휴대기기의 고화질, 고음질 구현을 위한 인터페이스 기술과 코덱, 오디오 앰프 기술들이 속속 등장하면서, 모바일 기기들도 'HD 시대'에 바짝 다가설 수 있게 되었다. 특히 모바일 기기용 오디오 앰프의 진화는 휴대폰 등의 고음질과 저전력 성능을 뒷받침하고 있다.
글_최정선 기자(sean@nekorea.co.kr)
자연이 보여주고 들려주는 그대로의 화질과 음질을 구현해 내는 것은 모든 멀티미디어 기기들이 추구하는 궁극적인 목표이다. 하지만 휴대형 멀티미디어 기기들은 작은 크기에 의한 이동성을 강조하다 보니 고화질, 고음질 구현에서 서너 발자국 뒤에 서 있을 수 밖에 없었다.
이제는 모바일 기기들도 '작은 크기이니까, 휴대성이 좋으니까'라는 이유로 적당한 화질과 음질만을 제공해서는 경쟁력을 확보하기가 어려워지고 있다. 휴대기기의 고화질, 고음질을 위한 인터페이스 기술과 코덱, 앰프 기술들이 속속 등장하면서, 모바일 기기들을 'HD 시대'의 흐름 속에 밀어넣고 있기 때문이다.
고성능=전력소모
모바일 기기를 '고음질'의 압박 속에 밀어넣는 부품은 바로 오디오 앰프이다. 음질을 좌우하는 오디오 앰프야말로 고음질 구현에 가장 필요한 부품인데, 최근에는 비교적 뛰어난 음질을 유지하면서 저전력 성능까지 제공하는 제품들이 등장하기 시작했다.
오디오 앰프의 경우 전력 소모가 클 뿐만 아니라, 전력 효율 또한 매우 낮다. 일례로 오디오 신호의 선형성이 뛰어나고 낮은 왜곡 특성을 가지고 있어 하이엔드 오디오 시스템에 주로 사용되는 클래스 A 앰프의 경우, 전력효율은 최대 30%를 넘지 못한다. 특히 낮은 효율은 열 발생으로 이어지기 때문에 히트 싱크와 같은 추가 부품까지 필요하다.
이 정도의 전력효율로는 모바일 기기에 적용하는 것이 불가능하다. 이와 비교해서 클래스 B 앰프의 경우, 효율은 75% 수준이지만 오디오 신호의 비선형성과 심각한 신호 왜곡 등이 있기 때문에 오디오 시스템에 사용되기 어렵다.
클래스 A와 B의 장점, 즉 신호 선형성과 낮은 왜곡, 우수한 전력소모 특성만을 묶은 것이 클래스 AB 앰프이다. 그 결과 클래스 AB 앰프는 65% 이상의 전력 효율에 우수한 오디오 신호 처리 성능을 가지게 되었다. 현재 대부분의 헤드셋과 오디오 앰프 시스템에서는 클래스 AB 앰프가 사용되고 있다.
모바일은 클래스 D
하지만 전력효율이 80%에도 미치지 못하는 클래스 AB 앰프 역시 모바일 기기에 적용되기에는 전력 소모가 너무 크다. 그 결과 등장한 것이 클래스 D 앰프. 클래스 D 앰프는 아날로그 입력을 증폭하여 역시 아날로그 출력을 제공하는 클래스 A, B, AB 앰프와 달리 디지털 출력을 제공한다.
클래스 A, B, AB 앰프의 경우 트랜지스터에 의해 신호 증폭이 이루어지지만, 클래스 D 앰프는 신호 증폭 소자로 FET가 사용된다. FET는 트랜지스터에 비해서 상대적으로 작동 효율이 좋기 때문에 클래스 D 앰프는 85% 이상의 전력 효율을 제공한다. 따라서 현재 대부분의 모바일 기기의 오디오 시스템에서는 클래스 D 앰프를 적용한다. 최근 반도체 업체들이 제공하는 클래스 D 오디오 앰프 중에는 전력 효율이 95%에 육박하는 제품도 있다.
내셔널세미컨덕터의 아시아태평양 마케팅 담당 헨리 궉(Henry Kwok) 매니저는 "현재 대부분의 업체들이 공급하고 있는 클래스 D 앰프는 클래스 AB 앰프와 비교하여 동일한 수준의 음질을 제공하고 있다"면서, "따라서 같은  음질을 얻는다면 전력 소모 측면에서 유리한 클래스 D 앰프를 모바일 기기에 사용하는 것이 전력 특성 상 효과적"이라고 설명했다.
다만 클래스 D 앰프의 경우 PWM 변환에 고주파 신호가 필요하기 때문에 EMI 문제가 발생하게 된다. 헨리 매니저는 "가격 조건이나 신호 왜곡, 노이즈 문제 등에 관해서는 클래스 AB 앰프가 클래스 D 앰프에 비해 아직은 이점이 있는 것도 사실"이라고 조언했다.
클래스 D 앰프의 EMI, 즉 노이즈 신호를 줄이기 위한 해법으로 대부분의 아날로그 업체들이 SS(Spread Spectrum) 기술을 제공하고 있다.
SS 기술은 PWM 변환을 위해 오실레이터에서 발생되는 일정한 고주파 대역을 넓게 분산시켜서, 노이즈를 야기하는 에너지 장을 퍼트리는 기술이다. 무선통신 기술에서 유사한 대역의 주파수 간 상호 혼선이나 방해를 피하기 위해 사용되는 주파수 호핑(Hopping) 기술과 유사하다고 볼 수 있다. 헨리 매니저는 "내셔널세미컨덕터는 SS 기술 외에도 E2S(Enhanced Emission Suppression) 기술을 통해 EMI와 출력 상의 고주파 하모닉 문제를 해결하고 있다"고 설명했다.
맥심인터그레이티드프로덕트 역시 SS 기술과 AEL(Active Emission Limiting) 기술을 통해 EMI 등의 노이즈 신호에 대응하고 있다. 맥심 코리아의 문병욱 차장은 "최근의 오디오 앰프 제품들은 차지 펌프를 내장하여 '캡리스(Capless)' 또는 '캡프리(Cap-free)' 설계를 지원하는 것이 대세"라면서, "또한 클래스 D와 클래스 AB 앰프를 통합하여 하나의 패키지로 공급하기도 한다"고 설명했다.
캡리스와 캡프리 등의 용어는 업체들이 서로 상이한 표현을 쓰고 있지만, 오디오 시스템 설계 시에 앰프와 함께 사용되는 커패시터를 앰프 내부에 통합했다는 의미이다. 클래스 AB/D를 통합한 캡프리 앰프의 경우 휴대폰 설계에서 많이 사용되고 있다. 이는 휴대폰의 스피커폰 출력과 헤드폰 출력을 하나의 칩으로 해결할 수 있으며, 다른 외부 부품을 줄여 소형화에 유리하기 때문이다.
음질은 그대로, 저전력 구현
최근에는 클래스 AB의 음질을 그대로 유지하면서, 전력 소모를 한층 더 낮출 수 있는 앰프도 등장했다. 클래스 D 앰프의 음질이 향상되었다고는 하지만 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 것과 아날로그 신호를 증폭만 하는 것에는 분명 차이가 존재한다. 따라서 클래스 AB의 음질을 유지하면서, 클래스 D 앰프와 비슷한 전력 효율을 얻기 위한 앰프가 등장한 것인데, 클래스 G 앰프가 바로 그것이다.
클래스 G 앰프는 여타 오디오 앰프들과 달리 입력되는 오디오 신호의 크기에 따라 앰프에 걸리는 바이어스 전압이 변화한다. 오디오 신호가 작을 때는 작은 전압, 오디오 신호가 클 때는 큰 전압이 걸리는 것이다(그림1). 이는 결국 오디오 신호에 따라서 전력 소모를 조절할 수 있다는 뜻이다. 클래스 H 앰프의 경우 오디오 신호에 따라 전압도 선형적으로 변경할 수 있어서 저전력 구현에 한층 적합하지만, 아직까지 시장에 출시된 클래스 H 급 앰프 제품은 없는 상황이다.
TI는 최근 헤드셋 애플리케이션을 겨냥한 클래스 G 오디오 앰프 'TPA6140A2'를 출시했다. TI 코리아의 문종수 이사는 "이 제품은 기존 클래스 AB 앰프 대비 동급 음질에 전력 소모를 최소 30% 이상 줄여준다"면서, "캡프리 설계를 지원하는 이 제품은 다이렉트패스 기술을 통해 DC 블로킹을 위한 커패시터 등 외부 부품을 없애주고, 저주파 오디오 음질을 보장한다"고 설명했다.
내셔널세미컨덕터도 지난 달에 클래스 G 앰프인 'LM48824'를 출시한 바 있다. 이외에 울프슨 역시 'WM8900' 클래스 G 제품군을 공급하고 있으며, 클래스 G의 가변 전압 구현을 위해 필요한 듀얼 입력 전압을 싱글 입력 전압으로 변형시킨 클래스 W 제품군도 선보였다.
앰프와 코덱, 하나로 통합
오디오 앰프 분야의 또 다른 기술 동향으로는 '기능통합'을 들 수 있다. 모바일 기기 시장의 최대 부품 사용처인 휴대폰 시장에서는 꾸준하게 통합 제품을 원하고 있기 때문이다. 따라서 고음질과 저전력 성능을 제공하는 앰프와 함께, 오디오 코덱 부품을 통합하는 것이 최근 앰프의 트랜드이다.
울프슨마이크로일렉트로닉스 코리아의 정병옥 차장은 "기존에는 오디오 시스템을 설계하는데 있어 저전력 오디오 코덱과 앰프, 커패시터 등을 모두 별개로 사용했다"면서, "하지만 최근 들어 오디오 코덱과 앰프를 통합하고 기타 외부 부품도 하나의 패키지에 실장한 제품들이 중고가 이상 휴대폰에 적용되고 있다"고 설명했다.
특히 이 같은 코덱+앰프 통합제품은 스마트폰을 비롯하여 고성능 휴대폰에서 주로 사용되고 있다. 최근 휴대폰용 베이스밴드 프로세서의 기능 통합수위가 높아지면서, 오디오 코덱 역시 포함되는 경우가 많아졌다. 하지만 저가형 휴대폰을 제외하면 대부분의 중고가 이상의 휴대폰들이 통합형 앰프 제품군을 사용하고 있는 상황이다. |
