 붙인 것이다. PCB 공제 + 부품 공구 때 워낙 인기가 높아서 순식간에 2차 공구까지 종료되었던 터라 나는 공제에 참여하지 못했다. 하지만 다행히도 정호윤님이 선물로 이 공제가 마무리 된 후 남은 PCB를 하스의 회원분들에게 정말 저렴한 가격에 나눠주시고 엄수호님이 맡아서 공구를 진행해주신 덕분에 COSDAC V2를 접할 수 있는 기회를 얻게 되었다.


COSDAC V2의 특징

스펙 보기..

전에 만들었던 PCM2902와 이번 COSDAC V2의 PCM2704의 근본적인 차이는 CODEC인가 DAC인가의 차이다. PCM2902는 CODEC으로 ADC와 DAC가 모두 포함되어 있지만 PCM2704는 ADC 없이 DAC만 있다. 물론 그대신 PCM2704는 스펙(음질?)이 좀 더 좋고, Low Pass Filter(이하 LPF)가 내장되어 있다.

COSDAC V2의 회로는 위의 회로를 기본으로 하고, 디지털(S/PDIF) 신호 출력 부분에 보다 정교한 신호를 출력하기 위해 74HCU04를 사용한 출력회로가 추가되어 있다.

위 회로의 출력단을 보면 현재 TI 홈페이지에 등록된 데이터시트의 기본회로와 다름을 알 수 있는데, 이는 정호윤님이 참고한 데이터시트가 2003년 6월 버전이기 때문이다. 아마도 필요에 의해 바뀌었으리라 추정되는 데이터시트의 변경이 신경쓰이긴 했지만 현재 PCB로는 바뀐 설정을 그대로 적용하기가 번거로워 기존 데이터시트 설명에 따라 만들었다.


만들기

엄수호님의 도움으로 74HCU04가 PCB와 함게 제공되어서 특별히 구하기 어려운 부품은 없었다. 가지고 있지 않은 일부 저항과 코일, 캐패시터는 전자부품 온라인샵으로 유명한 IC114에서 모두 구할 수 있었다.

가급적이면 가지고 있는 부품을 쓰느라 PCB에 맞지 않는 것을 넣느라 좀 빡빡해 보인다.

납땜하는데 좀 애먹었던 PCM2704이다.
예전에 같은 크기의 칩인 PCM2902를 몇 번 만져봤지만 촘촘한 핀 간격은 매번 적응이 되지 않는다.

칼팁-하코 인두 호환 국산 칼팁을 썼는데 가격에 비해 쓸만하다. PCM2704는 핀 간격이 좁아서 뭉친 부분이 좀 있오 솔더윅으로 해결했는데, 74HCU04는 플럭스 살짝 바르고 쓱~훑고 지나가니까 쉽게 잘 되었다.

플럭스로 인한 오작동 사례를 여러 번 봤기 때문에 무세척 플럭스를 사용했고, 만약을 대비해 플럭스 제거도 추가로 해주었다. 덕분에 한 번에 작동에 성공한 것 같다.^^

커플링 캐패시터는 오스콘 SG이다. 커플링에 따라 소리의 색이 다르는 보고를 많이 접해서 내가 쓸 수 있는 범위 안에서 가장 좋은 캐패시터을 썼다.

납땜은 냉땜 방지를 위해서 2번 했다. 전에 PPA 만들면서 냉땜에 고생한 적이 있어서... 부품 고정을 위해 1번, 리드 잘라내고 또 1번 하는데 덕분에 모양도 좀 둥글게 나오는 것 같다.

SMD 부품을 제외한 나머지 부분에는 플럭스를 쓰지 않았지만, 땜납에 기본적으로 포함된 플럭스가 PCB 뒷면에 남아 있는 것이 지저분해 보여서 플럭스를 제거했다. 기분도 덩달아 깔끔해지는 것 같다.^^;


감상

PCM2902와는 달리 PCM2704는 칩 내부에 LPF가 내장되어 있어서 이어폰을 직결했을 때도 어느 정도 음량 확보가 되어 들어줄만하다. 물론 소리도 좋다.

하지만 PC 전원의 잡음에 좀 민감한 것이 아쉽다. AMD Sempron CPU 사용하고 있는데 CPU의 절전 기능을 활성화시키면 노이즈가 낀다. 절전기능을 활성화시킨 상태에서 전에 만들었던 USB CODEC(PCM2902)은 앰프의 볼륨을 최대로 했을 때 그 노이즈가 느껴졌는데, COSDAC V2(PCM2704)는 50~60% 정도의 불륨에서 느껴졌다. 절전기능을 비활성화 상태에서는 COSDAC V2도 앰프의 최대 볼륨 근처에서 그 노이즈가 느껴진다. 스펙은 PCM2902보다 PCM2704가 더 좋기 때문에 단순히 둘의 스펙 차이 때문은 아닌 것 같다. 두 USB DAC의 회로상의 차이를 봤을 때 COSDAC에서는 디지털부와 아나로그부의 접지가 격리되지 않았고 PCM2902 USB 코덱은 두 접지가 격리되어 있었는데 그 때문에 이런 현상을 보이는 것이라 생각한다.

보다 깔끔한 소리를 위해서는 아무래도 외부전원을 사용해야 할 것 같다.

케이스는?

케이스는 따로 만들지 않았는데 김상록님이 특별제작해주신 SKEL6120 케이스에 넣을 계획이다. 하스에서 김상록님이 COSDAC V2용으로 멋진 케이스를 공제하시는 바람에 몇 번이나 신청할까 고민을 했지만 SKEL6120 케이스 때문에 버티기로 했다.^^;;

외부전원으로 작동되는 COSDAC V2에 SKEL6120 헤드폰 앰프를 연결하려 음악들을 날을 기대해 본다.

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.