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2010 년 09월호

년 월호


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오디오 클릭 앤 팝 노이즈 특성 및 제거 기술

본 기고에서는 클릭 앤 팝 노이즈 과도현상이 어떻게 생성되고 측정되는지를 설명하고, 클릭 앤 팝 노이즈의 객관적/주관적인 특성을 나열하였다. 과도 노이즈 최소화에 대한 가이드라인은 클릭 앤 팝 노이즈 제거 기술을 설명한다. 본 기고에서는 인터실의 새로운 디바이스가 적용된 설계 예시와 함께 다양한 클릭 앤 팝 노이즈 제거 기술의 성능을 비교하여 확인할 수 있을 것이다.

글/팀 록(Tim Lok), 인터실

오디오 클릭 앤 팝 노이즈는 스피커 혹은 헤드폰에서 발생하는 비정상적 노이즈를 말한다. 스피커 코일로 과도전류 펄스가 흘러 들면 순간적으로 스피커 콘이 움직이면서 클릭 앤 팝 노이즈가 발생한다. 클릭 앤 팝 노이즈는 정상적인 오디오 신호와 달리 청각에 불편과 지장을 초래한다. 클릭 앤 팝 노이즈는 오디오 소스의 전원을 끄고 켤 때, 또는 오디오 신호가 묵음 혹은 다른 부하로 다중 송신될 때 발생한다. 이러한 동작 상황은 스피커를 통해 방전되는 과도 펄스를 생성하여 비정상적인 클릭 앤 팝 노이즈를 발생시키는 것이다.
클릭 앤 팝 노이즈 과도 현상은 MP3 플레이어를 비롯하여 랩탑 컴퓨터, 휴대폰 및 휴대용 디바이스의 배터리 수명을 늘리거나 USB 통합 혹은 멀티플 오디오 소스 스위칭 기능이 구동되는 절전 세팅(예: 대기모드, 절전 모드, 수면 모드 등) 상황에서 더욱 두드러지게 나타난다.
본 기고에서는 클릭 앤 팝 노이즈 과도현상이 어떻게 생성되고 측정되는지를 설명하고, 클릭 앤 팝 노이즈의 객관적/주관적인 특성을 나열하였다. 과도 노이즈 최소화에 대한 가이드라인은 클릭 앤 팝 노이즈 제거 기술을 설명한다. 본 기고에서는 인터실의 새로운 디바이스가 적용된 설계 예시와 함께 다양한 클릭 앤 팝 노이즈 제거 기술의 성능을 비교하여 확인할 수 있을 것이다.

클릭 앤 팝 노이즈 발생 원인

클릭 앤 팝 노이즈 과도현상이 발생하는 일반적인 원인은 아래와 같다:
·전원공급 장치의 과도상태
·DC 입력의 과도상태
·오디오 드라이버 오프셋(Offset) 전압

(1)전원공급 장치의 과도상태
오디오 부품의 DC 전력 공급이 온 혹은 오프될 경우, 스피커 혹은 헤드폰 단에서의 전압은 단위시간당 출력전압의 최대 변화량인 슬루우 레이트(slew rate)로 인해 큰 폭으로 요동친다. 바이패스 커패시터가 부품의 핀 공급 단에서 노이즈 스파크를 감소시킬 때, 공급 핀 단에서 과도 전류를 보다 최소화 해주는 기술은 그림 1에서 보여지는 것처럼 V+ 핀에 실장된 로우 패스 필터(LPF) 기술이다.
직렬 저항값인 RSeries를 Vbattery와 IC의 V+ 핀 사이에 실장된 디커플링 커패시터 Cin(decoupling capacitor C)와 함께 LPF를 구성한다.이 솔루션은 인터실의 오디오 스위치 I.C가 10mA이하의 전류를 소모하므로 적당한 용량의 저항을 사용하면, 직렬저항 양단의 전압 강하가 무시할 정도가 되어 문제 없이 작동한다. 이 LPF는 DC 공급 전압의 빠른 슬루우 레이트 과도신호를 IC 공급 핀에서 지수적으로 증가하는 램프를 더욱 느리게 전환시킨다. 보다 느려진 전압 램프는 로드단에 클릭 앤 팝 노이즈를 야기할 수 있는 스위치의 출력단의 전하주입을 바꾸고 제거함으로써 과도 전원 공급을 최소화한다(그림 1참조).

(2)DC 입력 과도상태
그림 2는 다양한 휴대용 미디어 플레이어의 전형적인 32Ω 헤드폰용 싱글 오디오 앰프의 간단한 레이아웃을 나타낸다. 오디오 앰프 출력 신호는 시스템 절반의 양과 음 방향으로 모든 오디오 신호 스윙을 허용하는 공급 전압에서의 DC 바이어스 신호를 나타낸다. 220μF DC 블로킹 커패시터는 헤드폰에서의 DC바이어스 신호를 제거한다. 220μF 커패시터와 32Ω 로드 임피던스(impedance)는 모든 오디오 대역폭을 전달할 수 있도록 약 22Hz의 코너 프리퀀시와 함께 하이 패스 필터(HPF)를 형성한다.
그림 3은 오디오 앰프 전원 증가 및 하락 시, 헤드폰 전체에 걸친 과도 전압 파형을 보여준다. 오디오 앰프 DC바이어스 전원 증가(예, 슬립 모드 해제) 혹은 하락 시(예. 슬립 모드 동작), 커패시터의 VLoad 노드는 커패시터 dv/dt 원리로 인한 즉각적인 전압 변화를 맞이한다. 로드는 DC 접지 경로를 나타내므로, 커패시터를 0V로 다시 방전한다. 부하 주변의 갑작스러운 DC 전압 변화는 스피커 콘이 과도 펄스 전류를 따라 움직일 때 클릭 앤 팝 노이즈로 이어진다.

(3)오디오 드라이버 DC 오프셋(Offset) 전압
그림 4는 DC 편향 전압이 없으므로 오디오 드라이버 출력 단에서 DC 블로킹 커패시터가 필요 없는 애플리케이션을 나타낸다. 이 애플리케이션은 보통 음성 스윙 성능과 함께 듀얼 전원 공급 오디오 드라이버 혹은 싱글 전원 공급 오디오 드라이버를 사용한다. 오디오 드라이버의 op-앰프는 10mV 에서 ±20 mV 범위의 DC 오프셋 전압을 가질 수 있다. 이 오프셋 전압은 스위치가 켜져 있는 상태에서(혹은 꺼져 있는 상태에서 연결된) DC 블로킹 커패시터 없이도 스피커 로드에 직접적으로 연결될 수 있다. 이 오프셋 전압은 스피커에 클릭 앤 팝 노이즈를 야기할 수 있을 만큼 큰 전압을 나타낸다.

클릭 앤 팝 노이즈 특성

지금까지는 클릭 앤 팝 노이즈의 원인에 초점을 두고 설명했다. 이번 섹션에서는 클릭 앤 팝 노이즈 과도 신호 파형을 설명한다. 다양한 프리-앰프(pre-amps), 스피커, 헤드폰 로드에 대한 클릭 앤 팝 과도신호의 특성은 일반적인 청취 환경하에서 발생한다. 본 기고에서는 스피커를 청취자의 귀에서 6인치 떨어진 곳 정면에 위치시키고 헤드폰은 일반적인 애플리케이션과 같이 정상적으로 귀에 착용하는 실험을 수행하였다. 결과는 아래에서 보여지는 것처럼 청취 가능한 클릭 앤 팝 노이즈는 부하에 동시 다발적으로 발생하는 환경하에서 생성되는 것을 알 수 있다.:

32Ω 헤드폰:
1. 6.35V/s 이상의 펄스 슬루우 레이트
2. 0.6us. 이상의 펄스 폭
3. 2mV. 이상의 펄스 진폭

10kΩ 입력 임피던스를 가진 프리-앰플리파이어를 이득 10으로 세팅하여, 4kΩ 부하 스피커를 구동:
1. 25V/s. 이상의 펄스 슬루우 레이트
2. 0.6us. 이상의 펄스 폭
3. 10mV. 이상의 펄스 진폭

20kΩ 입력 임피던스를 가진 프리-앰플리파이어를 이득 10으로 세팅하여, 8Ω 부하 스피커를 구동:
1. 20V/s. 이상의 펄스 슬루우 레이트
2. 0.6us. 이상의 펄스 폭
3. 10mV. 이상의 펄스 진폭

클릭 앤 팝 노이즈는 과도 펄스의 슬루우 레이트, 폭, 진폭을 아래 표와 같이 쓰레숄드(thresholds) 전압 이하로 감소시킴으로써 귀에 들리지 않는 수준까지 낮출 수 있다. 인터실은 아래 표 1과 같이 다양한 로드에서 생성되는 클릭 앤 팝 노이즈 제거에 대한 표준을 개발하고 있다. 하지만, 귀에 들리는 수준이라는 기준의 클릭 앤 팝 노이즈는 지극히 주관적인 지표이며, 이는 청취환경 하에서 스피커의 민감도, 귀의 민감도, 주변 소음과 같은 요소에 많은 영향을 받는다. 따라서 표 1은 가이드라인으로만 사용되며 클릭 앤 팝 노이즈에 대한 절대적 지표를 나타내지는 않는다.
펄스 지속이 대략 10ms 초과 시, 클릭 앤 팝 노이즈가 각각의 펄스 변화에서 발생한다는 것은 매우 중요한 사실이다. 과도 펄스 폭이 0.6μs 에서 10ms일 경우, 클릭 앤 팝 노이즈가 동음으로 인식될 정도로 거의 동시에 발생한다. 표 1의 경우, 펄스 진폭 감소는 클릭 앤 팝 노이즈 제거가 필요하며, 데시벨과 50%의 오디오 앰프 공급 전압 편향에 기초한 펄스 진폭은 표 2에 나타나 있다.

인터실의 클릭 앤 팝 노이즈 감소 기술

인터실은 스위치/MUX 제품군에서 다양한 클릭 앤 팝 노이즈 제거 기술을 보유하고 있다. 사용할 기술의 선택은 DC 블로킹 커패시터의 필요성에 의해 결정된다. 다음 섹션은 인터실 아날로그 스위치가 제공하는 두 가지 기술을 설명한다.

(1)클릭 앤 팝 션트(Shunt) 네트워크
단일 전원으로 부신호 처리 가능한 아날로그 스위치는 압력 오디오 신호가 접지 이하가 되는것을 허용한다. 이 설계의 장점은 DC 블로킹 커패시터가 스위치와 로드 사이에 실장되는 것과는 반대로 오디오 드라이버와 스위치 사이에 실장 될 수 있다는 것이다. 이러한 배열을 통해서 낮은 임피던스 단락 접지 저항은 오디오 드라이버가 온 혹은 오프될 때 DC 블로킹 커패시터를 방전하기 위한 스위치로 통합될 수 있다. 예를 들어, 전원이 꺼진 상태에서 전원을 켜서 전원이 상승될 경우, SPDT 스위치는 그림 5에서 보여지는 것과 같은 배열을 갖는다. 오디오 드라이버의 공급 전압이 상승할 경우, 단락 저항은 스위치 입력 노드를 접지 이하로 방전한다. 스위치 입력 전압을 0V이하로 방전하기 위하여 주어진 RC 지연시간으로, 스위치는 클릭 앤 팝 노이즈 과도 신호 없이도 32Ω 헤드폰 로드에 연결이 가능해 지는 것이다.
그림 6은 클릭 앤 팝 션트 회로가 동작하지 않을 때, ISL54406 입력 및 출력 파형을 나타낸다. 오디오 드라이버의 전원이 켜져 있을 시, DC 블로킹 커패시터 주변의 과도 전압은 스위치 출력과 직접적으로 연결된다. 스피커는 클릭 앤 팝 노이즈를 야기하는 스위치 입력 단에서 보여지는 DC 과도 신호를 방전한다.
그림 7은 ISL54406 클릭 앤 팝 션트 회로가 동작할 때 이다. 스위치 입력을 0V으로 적절하게 방전할 수 있는 100ms 지연시간은 오디오 드라이버를 스피커 로드에 연결할 수 있는 스위치의 전원을 켜기 전에 할당된다. 지연시간 이후 스위치가 켜질 시에는 로드 주변의 미세한 과도전류가 발생할 수 있으며, 이로써 클릭 앤 팝 노이즈가 제거되는 것이다.

(2)소프트 스타트 스위칭
휴대용 애플리케이션에서 크기를 줄이는 것은 핵심 과제이며, 이런 측면에서 DC 블로킹 커패시터를 사용하지 않고도 접지 신호 이하로 스윙이 가능한 싱글 전원 공급 오디오 드라이버는 휴대용 애플리케이션에 매우 적합하다. 하지만 블로킹 커패시터가 필요하지 않은 오디오 드라이버는 ±10mV 에서 ±20mV 범위에서 오디오 드라이버 op-앰프 DC오프셋전압으로 인해 현재까지도 클릭 앤 팝 노이즈 문제를 안고 있다. DC 오프셋 전압을 제거하기 위한 커패시터가 없으면, 스위치가 동작할 때 부하에오프셋 전압이 걸리게 될 것이다.
이러한 문제를 해결해 주는 솔루션은 부하 전압의 슬루우 레이트(V/sec)가 클릭 앤 팝 노이즈를 야기하지 않을 만큼 느린 속도로 점차적으로 스위치를 오프에서 온 저항으로 변화시키는 방법을 활용한다. 소프트 스타트 스위칭 기술은 스위치의 동작시간 조절을 통하여 스위치를 온 상태로 만들 때 서서히 스위치 저항을 감소시킨다. 점차적인 저항의 변화는 소스가 온 상태 시 로드 단에서 전압 디바이더를 변경시키는 시간을 확보해 준다. 표 1에 주어진 부하단에서 슬루우 레이트는 DC오프셋전압으로 인해 클릭 앤 팝 노이즈를 제거할 수 있다.
그림 8은 ISL54405이 제공하는 소프트 스타트 스위칭 기술을 잘 설명해준다. 외부의 소프트 스타트 커패시터는 스위치 출력의 슬루우 레이트를 제한 할 수 있도록 스위치의 작동 시간을 변화시키는데 사용된다. 그림 9와 10은 소프트 스타트 기능이 사용되지 않은 ISL54405 디바이스를 보여준다. 스위치 입력단에서의 20mV DC 신호로 스위치를 작동시키면 1000V/s 이상의 슬루우 레이트로 증가시켜주는 출력을 발생시킨다. 그림 11은 소프트 스타트 기능이 사용된 ISL54405 디바이스를 보여준다. 소프트 스타트 기술로 현재 스위치 출력은 표 1에 주어진 클릭 앤 팝 노이즈 제거 기술 표준을 만족시키는 5V/s 미만의 슬루우 레이트로 작동된다.

결론

오디오 애플리케이션에서 발생하는 클릭 앤 팝 노이즈는 달갑지 않은 것이 사실이지만, 과도 신호와 같이 이를 제거할 수 있는 기술이 현존한다. 표 1에서 주어진 표준에 따라 클릭 앤 팝 노이즈 과도 신호의 특성을 조절한다면 클릭 앤 팝 노이즈를 제거할 수 있다. 위에서 소개한 것처럼 클릭 앤 팝 노이즈 제거 기능이 통합된 인터실의 아날로그 스위치는 보드의 공간을 절약하고 전력 소모를 최소화 할뿐만 아니라 고성능 오디오 신호 라우팅을 제공한다.