필자가 R2R DAC 소리에 빠져든 것은 지난 2017년 5월 뮌헨 오디오쇼가 계기가 되었다. 독일의 진공관 앰프 브랜드 엥스트롬 부스였는데, 기라성 같은 엥스트롬 프리, 모노블럭 파워앰프, 여기에 마르텐의 콜트레인 3 스피커까지 가세해 그야말로 침 꼴깍 넘어가는 소리를 들려줬다. 이 때 물린 R2R DAC이 바로 프랑스 토탈DAC(Totaldac)의 플래그십 d1-twelve DAC이었다. 

리클러커(reclocker), 왼쪽 채널 DAC, 오른쪽 채널 DAC, 여기에 전원부까지 총 4박스로 구성된 이 DAC이 들려준 소리는 깊고 풍윤해서 마치 LP를 듣는 것 같았다. 무엇보다 당시 서버로 역시 토탈DAC의 d1-server를 사용한 100% 디지털 소스에서 이런 소리가 나온다는 게 믿어지지 않았다. R2R DAC을 제대로 만들면 과연 이 정도 레벨이 되는구나 싶었다. 

그리고 그날 저녁 제작자 뱅상 브리앙(Vincent Brient) 씨를 만났다. 그가 집에서 갖고 온 와인을 몇 잔 나누며 이야기를 해보니 유쾌하고 유머감각이 넘치는 사람이었다. 하지만 석사 학위 엔지니어만 입학할 수 있는 프랑스 명문 SUPELEC(전기공학전문대학) 출신답게 R2R DAC에 대한 해박한 지식과 자기가 만든 DAC에 대한 자긍심은 대단했다. 어쨌든 그 해 뮌헨오디오쇼 베스트 매칭은 단언컨대 토탈DAC d1-twelve DAC과 마르텐 콜트레인 3 조합이었다. 

토탈DAC과 R2R DAC

토탈DAC의 오너 겸 제작자 뱅상 브리앙(Vincent Brient)

토탈댁은 뱅상 브리앙 씨가 2010년 프랑스 생 말로(Saint Malo)에 설립했다. 뱅상 브리앙 씨는 회사 설립 전 주로 디지털 액티브 크로스오버를 연구하며 수많은 DAC을 접했는데, 그 사운드가 좀체 마음에 들지 않아 자신이 직접 DAC을 만들었고 이 DAC이 알음알음 소문이 나자 아예 토탈DAC을 설립했다.

버브라운(Burr Brown)의 PCM1704 칩

뱅상 브리앙 씨에 따르면 그가 처음 만든 DAC은 지금은 단종된 버브라운의 PCM1704 칩을 기반으로 했다. PCM1704 칩은 지금도 인구에 회자되는 R2R NOS(Non Over-Sampling) 오디오 칩으로, 수많은 저항을 집적회로(IC)에 담아 컨버팅을 수행한다. 집적된 저항의 오차 범위는 지금 기준에서 보면 상당히 큰 폭인 ‘1%’ 수준.

뱅상 브리앙 씨는 그러나 토탈DAC 설립 후 PCM1704 같은 범용 DAC 칩을 쓰지 않고, 수백 개의 저항을 일일이 기판 위에 납땜한 디스크리트 방식의 DAC만을 만들었다. 현재 토탈DAC은 오차 범위 0.01%의 비쉐이 포일 레지스터(Vishay Foil Resistors) 저항을 쓰고 있는데, 뱅상 브리앙 씨는 “현존하는 최고의 초정밀 저항”이라고 말했다.

각 모델에 투입된 비쉐이 저항 개수와 아날로그 출력값을 중심으로 2022년 9월 현재 토탈DAC의 라인업은 다음과 같다. 

• d1-twelve-mk3 DAC : 3박스(L채널 DAC, R채널 DAC, 리클러커). 채널당 6개 R2R DAC 모듈. 약 600개 비쉐이 저항 투입. 트랜지스터 출력(RCA 3.2V, XLR 6.4V) 또는 다이렉트 출력(출력단 바이패스. 1.6V) 
• d1-direct DAC : 채널당 3개 R2R DAC 모듈. 약 300개 비쉐이 저항 투입. 다이렉트 출력(1.6V)
• d1-seven DAC : 채널당 3개 R2R DAC 모듈. 약 300개 비쉐이 저항 투입. 트랜지스터 출력(RCA 3.2V, XLR 6.4V)
• d1-six DAC : 채널당 3개 R2R DAC 모듈. 약 300개 비쉐이 저항 투입. 트랜지스터 출력(RCA 2.5V, XLR 5V) 
• d1-tube-mk2 DAC : 채널당 2개 R2R DAC 모듈. 약 200개 비쉐이 저항 투입. 진공관 출력(RCA 1.4V, XLR 1.4V)
• d1-single-mk2 DAC : 채널당 1개 R2R DAC 모듈. 약 100개 비쉐이 저항 투입. 트랜지스터 출력(RCA 3.0V, XLR 3.0V)
• d1-core DAC : 채널당 1개 R2R DAC 모듈. 약 100개 비쉐이 저항 투입. 트랜지스터 출력(RCA 3.0V, XLR 6.0V)

그러면 토탈DAC에서는 왜 이렇게 초정밀 저항을 강조하고 상위 모델일수록 투입된 저항 수가 늘어나는 것일까. 무엇보다 R2R 작동원리는 무엇이고,  R3R, R4R도 아니고 그 많은 저항 조합 중 하필 R2R을 쓰는 것일까. 잘 아시겠지만 R2R은 1k옴 저항과 2k옴 저항, 또는 2k옴 저항과 4k옴 저항, 이런 식으로 저항값이 정확히 2배 차이가 나는 2개 저항들의 조합이다.

그림1. R2R 래더 DAC

위 그림은 4비트 R2R 래더 DAC을 필자가 직접 간략히 그려본 것이다. 4비트니까 출력 아날로그 전압 값은 총 16가지가 나온다. 눈길을 끄는 것은 접지에 연결된 저항 역시 2R이라는 것. 따라서 4비트 R2R DAC에서 R은 3개, 2R은 5개, 총 8개의 저항이 투입된다.

흥미로운 것은 이들 저항의 연결 방식이다. 저항을 직렬연결하면 저항값이 2배, 병렬연결하면 저항값이 반으로 줄어드는 원리를 교묘하게 활용했다.

1. 맨 왼쪽부터 보면 2R과 2R(접지저항)이 병렬로 연결됐으니까 이니까 출력 저항값은 R(V0),
2. 그렇게 되면 오른쪽 R과 직렬이라서 2R, 그러면 다시 위에 있는 2R과 병렬이니까 다시 R(V1), 
3. 그렇게 되면 오른쪽 R과 직렬이라서 2R, 그러면 다시 위에 있는 2R과 병렬이니까 다시 R(V2), 
4. 그렇게 되면 오른쪽 R과 직렬이라서 2R, 그러면 다시 위에 있는 2R과 병렬이니까 다시 R(V3)이 된다. 결국 최종 출력 저항값은 비트 수에 상관없이 언제나 R이 된다는 얘기다. 

예를 들어 1011이라는 4비트 디지털 신호가 들어오고, 기본 전압 값이 5V일 때 최종 출력값을 구해보자. 구하는 공식은 이미 만천하에 공개가 되었는데, 바로 위 그림 안에 써놓은 ‘Vout = V0/16 + V1/8 + V2/4 + V3/2’이다. 사실 이 공식을 도출하기 위해서라도 R은 반드시 2R과 만나야 한다. R3R, R4R이어서는 래더 DAC 회로 구성뿐만 아니라 공식 자체가 나오지 않는다. 

• V0 : (1 x 5V) / 16 = 0. 3125V
• V1 : (0 x 5V) / 8 = 0V
• V2 : (1 x 5V) / 4 = 1.25V
• V3 : (1 x 5V) / 2 = 2.5V
• Vout : 0.3125 + 0 + 1.25 + 2.5 = 4.0625V

결국 1011 4비트 신호가 들어오면 곧바로 4.0625V라는 아날로그 전압 값이 출력되고, 각 디지털신호가 입력될 때마다 나오는 이 아날로그 전압 값을 촘촘히 이어주면 자연스럽게 아날로그 파형이 얻어지게 된다. DAC가 탄생한 것이다. 참고로 V0, V1, V2, V3에 매겨진 가중치 혹은 기여도는 저마다 다른데, 맨 처음 V0은 가중치가 1/16이고 맨 마지막 V3은 1/2이나 된다. 그래서 V0을 흔히 LSB(Least Significant Bit), V3을 MSB(Most Significant Bit)라고 한다. 

이러한 R2R DAC 작동 원리상 2가지 중요한 사실이 도출된다. 첫째, 비트 수, 즉 DAC의 해상도를 높이려면 저항이 많아져야 한다. 4비트에서는 8개(4x2)가 필요했듯이, 5비트에서는 10개(5x2), 24비트에는 48개(24x2)가 필요하다. 만약 24비트 R2R DAC 모듈을 6개 투입하면 총 288개의 저항이 투입되어야 한다(DAC 모듈을 멀티로 투입하는 것은 신호 대 잡음비를 높이고 전고조파 왜율을 낮추기 위해서다). 

두 번째는 저항마다 저항값이 아주 정밀해야 한다. R2R DAC이 2R 저항값이 R 저항값보다 정확히 2배가 높다는 사실을 전제로 하고 있기 때문이다. R2R 래더 DAC에 투입된 저항들이 레이저 컷에 오차 범위가 0.1% 이하에 머무는 것, 그래서 제조단가가 높은 것은 바로 이 때문이다. 또한 일부 R2R 방식의 DAC가 ‘고역대가 끝까지 뻗지 못한다’, ‘고역대에서 롤오프가 일어난다’ 등의 역풍을 맞은 것도 이 초정밀 저항 제작의 현실적 한계 때문이다.

d1-twelve DAC 본격 탐구

토탈DAC d1-twelve DAC(상단), d1-digital-mk2 reclocker(하단)

토탈DAC live-power(large box version) 외장 전원부

이번에 하이파이클럽 시청실에서 다시 만난 d1-twelve DAC은 d1-digital-mk2 리클러커(reclocker), 왼쪽 마스터 채널 DAC, 오른쪽 슬레이브 채널 DAC, 이렇게 3박스로 구성됐다. 한마디로 앞단에 DDC를 갖춘 모노블럭 R2R 래더 DAC인 셈. 여기에 똑같이 생긴 외장 전원부까지 추가하면 총 4박스로 늘어난다. 

우선 눈길을 끄는 것은 사다리꼴 모양의 섀시 디자인과 크기가 3박스 모두 똑같다는 점. 이는 d1-twelve-mk3 DAC뿐만 아니라 토탈DAC 전 모델에 해당되는 것인데, 가로폭이 122mm, 높이가ㅏ 65mm, 안길이가 180mm를 보인다. 섀시 재질은 알루미늄과 PMMA(폴리메타크릴산메틸). 섀시 천장 안쪽에는 진동 방지를 위해 순동 재질의 플레이트가 달려있다.

토탈DAC d1-digital-mk2 reclocker 후면

하나하나 따져보자. 먼저 리클러커. 모델명에 ‘클럭'이 들어갔으니까 외장 클럭인가 오해할 수 있지만 아니다. 네트워크 플레이어나 PC, CDT 같은 외부에서 들어온 디지털 입력의 지터를 없앤(de-jitter) 후 다시 디지털 출력을 시키는 DDC로 보는 게 옳다. 실제로 후면을 보면 4개의 디지털 입력단자(동축, AES/EBU, 광, USB)와 2개의 디지털 AES/EBU 출력 단자를 갖추고 있다. 

d1-digital-mk2 리클러커는 입력된 DSD 신호를 24비트/176.4kHz PCM 신호로 바꾸어 출력하는 기능도 있다. 따라서 d1-digital-mk2 리클러커를 USB 입력-AES/EBU 출력시키면 USB 입력단이 없거나 PCM 음원에만 대응하는 DAC에서도 DSD 음원을 즐길 수 있다. di-twelve-mk3 DAC의 경우 di-digital-mk2 리클러커와 2개의 모노블럭 DAC을 각각 AES/EBU 케이블로 연결해놓고 있다.

토탈DAC d1-twelve DAC 후면

다음은 마스터 DAC과 슬레이브 DAC으로 구분된 모노블럭 DAC. 왼쪽 채널이 마스터 DAC, 오른쪽 채널이 슬레이브(클라이언트) DAC이며 입력신호에 대한 그래픽 디스플레이는 마스터 DAC에만 표시된다. 디지털 입력 신호는 앞단의 리클러커에서 보내준 지터 프리 신호를 AES/EBU 케이블을 통해 두 채널이 각각 받는다. 

디지털 입력단은 AES/EBU를 비롯해, 동축, 광, USB 단자를 갖춰 PCM은 최대 24비트/192kHz까지, DSD는 옵션 모듈을 선택할 경우 USB, AES/EBU, 동축 입력에 한해 DoP 방식으로 DSD64까지 재생할 수 있다. USB 수신 칩은 XMOS. 볼륨의 경우 마스터 DAC의 OLED 디스플레이에 표출되며, FPGA로 설계한 69비트 고해상도 디지털 볼륨을 사용했다. 볼륨이 0dB인 맥스 상태가 비트 퍼펙트 상태이며, 하이 비트 연산이므로 레벨을 줄여도 손실이 없다. 

아날로그 출력 단자는 클래스 A로 작동하는 디스크리트 트랜지스터 버퍼단을 거친 XLR/RCA 단자(buffer out)와 출력단을 바이패스한 다이렉트 XLR/RCA 단자(without buffer)로 구성됐다. 유저가 해당 단자를 선택한 뒤 토글스위치를 내리면 된다. 출력전압은 버퍼 출력의 경우 XLR이 6.4Vrms, RCA가 3.2Vrms, 바이패스 출력의 경우 XLR, RCA 모두 1.6Vrms를 보인다.

토탈DAC d1-twelve DAC 후면의 클럭 아웃(Clock Out) 단자와 리모트(Remote) 단자

눈길을 끄는 것은 마스터 DAC 후면에 마련된 ‘클럭 아웃'(Clock Out) 단자와 리모트(Remote) 단자. 짐작하셨겠지만, OCXO 메인 클럭이 내장된 곳이 마스터 DAC이기 때문에 이 클럭신호가 전용 케이블을 통해 슬레이브 DAC으로 보내져 동기화된다. 슬레이브 DAC 후면에는 ‘클럭 인'(Clock In) 단자가 마련됐다. 리모트 단자는 슬레이브 채널의 리모트 단자와 연결돼 볼륨 신호 등을 동기화한다. 

또한 NOS(Non Over-Sampling) 필터를 온·오프시킬 수 있는 점도 특징. R2R 래더 타입의 DAC에서는 DA 컨버팅 전 오버 샘플링을 안 쓰는 게 일반적이지만, 이를 활성화시켜 다이내믹 레인지를 고역 쪽으로 좀 더 확장시킬 수 있다. NOS 필터를 오프 시키면 된다. 

한편 토탈DAC에서는 d1-twelve-mk3 DAC에 투입된 비쉐이 포일 저항이 대략(roughly) 600개라고 밝히고 있다. 정확히 계산해 보면, 앞서 언급했던 것처럼 R2R 래더 DAC에서는 1) 비트당 2개의 저항이 필요하니 24비트 DAC 모듈에는 48개 저항(기판 앞쪽에 24개, 뒤쪽에 24개), 2) 이런 DAC 모듈이 채널당 6개가 투입됐으니 288개 저항, 3) 2채널 모노블럭 구성이므로 총 576개 저항이 투입된 것으로 보인다. 

사실 d1-twelve-mk3 DAC이 다이렉트 출력 옵션이 가능한 것도 이렇게 채널당 6개씩 투입된 DAC 모듈이 병렬로 연결돼 노이즈와 임피던스를 대폭 낮춘 덕분이다. 다이렉트 출력을 하게 되면 트랜지스터 출력단에 사용된 피드백 회로를 건너뛰게 되는 음질적 이점도 생긴다.  

시청

하이파이클럽 시청실에서 진행한 d1-twelve-mk3 DAC 시청에는 오렌더의 네트워크 플레이어 N20(USB 출력), 어쿠스틱 아츠의 프리앰프 Tube Preamp III와 모노블럭 파워앰프 Mono II MK2, 뵈레슨 Z2 스피커를 동원했다. 음원은 오렌더 앱을 이용해 주로 타이달 스트리밍 음원을 들었다. 

Moby - Heroes
Reprise

첫 음부터 그냥 모든 것이 하이엔드라는 느낌. 들리는 음이 보다 편안하고 입자감이 고우며 배경이 아주 조용하다는 점에서 그렇다. DAC에만 포커싱을 맞춰보면 음의 표면에 거친 구석이 일절 없는 것이 제일가는 덕목.

볼륨이 커져도 음이 우악스러워지지 않는 것은 현재 d1-twelve-mk3 DAC 출력을 다이렉트 출력으로 선택한 덕분, 태생이 비선형적인 트랜지스터 출력을 바이패스한 덕분으로 보인다. 이 밖에 음수가 아주 풍성한 점은 웰메이드 R2R DAC의 위대한 장점인데 시청실이 음의 수영장처럼 바뀌었다. 

Ricky Lee Jones - I’ll Be Seeing You
Pop Pop

가운데에 첼로, 오른쪽에 기타, 각 악기의 형체가 실물을 보고 듣는 것처럼 또렷하다. 이처럼 보다 실체감이 돋보이는 음이 R2R DAC의 매력이라고 생각하는데 채널까지 좌우로 분리한 토탈DAC 플래그십에서 여지없이 이 모습이 펼쳐졌다.

칠흑이 연상될 만큼 아주 조용한 배경은 고주파 오버샘플링을 하지 않은 덕분, 음상이 흔들림이나 색 번짐 없이 깨끗하게 맺힌 것은 앞단에 투입한 리클러커 덕분으로 보인다. 확실히 웬만한 DAC에서는 체험하기 힘든 선명한 음과 고요한 무대다. 덕분에 아주 작은 소리도 그 디테일이 세세히 살아났다.  

Duke Jordan - No Problem
Flight to Denmark

이 곡에서도 드럼과 퍼커션, 베이스의 위치가 정확히 포착된다. 전체적으로 무대 앞뒤 레이어가 잘 이뤄졌고 각 악기 이미지는 저마다 또렷하게 맺힌다. 피아노의 배음과 건반 터치감, 베이스의 농익은 에너지감.

사람 목소리에 비유하면 두루뭉실이 없고 딕션이 정확한 상태인데, 바로 이 맛에 그 비싼 오디오를 장만하고 듣는 것이리라. 분명히 스피커는 진작에 사라졌지만 그 빈 곳은 음들로 빼곡히 채워졌다. 거의 모든 음들이 똑 부러진 모습으로 산지사방에서 뛰쳐나왔다.

Rage Against The Machine - Wake Up
Rage Against The Machine

스케일과 파워가 장난이 아니다. 거센 음들이 필자를 거침없이 몰아붙인다. 그 와중에도 일절 놓치지 않는 해상력이 압권. 여기에 저음 쪽에 깃든 단단한 에너지와 끝까지 정리 정돈이 잘 된 모습이야말로 매번 토탈DAC 제품을 들을 때마다 느끼는 고유의 특질이 아닐까 싶다.

보컬은 그야말로 리퀴드함 그 자체. 지금이 디지털 스트리밍 음원으로 듣는 상태가 맞나, 몇 번이나 고개를 갸우뚱 거려야 했다. 

Michael Stern, Kansas City Symphony - Saint-Saens Symphony No.3
Saint-Saens Organ Symphony

볼륨을 보다 높여 화끈하게 들었다. 역시 2악장 후반부에 펼쳐진 파이프 오르간의 초저음이 압권. 파이프 오르간이 아우성을 친다는 느낌인데 그 매끄러운 질감을 끝까지 놓치지 않는다. 리드미컬하고 스무드하다. 다이내믹 레인지가 넓은 것은 DAC 모듈을 채널당 6개씩이나 멀티로 투입한 덕분, 오케스트라 각 악기 이미지가 핀 포인트로 맺힌 것은 모노블럭 DAC 구성 덕분.

중간에 들린 플루트 소리는 싱그러운 숲속에서 듣는 것 같다. 그러다 막판 호흡이 빨라지고 대편성이 진가를 발휘하는 대목에서는 대범하고 의연한 음들이 솟구친다. 음악을 자신 있게 앞에서 주도하는 DAC이다.

총평

지금까지 들어본 토탈DAC 제품은 대부분 해상력을 보란 듯이 과시하는 타입이 아니었다. 그렇지만 분해능이 모자란다거나 음의 윤곽선이 흐릿하다고 느낀 적은 거의 없었고 오히려 아주 고운 음들의 입자감과 진한 색채감, 특히 저역에서의 에너지감에 푹 빠져들곤 했다. 

이번에 작정하고 들어본 d1-twelve-mk3 DAC은 여기에 선명하고 깨끗한 음상과 대폭 상승한 SN비를 보탰다. DAC 파트 및 전원부를 분리한 모노블럭 설계와 입력신호의 지터를 줄인 리클러커 투입 덕분이다. 빌 에반스 트리오의 ‘Autumn Leaves’를 들어보면 피아노와 베이스, 드럼이 그냥 시청실에 들어와 버렸다. 맞다. 이 정도는 돼야 한 회사의 플래그십이라 할 것이다. 

by 김편 오디오 칼럼니스트

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