TPA3116D2를 사용한 브리즈(Breeze) 앰프 이야기

Class D 앰프에 대한 흥미가 생겨서 네이버 <좌충우돌, PC-FI 오디오> 카페를 들락거리다가 중국산 소형 앰프를 알게 되어 성급하게(?) 구입하였다. 택배비용을 포함하여 3만원이 들었고, 전원은 폐기될 운명이었던 노트북용 어댑터(19V)를 사용하고 있다. 국내에 정식으로 수입되지 않는 물건이라서 타오바오나 알리익스프레스 등을 통해 들여온 것을 카페 회원들에게 되파는 형식이다. 전력 소모가 적고 워낙 소형인데다가 음질도 그렇게 나쁘지는 않아서 카페에서 대단한 인기를 끌고 있다. 또한 더 좋은 음질을 위해서 개조 혹은 튜닝을 하기 위한 아이디어가 제시되고 있다. 오디오급 부품으로 교체를 하면 앰프의 구입 비용을 훌쩍 넘어가 버리는 문제가 있지만, 망쳐도 큰 부담이 없기에 납땜질 좀 하는 어른들의 좋은 장난감 구실을 하고 있다. 다음 사진이 바로 Breeze Audio의 TPA3116D2 앰프의 모습이다. 섀시에는 7468이라 새겨져 있지만 무시하라.


본 페이지에서는 브리즈 앰프의 일반적인 성능과 내가 웹을 통해 수집한 개조 포인트와 관련한 사항을 정리하여 공개하고자 한다. 본 글에서 인용한 링크 대부분은 <좌충우돌...> 카페에 게시된 것으로서 회원이 아닌 경우 열람하지 못하는 것들을 포함하고 있다.

어디에서 파는가?
2014년 9월 11일 현재 유효한 AliExpress의 링크 하나를 가져와 보겠다. 이 링크가 영원불멸의 것은 아닐터이니, HIFI TPA3116 digital 50WX2  power amplifier라는 단어로 검색하는 위 사진과 똑같은(회색 버전도 있음) 제품이 당분간은 보일 것이다.

어떠한 칩이 쓰였는가?
Texas Instruments TPA31xxD2 데이터시트
한 줄 설명: TPA3116: 2x50-W (전원전압 21V, 4옴 스피커 사용 시) filter-free class-D stereo amplifier with AM avoidance

이 앰프의 회로도는?
친절하게도 직접 회로도를 그려낸 카페 회원이 있어서 원본 포스팅을 링크한다.

장점과 단점
  • 장점: 놀라운 가격, 대출력, 적은 소비전력, 고효율
  • 단점: 조립 품질이 썩 좋지 않음. 잡음이 심한 편. 케이스와 볼륨이 접지가 되어있지 않아서 볼륨에 손을 대면 험이 발생. 가장 큰 문제는 화이트 노이즈가 매우 심하다는 것이다. 볼륨을 중간쯤 위치시키면 가장 심하다. 능률 좋은 스피커로 조용히 들을 때에는 볼륨이 7~8시 정도 위치에 놓이게 되는데, 이 때에는 그렇게 잡음이 크지는 않다. 내가 직접 찍어서 유튜브에 올린 브리즈 앰프의 잡음을 직접 느껴 보시라!(동영상 링크-Hiss noise of Breeze TPA3116D2 Power Amplifier)!.
개선의 포인트
잡음을 줄이고 음질을 향상시키기 위한 네티즌들의 노력이 눈물겹다. 화이트 노이즈가 많이 발생하는 것은 다양한 전원전압 대음->그러기 위해서 높은 전압 유지->어쩔 수 없는 일이라는 의견도 있고, 저가 class D 앰프의 한계라는 의견도 있다. balanced input을 지원하는 칩을 single ended input으로 쓸 수 있게 설계하다보니 필연적으로 문제가 발생한다는 의견 및 볼륨이 중간 위치일때에는 임피던스가 가장 높아서 잡음 유도가 최고에 이른다는 설명도 있다. 배선재를 바꾸고, 단자를 고급품으로 교체하고, 기판을 세척하는 일의 중요성은 여기에서는 다루지 않겠다.

1. 게인 낮추기
20V 정도의 높은 전원전압을 충분히 가할 수 있다면 게인을 낮추어서 잡음을 낮추는 것이 좋다고 한다. 입력부의 콘덴서가 위치한 곳에 붙어있는 칩저항을 바꾸면 게인을 낮추는 것이 가능하다. 20dB로 게인을 낮추는 실제 개조 사진은 여기를 참조하라. 저항의 조합에 따라서 게인을 이렇게 몇 가지로 변경할 수 있다. 너무 낮은 레벨로 녹음된 음원이 아니라면 20 dB가 가장 좋지만, 실용적으로는 26 dB가 가장 편리하다는 의견이 우세하다. 두번째 링크는 입력단에 위치한 볼륨이 왜 문제를 야기하는지 잘 설명하고 있다. 어쩌면 볼륨 없이 파워앰프로 쓰는 것이 가장 좋을지도 모르겠다.

2. 입력단의 커플링 콘덴서 교체
입력단에는 다음과 같이 총 일곱개의 콘덴서(A-B:  0.1uF WIMA 필름 콘덴서 2개; 1-5: 연달아 배치된 2.2uF ELNA 전해 콘덴서 5개)가 붙어있다. 다섯개의 전해 콘덴서 중 가운데 것(3번)은 커플링 콘덴서가 아니다. 커플링 콘덴서의 역할은 오디오 입력 신호선에 직렬로 연결되어 불필요한(때로는 위험한) 직류 성분을 걸러내는 것인데, 이 과정에서 소자를 통과하는 신호의 주파수 성분이 살짝 변한다. 다시 말해서 직류에 가까운(즉 저역의) 신호에서 감쇄가 일어난다는 것이다. 단 용량이 크면 저역의 감쇄가 줄어든다. 커플링 콘덴서는 오디오 튜닝의 매우 기본적인 포인트가 되는데, 고급 오디오용 콘덴서는 매우 비싸기도 하다.

브리즈 앰프의 커플링 콘덴서 배치는 조금 독특하다. 원래 TDA31xx 칩은 차동입력을 받을 수 있는 구조로서  L/R의 각 채널에 대해 그라운드와는 별도로 +, - 2개의 핀이 존재한다. 이는 hot 또는 cold라고도 불리는데, 칩의 입력 핀을 찾아보면 4번과 5번 핀이 각각 RINP(+)와 RINN(-), 그리고 10번과 11번 핀이 각각 LINP(+)와 LINN(-)에 해당한다. 여기에 그라운드가 별도로 존재하므로 결국 하나의 채널에는 총 3개의 신호선이 연결되어야 함을 의미한다. 이런 방식으로 오디오 신호를 접속하는 방식을 balanced audio라고 부르며, 상세한 설명은 여기를 참조하라. 그러나  고급 오디오가 아니라면 각 채널에서 두개씩의 신호선(하나는 그라운드)만 존재하는 single ended 출력을 제공하므로, 이의 입력을 받도록 하기 위해서 각 채널의 네가티브 단자를 신호선의 그라운드로 연결하는 방식을 취하고 있다. 데이터 시트에도 나와 있듯이 +, - 핀에 동일 용량의 커플링 콘덴서를 연결하는 것이 상식적인 일인데 반하여 브리즈 앰프에서는 + 핀에는 2.2uF + 0.1uF(병렬연결), - 핀에는 2.2uF가 연결되어 있는 구조이다. 좌충우돌 카페의 칠구님 의견은 이러하다.

Hot측 2.2uF에 0.1uF 병렬은 회로 설계 원칙에 벗어난 것 입니다. 떼 버리라 권하고 싶어요. 
(아마도, 고역 개선을 노리고 한 것 같은데, 화노의 원인이 될 수 있습니다.)...
커플링에 필름 덧방은 중고역 특히, 초고역 개선에 효과가 있을거라 생각합니다.
3116처럼 밸런스 입력일때는 Hot& Cold둘다 달아야지.. 브리즈처럼 한쪽만 달면 밸런스가 무너져 노이즈를 증폭하는 역효과가 날 수 있다는 거죠.
다음의 그림을 참조하면 이해가 빠를 것이다. 좌우 채널을 한번에 표시하였음에 유의하라. 



이렇게 한쪽 신호선에 콘덴서를 병렬 연결하여 고역 특성을 개선할 수 있다고도 하나, 잡음이 발생하는 원인이 될 수 있으니 +/- 각 핀에 연결된 커플링 콘덴서를 동일한 용량으로 바꾸라는 팁도 있다. 전략 1과 2는 +와 - 라인에 연결된 콘덴서의 용량을 동일하게 만든다는 것이 공통적이다.
  • 전략1: 가장 간단하게는 A와 B로 표기된 0.1uF 필름 콘덴서를 떼어버리는 것이다. 즉, +와 - 라인의 커플링 콘덴서 용량을 동일하게 맞추는 것이다. 칠구님의 강력한 권장사항.
  • 전략 2:또 다른 개조 방식은 +와 - 라인의 커플링 콘덴서를 동일 용량으로 바꾸되 특성이 다른 콘덴서를 연결하기도 한다. A와 B를 교체하고 이것과 병렬로 연결된 1번과 4번 콘덴서는 제거한 뒤(이렇게 하면 + 라인이 정리된다), - 라인쪽에 연결된 2번과 5번을 교체하는 것이다.
  • 전략 3: + 핀에 연결된 콘덴서 1쌍을 전부 바꾸는 것이다.
  • 전략 4: 이건 뭐라고 설명하기 어렵다. 그냥 표를 봐라.
 5개의 전해콘덴서는 방열판 때문에 덩치가 큰 것으로 바꾸기는 좋지 않다. 눕힐 수만 있다면 기판 뒤쪽으로 보내기도 한다. 커플링 콘덴서의 튜닝 전략을 표로 정리하여 보았다. 전해콘덴서는 중저역을 보강하고, 필름콘덴서는 고역을 보강한다나?

 콘덴서 번호 Breeze original 전략 1 전략 2 전략 3 전략 4
 A, B(+ in) WIMA 0.1uF(필름) X Vishay(Roederstein) MKT 1uF / 100V 비쉐이/로더스타인 MKT1813 2.2uF(필름) X
 1, 4(+ in) ELNA 2.2uF(전해) ELNA 2.2uF(전해) XELNA RFS(SILMIC II) 2.2uF(전해) ELNA 실믹 2 3,3uF(전해)
 2, 5(- in) ELNA 2.2uF(전해) ELNA 2.2uF(전해) WIMA 1uF / 63V (5%) MKS2ELNA RFS(SILMIC II) 2.2uF(전해) ELNA 2.2uF(전해)
 3(음질과 무관) ELNA 2.2uF(전해) ELNA 2.2uF(전해) WIMA 1uF / 63V (5%) MKS2ELNA 2.2uF(전해)  ELNA 2.2uF(전해)
 참고   킹앤드류님(게인을 26 dB로 낮추면 커플링 콘덴서 용량은 1uF으로 내릴 것을 제안) 리누브님 리누브님

3. 기타 개조가 가능한 곳
전원부의 평활 콘덴서, 출력부의 코일(감긴 상태로 볼 때 고급품이 아니니 바꾸는 것을 권장), 클럭 주파수 조정 등 더욱 세밀하게 조절할 수 있는 포인트가 있지만 내 능력 밖의 일이라서 이 페이지에서는 다루지 않는다.

4. 유용한 글들(네이버 <좌충우돌, PC-FI 오디오> 카페)
내가 정말로 브리즈 앰프의 개조를 하게 될지는 아직 모른다. 지난번 소출력 진공관 앰프 자작 프로젝트처럼 부품만 사 모으는 시늉을 하다 말고 그칠 수도 있다. 브리즈 앰프를 연결해 놓고 볼츔을 11시쯤 올려보면 정말 알루미늄을 깎는 듯한 '솨아아...' 소리가 스피커에서 넘쳐난다. 도저히 들어줄 수 있는 앰프가 아니라는 생각이 마구마구 들고, 꼭 개조를 해야 되겠노라고 다짐을 한다. 그러나 소스의 전원을 올리고 들을만한 음량이 되도록 볼륨 놉을 내리면, 그런대로 튼실한 소리가 난다. 뭐하러 돈 들고 번거로운 개조를 할 것인가? 그런데 이러한 다짐은 며칠 가지 못하였다.

개조의 실제

1. WIMA 콘덴서 제거
Hot 단의 커플링 콘덴서와 병렬로 물린 0.1uF WIMA 필름 콘덴서는 보통 고역을 강조하기 위해서라고 한다. 그러나 hot과 cold 단에 결합한 콘덴서 용량이 결과적으로 달라지므로 잡음을 유발할 가능성이 있다고 해서 제거해 버렸다. 차동 입력으로 구동할 때에는 두 콘덴서의 용량을 맞추는 것이 맞기는 하다. 제거 후 별로 달라진 점을 느끼지 못하였다.

2. 게인 낮추기
다음의 그림에 모든 설명이 다 들어가 있다. R1을 떼어내고 100k옴으로 바꾸어서 게인을 26 dB로 낮추는 것이 목표이다.

마침 갖고 있는 칩저항이 없어서 다음과 같이 일반 저항을 붙여버렸다. 방열판이 새로 붙인 저항과 접촉할 위험이 있어서 한 칸을 쇠톱으로 잘라버렸다. 위 사진을 180도 돌린 뒤 TPA3116D2 칩에 방열판을 씌운 모습이라고 보면 된다. 즉 볼륨이 붙은 기판 전면부가 사진에서 아래를 향하고 있다.

결과는 대단히 만족스럽다! 6 dB의 게인 감소는 대단히 큰 음량의 차이를 보였다. 만약 20 dB로 낮추었다면 너무 소리가 작아서 쓰기가 대단히 곤란했을 것이다. 볼륨의 실질적 가동 범위가 늘어나면서 아울러서 볼륨을 A형으로 교체할 필요성도 느끼지 못하게 되었고, 전 영역에 걸쳐서 '쉬~'하는 잡음도 거의 들리지 않을 정도가 되었다. 한번도 해 보지 않은 칩저항의 교체에 상당한 부담을 느끼고 있었지만 막상 시도를 해 보니 이렇게 큰 효과를 보게 될 줄을 꿈에도 몰랐다. 브리즈 앰프를 둘러싼 모든 고민이 일거에 해소되는 순간이었다.


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