디지털 앰프는 일반 아날로그 앰프에 비하여 일반적인 디지털 시스템이 갖는 장점인 ‘노이즈에 강하다’, ‘IC로의 집적화가 용이하다’ 등의 장점 외에도 앰프로서 다음과 같은 몇 가지 추가적인 장점이 있습니다.

1) 작고 가벼운 앰프 구현이 가능하다.
디지털 앰프는 소자의 선형성에 영향을 받지 않으므로 바이어스 등이 불필요하고, 트랜지스터가 항상 차단(cut-off) 또는 포화(saturation)영역에서만 동작하기 때문에 소자에서의 전력 손실이 거의 없습니다. 따라서 앰프의 높은 효율과 적은 발열량으로 기존 아날로그 앰프에서 사용하던 크고 무거운 방열판이 필요 없고, 아날로그 앰프 대비 동일한 출력에서 더 작은 전원장치를 사용하게 됩니다. 따라서 디지털 앰프는 아날로그 앰프에 비하여 작고 가벼운 파워앰프를 만드는데 절대적으로 유리한 장점이 있습니다.

2) 디지털 입력을 직접 받는다.
CD, DVD 등 모든 매체가 급속히 디지털화 되어가고 있는 시점에 디지털 입력을 직접 받을수 있는 디지털앰프는 많은 이점을 갖게 됩니다. D/A 변환기 없이 디지털 데이터를 직접 받을 수 있어 원가 절감과 D/A 변환 시 발생하게 되는 음질열화를 근원적으로 없앨 수 있기 때문입니다.

3) 다양한 전처리가 가능하다.
디지털앰프 프로세서는 디지털 연산 칩이기 때문에 각종 전처리 알고리듬을 보다 손쉽게 이식할 수 있습니다. 따라서 기존 아날로그방식에서 별도 DSP 칩으로 구현해야 했던 일들이 디지털 앰프에서는 한 개의 칩으로 일괄처리가 가능해 졌습니다.

반면 아직까지 몇 가지 단점도 지적되고 있습니다.
과거 디지털 앰프의 고출력 스위칭으로 EMI 등의 문제소지가 있었지만 나날이 발전하고 있는 개선된 기술과 방법으로 설계된 디지털 앰프에서는 EMI에 대한 하등의 문제가 발생하지 않고 있습니다. 즉, PCB layout과 설계만 잘 해 준다면 충분히 극복할 수 있는 문제입니다.
또한 저출력 파워앰프의 경우, 동급 아날로그 앰프에 비해 다소 가격이 높다는 것도 단점으로 지적되고 있습니다. 현재 저출력(채널당 30W 미만)의 경우, 디지털 앰프의 원가가 다소 높은 것은 사실이나 신규 기술인 디지털 앰프의 기술향상과 제품의 다양화로 급격한 원가 감소가 이루어지고 있는 실정입니다. 반면 아날로그 앰프는 이미 포화된 기술로 추가적인 원가감소 방법을 찾기는 어려운 실정이며, 가까운 시일 내에 디지털 앰프가 가격 경쟁력에서도 보다 우세하게 될 것입니다.

2. 디지털앰프의 종류는?

1990년대까지는 디지털 앰프라고 하면 DSP가 탑재된 아날로그 앰프를 지칭하는 경우가 대부분이었습니다. 하지만 2000년 이후, 디지털 앰프가 업계에 보급되면서 디지털앰프란 용어의 의미를 재정립하게 됩니다. 초기에는 다소 용어의 혼란을 겪은 것이 사실이나, 지금은 거의 모든 사람이 디지털 앰프를 PWM 펄스 방식으로 증폭하는 고성능/고효율 앰프라는 의미로 이해하고 있습니다.

물론 아직까지도 디지털 앰프의 정의를 업체와 사람마다 조금씩 다르게 사용하는 경향이 있습니다만, 대략 다음과 같은 세가지 종류이거나 이 세가지를 모두 아우르는 뜻으로 사용되고 있다고 보면 되겠습니다.

그 첫째로 저희 네오피델리티㈜에서 개발, 공급하고 있는 완전 디지털 앰프 방식입니다. 완전 디지털앰프는 디지털 형식의 오디오 데이터를 직접 받아 디지털 신호처리에 의해 디지털 앰프 프로세싱을 거치게 되며, 최종적으로 PWM 디지털 출력을 생성하는 방식입니다. 모든 신호처리 영역이 디지털 프로세싱이며 가장 진보된 디지털앰프 방식이라고 할 수 있습니다.

둘째로 아날로그 입력을 받아 아날로그 방식으로 PWM 디지털 신호를 형성하는 방식의 디지털 앰프가 있습니다. ‘D-class’라고도 불리는 이 방식은 PWM 출력을 만든다는 것 외에는 첫 번째 경우와 별다른 공통점이 없습니다. D-class는 전체적으로 아날로그 회로를 사용하기 때문에 아날로그 방식이 갖는 한계점을 그대로 가지고 있어 정확한 의미의 디지털 앰프라고 보기에는 어렵습니다.

마지막으로 디지털 앰프를 구성하는 부분품으로 디지털 앰프 프로세서에서 출력된 낮은 레벨의 PWM 신호를 고출력 PWM 신호로 바꾸어 주는 파워스위칭 회로를 지칭하는 경우가 있습니다. 파워스위칭 회로는 디스크리트(discrete) 회로로 구성되기도 하고, IC화 되어 제품으로 상용화된 경우도 있습니다. 이 때 이 회로 또는 이 칩을 디지털 앰프라고 부르는 경우도 종종 있습니다.

이때 디지털 PCM 신호를 PWM 신호로 변환하는 이유는 PCM 신호가 그림 (a)와 같이 일정한 시간 간격으로 샘플링 되어있어 각각의 샘플크기에 원 신호에 대한 정보가 들어 있는 반면, PWM 신호는 그림 (b)와 같이 신호의 크기, 즉 높낮이를 항상 일정하게 하고 원신호에 대한 정보를 샘플 폭에 담는 원리 때문입니다. PWM 신호는 높낮이, 크기가 일정하기 때문에 0/1 또는 ON/OFF라는 두 개의 상태로 정의할 수 있으며 그림 (c)와 같이 FET 스위칭을 이용해 보다 손쉽게 증폭, 대출력을 구현할 수 있습니다.

4. 디지털앰프의 핵심기술이라는 오버 샘플링(over sampling)과 노이즈 쉐이핑(noise shaping)이란 무엇인가?

일반적인 CD의 예를 들어 보면, 16bit, 44.1kHz 의 샘플링 신호로 만들어집니다. 이것을 PWM 신호로 그대로 바꾸게 되면 *44100 즉, 3GHz이라는 내부 연산 클럭이 필요하게 되며, Double sided PWM의 경우, 두 배인 6GHz나 되는 상당히 높은 고주파 클럭이 필요하게 됩니다. 예로 현재 최신 CPU 클럭 속도가 3GHz정도인데 비해 6GHz의 상당히 빠른 클럭을 디지털 시그널 프로세서로 구현하기엔 무리가 있었습니다. 그에 대한 대안으로 bit 수를 줄여 클럭 속도를 낮추는 방법도 있었지만 음질이 저하되는 단점으로 음질손상 없이 클럭 속도를 낮추는 기술이 개발되었습니다. 오버샘플링(over-sampling)과 노이즈쉐이핑(noise-shaping)이 그것이며, 양질의 디지털 앰프 프로세서를 구현하기 위해서 선행되어야 할 과정입니다.

간단히 설명하면, 오버샘플링으로 샘플링 주파수를 키우고 노이즈쉐이핑으로 가청주파수 대역의 노이즈를 귀에 들리지 않는 고주파 대역으로 옮기는 방법입니다. 일반적으로 오버샘플링 비율을 높일수록 가청주파수 대역의 노이즈를 더 많이 옮길 수 있어 음질 보상을 계속할 수 있을 거라 생각하지만 기술상의 한계로 무한정 높일 수는 없기 때문에 적당한 타협이 필요합니다.

1) Natural Sampling (NPWM)
내츄럴 샘플링(NPWM) 방식은 입력 신호와 톱니파 혹은 삼각파가 만나는 점에서 샘플링을 하는 방법입니다. 이때 샘플링하는 시점 사이의 정확한 보간법(interpolation)이 필요하기 때문에 디지털 방식의 하드웨어로 구성하기엔 무리가 있어 아날로그 방식의 PWM을 제작할 때 주로 사용하고 있습니다.

2) Uniform Sampling (UPWM)
유니폼 샘플링은 입력신호와 톱니파 혹은 삼각파의 edge 가 만나는 부분에서 Sampled and hold 방식을 거쳐 만들어집니다. 디지털 회로를 이용한 PWM 신호생성 방법 중 가장 간단한 방식으로 하드웨어 구현이 매우 쉬운 장점이 있습니다.

3) Linearized Sampling (LPWM)
유니폼 샘플링보다 성능이 좋고, 내츄럴 샘플링의 특징인 하드웨어 구현에서 파형을 근사시킨 방법을 사용, 보다 쉽게 디지털화가 가능하도록 한 방법입니다. 보통 디지털 회로를 구성하기 위해 UPWM을 사용하고 있지만 NPWM의 왜곡률이 더 작다는 특성 때문에 UPWM을 사용하면서 처리 과정은 NPWM을 모방한 선형화 과정을 사용하기도 합니다.

Real 13*sin(pi/3) 13*sin(pi/3)*10e-8
11.25833024919770 1.1258330249198e-7
Fixed Pt 0x5A110F73 0x0000000F
11.25833024829626 1.1175870895385e-7
Proportional Error in dB S/N = 202 dB S/N = 42 dB
Floating Pt 0x11D0887C 0xA7C7154D
11.25833034515381 1.1258330268049e-7
Proportional Error in dB S/N = 162 dB S/N = 175 dB

Integer operation으로 필터를 구현할 경우
1) 필터 coefficient의 quantization step size(coefficient bit size)
2) 필터 내부에 존재하는 state의 quantization step size(state bit size),
3) Accumulator의 quantization step size(accumulator bit size)
로 그 구현의 성능을 설명할 수 있습니다.

대개의 경우 필터의 컷 오프 주파수(cut-off frequency)가 200Hz(48kHz sampling frequency기준)이상, Q-factor 값이 1보다 크지 않은 경우에는 보통 수준의 Integer operation에서도 큰 문제가 없습니다. 하지만 그 이하의 Integer operation에서는 연산오차 누적으로 인해 많은 문제가 발생합니다. 그 외 Narrow transition band 즉 필터의 차수가 높거나, 필터의 폴(pole)이 unit circle에 가까이 붙어 있는 경우에도 Integer operation의 단점은 급속히 두드러지게 됩니다. 이때 발생하는 문제점은 대략 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

1) Zero-input-limit-cycle 현상
Zero-input-limit-cycle은 입력을 주다가 끊을 경우나 계속 0으로 입력을 주었을 때 필터 출력이 0이 되지 않고 일정주기의 노이즈로 나타나는 현상입니다. 이 노이즈로 인해 filter stop band attenuation이 설계 스펙 만큼 달성되지 않고, 필터를 통과하고 난 후에도 필터링 노이즈가 추가되는 현상이 있습니다. 이를 방지하기 위해 state bit사이즈를 상당히 키우는 방법도 있습니다.

2) Unstablization 현상
필터의 unstablization 현상은 처음 Floating point number로서 설계될 때 필터의 폴(pole)이 unit circle 안쪽에 있어 안정된 필터였으나 coefficient값이 양자화 과정에서 값이 변경되면서 unit circle 밖으로 폴이 위치해 불안정해지는 현상입니다.
이런 현상은 주로 coefficient bit사이즈가 작을 때 발생하며, coefficient가 State bit사이즈에 의해 안정된 필터 값에 적당한 값을 지정했음에도 불구하고 실제 계산할 때는 의도한 coefficient로 사용되지 않아 필터가 불안정해지게 됩니다.
이런 필터의 unstabilization 현상은 방지가 거의 불가능하며, 개선을 위해서는 state bit 사이즈를 키워가면서 필터의 특성을 살펴야 합니다. 또한 드물기는 하나 필터의 특성에 따라 입력 값으로 불안정해지는 경향이 나타나기도 합니다.

3) 톤 컨트롤이나 그래픽EQ(band EQ)에서의 문제점
일반 필터와는 좀 다른 시스템구조 특성을 갖는 톤 컨트롤이나 밴드EQ의 경우 앞서 언급된 zero-input-limit-cycle영향으로 신호 크기에 따라 톤 컨트롤에서 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 DC바이어스로 신호 왜곡이 발생하기도 하는데, 심할 경우 스피커에 손상을 주는 원인이 되기도 합니다.
또한 너무 낮은 Turn-over frequency나 좁은 밴드 폭으로 설계할 경우 unstabiization현상이 발생하기도 하지만 이 경우, 설계 단계에서 수정 및 조정이 가능하므로 bit사이즈를 늘려 변경하는 방법을 주로 사용하고 있습니다.

파워스테이지는 회로 방식에 따라 ‘하프 브리지 방식’과 ‘풀 브리지 방식’이 있으며, 하프브리지는 두 개의 FET를 위아래로 겹쳐 놓은 방법으로 상위 FET와 하위 FET가 연결된 지점에서 저역 통과필터(LPF)를 거쳐 스피커로 연결됩니다. 그 외 풀 브리지는 두 하프 브리지 출력단자 사이에 부하를 연결한 회로구현방식입니다.
파워MOSFET는 인핸스먼트 형을 사용하며 소스 기준으로 P채널의 경우 ?전압을, N채널의 경우 +전압을 인가하면 드레인과 소스 사이에 전류가 흐르게 됩니다. 이 때 파워MOSFET를 제대로 스위칭하기 위해서는 게이트 드라이버를 사용해 PWM신호의 전압(3~5V)을 MOSFET on/off에 필요한 전압으로 증폭하고 저 임피던스로 게이트를 구동해야 합니다. 한편 MOSFET의 종류에 따라 P채널 형, N채널 형 각 한 개를 사용해 출력 단을 구성할 수 있으며(이후 PN종단) N채널 형 FET 두 개를 사용해서 구성할 수도 있습니다. (이후 NN종단)

앞에서 잠깐 언급한 바와 같이 MOSFET를 on/off하기 위해서는 소스 기준으로 게이트에 전압을 인가해야 하는데 NN 종단의 경우 상위 FET의 소스 전위가 스위칭 동작과 함께 전원 사이를 상하로 움직이기 때문에 소스전위 기준으로 일정 전압을 인가해야 하는 문제가 발생합니다. 이런 플로팅 전원을 실현하는 방법으로 포토커플러(photo coupler)를 사용하는 방법과 부트스트랩(bootstrap) 회로를 사용하는 방법이 있으며, 전자의 경우 회로가 복잡하고 속도가 느리며 가격적으로 불리한 면이 있어 최근에는 후자를 이용한 게이트 드라이버 전용 IC를 사용하고 있는 추세입니다. PN종단의 경우, 캐패시터 커플링(capacitor coupling)방식이 사용되고 있는데 이 방식은 게이트 구동 시 플로팅(floating) 전원이 필요 없으나 궁합이 잘 맞는 P채널 MOSFET와 N채널 MOSFET가 흔하지 않고 전원 전압변동의 영향을 받기 쉽다는 단점이 있습니다.