실험 6. Audio Amp & Voice Recorder

실험 6. Audio Amp & Voice Recorder

기초전자실험 1


1. 실험목적

TDA2003(Audio Power Amplifier) 및 ISD2560(Voice Recorder / Playback

device)를 이용한 음성 녹음기 및 오디오 앰프를 제작해 보고 그 동작원리를 이해

한다.

2. 실험관련 이론

1) 앰프(Amplifier)란 무엇인가?

일반적으로 우리들에게 소리를 들려주는 모든 기기에는 앰프가 설치되어 있

다. 앰프란 간단히 말해서 입력되는 신호를 우리가 들을 수 있게 증폭시켜 주는 역

할을 하는 기기, Amplifier의 약자로 우리말로는 '증폭기'라고 할 수 있다. 우리들이

일반적으로 앰프라고 하면 전면에 수많은 조작 버튼이 달리 복잡한 기기라고 생각

하기 쉬우나 사실은 그렇지 않다. 앰프는 소형 워크맨에서부터 고급형 오디오까지

어디에든 들어있다. 앰프의 가장 기본은 어디까지나 소리의 증폭이므로 음원에서

나오는 소리를 가장 그대로 임의의 소리를 첨가하지 않고 증폭시키는 것이 앰프의

가장 중요한 기능인 것이다.

2) 앰프의 종류

Pre Amp

Pre Amp는 쉽게 말해 음원 소스를 정리 정돈 역할을 하는 기기이다. CD,

DVD, LP 및 튜너 등에서 들어오는 입력되는 신호를 선택 분리 조정해주는 곳으로,

LP Player나 마이크 등에서 들어오는 신호가 너무 불규칙하여 파워앰프에서 바로

증폭하기에 무리가 있기 때문에 이퀄라이저 (Equalizer) 라는 곳에서 신호를 평탄하

게 해주고 크기도 다른 신호와 같게 (Equal) 해주는 것이다. 이렇게 조정된 신호는

앰프의 컨트롤부로 보내져서 사용자들이 신호를 조절해서 사용할 수 있게 해준다.

그래서 Pre Amp를 흔히 Control Amp라고 부르기도 한다.

Power Amp

Power Amp는 Pre Amp에서 들어온 신호를 스피커를 동작시키기 위한 전력

을 만들어주는 곳이다. 따라서 실질적으로 '증폭'이라는 원래의 앰프의 역할에 맞는

것이 바로 Power Amp이며 그래서 다른 말로 'Main Amp'라고도 불리는 것이다.

Integrated Amp



Integrated Amp란 Pre Amp와 Power Amp를 하나로 합친 것이다. 때문에

다른 말로 Pre Main Amp라고도 불리며, 80, 90년대에 우리나라 중급형 Amp(흔히

전축이라고 말하는)의 대부분이 이 Integrated Amp였다.

Receiver Amp

Receiver Amp란 Integrated Amp에 방송수신을 할 수 있는 튜너(Tuner)를

포함한 것으로 종합형 앰프라고 한다. 최근에는 홈씨어터의 확산으로 인해 각종 음

향 포맷의 Decorder를 장착한 AV Receiver가 많이 사용되고 있다.

3) 앰프와 관련된 용어

출력

회사들이 자사 제품을 광고 할 때 제품의 출력이 얼마나 되기 때문에 박력

있는 음을 느낄 수 있다는 그런 광고를 자주 하기에 일반인들은 그런 광고를 접하

게 되면서 자연스레 출력이 높으면 높을수록 좋은 앰프라는 선입견을 가지기 쉽다.

그러나 이것은 엄연히 틀린 것이다. 일단 광고에서 흔히들 사용하는 출력에 관해

알아보면 그 기기에 어울리지 않게 높은 출력을 자랑하는 제품들을 보면 대부분 '

순간출력(PMPO)'나 '뮤직파워' 등의 수치를 가지고 잘 모르는 일반 소비자들을 속

이는 것이다. '순간출력'이란 말 그대로 어떤 한 순간에 낼 수 있는 최대치를 나타

낸 것으로 그 수치를 계속 유지해서 내보낸다는 의미가 아니다. '뮤직파워'에 대해

서 이야기 하기 전에 일단 이번 출력에 관한 내용의 골자인 정격출력/실효출력에

대해 일단 알아보자. 실효출력 표시방식은 '실효출력(1kHz)20Hz~20kHz, 100W' 라

고 표시하는데 이것은 인간의 가청 주파수 대역에서 주파수는 1KHz를 사용하고 저

항은 8옴에서 100W의 출력을 낸다는 표시이다. 그러나 실효출력과는 달리 뮤직파

워는 8옴의 저항이 아니라 4옴의 저항에서의 출력 수치를 나타낸다. 따라서 출력이

약 1.5정도 높은 수치로 나타난다. 이것은 간단히 말해 8Kg의 물건을 들고 뛸 때의

속도와 4Kg의 물건을 들고 뛸 때의 속도의 차이와 비슷하다고 할 수 있다.

그러한 광고들에 익숙해진 일반인들은 앰프를 선정 할 때 출력에만 비중을

두기 쉬운데 이것은 크나큰 과오다. 일반 가정에서 음악을 들을 때의 출력은 5에서

10와트 내외이다. 물론 영화 등을 감상 할 때 폭발음 같은 장면이나 클래식음악에

서의 클라이막스 부분에서는 순간적으로 많은 출력이 요구되지만 무조건 큰 출력을

가졌다고 낮은 출력의 앰프보다 좋은 것이라고는 할 수 없다.

주파수 대역

앰프가 안정적으로 증폭할 수 있는 주파수의 대역을 말한다. 인간의 가청

주파수 대역은 20Hz~20KHz로 파악되고 있는데 대부분의 앰프는 이 주파수 대역

보다 넓은 대역을 증폭할 수 있게 설계되어있다. 이는 사람마다 개인차가 있을 뿐



만 아니라 증폭할 수 있는 주파수의 한계부분에는 주파수의 일그러짐이 일어날수

있기에 대부분 넓게 설계되어있는 것이다. 따라서, 주파수 대역은 넓을 수록 좋다

고 할 수 있다.

신호 대 잡음비(S/N, Signal to Noise Ratio)

요즘에 만들어지는 앰프들은 잡음의 수치가 크게 줄어들어 크게 의미는 없

는 수치이다. 일반적으로 90dB정도면 괜찮고 높을수록 좋다.

의율 / 왜율 (THD, Total Harmonic Distortion)

실효 출력과 함께 좋지 못한 신호(고조파 성분)의 비율을 나타낸다. 대개

0.1에서 0.09% 정도면 괜찮고, 비싼 기기들은 0.01%까지도 한다. 수치가 낮을수록

좋다.

크로스토크(Crosstalk)

단어 그대로 엇갈린 음을 나타낸다. Front에서 나와야 될 소리가 Rear에서

나오는 즉, 채널 사이의 소리가 새어나가는 것을 말하는데 요즘은 거의 없거나 있

어도 신경 쓸 수 없을 정도로 미미한 정도이다.

댐핑 벡터(Damping Vector)

수치적인 계산은 스피커의 임피던스를 앰프의 출력 임피던스로 나눈 것이다.

쉽게 말하면 앰프가 스피커를 제어하는 능력을 수치적으로 나타낸 것이다. 크면 클

수록 저음쪽에 능력이 크다고 보면 된다. 20-25 정도면 이상이 없고, 대부분 80정

도의 수치를 나타낸다.

라우드니스 컨트롤(Loudness control)

인간의 귀는 음의 레벨 크기에 의해 각 주파수에 대한 감도가 달라지기 때

문에 음량이 적어질수록 저음과 고음은 듣기가 어렵다. 이것은 프레챠와 만손이 연

구한 것으로, 특히 소음량시의 저음,고음의 부족감을 보충해 주기 위한 것이 라우

드니스 컨트롤이다.

톤 컨트롤(Tone Control)

톤 컨트롤은 음색을 조정하는 것으로 대부분 저음과 고음을 각각 따로 조정

할 수 있도록 되었는데, 저음용은 베이스 컨트롤(Bass Control)이라고 하고 고음용

은 트레블 컨트롤(Treble Control)이라고 한다.

4) 옥타브에 따른 주파수



음계는 어떤 음을 기점으로 하여 1옥타브 위의 같은 이름의 음에 도달할

때까지 특정한 질서에 의해 배열된 음열을 말한다. 한 옥타브 안의 음은 주파수를

logarithmic scale로 나눈 것이다. 예를 들어, 우리는 10㎐와 500㎐ 사이의 차이를

490㎐라 표현할 수 있다. 그러나, 옥타브는 이것을 대수적 차이로 묘사한다. 옥타

브는 음의 높이는 다르나, 어떤 음에서 위, 아래로 같은 이름의 음인 8번째 음과의

간격으로서, 두 음높이간의 간격은 2배로 인식된다. 예를 들어 C3(다장조에서의

‘도’음)은 약 261.6Hz의 주파수를 갖고, 한 옥타브 위인 C4는 523.2Hz, 그리고 한

옥타브 아래인 C2는 130.8Hz이다.

음악에서는 이미 옥타브란 용어가 널리 알려져 있음을 알고 있을 것이다.

아래 그림의 피아노에서 같은 문자의 두 음 사이의 주파수 차이가 옥타브인데, 음

악 기구의 튜닝을 위한 국제적 표준음은 가운데 C 위의 A로 주파수가 440㎐이다.

이 음보다 한 옥타브 높은 음의 주파수는 880㎐가 되고 낮은 주파수는 220㎐가 된

다. 따라서 우리는 옥타브가 대수적 관계를 가짐을 볼 수 있다.

두 주파수 사이의 옥타브 수를 구하기 위해서는 다음의 공식을 이용하는데,

여기서 fl은 하위 주파수 fu는 상위 주파수이다.

5) TDA2003에 대한 대략적 설명

pin 1 : Vin+

pin 2 : Vin-

pin 3 : GND

pin 4 : Vout

pin 5 : VDD

TDA2003은 TDA2002 모델의



후속으로 나온 모델로서 3.5A의 output current capability를 가지고 있고, 낮은

harmonic 및 crossover distortion을 나타낸다. 또한 외부 회로가 short 되었을 때,

과열되었을 경우, 순간적으로 VDD 단자에 40V 이상의 과전압이 걸렸을 경우,

그리고 ground가 open 되어있는 상황에서 내부 회로를 보호할 수 있는 기능이

갖추어져 있다. 최대 DC 공급전압은 18V이다.

- Music output power : 7W / 4Ω

- RMS output power : 3.5W / 4Ω and 2W / 8Ω

- Total harmonic distortion : 0.05% (1W / 1kHz)

- Frequency response : 20Hz ~ 20kHz (-3dB)

- Input sensitivity : 40mV / 150kΩ

- Power supply : 15VDC (8 ~ 18VDC) / 0.5A

- Signal-to-Noise ratio : 86dB

보다 자세한 사항은 다음 매뉴얼을 참조하도록 한다.

메뉴얼 : http://www.arcadehelp.com/manual/datasheets/tda2003.pdf

6) ISD2560에 대한 대략적 설명

ISD2560 (DIP type) 은 single chip으로 된 voice record/playback device이

다. 칩이 작동하는데 필요한 supply voltage는 DC 5V이며, clock은 칩 내부의

oscillator에 의해 생성된다. 각 핀에 대한 description은 다음 그림과 매뉴얼을 참



조하도록 한다.

메뉴얼: http://www.winbond-usa.com/products/isd_products/chipcorder

/datasheets/2560/ISD2560.pdf

7) Voice Recorder(ISD2560)의 Block Diagram



- REC (Record) mode

PLAY / REC 선택 스위치를 REC으로 ON 시키면 REC mode가 된다. Voice

Recorder는 MIC, MIC REF의 두 가지 입력 신호를 받아서 Pre-Amp에서 Signal 성

분들을 평탄하게 만들어 (Equalizer) 준다. 그리고 나서 Amp를 통해서 증폭이 되고,

잡음 제거 필터에서 필요 없는 주파수 성분을 제거해 준다. 필터를 거쳐서 나온 신

호는 비휘발성 메모리에 저장된다. 이 때 메모리가 비휘발성이므로 전원을 차단시

켜도 음성 신호 데이터는 그대로 메모리에 유지된다.

- PLAY mode

PLAY/REC 선택 스위치를 PLAY로 ON 시키면 PLAY mode가 된다. REC

mode를 통해서 메모리에 저장되었던 음성 신호 데이터는 다시 한번 필터를 거쳐서

보다 부드러운 음성 정보가 나오도록 해주며, 필터를 거쳐 나온 데이터는 다시

Amp를 거쳐서 증폭된 후, 최종적으로 스피커를 통해 저장되었던 음성이 출력된다.

8) TDA2003을 이용한 Audio Amp 회로도 (만능기판에 직접 납땜해서 구현)



9) ISD2560을 이용한 Voice Recorder 회로도 (Bread-Board에 꼽아서 구현)



3. 실험준비물

(공용)

- 스피커

- 납땜장비

- Function generator

- DC power supply

- Oscilloscope

(각 조별)

- 도선 및 납, 지지대, 만능기판, Bread-Board

- Audio Amp 회로에 쓰일 부품들

No Spec Function Note

IC1 TDA2003 Audio Power Amplifier

C1 8.2 nF 세라믹 콘덴서

C2 100 nF 세라믹 콘덴서

C3 100 nF 세라믹 콘덴서

C4 10 μF 전해 콘덴서




R1 100 Ω 저항

R2 4.7 Ω 저항

R3 100 Ω 저항

R4 1 Ω 저항



- Voice Recorder 회로에 쓰일 부품들

No Spec Function Note

U1 ISD2560 Voice Record/Playback Device

C1 0.1μF 세라믹 콘덴서


C3 47μF / 16V 전해콘덴서


C5 220μF / 16V 전해 콘덴서

C6 0.1μF 마일러 콘덴서



C9 4.7μF / 16V 전해 콘덴서

R1 100kΩ , 1/4W, 5% 저항

R2 100kΩ , 1/4W, 5%

R3 10kΩ , 1/4W, 5%

R4 1kΩ , 1/4W, 1%

R5 10kΩ , 1/4W, 5%

R6 10kΩ , 1/4W, 5%

R7 5.1kΩ , 1/4W, 5%

R8 470kΩ , 1/4W, 5%

SW1 Push button

SW2 Push button

SW3 Select switch

MC1 콘덴서 마이크

※개인 준비물 : 3.5인치 디스켓 1장



4. 실험방법 및 유의점

※실험시 유의사항

- 조립 후 측정시 function generator, DC power supply, oscilloscope와

키트의 외부단자를 완전히 연결한 후 전원을 turn on 시킬 것

- Function generator의 출력 amplitude는 최소로 유지시킬 것

- DC power supply의 전압은 15V로 유지할 것

[1] Audio Amp

Audio Amplifier를 제작하고 Function generator를 통해서 입력된 다양한 주

파수의 신호를 증폭하는 것을 Oscilloscope 및 Speaker로 확인해 본다.

1) 2-8)에 주어진 Audio Amp 회로도를 바탕으로 만능기판에 각 부품들을

꼽고 납땜을 해서 회로를 완성한다. (납땜을 시작하기에 앞서 만능기판의 모서리에

4개의 지지대를 꼽아서 납땜을 용이하게 한다.

=> 납땜을 하지 않고 Bread Board에 구현 해도 무방함

(단 Bread Board에 구현할 경우 마지막 단계에서 Audio Amp를 사용해야 하

므로, 분해 하지 말 것!!!)

2) Function generator에서 주파수 1kHz, peak-to-peak 100mV의

Sinusoidal Wave가 나오도록 조절한다. 완성된 Audio Amp에 전원 15V를 Power

Supply로부터 가하고, 입력으로 Function generator를 연결한다. 그러고 나서 출력

에 Oscilloscope를 연결해서 Magnitude을 측정한다.

=> 입력과 출력의 파형을 각각 이미지 파일로 저장하고 Gain을 계산한다.

3) 이번에는 입력 신호의 진폭은 그대로 둔 채, 입력 주파수를 변화시켜가

면서 (10Hz ~ 1MHz) Gain(진폭)이 0.707 배가 되는 지점을 찾는다. 추가로 10Hz,

100Hz, 500Hz, 1kHz, 2kHz, 5kHz, 10kHz, 50kHz, 100kHz, 200kHz에서의 파형을

각각 찾아서 그 때 마다 Magnitude와 Phase를 측정한다.

=> 입력과 출력의 파형을 각각 이미지 파일로 저장한다.

4) 3)에서 측정한 주파수에 따른 Magnitude, Phase를 바탕으로 Bode Plot

(Magnitude, Phase)을 그려보고, 2-5)에서 주어진 Frequency Response 값과 비교

해보자.

5) 위에서 구한 gain 및 frequency response를 이용해서 finite gain과

bandwidth를 갖는 linear macro-model을 설계해보자. (Microelectronics, Sedra /



Smith Ch 2.9, Page.115 참조)

6) Pre-Report에서 조사한 각 음계의 주파수를 맞추어 Function Generator

로부터 Sinusoidal Wave를 Audio Amp의 입력에 인가한 후, 스피커를 연결해서 다

른 음계의 소리가 나오는지 확인한다. (스피커 연결 시 조교를 불러서 소리가 나옴

을 확인하고 다음 단계로 진행한다)

[2] Voice Recorder

1) 2-8)에 주어진 Voice Recorder 회로도를 바탕으로 Bread-Board에 각

부품들을 꼽아서 회로를 완성한다.

2) 회로가 완성되면 본인이 낼 수 있는 최저 주파수의 음성과, 최고 주파수

의 음성을 녹음해보고, Speaker 출력 단자인 SP+와 SP-에 Oscilloscope를 연결해

서 저장된 음성을 확인하고, 각각의 주파수를 측정하고, 각각의 파형을 저장한다.

=> 음성이 나오는 부분에서 Auto Set을 눌러서 noise 신호와 구분이 되는

신호가 나와야 한다. 음성 신호가 나올 때 Stop 버튼을 눌러서 파형을 저장해서

noise일 때와 비교한다. 최저 주파수의 음성과 최고 주파수의 음성의 Oscilloscope

화면을 저장하고 이를 결과 보고서에 첨부한다. 그리고 각 음성의 주파수를 기록한다.

3) 이번에는 출력 단자에 Speaker를 연결해서 실제 녹음한 음성이 재생되

는지 확인한다. (Speaker 연결 시 조교를 불러서 음성이 나옴을 확인한다)

[3] Voice Recorder 와 Audio Amp 연결 테스트

1) 이번에는 [1], [2]에서 제작한 Audio Amp와 Voice Recorder 회로를 연

결해서 Voice Recorder에 녹음된 음성이 증폭이 되는지 확인해 본다.

2) Voice Recorder 의 output 단자와 Audio Amp의 입력 단자를 서로 연결

한다. 이미 녹음되어 있는 음성을 재생해서 Audio Amp의 출력으로부터 증폭된 음

성을 확인한다.



5. Pre-Report

1) TDA2003 및 ISD2560 의 data sheet 조사

(Block diagram, Pin 정보 및 Electrical characteristics 등)

2) Audio Amp 회로도 상에서의 전압 gain 계산하기

3) C2부터 B6에 이르는 음계의 각 음계별 주파수 조사하기

※ Pre-Report는 표지를 제외하고 5page를 넘지 않을 것!!!

6. Final-Report

※ 실험 과정에 나온 질문에 대한 답을 하고, 실험 과정에서 얻은

Oscilloscope의 파형 화면을 첨부 한다.

작성: 김 지 훈

e-mail : [email protected]

수정: 김 봉 진


수정: 김 호 영


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실험 6. Audio Amp & Voice Recorder