2부. A2B 시작하기
2.1 A2B 기능의 이해
노드가 AC(라인) 전원을 사용하거나 차폐를 통해 공통 연결을 갖는 애플리케이션의 경우, 자동차 애플리케이션과 다른 접지 고려 사항이 있을 수 있으며, 이러한 차이점을 이해하는 것은 시스템 설계에 중요합니다.
2.2 팬텀 전원
A2B 데이터의 전기적 인터페이스를 살펴보기 전에, 오디오 엔지니어들이 익숙한 팬텀 전원 시스템과 다른 A2B 팬텀 전원의 작동 방식을 검토하겠습니다[1]. A2B의 차이점과 특히 자동차 이외의 용도에서 설계에 어떤 문제를 야기할 수 있는지 이해하기 위해 두 가지 일반적인 아날로그 팬텀 전원 시스템을 살펴보겠습니다.
가장 간단한 팬텀 전원 회로는 공통 소스 구성의 접합형 전계 효과 트랜지스터(JFET)를 포함하는 일렉트릿형 마이크를 사용하는 PC 및 유사한 저가형 애플리케이션에서 찾아볼 수 있습니다. 이 설계에서 증폭기의 절반(드레인 저항)은 그림 1과 같이 마이크가 연결되는 장비에 있습니다. 커플링 커패시터는 DC를 차단합니다. 일반적인 수신 저항(Rx) 값은 2.2kΩ이고 전원 전압은 5V입니다. 이 기본 설계에는 여러 변형이 있으며, 일부는 미니폰 TRS 잭을 사용하여 신호 연결에서 전원을 분리합니다.
단일 종단 시스템에서는 접지 및 차폐 문제가 발생하는데, 특히 차폐선을 연결할 금속 섀시가 없는 경우 더욱 그렇습니다. 그림 1에서처럼 차폐선을 귀환선으로 사용하는 것은 일반적이지만 바람직하지는 않습니다.
많은 독자들에게 더 익숙한 것은 IEC 61938 [1]에 의해 표준화된 48V 팬텀 전원입니다. 그림 2는 평형 라인을 통해 공급되는 팬텀 전원의 기본 개념을 보여줍니다. 양극 전압은 양극(+) 및 음극(-) 신호 모두에 인가되고, 전원 귀환 전류는 접지선을 통해 흐릅니다. 양쪽이 정합되었으므로 입력 장치 트랜스포머의 공통 모드 잡음 제거 기능이 전원 공급 잡음을 제거합니다.
두 개의 저항 RP(6.8kΩ)는 전체적인 공통 모드 노이즈 제거를 유지하기 위해 잘 정합되어야 하며, 마이크 측 출력 트랜스포머의 양쪽 부분도 정합되어야 합니다. 두 공급 전류는 마이크 트랜스포머에서 상쇄되어야 하는데, 그렇지 않으면 코어에 DC 바이어스가 발생하여 왜곡이 증가하기 때문입니다.
그림 2는 AES-48 [2]의 요구 사항을 포함하여 작성되었으며, 이는 실드가 섀시 접지에 직접 연결되고 "신호" 접지가 전원 리턴 경로 역할을 한다는 것을 의미합니다. 섀시와 신호 접지 사이의 연결은 그림에 나타나 있지 않습니다.
그림 1과 그림 2를 이해하면 다음 섹션에서 A2B 팬텀 전원의 작동 방식과 특정 응용 분야에서 사용 가능 여부에 대한 논의에 도움이 될 것입니다.
2.3 A2B 팬텀 전원
아날로그 오디오의 팬텀 전원 및 접지 문제에 대해 다시 한번 살펴보았으니, 이제 A2B 팬텀 전원 설계의 독특한 측면을 살펴보겠습니다. A2B 마스터 노드는 300mA를 공급할 수 있는데, 일반적인 A2B 전압인 5V~8V에서는 마이크나 ADC 및 DAC가 내장된 소형 DSP를 작동시키기에 충분한 전력입니다. 하지만 모든 좋은 것이 그렇듯, 처음 생각만큼 유용하지 않을 수도 있습니다.
A2B 시스템은 견고하게 설계되었습니다. 차량 정비는 매우 비용이 많이 들기 때문입니다. 케이블 단선, 접지 또는 배터리(일부 차량 시스템에서는 24V) 단락으로 인해 IC에서 연기가 나는 일이 없어야 합니다. 시스템이 고장 발생 위치를 알려주는 것은 비용 절감에 매우 중요합니다. 차량 구매 후 고장난 커넥터를 찾기 위해 차량 내부를 완전히 분해해야 한다면 고객에게 좋은 인상을 줄 수 없기 때문입니다.
자동차 애플리케이션에 유용한 A2B 기능은 다른 애플리케이션에서도 고려해야 합니다. 그림 3은 로컬 전원 공급 노드가 A2B 네트워크에서 하나 이상의 버스 전원 공급 슬레이브에 팬텀 전원을 공급하는 방식을 자세히 보여줍니다. 그림 3은 마스터 노드가 팬텀 전원을 공급하는 것을 보여주지만, 로컬 전원 공급 슬레이브 노드도 이러한 역할을 수행할 수 있습니다. 전체 A2B 네트워크에서 각 노드가 로컬 전원으로 구동될 수 있습니다
그림 4의 간략화된 다이어그램에서 시스템 수준의 팬텀 전원 문제를 자세히 살펴보기 전에 현재 사용 가능한 A2B IC의 작동 방식을 이해해야 합니다. 먼저 A2B에 필요한 사항과 이전에 설명한 아날로그 오디오 팬텀 전원 방식의 요구 사항을 비교해 보겠습니다.
2.4 로컬 전원 공급 노드
전원을 공급하는 노드는 하드웨어 손상을 유발할 수 있는 다양한 버스 오류를 감지할 수 있는 기능을 갖추고 있습니다. 이는 여러 가지 방법으로 구현됩니다. 그중 하나는 IC에 대한 SENSE 신호입니다. P형 금속 산화물 반도체(PMOS) 하이 사이드 스위치를 통해 노드는 팬텀 버스 전원 공급을 제어할 수 있습니다. 잘못된 전압이 감지되면 IC는 PMOS 스위치를 끌 수 있습니다. 이 감지 기능은 또한 슬레이브 노드의 전원 라인에 작은 다이오드/커패시터/저항 네트워크(그림 3의 버스 전원 공급 슬레이브에는 표시되지 않음)를 연결하여 다운스트림 노드가 로컬 전원 공급을 받고 있는지 여부를 판단하는 데 사용됩니다. SENSE 신호는 또한 BP 라인에 전압이 없어야 할 때 전압이 존재하는지 여부를 감지할 수 있습니다.
다이오드는 비정상적인 배선 오류가 전파되는 것을 방지합니다. 모든 노드가 로컬 전원으로 구동되는 A2B 애플리케이션의 경우, 케이블 오류 감지 기능을 제외하면 이론적으로 해당 회로는 필요하지 않습니다. 기본 소프트웨어 스택은 케이블 오류를 감지하도록 설계되어 있으므로, 이러한 애플리케이션을 구현하려면 추가적인 소프트웨어 작업과 트랜시버 IC에 있는 수십 개의 제어/상태 레지스터에 대한 심층적인 이해가 필요합니다.
BN 라인의 오류는 다운스트림 노드의 리턴 라인이 로컬 전원으로 구동되는 노드(그림 3에 표시된 마스터 노드)의 로컬 접지 신호에 직접 연결되지 않고 VSSN 핀에 연결되기 때문에 감지할 수 있습니다. VSSN 핀은 내부 N형 금속 산화물 반도체(NMOS) 스위치를 통해 접지에 연결됩니다.
자동차 시스템에서는 전원과 여러 데이터 연결이 하나의 커넥터에 통합되어 있으므로 +12V 단락으로부터 보호하는 것이 중요합니다. 자동차 이외의 용도에서는 일반적으로 박스 간의 오디오 커넥터에 전원이 공급되지 않으므로 양극 전원 단락 오류는 크게 문제가 되지 않습니다. 커넥터 핀 간의 단락, 접지 단락, 단선 등을 찾는 것은 문제 해결에 매우 유용합니다.
개시 및 공매도에 대한 이러한 견고함에는 대가가 따릅니다—Figure 4 should make that more obvious. 양극 전원 라인은 PMOS FET의 포화 전압과 케이블 및 커넥터의 기생 저항으로 인해 각 노드에서 전압 강하를 일으킵니다. V+와 VGND는 전원 공급 연결이며, VGND는 로컬 전원 공급 장치 또는 오디오 박스 간의 공통 차폐 연결을 통해 공통 접지에 연결된다고 가정하는 것이 합리적입니다.
Analog Devices의 데이터시트[3]에 나와 있는 절차에 따라 그림 4에 표시된 세 개의 노드를 예로 들면, 총 5m 길이의 22 AWG 전선을 사용했을 때 전선의 저항은 약 0.26Ω이고, 네 개의 커넥터(EVM 보드에 사용된 DuraClik을 가정)의 저항은 각각 0.04Ω으로 총 저항은 약 0.3Ω입니다. 가장 큰 임피던스는 VSSN에서 VSS로 연결되는 NMOS 트랜지스터에서 발생하며 약 1.2Ω입니다. 두 번째 노드부터는 총 약 2.7Ω입니다. 두 개의 슬레이브 노드가 각각 50~100mA의 전류를 소모한다면, 로컬 GND 2의 전압은 마스터 노드의 GND 신호(그림 4의 Vm)를 기준으로 약 200mV 정도로 근사할 수 있습니다.
슬레이브 노드가 모두 마이크로폰이라면 로컬 GND의 노이즈는 작동에 영향을 미치지 않습니다. 하지만 슬레이브 노드에 ADC 또는 DAC가 있다면 로컬 GND를 기준으로 삼게 됩니다. 이러한 ADC 또는 DAC가 (시스템) 접지 연결이 있는 외부 장치에 연결되면 접지 루프가 발생하여 노이즈가 증가합니다. 또한, 이러한 대체 접지 경로로 인해 A2B 오류 감지 기능이 저하될 수 있습니다.
그림 4에서 볼 수 있듯이, 각 노드의 전압은 양극 전원 라인의 기생 저항으로 인해 감소합니다. 다만, 트랜시버 IC 내의 PMOS 스위치는 NMOS VSSN 스위치보다 임피던스가 훨씬 낮습니다. 아날로그 디바이스(Analog Devices)는 노드별 전력 및 전압 요구량을 계산하는 데 도움이 되는 스프레드시트를 제공합니다(참고 자료 참조).
차폐 케이블을 사용하는 경우에도 문제가 발생할 수 있습니다. 자동차 분야에서는 차폐 케이블이 무게와 비용 증가 때문에 사용을 꺼립니다. 자동차의 경우 노드 구성이 고정되어 있고 정확한 배선 경로를 알고 있기 때문에 어느 정도 조정이 가능하지만, 다른 응용 분야에서는 그렇지 않습니다.
자동차의 전자파 적합성(EMC) 기준은 미국 연방통신위원회(FCC)/CE 마크 요구 사항보다 엄격하지만, 오디오 애플리케이션에서는 미세한 EMC 발생조차 피해야 합니다. 저레벨 아날로그 신호가 존재할 수밖에 없고, 이러한 신호는 미세한 신호에도 매우 민감하기 때문입니다 (수 마일 떨어진 라디오 방송국의 신호가 마이크 프리앰프를 통해 들어오는 경우를 생각해 보세요).
각 노드에서 차폐 케이블을 로컬 접지에 연결하면 대체 접지 경로가 생성되어 시스템의 전자기파 방사를 방지할 수 있습니다. 케이블 차폐는 금속 섀시(있는 경우)에 연결해야 하며, 로컬 접지의 DC 값이 시스템의 0V 값과 다른 경우에는 작은 용량의 커패시터를 통해 로컬 접지에 연결하고, 필요에 따라 수 메가옴 정도의 저항과 병렬로 연결해야 합니다.
이 커패시터는 AC 접지를 제공합니다. 모든 부분이 동일한 전위에 있으면 전자기파 방사가 발생하지 않습니다. 회로의 미세한 불균형으로 인해 이 방식이 저하될 수 있습니다. 차폐막이 고주파 신호(A2B의 경우 주로 50MHz이고 고조파는 200MHz 이상까지 확장됨)를 전달하기 시작하면, 비교적 긴 상호 연결 케이블이 안테나처럼 작용합니다. 이러한 문제는 고속 디지털 시스템 설계자에게는 새로운 것이 아니지만, 아날로그 전용 오디오 시스템을 설계할 때는 경험해 보지 못했을 수도 있습니다.
2.5 A2B 시스템 애플리케이션
팬텀 전원이 매우 유용하고 시스템 접지 문제가 오디오 전자 장치 간의 접지 문제처럼 심각하지 않은 A2B 적용 사례는 두 가지가 있습니다. 특히 마이크와 헤드폰은 여러 개의 엔드포인트에 연결할 필요가 없으므로 접지 문제가 발생하지 않습니다.
마이크 하나만 A2B에 사용하는 것은 과할 수 있지만, 고차 앰비소닉을 이용한 VR 오디오 녹음은 여러 채널의 마이크 오디오를 단일 트위스트 페어 케이블로 전송하고 노이즈 유입이나 복잡한 멀티채널 XLR 케이블 사용에 대한 걱정 없이 사용할 수 있어 매우 적합합니다.
A2B를 통한 일반적인 스테레오 헤드폰 연결은 간단하지만, A2B가 제공하는 새로운 기능을 간과하는 것입니다. A2B를 사용하면 여러 채널의 오디오를 방송 방식으로 전송할 수 있으며, 사용자가 제어하는 소형 DSP를 통해 레벨과 설정을 조정하여 여러 헤드폰 엔드포인트로 전송되는 공통 오디오 스트림에서 각 장치에 맞는 고유한 청취 환경을 만들 수 있습니다.
마이크와 헤드폰 개념을 결합하면 현장 녹음, 측정 및 모니터링 분야에서 흥미로운 가능성이 열립니다. 이러한 두 가지 응용 분야 모두에서 A2B는 헤드 엔드 박스(최대 15m 케이블 길이)까지 지점 간 연결로 사용할 수 있습니다. 데이지 체인 방식으로 연결하려면 두 개의 케이블(총 네 개의 전선)이 필요합니다. 또는, 아직 논의되지 않은 A2B의 또 다른 기능을 활용할 수도 있습니다. 바로 메인 A2B 백본에서 분기하는 기능입니다(그림 5 참조).
이 소개 글의 범위를 벗어나는 몇 가지 토폴로지 제약 사항이 있지만, 백본에 6개의 노드를 사용하는 것이 합리적인 가정입니다. 지연 시간은 종단점까지의 약 4개 샘플 주기(100µsec)까지 증가하며, 백본 노드에는 로컬 전원 공급이 필요할 수 있습니다. 가장 먼 노드에서 마스터 노드까지의 총 거리는 40m를 초과할 수 없지만, 백본 노드 간 간격을 5m로 하고 마이크 어레이 또는 로컬에서 제어되는 헤드폰 종단점까지의 케이블 길이를 5m로 하면 다양한 응용 분야(예: 특수 회의실 및 미디어룸, 소규모 녹음 또는 스트리밍 스튜디오)에 적합합니다.
요약
이 글의 2부에서는 A2B 시스템 설계, 버스 토폴로지 및 팬텀 전원 기능에 대해 자세히 살펴보았습니다. 다음 글에서는 A2B 데이터 전송과 Analog Devices, Inc. aX에서 제조한 부품을 사용하여 주변 장치와 A2B 버스 간의 인터페이스 연결 방법에 대해 살펴보겠습니다.
참고 문헌
[1] IEC 61938:2018, “멀티미디어 시스템—상호 운용성을 달성하기 위한 아날로그 인터페이스의 권장 특성에 대한 지침”,
국제 전기 기술 위원회, https://iectest.iec.ch
[2] AES 48-2019, “상호 연결에 대한 AES 표준—접지 및 EMC 관행—능동 회로를 포함하는 오디오 장비의 커넥터 차폐”, 오디오 엔지니어링 협회(AES), http://www.aes.org
[3] Analog Devices, Inc.(ADI)의 AD2428 데이터시트, 개정판 B, 2020년 1월에서 발췌 AD2420(W)-AD2426(W)-AD2427(W)-AD2428(W)-AD2429(W), http://analog.com
참고 자료
A2B 정보, Analog Devices, Inc.,
http://www.analog.com/en/applications/technology/a2b-audio-bus.html
본 기사는 원래 2020년 11월 audioXpress에 게재되었습니다.
References
[1] IEC 61938:2018, “Multimedia Systems—Guide to the recommended characteristics of analogue interfaces to achieve interoperability,”
International Electrotechnical Commission, https://iectest.iec.ch
[2] AES 48-2019, “AES standard on interconnections—Grounding and EMC practices—Shields of connectors in audio equipment containing active circuitry,” Audio Engineering Society (AES), www.aes.org
[3] Adapted from AD2428 datasheet, Revision B, January 2020, Analog Devices, Inc. (ADI), AD2420(W)-AD2426(W)-AD2427(W)-AD2428(W)-AD2429(W), http://analog.com
Resources
A2B information, Analog Devices, Inc.,
www.analog.com/en/applications/technology/a2b-audio-bus.html
This article was originally published in audioXpress, November 2020.
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