차동 출력

차동 출력(Fully Differential Output)이란 하나의 오디오 신호를 위상이 정반대인 두 개의 신호(Positive, Negative)로 동시에 출력하는 회로 구조를 의미합니다. 일반적인 Op-Amp가 출력 단자가 하나인 Single-Ended 방식인 것과 달리, 최신 고성능 오디오 IC(PGA2500, THAT1580 등) 및 FDA(Fully Differential Amplifier)는 두 개의 출력 단자를 가집니다.

차동 출력 장치는 기준점(GND)을 중심으로 신호를 내보내는 것이 아니라, 두 출력 단자 사이의 전위차를 이용합니다.

• $V_{OUT+}$: 입력 신호와 동일한 위상의 신호
• $V_{OUT-}$: 입력 신호와 180도 반전된 위상의 신호
• 최종 출력: $V_{diff} = (V_{OUT+}) - (V_{OUT-})$

결과적으로 두 단자는 서로 거울을 보듯 반대로 움직이며 신호를 전송하게 됩니다.

회로 기판 내부에서 발생하는 전자기 간섭(EMI)이나 디지털 노이즈가 신호선에 유입될 때, 두 선에 동일한 위상으로 유입됩니다. 이를 받는 ADC(A-D 컨버터) 단에서 두 신호의 차이만 취하면, 공통적으로 포함된 노이즈는 수학적으로 제거됩니다. 이는 우리가 사용하는 밸런스 케이블(XLR)의 원리를 기판 내부 칩 레벨에서 구현한 것입니다.

공급 전압이 낮은 최신 저전력 기기(예: 5V 단일 전원 인터페이스)에서 매우 유리합니다.

• 일반 출력($V_{pp}$)에 비해 차동 출력은 두 위상의 차이를 사용하므로 이론적으로 전압 스윙 폭이 2배(약 6dB) 늘어납니다.
• 낮은 전압에서도 더 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 확보할 수 있어, 버스 파워 기기의 성능 한계를 극복하게 해줍니다.

하이엔드 ADC(AKM, ESS Sabre 등)는 대부분 입력단이 차동 구조로 설계되어 있습니다.

• ADC 내부의 스위칭 노이즈를 억제하기 위해 차동 입력을 요구하는데, 여기에 신호를 공급하는 앞단(Driver) 역시 차동 출력이어야 신호 손실과 왜곡 없이 데이터를 전달할 수 있습니다.

차동 구조는 신호의 대칭성을 이용하기 때문에, 회로 소자의 비선형성으로 인해 발생하는 짝수차 고조파 왜곡(Even-order Harmonics)을 상쇄시키는 물리적 특성이 있습니다. 이를 통해 더 투명하고 중립적인 사운드를 구현합니다.

• $V_{OCM}$ (Output Common-mode Voltage): 차동 출력의 중심 전압을 설정하는 핀입니다. ADC의 입력 허용 전압(보통 전원의 절반)에 맞춰 프리앰프의 출력 중심을 정렬할 때 사용합니다.
• FDA (Fully Differential Amp): 입력부터 출력까지 모든 경로가 차동인 연산 증폭기를 의미하며, OPA1632 등이 대표적입니다.