R2R Multi-bit Ladder 기술의 부활과 전통을 뛰어넘는 재탄생

FireBird DAC은 Digital Signal Processing을 통해 음을
만들어내는 Delta Sigma 기술을 사용하지 않고 가장 자연스럽고
음악적인 음을 재생한다고 평가 받는 R2R Multi-bit Ladder DAC
기술을 부활시켜 제작되었습니다. 아울러 전통적인 설계 기술을
그대로 답습하지 않고 당사의 독창적인 설계 기술을 적용하여 과거
기술 성능을 뛰어넘는 고음질 제품으로 새롭게 재 탄생시켰습니다.

왜 Ladder DAC 기술을 고집하는가?

현재의 DAC 시장에서는 Delta-Sigma 기술을 이용하여 만들어진
제품들이 절대 다수입니다. 반면 과거부터 전통적으로 만들어지던
R2R Multi-bit Ladder(이하 Ladder) DAC은 거의 찾아 볼 수 없습니다.
Ladder 방식의 DAC이 사라져가는 이유는 Delta Sigma 방식의 DAC보다
결코 소리가 나빠서가 아니라 Ladder DAC chip의 제조가 매우 어렵기에
단가가 높아 수요 확보에 실패하여 반도체 제조 업체들이 개발과 생산을
포기했기 때문입니다.

Multi bit Ladder 제조에 있어 가장 우수한 공정 기술을 가지고
있다는 Analog Device사는 20bit 칩까지 제조하다가 포기하였고,
관련 업체 중 가장 부자라고 할 수 있는 TI도 2000년에 한 개 칩을
발매한 후 후속 제품을 발매하지 않고 현재는 기존 제품의 생산마저도
거의 포기한 상태입니다.

또한 Ladder DAC chip은 공정상의 문제로 100% 균일한 제품이
만들어지지 않기 때문에 완제품 DAC를 생산하는 업체들이 자체
검사로 성능이 좋은 것만 선별하며, 각종 편차를 보정하기 위해
수작업으로 몇 개의 부품을 더해 일일이 조정하여만 합니다.
부품 가격도 비싼데 Set 제조 비용까지 올라갑니다.

저희가 이런 수고를 감수하고도 Ladder형 DAC을 만들려고 하는
이유는 당연히 재생되는 소리 품질이 좋기 때문입니다. 과거 20년전부터
CDP나 DAC를 들어왔던 사람들은 현재의 DAC에 소리에 대한 불만을
가지는 경우가 꽤 많습니다. Delta-sigma형 DAC의 소리 하나하나를
따져보면 결점이 없는 소리입니다. 배경도 깨끗하고 소리 결도 곱고
매끈합니다. 리듬감도 나쁘지 않고 고음으로 뻗어나갈 때 짜릿한
쾌감도 있습니다. 반면에 Ladder DAC 방식의 소리는 음 하나 하나를
완벽하게 재생한다는 느낌은 들지 않습니다. Delta-sigma형 DAC의
경우는 악기 구분을 굳이 티를 내어 분석적으로 들려주는 편이고,
Ladder DAC은 굳이 따져서 듣지 않으면 별로 티가 나지 않습니다.

이런 측면에서 Delta-sigma 방식이 보다 섬세하다라고 말할 수
있습니다. Delta-sigma 원리상 디지털 신호 처리 기술을 이용해서
잡음을 비가청 대역으로 밀어낸 것이므로 당연하다고 할 수 있고
이런 디지털 신호 처리 기술이 날로 발전해서 지금의 Delta-sigma
Chip 들은 누가 더 섬세한가의 경쟁을 하는 듯합니다.

그러나 섬세하다는 것이 꼭 음악적이라는 것은 아닙니다. 음악들을
자세히 듣다 보면 이 차이점을 느낄 수 있습니다. Delta-sigma
방식으로 재생할 경우 소리 두께가 대체로 얇아집니다. 대신 가늘고
섬세해 지는 느낌이 듭니다. 이 정도 성향 차이는 개인간의 취향에
따라 좋고 나쁘고가 갈리겠지만 결정적인 문제점은 시원스럽게 소리가
뻗는다는 느낌이 들지 않고, 복잡한 악기 소리가 어울린 음악을
재생하면 Delta-sigma 방식은 스테레오 이지미가 약간 무너지면서
악기들이 제 위치를 찾지 못하며 혼란스러운 소리를 들려줍니다.

반면에 Ladder DAC은 소리가 고역에 치우치지 않고 전 주파수 대역의
소리를 균형감 있게 재생합니다. 따라서 총주에서 훨씬 더 조화롭고
편안합니다. 음악을 장시간 들어보면 Ladder DAC의 소리가 별 부담이
없지만 Delta-sigma 방식은 디지털 피로감을 느끼게 합니다. Ladder
DAC의 소리는 어떤 의미에서 더 자연스럽고 보다 음악적입니다. 이런
이유로 저희가 Ladder DAC 기술을 고집하는 것입니다.



부활을 뛰어 넘는 재창조를 위한 노력

1.Real 24bit R2R Ladder DAC technology

당사가 보다 음악적이라고 생각하는 Ladder 방식의 DAC을
만들기로 결심하고 기술 조사를 해 본 결과 최신 오디오 규격인
24bit/192kHz 음원을 재생할 수 있는 전통 방식의 Ladder DAC Chip이
세상에 존재하지 않는다는 것입니다. 비슷한 기능을 하는 chip이 하나가
있지만 이마저도 기존의 제품을 생산하던 고객에게만 제공 될 뿐입니다.
가격도 Delta-sigma chip에 비해 10배 정도 비싸고 대량으로 구하기도
힘듭니다. 더구나 완전한 정통 방식도 아니기에 장점도 있지만 단점도
큽니다. 이외에도 단종은 되었지만 아직 구할 수는 있는 18bit, 20비트
Ladder DAC에 대한 시험도 진행해 보았지만 역시 원하는 음질을 얻지는
못했습니다.

여러 실험과 고민 끝에 정통 방식으로 생산되는 Ladder 방식의
Chip중 가장 고성능인 Analog Device 사의 16bit DAC Chip을
채널 하나 당 2개씩 정합하여 24bit로 확장시키는 방법을 채택하게
되었습니다. Ladder 방식의 DAC칩들은 Laser Trimming 기법을 통해
일일이 저항값을 맞추기 위한 노력이 들어가 있지만 제조 공정의
특성상 품질이 균일하지 않습니다. 그래서 DAC 제조 업체들은
좋은 품질의 제품을 따로 선별하여 marking을 다르게 하고 더 높은
값으로 판매합니다. Analog Device사에서는 보다 좋은 품질의 제품을
J grade로 구분하여 판매합니다.

그러나 높은 grade의 제품이라고 하더라도 제품 내에서 품질 편차가
존재합니다. 이러한 불균일성을 해결하기 위해 2가지 방법이 고안되어
있습니다. 여러개의 Chip을 병렬로 사용하여 특성을 상호 보완하는
방법과 Chip을 다시 선별하여 우수한 것만 추려내는 방법입니다.
저희가 실험한 결과로는 하나에 채널에 여러개의 Chip을 병렬로
사용하는 방법은 적합하지 않았습니다. DAC Chip의 신호처리 특성이
한 쪽으로 치우져저 있기 때문에 그냥 하나의 Chip을 사용하는 것보다는
좋지만 완벽한 해결책이 되지 않습니다. 따라서 FireBird에는 J grade
chip을 다량 구매하여 별도로 제작한 장비를 통해 특성이 우수한 것만
선별하여 사용합니다. 실제 약30%의 칩만 사용되고 나머지는 버려집니다.
이렇게 선별된 Chip들은 최고 성능을 가지는 Audio Precision SYS-2722
측정 장비를 사용하여 고정밀 가변 저항을 일일히 조정하여 수동으로
튜닝됩니다. 제품 하나당 선별과 튜닝에만 2시간이 소요됩니다.

2.Custom DSP Algorithm

FireBird DAC은 내부적으로 최대 768kHz의 sampling rate의
오디오 신호를 처리할 수 있습니다. 입력되는 모든 오디오 신호는
음질 향상을 위해 oversampling 됩니다. CD 품질의 44.1kHz와 DAT
품질의 48kHz 오디오 신호는 16배 oversampling 됩니다.

Oversmapling DSP 알고리즘으로 선형 위상(Linear Phase)과
최소 위상(Minimum Phase)이 조합되어 사용됩니다. 서로 다른
특성의 알고리즘을 다단 방식으로 조합하여 사용한 것은 장시간의
시청 테스트 결과 이 방식이 가장 음질이 우수했기 때문입니다.
Low Pass Filtering에는 Sharp Roll Off 특성인 apodizing
필터를 사용하였습니다. 이와 같이 복잡한 DSP Custom Filter를
구현하기 위해서 최신 DAC 등에 적용된 바 있는 Xilinx 사의
Spartan FPGA가 동원되었습니다.

3.DSD 지원

DSD 재생을 지원합니다. 신호 프로토콜은 DoP(DSD Over PCM)
버전 1.0과 1.1 모두를 지원합니다. 현재 Beta version 상태로
음질을 다듬고 있습니다. 곧 정식 발표될 예정에 있습니다.
DSD 지원에 있어 HW적 수정은 없으며 Xilix FPGA 펌웨어 수정을
통해 기능 추가가 이루어집니다.



4.Output Stage

아날로그 출력 단으로 기존에 많이 사용되는 Active 방식의
I/V Conversion 방식은 Feedback을 사용하기 때문에 문제가
발생합니다. Feedback의 기본 원리는 오차가 발생하면 그것을
입력에 반대로 가하여 보정하는 것입니다. 이 Feedback은 출력에서
입력으로의 무한 반복 구조이므로 불필요한 과도 응답 특성은 피할 수
없는 것입니다. 오디오와 같이 변동이 심한 신호에 대해서는 과도 응답
특성의 영향이 더욱 커지며 결국 과도 응답 특성이 소리의 질 및 성향을
결정하게 됩니다.

자연스럽고 시원한 (혹은 호방한) 소리를 얻기 위해서는 Feedback
및 Active 소자의 사용이 최대한 억제하기 위해서 I/V Conversion에는
Passive 방식과 Active 방식이 조합되었고 I/V Conversion과 2개 DAC
신호의 Mixing이 오로지 1단의 Active 소자에서 동시에 이루어지도록
구성되었습니다. 이 1단의 Active 소자도 Feedback 량을 적절히
제한하여 배경이 조용하면서도 순도 높고 호방한 소리의 조화를
추구하였습니다. 또한 최종 출력값을 정밀 조정하여 음질에 악영향을
미치는 DC Blocking Condensor 사용하지 않습니다.

그리고 출력 증폭 단 회로도 음의 순도를 높이기 위해 단순화하고
비교 청취를 통해 Analog Device의 OPAMP로 결정하였습니다. 당초
출력 증폭 회로 역시 상용 OPAMP가 아닌 Discrete 방식을 사용하는
안도 있었지만 Analog Device의 OPAMP의 음의 완성도가 높았기에
그대로 채택하게 되었습니다. 문제는 출력 회로 특성에 따라 소리가
변화되어 디지털 필터를 그때마다 다시 조정할 필요가 있었다는
점입니다. 이 작업 역시 반복 청취를 통해 여러 가지 알고리즘을
다시 비교하고 세부 값을 조정하였습니다.

5.Power Supply

전원부는 전통적인 리니어 파워 구조로 설계하였지만 부품의 선정은
완전히 일신하였습니다. 트랜스포머로 잡음이 적으면서도 누설자속이
가장 작은 R-CORE를 사용하였으며 디지털과 아날로그 전원을 분리하여
상호 간섭이 없도록 하였습니다. Recovery Time이 대단히 짧은 고성능
다이오드를 사용하였으며 레귤레이터 IC 역시 전통적으로 사용하는
부품들이 아닌 저잡음 부품들을 사용하였습니다. 각 전원 채널당
10,000uF에 이르는 컨덴서를 사용하여 안정화를 추구하였습니다.

6.XMOS USB Solution & Master Clock

컴퓨터 기반 오디오를 지원하기 위해 24bit/192kHz 비동기 방식을
지원하는 XMOS 칩 셋이 탑재하였습니다. 고정밀 클락을 채택하여
지터를 최소화하였습니다. 2개의 클락 오실레이커가 사용되었으며
이 부품의 최대 지터 수치는 온도와 갱년 변화, 진동의 변수를 모두
고려하여 산출하면 다음과 같습니다.

22.5792MHz, 885 femto sec max jitter
24.5760MHz, 814 femto sec max jitter

USB 이외에 디지털 Optical, Coaxial, AES/EBU 입력이 가능하며
입력 Isolation로 위해 Scientific Conversion 사의 Pulse
Transformer를 채택하여 지터를 최소화하였습니다.



소리 성향

DAC 개발시 추구했던 소리 성향은 굵고 호방하면서도 세부 표현이
가능하고 부드러워야 한다는 것입니다. 사실 소리 성향이 굵고 호방한
것과 세부 표현이 좋고 부드럽다는 것은 상호 모순적인 것입니다.
그러나 이런 명제를 내세우고 DAC을 개발하게 된 것은 Ladder DAC의
장점에 Delta-sigma 방식이 가지는 섬세함 이라는 장점을 더하고
싶었기 때문입니다. 그렇기 때문에 DAC 칩의 선정에서부터 시작해서
디지털 필터, 정합 회로, I/V 변환 회로, 최종 출력 방식을 수없이
변경하고 다시 설계해야 했습니다.

물론 저희 제품이 세상의 어떤 DAC보다 호방하거나 세밀하지는
않습니다. 가장 호방한 것은 과거에 생산된 T란 특정 회사의
Ladder DAC가 최고이며, 가장 세밀한 것은 현재 생산되는 모 회사의
Delta-Sigma DAC가 최고입니다. 저희 DAC은 너무 호방해서 거칠어
섬세하지 못하고 반대로 너무 섬세해서 가늘어 버리며 인공적인 소리를 내는,
어느 한쪽에 치우쳐 버리는 소리가 아닙니다. 균형 감이라는 기본 틀을
유지하면서 높은 해상력, 저음의 박력, 빠른 응답, 자연스러움, 소리의
호방함, 시원함 등을 추구하여 더욱 완성도 높인 소리를 재생합니다.
이런 소리의 성향은 저희가 생각하기에 가장 음악적인 DAC에 가까운
것으로 만들어질 때 필수적으로 가져야 할 덕목이자 좋은 DAC의 필수
성향 조건이라고 생각합니다.

Specs

* DAC Technology : 독자 개발 24bit 768kHz R2R Multi-bit Ladder
* DAC Chip : 수동 선별한 Analog Device AD1851RZ (J grade) x4
* DSP : Xilinx Spartan FPGA with x16 oversampling,
Linear & Minimum Phase Oversampling,
Apodising Filter * Custom Filter Design
* Data rate : PCM 24bit/192kHz, DSD
* Digital Input : USB Audio Spec 2.0(Asynchronous) x1, Optical x1, SPDIF Coax x1, AES/EBU x1
* Analog Output : Un-Balanced RCA 2.2V, Balanced XLR 4.4V
* Power Supply : R-Core Transformer Linear Power Supply, Analog와 Digital 전원 분리
* Dynamic Range : 120dB
* THD : 0.004%
* Dimension(WxDxH) : 436x305x54mm(with Foot 63.5)
* Case Material : 100% Aluminum Alloy
* Power consumption : Under 10W