통신으로 30여년간 밥벌어 먹고 살았던 저에게는 디지털 앰프란 통신이론을 이용한 기술 정도로 밖에 보이질 않는군요.
아뭏튼 흥미로운 분야라서 앞으로 디지털 앰프에 대해 설명을 하려고 합니다. 푸리에 급수라든지 푸리에 변환등 약간
수학적인 내용들이 나오겠지만 원리를 이해하는데 꼭 필요한 경우에만 수학을 사용토록 하겠습니다. 우선 디지털 앰프
가 무엇인지를 설명해준 서울대 성굉모 교수님의 글이 있어 캡쳐를 해 여기에 옮겨 싣습니다. 2004년 7월 글이군요.
세월이 흐른탓에 글중에 나온 Tripath Technology 같은 회사는 이제는 없습니다. Neofidelity는 아직 건재하군요.

디지털 앰프의 기술 동향

                                                                                                                                              성 굉모
                                                                                                                                              서울대학교 공과대학 전기․컴퓨터공학부 교수

 21세기는 디지털 시대라고 할 수 있을 만큼 모든 미디어 매체들이 디지털화되고 있는 추세이다.
80년대에 등장한 compact disc를 기점으로 저장 매체들이 우선적으로 디지털화되면서 일반 대중
들에게 보급이 되었으며, 현재는 텔레비전 방송까지 디지털로 전환되는 단계이다.
그러나  지금까지 디지털이 아닌 여전히 아날로그의 영역에 머물러 있었던 분야가 있는데 바로
오디오 증폭기술이다. 어째서 오디오 증폭기술은 아직까지 아날로그의 영역에 머물러 있는 것
일까? 그것은 현재 디지털 오디오 증폭 기술이 아날로그에 비하여 효율을 제외하고는 음질이라는
측면에서 아직 그리 좋지 못하고 가격적인 측면에서도 아날로그 앰프와 비교하여 특별한 메리트
가 없기 때문이다. 따라서 현재까지는 서브우퍼 분야에서만 디지털 앰프의 일종인 스위칭 방식의
오디오 앰프가 적용되고 있다.

실제로 펄스폭 변조(PWM) 파형을 이용한 디지털 방식의 증폭에 대한 이론적인 개념은 Class-D의
아이디어에서 착안되었으며, 이미 70년대 활발한 연구가 있었지만 당시 소자 기술과 신호처리
기술이 이를 따라주질 못하여 실용화되지 못하였다. 80～90년대를 지나면서 반도체 소자 기술이
여러모로 급진전하였으며, 이로 인해 앰프의 디지털화 또한 기술적으로 가능하게 되었다.

디지털 앰프란? 
디지털 앰프라는 용어는 지금에 와서 그렇게 새롭지는 않다. 기존의 업체들이 제품의 판매를
위해서 수시로 이용해 왔기 때문이다. 디지털 앰프라는 용어는 다음과 같이 몇 가지 의미로 사용
된다. 

첫째는 음장(acoustic field) 프로세서를 내장한 DSP 앰프를 지칭하는 것으로 이는 재생 음장의
특성을 변화시켜 주는 기능을 가지고 있다. 이 경우, 필드 프로세서 이후에 디지털 신호를
아날로그 신호로 바꾸어 주는 D/A 변환기가 들어가며, 스피커를 구동시켜주는 파워앰프는
일반적인 아날로그 파워 증폭기를 사용한다.

 두 번째는 Class-D 앰프를 부르는 말로, 아날로그 입력을 받아들여 톱니파와 비교하여 PWM
(pulse-width modulation) 신호로 바꾼 후 종단에서 증폭하는 방식이다.

 세 번째는 완전디지털 앰프를 부르는 말로, 이는 PCM 신호를 직접 받아들여 디지털 영역에서의
신호처리를 통하여 PWM 신호로 바꾼 후 종단에서 증폭하는 방식이다. 두 번째 방식과 세 번째
방식의 공통점은 PWM 신호를 만들어 종단에서 증폭한다는 점인데, PWM 신호는 신호의 상승점
과 하강점이 연속적-아날로그로 변할 뿐, 신호의 레벨은 high 또는 low 의 두 가지만 존재하므로
종단 트랜지스터가 단순한 스위칭 기능만 제공하면 된다. 따라서, 종단 트랜지스터에 바이어스가
불필요하며, 트랜지스터가 차단 영역(cut-off region) 또는 포화 영역(saturation region)에서만 동작
하게 되므로 전력손실이 최소화된다는 장점이 있다. 보통의 A급 또는 AB급 아날로그 증폭기의
경우 전력효율이 50% 이하라는 것과 비교하면,  이러한 방식의 앰프는 90%를 상회하는 뛰어난
전력효율을 지니고 있어서 부피가 큰 방열판 등이 불필요하게 되므로 작고 가벼운 대용량 앰프를
제작하기에 적합하다.

위에서 살펴본 세 가지 앰프 중에서 진정한 디지털 앰프는 세 번째 정의를 의미하며, 단지 DSP
기술로 음향신호처리만 할 뿐 증폭은 기존의 아날로그 방식으로 하는 앰프가 아닌 디지털 소스
기기에서 나오는 IIS 또는 S/PDIF(Sony and Philips digital interconnect format) 신호를 직접 받아
D/A 변환 과정 없이 직접 스피커를 울려 줄 수 있는 파워 앰프이다.

완전디지털 앰프의 원리 
이와 같은 완전디지털 앰프를 제작하기 위해서는 두 가지 핵심 기술이 필요하다. 그 첫째는 PCM
신호를 왜곡없이 PWM 신호로 바꾸어 주기 위한 디지털 신호처리 기술이고, 두 번째는 높은
주파수의 PWM 신호를 충실하게 대출력 신호로 증폭해 줄 수 있는 종단 설계 기술이다.
먼저, 디지털 신호처리 기술에 대하여 이야기해보자. 일반적인 디지털 신호(PCM) 는 그림 (a)와
같이 일정한 간격으로 샘플링 되어 있으며, 각 샘플의 크기에 원 신호의 정보가 들어 있다. 반면에,
PWM 신호는 그림 (b)와 같이 신호의 크기는 항상 일정하며, 그 신호의 폭에 원 신호의 크기에
관한 정보가 들어 있다. PWM 신호는 크기가 일정하기 때문에 종단 트랜지스터가 단순한 스위칭
의 역할만 하면 되는 것은 앞에서 이야기한 바와 같다. 또한, PWM 신호의 경우에도 PCM 신호와
마찬가지로 저역통과필터를 통과시켜 주면 원래의 아날로그 신호가 복구된다.

그러나, PWM 신호는 그 특성상 비선형 처리 과정을 거치기 때문에 아날로그 신호로 복원시
상당한 비선형 왜곡을 포함하게 되는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 디지털 앰프
내부에서는 PCM으로 되어 있는 디지털 신호를 비선형 왜곡이 없는 PWM 신호로 바꾸어 주기
위하여 고도의 디지털 신호처리를 수행하며, 이것은 완전디지털 앰프의 중요한 핵심기술 중의
하나이다. 먼저 디지털 입력을 oversampling filter 에 가해 샘플링 주파수를 높인다. 이것은 왜곡을
줄이는데 도움을 주기 위한 과정이다. 앞의 과정을 통하여 고주파로 옮겨진 잡음을 noise shaping
필터로 제거하고 PWM 신호를 만든다. 그 외에도 기존의 아날로그에서 지원하는 기능들, 즉
소프트 뮤트, 볼륨 조절, 자동 뮤트, EQ, field processor, 3D surround 등을 구현할 수 있는 신호처리
주변 기술들이 필요하다. 이러한 기술들이 아날로그에서는 디지털 처리를 하기 위해서 수많은
D/A와 A/D를 거쳐야 하지만, 완전디지탈 앰프의 경우는 모든 과정이 디지털 도메인에서 처리
되므로 구현이 훨씬 간단하다는 장점을 가진다.

 

                                                      (그림 1) 몇가지 신호의 예  (a) PCM신호 (b) 소출력 PWM신호 (c) 대출력 PWM신호

두 번째로 종단설계 기술에 대하여 알아보자.

앞단의 출력신호는 그림 (b)와 같은 소출력 PWM 신호이다. 이것을 트랜지스터로 그림 (c)와 같은
대출력 PWM 신호로 만들어 주어야 하는데, 높은 주파수의 펄스 신호를 충실하게 증폭하기
위해서는 고도의 회로설계 기술이 필요하다. 또한, 대전류를 빠른 속도로 스위칭하는 중에 발생
하는 불필요한 전자파 발생을 최소화시키기 위한 전자기학적인 고려도 필요하다.

완전디지털 앰프의 경우, 앞단의 디지털 영역에서는 신호의 손실이 없으므로, 종단에서 신호의
손실을 최소화한다면 이론적으로 소스의 상태에 따라 아주 높은 신호대 잡음비 즉 S/N 비와
다이나믹 레인지의 확보가 가능하다는 장점이 있다. 또한, 종단을 제외한 일체의 회로는 순수
디지털 회로이므로, 손쉽게 하나의 칩에 집적할 수 있고 따라서 획기적인 소형화와 원가 절감이
가능하다는 장점을 가지고 있다. 다음 그림은 지금까지 설명한 완전 디지털 앰프의 간단한 블록도
이다.

 

                                        

                                                                                  (그림 2) 완전 디지털 앰프의 블록도

현재의 기술동향 

앞서 디지털 앰프의 개념을 몇 가지로 나눈 것과 마찬가지로 이를 개발하고 있는 업체는 단순히
Class-D 방식을 이용하는 곳과 좀 더 발전된 형태의 완전디지털 앰프를 만드는 곳으로 나눌 수
있다. 현재 미국 나스닥에 등록되어 있는 Tripath Technology라는 벤쳐기업은 일찍부터 이 분야에
뛰어 들어 현재 가장 많은 모델과 앞선 기술 및 적용 제품을 보유하고 있다. Class-D의 변형의
일종인 Class-T라는 독자적인 앰프 설계를 내세우고 있으며, 여러 오디오 혹은 통신 업체에 칩을
수출하고 있다. 초기 모델들은 몇 가지 문제점을 갖고 있었으나 현재는 많이 개선하고 업그레이드
된 모델들을 내놓고 있다. Tripath의 칩을 이용하여 국내에서도 몇몇 업체들이 제품들을 발표
하였고 Sony에서도 얼마 전에 이 칩을 이용하여 디지털 앰프 모델을 내놓았다. 또한 서브우퍼
관련 시장에서도 본격적으로 쓸만한 제품들이 많이 나와 있는 상태이다. 하지만 완전 디지털이
아닌 개선된 Class-D 기술을 보유하고 있어 앞으로 완전디지털 시장으로 진출을 할 것인가는
두고 봐야 할 것이다.

완전디지털 앰프 분야로는 덴마크에 위치한 Tact Audio가 대표적이다. 산학 지원을 받아서 성장한
벤처기업 Toccata의 디지털 기술을 바탕으로 시제품을 출시한 상태이다. 그러나, 초고가의 하이엔드
시장을 겨냥, 수제작을 하고 있으므로 일반인이나 산업체에 당장 적용하는 것은 무리이다.
그 외에도 콘덴서 스피커로 유명한 Apogee와 일본의 Sharp가 개발에 참여를 하는 실정이다.

또한 얼마 전에 Toccata를 인수한 세계굴지의 반도체 회사인 TI(Texas Instruments)가 디지털 오디오
시장에 뛰어들었다. 아직까지는 벤쳐 수준의 작은 기업들이 주도를 해오고 있었고 대기업에서
본격적으로 들어오지는 않았지만 앞으로 추세를 보면 몇몇 기업들이 참여를 할 것으로 보인다.
TI의 경우 현재 6 채널 완전디지털 앰프의 프로토 타입을 내놓았으며 몇 가지 관련 칩을 개발하고
있다. 하지만 디지털 앰프 개발의 난점 중의 하나인 고출력시 노이즈가 발생하는 문제 때문에
소출력 수준에 머무르고 있으며 전체적으로 개발 진행 속도가 느린 듯 하다.

국내에서는 필자가 이끄는 서울대 전기공학부 음향공학연구실에서 이미 수년전에 완전디지털
앰프의 프로토 타입을 개발한 바 있으며, 이를 통해 디지털 오디오 관련 기술을 보유한 본 연구실
출신의 석․박사들이 모여 창업한 Neofidelity가 있다. Neofidelity의 기술력은 세계적으로도 가장
우위에 있는 것으로 평가되며 세계 유수 업체들과 나란히 어깨를 겨루며 기술 개발 및 제품 개발
에 몰두하고 있다.

디지털 증폭기술은 아직까지는 보편화되어 있지 않지만, 앞으로 오디오 증폭 기술이 들어가는
모든 제품 및 산업체에 큰 변화를 일으킬 만한 잠재력을 지니고 있다.