일반적으로 시스템-온-칩(system-on-chip: SoC) 디바이스가 항상 멀티플 디바이스보다 훨씬 비용 효율적인 솔루션과 뛰어난 PCB 공간 절감 효과를 제공한다고 생각하기 쉽다. 하지만 경우에 따라서 그렇지 못한 경우도 있다. 특히 오디오 성능에 집중된 경우를 보면, 기본적 사양인 노이즈 제거 기능과 EMC 기능을 만족시키지 못하는 경우가 있다. 또한 전체 PCB 풋프린트에 영향을 미치는 외부부품의 충돌 역시 놓치기 쉽다.

Robert Hatfield / 울프슨 마이크로일렉트로닉스 선임 제품 설계자

   더 작은 폼팩터를 구현하기 위해 끊임없이 진화하는 휴대기기에서도 변하지 않는 중요한 요인들이 있다. 예를 들어 입과 귀 사이의 일정한 거리 그리고 그에 따라 유지되는 휴대폰의 휴대폰마이크와 이어폰 사이의 거리 같은 값들은 변하지 않는다. 스테레오 스피커 또한 서로 일정 거리를 유지할 때 더 나은 성능이 발휘되곤 한다. 다중 마이크는 모바일 디바이스, 예를 들어 스테레오 보이스 레코딩과 노이즈 제거 기술 등을 위한 기본적인 요소로 자리잡았다.
   일반적으로 다중 마이크는 스피커로부터 일정한 간격을 유지하고 있으며 대개 서로 다른 PCB(예를 들어, 폴더 혹은 슬라이드 방식 휴대폰의 다른 기판)에 탑재되어 있다. 최근 들어 컨버전스 디바이스가 등장하면서 스마트폰과 랩톱 컴퓨터 사이의 폼팩터 차이를 줄어들게 만들었다. 하지만 이러한 마이크와 스피커 사이의 거리는 더 이상 좁아지지 않고 있으며, 탑재되는 마이크와 스피커의 수 또한 줄어들지 않고 있다.
   고집적 오디오 SoC 디바이스가 광범위하게 보급된 다양한 마이크와 스피커에 아날로그 인터페이스를 제공하는 한, 이러한 관계는 계속 지속될 것이다. 아날로그 연결이 길어질수록 휴대용 시스템에서는 많은 노이즈 소스가 발생한다고 인식되고 있다. 노이즈 픽업과 노이즈 전송은 긴 커넥션이 이루어지는 곳에서 더 많이 발생하는 경향을 나타내기 때문이다. 특정한 사용 모드에서 오디오 신호 간의 혼선은 음성 효과와 결합될 수 있다.
이런 경우 불안정한 상태를 야기할 수 있는 심각한 포지티브 피드백 루프(posi tive feedback loops)가 문제가 된다. 이 같은 문제점을 개선하기 위해서는 많은 시간과 비용이 소모되며, 심지어는 오디오 성능의 저하를 초래하기도 한다.
   울프슨의 WM9081 디지털 스피커 드라이버 같은 새로운 개념의 제품은 디지털 마이크를 스피커에 적용할 수 있는 로직을 제공한다. 싱글 모노 DAC와 클래스 D(Class D) 파워 앰프의 결합으로 인해, 마이크를 구동스피커와 가능한 가까이 배치할 수 있다. 이는 결과적으로 디바이스 내에서 모든 디지털 신호 분배를 가능하게 하여 시스템 노이즈를 보다 쉽게 관리할 수 있을 뿐만 아니라, PCB 공간 절감과 외부 부품의 탑재 수를 줄여준다. 아날로그 커넥션이 컨버전스 디바이스 안에서 더욱 중요해 진다고 해도, 디지털 마이크와 디지털 입력 스피커 드라이버는 이러한 SoC를 능가할 수 있을 것이다.

외부 부품을 줄여라
   다중 마이크와 스피커가 탑재된 휴대용 멀티미디어 디바이스에서는 반드시 오디오 SoC의 물리적 위치를 고려해야 한다. 오디오 SoC의 적절한 배치를 위해서는 스피커와 마이크의 성능이 떨어지거나, 외부 부품의 증가하는 것을 감수해야만 한다. 이런 리스크를 모두 만족시키면서 오디오 SoC를 탑재 할 수 있는 알맞은 위치는 사실상 존재하지 않는다.
   디바이스를 마이크와 가깝게 위치시키는 것은 마이크 성능에는 좋을 수 있지만, 반면에 디바이스가 스피커로부터 멀어지게 된다. 따라서 (그림 1)과 (그림 2)에서 보듯이, 클래스 D 드라이버 출력의 신호 라우팅이 복잡해지며, 더 많은 외부 부품이 탑재된다.
   이에 대한 대안으로 디바이스를 스피커에 가깝게 위치시키는 것은 제약 사항이 있지만 몇 가지 이점을 제공한다. 스테레오 스피커는 서로 가까운 거리에 위치하려는 경향이 있어 적어도 하나의 스피커 커넥션은 몇 가지 필터링이 될 수 있도록 긴 커넥션을 유지한다. 마이크는 디바이스와 마이크 간의 긴 커넥션으로 성능이 저하되는 경향이 있다. 따라서 마이크 성능을 유지할 수 있는 외부 부품 배열에 대한 요구 사항이 존재한다. 따라서 PCB 설계는 새로운 중요한 폼팩터 조정할 수 있는 설계 변경의 난제에 직면해 있다.
   마이크에서의 차동 커넥션은 동상 신호 제거비를 개선하고 다른 부품과의 혼선을 최소화 해주므로 선호하는 방식이다. 하지만 차동 커넥션은 디바이스에 한 개의 커패시터 대신 두 개의 뛰어난 DC-블로킹 커패시터와 서로 가깝게 위치한 두 개의 병렬 트랙 루트(tracks routed)를 필요로 한다. 이는 PCB 풋프린트에 영향을 미칠 수 밖에 없다. 따라서 매우 큰 수준의 노이즈가 발생하기 때문에 휴대폰에서 외부 부품 필터링은 여전히 필요하다. 많은 마이크와 외부 부품으로 인해 이러한 부품들은 매우 복잡해진다.

데이터 컨버터를 지정된 위치에 탑재하라
   노이즈가 심한 환경에서 데이터 컨버터는 변환기에 최대한 가까운 거리에 위치해야 한다. 앰프 또한 소스와 가장 가깝게 위치해야 한다. 이러한 개념은 SoC 접근법으로 이상하게 생각될지 모르나 매우 중요한 법칙이며, 노이즈 제거 기능에서는 확실한 이점이 있다.
   디지털 마이크화는 앰프와 A-to-D 컨버전을 소스에 가장 가깝게 위치시킴으로써 이점을 얻는 좋은 예이다. 디지털 마이크로 인해 게인은 직접적으로 마이크에 적용되며 디지털로 변환된 출력은 호스트 디바이스로 전달된다. 디지털로 변환된 긴 커넥션은 결과적으로 많은 외부 부품 필터링을 제거하고 시스템에 영향을 미치는 노이즈를 감소시킨다.
   이러한 법칙은 라우드 스피커 드라이버에 적용될 수 있다. D-to-A 컨버전을 스피커에 최대한 가깝게 위치시킴으로써 긴 커넥션을 디지털로 변환, 픽업 노이즈가 디바이스에서 발생할 수 있는 확률이 현저히 감소된다. 또한 클래스 D 출력 커넥션의 길이는 매우 짧아지며, 내부 필터링의 확장은 필요 없게 된다.
    하지만, 스테레오 시스템에서 스피커는 보통 각 부품 간의 충분한 간격이 필요하다. 따라서 통합된 두 스피커에 가깝게 위치한 스테레오 클래스 D 드라이버와 함께 단일 디바이스에 탑재되는 것은 불가능하다.
(그림 9)가 보여주는 대안 솔루션은 아날로그 입력과 함께 2개의 클래스 D앰프를 사용하는 방법으로, 종종 스테레오 DAC가 보다 큰 시스템 디바이스에 통합될 때 사용된다. 클래스 D 커넥션을 가능한 짧게 유지한다. 하지만 이 방법의 단점은 클래스 D 앰프에 대한 긴 아날로그 커넥션이 노이즈에 영향을 받을 수 있으며, 종종 이러한 노이즈를 줄이기 위해 구분된 신호발송과 수동 필터링의 결합이 필요하다는 것이다.
   또한 저항은 가끔 게인값 프로그램에 필요하며, DC-블로킹 커패시터 역시 공통모드 레벨 리셋을 위해 사용된다. 이로 인해 (그림 9)에서 보여지듯이, 수동부품 풋프린트는 또 다시 복잡해진다.
   이 방법의 또 다른 단점은 스피커 앰프가 단순한 하드웨어 컨트롤 디바이스이며, 따라서 볼륨 컨트롤은 호스트 디바이스에서 구동된다(실제로 이는 신호의 감쇠를 의미한다). 이는 높은 잡음비를 유지하기 위한 기본적 법칙을 거스르는 결과를 가져오기 때문에 결국 부하가 발생하는 것이 아닌 소스에서 신호를 감쇠시키는 것이다. 이는 (그림 10)에 설명되어 있다.
   (그림 11)에서 보여주는 3번째 방법은 통합된 스피커 앰프와 함께 모노 DAC를 사용하는 것이다. 이는 EMC, PCB, 노이즈 내성에 관한 최소의 솔루션을 제공한다. 데이터 컨버터와 앰프는 변환기에 최대한 가깝게 위치해 있으며 디지털 마이크와 같은 디지털 인터커넥트의 많은 장점을 제공한다.
이 구성은 신호경로와 디바이스의 호스트 프로세서 그리고 스피커 등을 위해서 별도의 외부 부품이 필요 없다. 물론 한 개의 칩 대신에 두 개의 칩이 필요하지만, 이 구성을 적용하면 전체 PCB 풋프린트는 사실상 줄일 수 있다. 한 가지 예를 들자면, 클래스 D 드라이버가 통합된 WM9081 모노 DAC의 PCB 풋프린트는 (그림 12)에서와 같이 통상적으로 사용되는 두 개의 대안 솔루션과 비교할 수 있다.
   이 방법은 단지 PCB 면적을 감소시켜주는 것 이상의 장점을 제공한다. 특히 오디오 신호 체인에서 노이즈 입출력을 현저히 감소시켜준다. 무엇보다도 나머지 시스템에 노이즈를 전송하는 매우 긴 클래스 D 커넥션이 없다는 것이 가장 큰 장점이다. 두 번째 장점은 나머지 시스템에서의 픽업 노이즈를 야기하는 긴 아날로그 커넥션이 없다는 것이다.
   3번째 장점은 특별히 두드러지지 않지만, 일반적으로 시스템에서의 오디오 혼선을 감소시켜 의도되지 않은 포지티브 피드백 루프가 생성될 가능성을 줄이는 것이다. 이는 핸즈프리를 사용한 음성통화 같은 적용사례에서 훌륭한 장점이 될 수 있다.

핸즈프리 안정성
   휴대폰과 휴대용 내비게이션처럼 핸즈프리 음성 통화를 지원하는 많은 애플리케이션들은 보편적인 과제를 안고 있다. 바로 포지티브 피드백 루프에 의해 발생하는 ‘하울링(