목요일, 10월 18, 2018
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OP. AMP 이야기

글쓴이 : SOONDORI

Operational Amplifier, +와 – 입력단 각 1개, 출력 1개를 가지고 아나로그 연산(Operation, 예를 들어 +신호값에서 -신호값을 차감한 출력)을 할 수 있어서 붙어진 명칭. 소신호 처리의 편리함 때문에 오디오세상에서는 1) 프리앰프, 2) 각종 소스기기 Post 앰프, 3) 각종 능동형 필터 등에 널리 사용되고 있다. 오디오 파워앰프는 1) 차동 트랜지스터(Differential Transistor Circuit)의 존재, 2) 출력단 중성점이 0V일 수 있다는 조건을 고려하면 커다란 OP.AMP나 다름없는 것일 수도.

1. 성능평가 기준들

여러가지 평가요소들이 있고 데이터-시트에 다 나온다. 뭔가 한 항목이 좋다고 해서 다른 항목들이 무조건 좋은 경우는 없다. 한편, 이런 항목들의 값과 청자가 느끼는 음색은 전혀 다른 차원의 것들로 사실 상 둘 사이엔 아무런 관계가 없다.

DIY수준을 전제로 한 개인적인 평가기준은 1) Slew Rate, 2) BandWidth, 3) Noise, 4) 채널분리도, 5) 구매가격 정도? 모든 것을 다 비교할 수는 없다. 메이커 말을 믿고 어떤 항목이 좋으면 다른 것도 좋을 것이라는 모호한 관계식을 가정하고 있음이다. 대부분 그렇다. “보기좋은 떡이 먹기도 좋다”

○ Open Loop Gain : 궤환을 걸지않는 조건에서의 이득(Gain). 논리적으로는 무한대.
○ BandWidth : 얼마만큼의 주파수를 핸들링 할 수 있는 지에 대한 값. Mhz 단위.
○ Impedance : 신호처리에 있어서 임피던스는 중요하다. 입력쪽이 높아야 함.
○ Slew Rate : 순간적으로 출력(=Input x Gain)을 만들어낼 수 있는 능력. 일종의 민감도? 반응도? 정도로 표현하면 될까?
○ Offset Voltage : +와 -에 전압을 가하면 출력단이 여차저차 변한다. 차동방식으로 구동되는 것이므로 +, -입력에 동일값을 주었을 때 논리적으로는 0.000V가 나와야 함. 현실은 그렇지 못하다.
○ Noise : 값이 낮아야 포노단, 계측기 증폭단, 기타 극소신호증폭회로 등에 사용 가능함. 낮으면 좋지만 오디오에서 극단의 값을 요구하는 것은 아니라 생각함. 포노앰프부가 아니라면 큰 의미없다고 생각함.
○ Total Harmonic Distortion : 0%가 논리적 최대. 보통은 0.00x% 이하라더 포노앰프부가 아니라면 큰 문제없음.
○ Common Mode Rejection Ratio : +와 -의 변화값이 동일값, 동일 위상일 때 GND와 출력에 대한 신호 영향도를 표시. 논리적으로는 없음이다. 현실은…
○ Power Supply Rejection Ratio : CMRR과 같이 전원부 변동(리플, 기타)이 출력에 주는 영향도를 측정. 논리적으로는 0. 뭐… 이런 게 있겄냐?

가. 비교대상 A = OPA2134

1) THD+N은 어떤 조건에서 0.000xx%이하. 계측기가 아닌 오디오에서 이런 값은 너무 과하게(?) 좋은 것. 2) BandWidth 8Mhz도 일종의 초과스펙, 3) Slew Rate 20V/uS로 동작전압 +/-5~9V 범위에서는 널~널~한 스펙, 4) CMRR은 100dB이고 PSRR은 108dB로 충분, 6) 분리도 135dB로 역시나 차고 넘치는 스펙.

나. 비교대상 B = NJM4558

Slew Rate 650mV/uS, BandWidth가 2Mhz로 낮은 편이다. 물론 실용적으로 문제는 없을 것이겠지만 이러면… 논리상, 아주 높은 주파수 취급이나 복합신호(오디오 시그널) 처리에 있어서는 모종의 신호유실이나 뭉개짐이 발생할 수도 있다는 이야기? 즉, 계측기의 경우 데이터분실에, 오디오의 경우는 흐리멍텅한 음색을 초래할 수도 있겠다. 아래 4558의 Voltage Swing 그래프를 보면 불과 10Khz 직후에서 뚝! 떨어진다. 이에 반해 OPA2134의 경우는 250Khz까지는 평탄하다. 그리고 4558이 Open Loop Gain 대 주파수의 관계식에서도 안정성이 좀 떨어지는 것으로 보이지.

2. 인구에 회자되는 OP.AMP들의 특징 정리

요 며칠간 인터넷 글들을 읽고 그 내용을 평준화하고… 몇 가지 개인적인 경험들을 반영, 정리한 내용은 다음과 같다.

 ○ (평범함) LM833, JRC4558 : 저가형 OP.AMP로 보급형기기에서 종종 목격됨. LM833은 어딘가에 꽂아보고  너무 김빠진 소리가 나서 곧바로 빼내버렸던 기억이 있다.(아마 주변소자 값이 안맞아서 그랬을 수도 있다) 나중에 깨달았지만 JRC4558은 다소 풀어진 소리를 들려주고 있었다. 너무 평범한 OP.AMP라는 판단에 앞으로 눈에 보이면 무조건 교환키로 작심함.

○ (조금 좋음) NJM2068 : 평균적인 음색. NJM4558보다는 좋고 NJM5532보다는 한참 아래인 등급. 이 조건만 가지고 생각하면 POST 앰프에 4558을 쓴 인켈 CD-100RS는 2068을 쓴 CD-V350에 비해 다소 떨어지는 사양이었던셈. 뭐… 부품 납품가, 대역이나 음색의 무난함 그런 변수가 있었겠지만.

○ (썩 좋음) NJM5532 :  평균적인 음색 즉, 착색없음. 그 말은 대역이 무난하다는 뜻. 스펙도 NJM(JRC)4558에 비해 훨씬 더 좋음. Dual CV-5670 프리부와 포노부에 사용.

○ (썩 좋음) NJM2114 : 제조사는 5532보다 우월하다고 표기하고 있다. 스펙이 만만치않은 것은 맞지만 당연히 음색에 대한 언급은 아님. Marantz 52MK2 종단앰프에 사용.

○ (상당히 좋음) OPA2604 : 남들은 고음이 강조되고 맑고 세밀한 성향을 갖고 있다고 했다. 나는 SILMIC으로 음을 뭉개서 그 좋은 것을 직접 체감하지는 못했다.

○ (상당히 좋음) OPA2134 : 남들은 단단한 중저음이 강점이라고 했다. 며칠 들어보니 정말 그렇더라. 해서… 그들이 말하는 비교군인 OPA2604에 대한 평가도 틀린 말은 아닐 것이라고… 그냥 받아들이기로 함. 단단한 저음이 좋다면 OPA2604+SILMIC 조합이 아니라 그냥 OPA2134를 썼어야 했다. 흠…

○ (상당히 좋음?) LM4562/LME49860 : OPA2064, 2134와 유사한 등급의 제품. 음색에 대한 남들이 이야기는 모름.

○ (어머나! 대단히 좋음) OPA627 : 이 녀석에 대해서는 칭찬일색이네. 음재생 충실도가 매우 높다고 하고 비록 채널 하나 당 몇 만 원을 지출해야 하지만 Super High-End급 OP.AMP로서 제값은 충분히 한다는 식의 언급들만… 음착색에 대한 특별한 언급도 없다. Dual타입이 있다고는 하는데 시장에서는 Single형 타입만 구할 수 있다하므로 변환기판 필요함. 두 개 사면 5 만 원이다.

* 헛! 참… 이 녀석 유명하고 찾는 사람이 많으니까 중국제 짝퉁버전도 나와있다는 이야기가 있다. 가짜계란도 그렇지만 대용량 콘덴서 안에 쪼가리용량 몇 개 넣어놓고 말 그대로 껍데기 바꿔치기해서 파는 사람들이 있는 나라라… 그런데 현미경 등 도구를 가지고 그 진위를 판별한 양반도 대단하시네! (기사 URL : http://zeptobars.com/en/read/OPA627-AD744-real-vs-fake-china-ebay)
 

(OPA627)

(짝퉁 제작에 사용된 AD744)

 3. 그나저나 음색차이는 왜?

오디오 시그널을 직접 취급하는 OP.AMP에 있어서는 DC관련 특성은 별 의미없고 AC관련 특성을 봐야한다.

가. GAIN과 주파수 반응특성

음색이 달라진다는 것은 Input 주파수 1Khz(예)에 대해서 1) Output 주파수가 달라지거나(예를 들어 1.11Khz가 되는 경우) 2) 주파수의 레벨값이 달라지는 경우 두 가지로 요약될 수 있을 것. 세 가지 비교대상 OP.AMP의 Open Loop Gain을 살펴보니… 100hz, 1Khz, 10Khz, 그 이상의 기준점에서 Gain의 변화도가 각기 다르다. 아마도 Open Loop로 쓰는 경우는 없을 것이고 궤환(Feedback)을 건 Closed Loop를 쓰겠지만 소자의 단일한 동작특성은 Loop 작동 중에도 어떻게든 영향을 미치고 있을 것이네.

(OPA2134, 약 125dB에서 시작하여 100Hz=100dB, 1Khz=80dB, 10Khz=60dB(1KHz 기준,경사율=2)…)

(OPA2604, 100dB에서 시작하여 100Hz=100dB, 1Khz=85dB, 10Khz=65dB(1Hz 기준, 경사율=2)…)

(NJM4558, 100Hz=80dB, 1Khz=64dB, 10Khz=48dB(1Khz기준 경사율 1.5)…)

나. 시그널 순간변화에 대한 반응특성

데이터시트에는 음색차이를 명시적으로 적시하는 정보는 없다. 다만, 2064와 2134 문서 끝부분에 Transient Signal에 대한 반응을 관측한 자료가 실려있다. 여기서, Time Division은 같지만 Level은 다르고 또 2064의 경우는 실험조건에 대해서 명확하게 언급하지않았다. 1:1 맞비교는 곤란하니 그냥 눈으로 보고 얼렁뚱땅 생각을 해보는 정도로 활용.

(▲ OPA2604 자료, ▼ OPA2134 자료)

둘 사이에 뭔가 다른 게 없을꼬?

Small Signal에 있어서 2064는 발생한 Overshoot가 천천히 목표값이 접급하는 패턴을 보이고 목표값 도달시간(Settling Time)은 2.5nS정도로 2134에 비해 상대적으로 더 길다. 그리고 더 긴 시간(<0.8nS) 동안을 완만하게 요동친다. 2134는 목표값 위/아래로 급하게 요동을 치지만 목표값 도달시간은 0.2nS 이내로 더 짧고 곧바로 안정화된다. Large Signal에서 Slope의 각도차이, 그러니까 목표값에 도달하는 시간은 2064쪽이 더 짧다.

이상, 신호레벨이 크면 2064가 빠르게 반응하고 신호레벨이 작으면 2134가 더 빠르게, 안정적으로 반응한다는 잠정적인 추론을(?)… 이 소자들을 가지고 정교한 PID 제어계를 구성한다면 어느쪽 특성이 더 좋을꼬? 아무튼 이런 미묘한 반응특성 차이는 어떻게든 음색에 영향을 주고 있을 것이다. 궁극의 질문, 왜 2064는 고음성향이고 2134는 저음성향일까? 표준 테스트회로기준 피드-백회로 구성에 있어서 주파수 취급특성 차이, 주파수 대 출력 임피던스 변화의 차이 등등 그런데 명확한 것이 없으니 쩝~!이다. 더 궁리해보기로 함.

* 읽어볼 자료 : ‘A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers 2ND Edition’

 

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