KR100215394B1 - 3중 부궤환 d급 음향증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펄스폭변조 스위칭 방식의 D급 증폭기를 이용한 음향증폭기에 관한 것으로서, D급 음향증폭기에 교류전류 부궤환 루프 수단, 교류전압 부궤환 루프 수단, 직류전압 부궤환 루프 수단을 부가하여 고효율, 고출력을 확보하면서도 보다 개선된 저왜율의 특성을 갖는 3중 부궤환 D급 음향증폭기이다.

Description

3중 부궤환 D급 음향증폭기
본 발명은 펄스폭변조 스위칭 방식의 D급 증폭기를 이용한 음향증폭기에 관한 것으로서, 특히 D급 음향증폭기에 3중 부궤환(교류전류 부궤환, 교류전압 부궤환 및 직류전압 부궤환)을 동시에 적용한 3중 부궤환 D급 음향증폭기에 관한 것이다.
최근 그린라운드(Green Round) 시대의 도래와 더불어 특히 전자제품에 있어서는, 사용되는 에너지의 절대적인 양을 줄이려는 노력과 함께 에너지의 효율을 제고함으로써 그 손실을 최소화시키려는 노력이 한창 진행중이다.
음향증폭기에 있어서는 그 동안 높은 효율보다는 선형성이 더 강조되어 왔으며, 전력의 손실을 그다지 고려하지 않아도 되는 시대적인 분위기와 기술부족 등의 이유로 여전히 선형 증폭기가 그 주류를 이루고 있는 것이 사실이다.
최근까지 음향증폭기에는 선형성이 우수한 A급, B급 및 AB급 증폭기가 채용되어 왔는데 이러한 형태의 증폭기는 대출력 증폭기를 구현 할 경우, 막대한 전력 손실이 발생된다. 따라서 음성 에너지로 변환되어 출력되는 에너지 이외의 에너지는 모두 열로 변환되어 버리기 때문에 증폭기의 온도가 증가되며 이를 강제로 냉각하기 위해서는 필연적으로 방대한 발열판이 필요하게 되므로 결국 부피가 커지게 되는 단점을 갖게 된다. 즉, 선형성이 좋다는 장점이 있는 대신에 효율이 나쁘다는 단점이 있는 것이다.
그 중 이러한 특징을 가장 극명하게 나타내고 있는 것이 A급 증폭기이다. A급 증폭기는 증폭기의 최대 출력보다 더 큰 출력손실이 존재하는 증폭기로 그 효율은 25%를 넘지 못하는 구조적인 결함이 있다.
한편 이를 개선하기 위하여 채택하고 있는 푸시풀(Push-pull) B급 증폭기의 경우에는 에너지 손실을 줄이기 위하여 2개의 트랜지스터를 에미터 폴로어(emitter follower) 형태로 결합하여 사용하는데, 효율은 비교적 높은편으로 최대 78.5% 까지 얻을 수 있으나 신호가 작은 경우 크로스오버 일그러짐(crossover distortion)이 발생하는 단점이 있다.
A급과 B급의 중간형태인 AB급 증폭기는 무신호 시에도 소량의 전류가 흐르지만 A급 증폭기의 바이어스 전류보다는 훨씬 적은량의 전류이다. 바이어스 전류를 많이 흘릴수록 특성은 A급에 근사하며, 반면에 바이어스 전류를 적게 흘리면 흘릴수록 B급에 근사하는 증폭기이다.
상기 A급, B급 및 AB급 증폭기의 경우 손실량의 차이는 존재하지만 가해 주는 에너지의 21.5%∼75% 가 결국은 열로 손실되며, 따라서 방열을 위한 수단으로 방열판이나 냉각용 팬이 필요하게 된다. 방열판과 냉각용 팬의 부가는 결국 부피의 증가라는 문제와 강제 냉각용 팬의 소음공해라는 문제를 유발하게 된다. 특히 자동차용 음향기기의 경우에 있어서의 열 손실은 밀페된 자동차내의 공간에서 음향기기의 더 높은 온도 상승으로 연결되고 이것은 제품의 수명단축을 초래할 수 있다.
따라서 자동차용 음향기기로서 필요한 중요한 요건은 선형성이 좋아야 하는 점과 더불어 열 손실이 작기 위하여 효율이 높아야 하며, 또한 부피가 작아야 한다는 점이다. 이러한 기존의 A급, B급 및 AB급 증폭기가 안고 있는 문제점을 해결할 수 있는 증폭기가 D급 증폭기이다.
D급 증폭기는 선형동작이 아닌 스위칭(switching) 동작에 의하여 증폭을 행하는 펄스폭변조(PWM: Pulse Width Modulation)방식을 채택한 증폭기이다.
이 증폭기에서 제어 펄스(파워 FET의 게이트 신호)는 톱니파 캐리어 신호와 제어 기준(음성신호의 에러 신호)의 비교를 통하여 생성되는 신호이다.
D급 증폭기를 이용한 음향기기에서는 스위칭에 의한 비선형 동작으로 증폭을 수행하기 때문에 왜곡이 존재하는데 이는 적절한 부궤환(negative feedback)을 사용하여 음향기기로서 가치가 충분히 있을 만큼 보정해준다.
D급 증폭기를 이용한 음향기기의 원리는 스위칭 레귤레이터(switching regulator) 혹은 PWM 변환기(PWM converter)와 동일한 원리이며 다만 다른 점이라면 음향기기용 D급 증폭기가 PWM 변환기에 비하여 약 20㎐∼ 20㎑의 상당히 넓은 가청주파수 대역의 밴드 폭을 가지고 있다는 점이다.
D급 증폭기는 하이 파워 스위치가 이상적일 경우 이론적으로는 거의 100%의 효율을 얻을 수 있으나 실제로는 스위칭 주파수에 비례하는 열손이 발생하며 또한 제어회로에서의 전력소비가 불가피하므로 대충 90% 전후의 효율을 기대할 수 있다.
이러한 D급 증폭기를 이용한 음향기기를 만들기 위하여 수많은 노력을 해왔지만 아직까지 상품화에 성공한 예는 없으며, 현재까지 알려진 D급 음향증폭기는 도 1에 나타낸 바와 같이 단일(전압) 혹은 미정의 부궤환을 이용한 방식이 전부이다.
D급 음향증폭기의 경우, 왜율이 나쁘기 때문에 왜율을 개선하기 위해서는 부궤환 회로 처리를 하여야만 음향기기라고 부를 수 있는 정도의 음질이 확보된다.
그러나, D급 증폭기는 통상 펄스폭변조 방식의 스위칭을 이용하여 증폭을 수행하기 때문에, D급 증폭기를 이용하여 음향기기를 구현하게 되면, 한 개의 인쇄회로기판(PCB : Printed Circuit Board)상에 아날로그 회로와 디지털 회로가 혼재하게 되어 회로상에 스위칭 잡음이 많이 존재하게 되기 때문에 부궤환 회로를 설계·첨가하기는 상당히 어렵다. 더욱이 부궤환 회로 처리를 잘못하게 되면 회로가 불안정하여 발진을 일으키는 경우도 있다.
또한, 도 1에 나타낸 바와 같이 부궤환 회로의 설계에 성공했다고 할지라도, 여전히 왜율은 아날로그 증폭기보다 훨씬 크기 때문에 양질의 음을 확보하는데에는 많은 연구개선이 필요하다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은 펄스폭변조 스위칭 방식의 D급 증폭기를 이용한 음향증폭기에 있어서, 고효율, 고출력을 확보하면서도 보다 개선된 저왜율의 특성을 갖는 3중 부궤환 D급 음향증폭기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위해 본 발명은 교류전류 부궤환 루프 수단, 교류전압 부궤환 루프 수단 및 직류전압 부궤환 루프 수단의 3중 부궤환을 적용하여 D급 음향증폭기를 구현함을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 단일(전압) 혹은 미정의 부궤환 D급 음향증폭기 블록도
도 2는 본 발명의 3중 부궤환 D급 음향증폭기의 블록 구성도
도 3은 도 2의 전압궤환 증폭부를 상세하게 나타낸 회로도
도 4는 도 2의 전류궤환 증폭부를 상세하게 나타낸 회로도
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 D급 음향증폭기의 효율 측정도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 전압궤환 증폭부 11 : 교류전압 부궤환 루프 수단
12 : 직류전압 부궤환 루프 수단 20 : 전류궤환 증폭부
21 : 교류전류 부궤환 루프 수단 30 : 톱니파 발생기
40 : 리미터 50 : 푸시풀 컨버터
60 : 레귤레이터 LPF1, LPF2 : 저역통과여파기
OP1∼OP4 : 증폭기 CP : 비교기
B1, B2 : 버퍼 Q1, Q2 : 하이파워 스위치
CT : 커런트 트랜스포머 R1∼R18 : 저항
L : 인덕터 C1∼C7 : 커패시터
본 발명의 3중 부궤환 D급 음향증폭기는 도 2에 나타낸 바와 같이 음향신호를 원하는 크기로 증폭하는 음향신호 증폭부와 음향신호 증폭부에 필요한 전원을 공급하는 푸시풀 컨버터(push-pull converter: 50)와 레귤레이터(regulator : 60)로 이루어진 전원부로 구성된다.
음향신호 증폭부의 구성을 보다 상세히 설명하면, 음향신호 증폭부는 입력된 신호를 적당한 크기로 증폭하는 증폭기(OP1)와; 상기 증폭기(OP1)의 출력신호와 최종출력을 전압궤환한 신호의 차를 증폭하는 전압궤환 증폭부(10)와; 상기 전압궤환 증폭부(10)의 출력신호와 최종출력을 전류궤환한 신호의 차를 증폭하는 전류궤환 증폭부(20)와; 펄스폭변조 캐리어 톱니파를 발생하는 톱니파 발생기(30)와; 전류궤환 증폭부(20)의 출력신호가 설정치를 넘는 값이 되는 경우 클립(clip)하는 리미터(limiter : 40)와; 상기 톱니파 발생기(30)의 출력과 전류궤환 증폭부(20)의 출력을 비교하는 비교기(CP)와; 상기 비교기(CP)의 출력을 전류증폭하는 버퍼(B1)(B2)와; 상기 버퍼(B1)(B2)의 출력에 의해 온/오프 됨으로써 펄스폭변조된 디지털 신호인 구형파를 출력하는 하이파워 스위치(Q1)(Q2)와; 상기 하이 파워 스위치(Q1)(Q2)의 신호를 음향신호로 복조하여 스피커(SP)에 출력하는 저역통과여파기(LPF1)와; 기타 수동소자 저항(R1∼R3) 및 커패시터(C2)로 구성된다.
또한 상기 전압궤환 증폭부(10)는 도 3에 나타낸 바와 같이 증폭기(OP1)의 출력 신호를 적당한 크기로 줄여 증폭기(OP2)의 (+)단자에 전달하며 증폭기(OP2)를 풀다운 시키는 저항(R4)(R5)과; 입력되는 (+)단자의 신호와 (-)단자의 신호, 즉 스피커(SP)의 입력신호인 커패시터(C1)의 신호를 감지하여 전달하는 교류전압 부궤환 루프 수단(11)과 직류전압 부궤환 루프 수단(12)을 경유하여 전달된 신호의 차를 증폭하여 출력하는 증폭기(OP2)와; 상기 증폭기(OP2)의 이득특성을 조정하는 저항(R6)(R7) 및 커패시터(C3)와; 커패시터(C4)와 저항(R8)이 병렬로 구성되며 가청주파수 대역의 왜곡을 저감시키는 교류전압 부궤환 루프 수단(11)과; 스피커(SP)로 인입되는 신호를 센싱하여 증폭기(OP3)의 (+)단자에 공급하는 저항(R9)(R10) 및 커패시터(C5)로 이루어진 저역통과여파기(LPF2)와, 상기 저역통과여파기(LPF2)를 통하여 입력되는 신호를 적분 증폭하는 증폭기(OP3)와, 스피커(SP)의 직류전압 성분을 제어하는 주기를 결정하는 저항(R11) 및 커패시터(C6)로 이루어지며, 저주파인 수십 ㎐대의 왜곡을 개선시키며 스피커(SP)에 직류성분의 전류가 흐르지 않도록 하여 스피커(SP)를 보호하는 직류전압 부궤환 루프 수단(12)과; 가청주파수 대역의 전체 시스템 이득을 결정하는 저항(R12)으로 이루어지며,
상기 전류궤환 증폭부(20)는 도 4에 나타낸 바와 같이 증폭기(OP2)의 출력 신호를 적당한 크기로 줄여 증폭기(OP4)의 (+)단자에 전달하며 증폭기(OP4)를 풀다운 시키는 저항(R13) (R14)과; 입력되는 (+)단자의 신호와 (-)단자의 신호, 즉 증폭기(OP4) 출력의 궤환신호와 스피커(SP)의 입력신호인 커패시터(C1)의 신호로부터 교류전류 부궤환 루프 수단(21)을 경유하여 전달된 신호의 차를 증폭하여 출력하는 증폭기(OP4)와; 상기 증폭기(OP4)의 이득특성을 조정하는 저항(R15)(R16) 및 커패시터(C7)와; 인덕터(L)에 흐르는 전류를 센싱(sensing)하여 2차측의 전류를 확보하고 이를 저항(R18)에 흘려서 전압으로 변환시킨 후, 증폭기(OP4)에 공급하는 커런트 트랜스포머(Current Transformer : CT)로 이루어진 교류전류 부궤환 루프 수단(21)과; 저항(R17)으로 이루어진다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 작용을 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 3중 부궤환 D급 음향증폭기의 블록 구성도이고, 도 3은 전압궤환 증폭부를 상세히 나타낸 회로도이며, 도 4는 전류궤환 증폭부를 상세히 나타낸 회로도이다.
음향신호 증폭부는 입력된 음향신호(Vi)를 적당한 크기의 신호로 증폭하여 최종출력신호(Vo)를 생성하여 스피커(SP)로 출력하는데, 입력된 음향신호(Vi)는 증폭기(OP1)에 처음 입력된 후 순차적으로 후단으로 전달되면서 증폭된다.
좀더 상세하게 설명하면, 입력된 음향신호(Vi)는 일차적으로 증폭기(OP1)에서 적당한 크기로 증폭된다. 이 때 가변저항(R1)을 조정함에 따라서 전압이득이 변화하게 되는데 최소 전압이득은 1배이며, 최대 전압이득은 (R1 + R2)/R2가 된다. 증폭기(OP1)의 그라운드(GND)는 외부 그라운드와 저항(R3)과 커패시터(C2)를 통하여 접지되어 있다.
상기 증폭기(OP1)에서 증폭된 신호는 저항(R4)과 저항(R5)으로 구성되는 감쇄기(attenuator)에 의해 신호의 크기가 적당하게 줄어서 증폭기(OP2)의 (+)단자에 전달된다. 상기 저항(R4)(R5)은 증폭기(OP2)를 풀다운 시키는 기능도 한다.
증폭기(OP2)는 전압궤환(voltage feedback)을 수행하는 증폭기로서, (+)단자와 (-)단자는 각각 증폭기(OP1)에서 적당한 크기로 증폭된 음향신호와 최종출력(Vo)으로부터의 궤환 신호가 입력된다. 최종출력(Vo)은 하이 파워 스위치(Q1)(Q2)에서 출력된 구형파를 저역통과여파기(LPF1)를 통과시켜 검출한 포락선 신호이기 때문에 입력 음향신호(Vi)와 닮은꼴을 나타내며, 단지 크기가 증폭되고 위상이 수°∼수십° 정도 지연된 신호 파형이다. 따라서 증폭기(OP2)의 (-)단자로 입력되는 신호는 최종출력신호(Vo)를 저항(R8)과 저항(R12)으로 감쇄시킨 신호이며, 이 신호는 증폭기(OP2)의 (+)단자에 입력되는 신호와 거의 같은 형태를 나타내고, 결국 증폭기(OP2)는 (+)단자와 (-)단자에 입력되는 신호의 차(error)만을 증폭한 뒤 출력시킨다.
다시 말해 상기 증폭기(OP1)에서 (+)단자에 입력되는 신호와 (-)단자의 신호, 즉 스피커(SP)의 입력신호인 커패시터(C1)의 신호로부터 교류전압 부궤환 루프 수단(11)과 직류전압 부궤환 루프 수단(12)을 경유하여 전달된 신호의 차를 증폭하여 출력한다.
이 때 커패시터(C3)는 증폭기(OP2)의 이득특성 조정을 목적으로 부가된 부품으로 220pF∼470pF 범위의 것이 적당하다.
마찬가지로 증폭기(OP4)는 전류궤환(current feedback)을 수행하는 증폭기로서, 상기 증폭기(OP2)에서 증폭되어 저항(R8)을 통해 (+) 단자에 입력되는 신호와, 스피커(SP)의 입력신호인 커패시터(C1)의 신호로부터 교류전류 부궤환 루프 수단(21)을 경유하여 (-) 단자에 전달된 신호의 차이를 증폭하여 비교기(CP)에 전달한다.
다시 말해 증폭기(OP4)에서 출력되는 신호는 전압궤환과 전류궤환의 영향이 반영된 음향신호의 차(error)신호에 대한 증폭신호인 것이다.
이 때 커패시터(C7)는 증폭기(OP4)의 이득특성 조정하기 위한 것으로서, 가청 주파수 대역의 왜곡 보상을 충분히 할 수 있도록 증폭기(OP4)의 이득이 고주파 신호로 갈수록 감소하게 하는 특성을 부여하며, 2200pF∼6800pF 범위인 것이 적당하다.
증폭기(OP4)의 출력신호는 비교기(CP)에서 톱니파 발생기(10)의 출력인 펄스폭변조 캐리어 톱니파와 비교되어진다. 이 때 리미터(40)는 증폭기(OP4)에서 출력되는 신호의 크기가 설정치 이상의 값이 될 경우 클립(clip) 기능을 수행한다.
톱니파 신호가 증폭기(OP4)의 출력신호보다 크면, 비교기(CP)의 출력은 하이(High)가 얻어지고, 그 반대의 경우에는 로우(Low)가 얻어진다. 그 결과 비교기(CP)의 출력은 펄스폭이 변조된 디지털 신호의 구형파가 된다. 결국 비교기(CP)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 기능을 수행한 셈이 되며, 이런 측면에서 비교기(CP)는 아날로그-디지털 변환기로 볼 수 있다.
비교기(CP)의 출력 구형파는 버퍼(B1)(B2)에서 전류증폭이 된 후에 하이파워 스위치(Q1)(Q2)인 MOS FET의 게이트 입력신호가 되어 하이파워 스위치(Q1)(Q2) 온/오프 시키는 역할을 한다. 버퍼(B1)(B2)의 출력이 로우인 경우에는 위쪽 하이파워 스위치(Q1)가 온되고 그 결과로 하이파워 스위치(Q1)의 출력 단자(드레인)에는 구형파가 얻어지게 된다.
하이파워 스위치의 스위칭 주파수는 수백 ㎑ 정도이며, 상기와 같이 얻어진 구형파는 결국 외부에서 입력된 음향신호가 펄스폭변조되어 얻어진 파형이다. 이 구형파를 인덕터(L)와 커패시터(C1)로 구성되어 있는 저역통과여파기(LPF1)를 통과시키면 일정하게 증폭된 음향신호로 복조된다. 상기 저역통과여파기(LPF1)는 디지털-아날로그 변환기로 볼 수 있다.
이와 같이 작은 크기의 최초 입력신호는 펄스폭변조 스위칭 메카니즘을 통하여 큰 신호로 증폭이 되어 스피커(SP)를 통해 출력됨으로써 음향을 창출하게 된다.
20㎐∼20㎑ 의 가청주파수 대역에서 평탄한 크기(magnitude) 특성을 유지하며 위상 마진(phase margin)을 확보하기 위하여 전압궤환(voltage feedback)과 전류궤환(current feedback)을 적용한다. 외부 루프에는 전압궤환을 걸고 내부 루프에는 전류궤환을 취한다.
본 발명에서는 전압궤환을 위해 교류전압 궤환 루프 수단(11)과 직류전압 궤환 루프 수단(12)이 동시에 이용되는데, 상기 교류전압 궤환 루프 수단(11)과 직류전압 궤환 루프 수단(12)에 대해 도 3을 참조하여 설명한다.
교류전압 부궤환 수단(11)은 단지 저항(R8)과 커패시터(C4)를 병렬로 구성되어 있다.
상기 저항(R8)과 커패시터(C4)는 전체시스템의 이득(증폭율)과 안정도를 보장하는데 중요한 역할을 하며, 가청주파수 대역에서 전체 시스템의 이득은 {저항(R8)+저항(R12)}1:저항(R12)의 비율로 결정된다. 한편, 커패시터(C4)는 단자(E)로부터 부궤환되는 신호의 위상을 당겨줌으로써 위상마진을 확보하여 안정도를 확보하는 기능을 담당한다. 저항(R8)은 원하는 이득과 저항(R12)을 고려하여 결정하여야 하며, 특히, 커패시터(C4)는 전술한 바와 같이 안정도에 큰 영향을 주기 때문에 너무 커도 안되고 너무 작아도 안정도 보장이 안된다.
여기서 상기 저항(R12)은 1㏀±20%, 저항(R8)은 27㏀±20%, 상기 커패시터(C4)는 47pF∼220pF 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 교류전압 부궤환 루프 수단(11)은 스피커(SP)에 인입되는 신호전압을 단자(E)에서 직접 센싱하여 부궤환 제어하고 있기 때문에 스피커(SP)에 인입되는 왜곡이 많이 저감된다.
직류전압 부궤환 루프 수단(12)은 스피커(SP)로 인입되는 신호를 단자(E)에서 센싱하여, 저항(R9)(R10)및 커패시터(C5)로 구성된 저역통과여파기(LPF2)를 경유하여 증폭기(OP3)에서 적분 증폭하여 출력한다. 상기 출력은 증폭기(OP2)의 (-)단자에 연결되어 있으므로, 전체적으로 본 루프의 극성을 따져보면 결국 부궤환을 형성하여, 특히 저음부 성분 왜곡이 개선된다. 또한 저항(R11)의 일측이 영 볼트 전위의 접지에 결선되어 있기 때문에 스피커의 평균 전압은 거의 영 볼트를 추적하게 되고, 따라서 직류성분에 의하여 스피커(SP)가 소손될 가능성을 제거할 수 있게 된다. 커패시터(C6)와 저항(R11)은 스피커(SP)의 직류전압 성분을 제어하는 주기를 결정하는 소자로서, 시상수가 너무 클 경우에는 스피커(SP)에 인입되는 직류성분을 배제하는 효과를 저감시키며, 너무 작을 경우에는 저음부 잡음을 생성할 수 있다.
따라서 상기 저항(R11)은 10㏀±20%, 커패시터(C6)는 1uF∼10uF 범위인 것이 바람직하다.
한편 본 발명에서 이용되는 전류궤환에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.
전류궤환에 이용되는 교류전류 부궤환 루프 수단(21)의 커런트 트랜스포머(CT)는 1차측과 2차측의 권선비가 1:N 이며, 실제로 인덕터(L)에 흐르는 전류를 센싱하여 2차측의 전류를 확보하고, 이 전류를 저항(R18)에 흘려서 전압으로 변환시킨 후, 증폭기(OP4)에 공급되도록 하고 있으므로, 거의 신호의 지연없이 인덕터(L)에 흐르는 전류를 부궤환으로 제어하고 있기 때문에 왜곡의 개선효과가 좋다. 여기서, 저항(R18)의 저항값은 너무 커도 안되며, 너무 작아도 왜곡 개선 효과가 없다. 바람직한 저항(R18)의 값은 51Ω∼330Ω이다.
음향신호 증폭부가 상기한 교류전압 부궤환 루프 수단(11), 직류전압 부궤환 루프 수단(12) 및 교류전류 부궤환 루프 수단(21)의 3중 부궤환이 없는 경우에는, 왜곡이 많이 포함된 상태의 신호(커패시터(C1)의 전압)가 스피커(SP)로 직접 인입되기 때문에 왜곡에 기인한 잡음이 극심하다.
그러나, 본 발명의 경우와 같이 3중 부궤환이 걸려있는 경우에는, 가청주파수 대역의 왜곡은 일단 교류전류 부궤환 루프 수단(21)에 의하여 왜곡이 저감되고, 그와 동시에 교류전압 부궤환 수단(11)에 의하여 왜곡이 또 감소된다. 또한 직류전압 부궤환 루프 수단(12)에 의해서는 특히 저주파인 수십 Hz대의 왜곡이 개선됨과 동시에 스피커(SP)에 인입되는 신호의 평균값이 영 볼트 근방으로 클램프되어 스피커(SP)에 직류성분의 전류가 흐르지 않게 되므로, 스피커(SP)가 망가지게 되는 것이 배제된다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 D급 음향증폭기의 효율을 측정한 것이다.
음향증폭기에 있어서 기존의 A급 증폭기는 이론상 최대 효율이 25%이므로 실제 음향 증폭에 관여하는 주신호통로(main signal path)에 존재하는 부품 이외에 부가되는 전원회로, 뮤트회로 등도 고려한다면 20% 이상의 효율을 기대하기란 극히 어렵다. 효율이 20%인 경우, 가령 100W의 출력을 얻고자 한다면 손실로 발생하는 열손은 400W에 달하고 따라서 방열을 위한 장치는 방대해지기 때문에 부피와 무게가 상당히 커진다.
반면 본 발명의 D급 음향증폭기는 효율이 대단히 좋기 때문에 부피와 무게는 기하 급수적으로 작아지게 된다. 여기에 몇 가지의 측정과 계산을 통하여 본 발명의 D급 음향증폭기의 효율을 계산하였다.
우선 입력신호가 들어가지 않은 무신호시의 전류 iidle을 측정하였다. 14Vdc의 외부 전압을 공급한 경우 무신호 전류 iidle은 약 0.8A 정도로 측정되었다. 이 때 얻어지는 하이 파워 스위치용 소스전압은 도 5a 내지 도 5c에서 보는 바와 같이 ±28Vdc가 되며, 출력 스윙(swing) 전압은 ±25V 크기가 된다. 따라서 신호가 입력되어 음향기기가 동작하는 중에도 iidle에 상당하는 전류가 여전히 흐르고 있다고 가정하면 효율는 수학식 1에서 근사화된 계산이 가능하다.
여기서 Vb: 외부 입력 전압, iidle: 무신호시 전류, Pout: 스피커 출력 전력, Vo: 스피커 출력 전압, Rs: 스피커 저항,: 효율을 의미한다.
상기 수학식 1로부터 효율은 약 87%가 얻어진다. 열로 발생하는 손실은 약 13% 정도가 되는 것이다. 100W의 스피커(SP) 출력을 얻고자 하는 경우 A급 증폭기에서는 400W의 손실이 발생하지만 본 발명의 D급 음향증폭기에서는 충분히 작아서 약 15W의 손실밖에 발생하지 않는다. 즉, 본 발명의 D급 음향증폭기는 동일 출력을 얻는 A 급 증폭기에 비하여 손실이 약 1/20(15/400) 미만으로 줄어 든 것이다.
도 5a 내지 도 5c의 경우 출력전압이 25V 스윙(swing)을 하고 스피커 저항이 4Ω인 상태이므로 정격 출력 전력은 약 80W 정도가 되고 최대 출력 전압은 약 160W 정도가 되는 셈이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 3중 부궤환 D급 음향증폭기를 구현함에 따른 효과는 대부분 0.5% 이상의 왜율(THD)을 보이고 있는 기존의 D급 증폭기와는 달리 본 발명에 의한 경우에는 0.1% 근방의 저왜율을 보이므로 가청대역에서 음질이 청명하고 아름다운 것이다.
또한 전술한 3중 부궤환 루프의 최적 설계로 고출력 상태(도 2의 구현회로의 경우 정격출력(80W)에서도 고효율(85% 이상)을 유지하면서도 가청주파수 대역에서 평탄한 이득특성을 나타내며, 최대출력 전체 범위에서 회로 동작이 상시 안정하다.
그 밖의 부수적인 효과로서는 그린 라운드에 부합하는 에너지 절감 효과를 들 수 있다. D급 증폭기가 근본적으로 효율이 아주 좋다고 하는 사실은 널리 알려져 있으나 현재까지는 양산에 적합한 부궤환 처리에 성공하지 못하였다. 그러나 본 발명은 부궤환 처리를 명료하게 해결함으로써 현존하는 아날로그 증폭기를 전량 본 발명의 기술을 적용하여 디지털 D급 증폭기로 전환할 경우, 거의 동급의 음질과 음량을 확보하면서도 에너지를 상당히 절약할 수 있다는 보다 중요한 효과가 있다.
100W의 음향 정격 출력을 요하는 경우를 가정하면, A급 증폭기(효율 20% 가정)의 경우는 400W의 손실이 존재하지만, 본 발명의 D급 증폭기(효율 85% 가정)의 경우에는 약 15W의 손실밖에 없다. 따라서 손실을 비교해 보면, 본 발명의 D급 증폭기는 A급 증폭기의 1/25∼1/20으로 에너지 손실이 줄어든다. 결국 환경오염으로부터 지구를 보호하는데 일조를 하게 되는 것이다.

Claims (12)

  1. 펄스폭변조 스위칭을 이용한 D급 음향증폭기에 있어서, 3중 부궤환(교류전류 부궤환, 교류전압 부궤환 및 직류전압 부궤환)을 동시에 적용한 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기.
  2. 제 1항에 있어서, 입력된 신호를 적당한 크기로 증폭하는 증폭기(OP1)와; 상기 증폭기(OP1)의 출력신호와 최종출력을 전압궤환한 신호의 차를 증폭하는 전압궤환 증폭부(10)와; 상기 전압궤환 증폭부(10)의 출력신호와 최종출력을 전류궤환한 신호의 차를 증폭하는 전류궤환 증폭부(20)와; 펄스폭변조 캐리어 톱니파를 발생하는 톱니파 발생기(30)와; 전류궤환 증폭부(20)의 출력신호가 설정치를 넘는 값이 되는 경우 클립하는 리미터(40)와; 상기 톱니파 발생기(30)의 출력과 전류궤환 증폭부(20)의 출력을 비교하는 비교기(CP)와; 상기 비교기(CP)의 출력을 전류증폭하는 버퍼(B1)(B2)와; 상기 버퍼(B1)(B2)의 출력에 의해 온/오프 됨으로써 펄스폭변조된 디지털 신호인 구형파를 출력하는 하이파워 스위치(Q1)(Q2)와; 상기 하이 파워 스위치(Q1)(Q2)의 신호를 음향신호로 복조하여 스피커(SP)에 출력하는 저역통과여파기(LPF1)와; 기타 수동소자 저항(R1∼R3) 및 커패시터(C2)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 전압궤환 증폭부(10)는 증폭기(OP1)의 출력 신호를 적당한 크기로 줄여 증폭기(OP2)의 (+)단자에 전달하며 증폭기(OP2)를 풀다운 시키는 저항(R4)(R5)과; 입력되는 (+)단자의 신호와 스피커(SP)의 입력신호인 커패시터(C1)의 신호로부터 교류전압 부궤환 루프 수단(11)과 직류전압 부궤환 루프 수단(12)을 경유하여 전달된 (-)단자의 신호의 차를 증폭하여 출력하는 증폭기(OP2)와; 상기 증폭기(OP2)의 이득특성을 조정하는 저항(R6)(R7) 및 커패시터(C3)와; 가청주파수 대역의 왜곡을 저감시키는 교류전압 부궤환 루프 수단(11)과; 저주파인 수십 ㎐대의 왜곡을 개선시키며 스피커(SP)에 직류성분의 전류가 흐르지 않도록 하여 스피커(SP)를 보호하는 직류전압 부궤환 루프 수단(12)과; 가청주파수 대역의 전체 시스템 이득을 결정하는 저항(R12)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 커패시터(C3)는 220㎊∼470㎊이며, 상기 저항(R12)은 1㏀±20% 범위인 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 교류전압 부궤환 루프 수단(11)은 커패시터(C4)와 저항(R8)이 병렬로 구성되는 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 커패시터(C4)는 47pF∼220pF 범위이며, 상기 저항(R8)은 27㏀±20% 범위인 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기
  7. 제 3항에 있어서, 상기 직류전압 부궤환 루프 수단(12)은 스피커(SP)로 인입되는 신호를 센싱하여 증폭기(OP3)의 (+)단자에 공급하는 저항(R9)(R10) 및 커패시터(C5)로 이루어진 저역통과여파기(LPF2)와; 상기 저역통과여파기(LPF2)를 통하여 입력되는 신호를 적분 증폭하는 증폭기(OP3)와; 스피커(SP)의 직류전압 성분을 제어하는 주기를 결정하는 저항(R11) 및 커패시터(C6)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 저항(R11)은 10㏀±20% 범위이며, 상기 커패시터(C6)는 1uF∼10uF 범위인 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 전류궤환 증폭부(20)는 증폭기(OP2)의 출력 신호를 적당한 크기로 줄여 증폭기(OP4)의 (+)단자에 전달하며 증폭기(OP4)를 풀다운 시키는 저항(R13) (R14)과; 입력되는 (+)단자의 신호와 스피커(SP)의 입력신호인 커패시터(C1)의 신호로부터 교류전류 부궤환 루프 수단(21)을 경유하여 전달된 (-)단자의 신호의 차를 증폭하여 출력하는 증폭기(OP4)와; 상기 증폭기(OP4)의 이득특성을 조정하는 저항(R15)(R16) 및 커패시터(C7)와; 가청주파수 대역의 왜곡을 저감시키는 교류전류 부궤환 루프 수단(21)과; 수동소자인 저항(R17)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 커패시터(C7)는 2200㎊∼ 6800㎊ 범위인 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기.
  11. 제 9항에 있어서, 교류전류 부궤환 루프 수단(21)은 인덕터(L)에 흐르는 전류를 센싱하여 2차측의 전류를 확보하고 이를 저항(R18)에 흘려서 전압으로 변환시킨 후, 증폭기(OP4)에 공급하는 커런트 트랜스포머(CT)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 저항(R18)은 51Ω∼330Ω 범위인 것을 특징으로 하는 3중 부궤환 D급 음향증폭기.
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KR20040038174A (ko) * 2002-10-31 2004-05-08 주식회사 디엠비테크놀로지 자기 발진 주파수를 높일 수 있고 부품의 수를 감소시킨디지털 오디오 증폭기
FR3023088B1 (fr) * 2014-06-25 2016-07-22 Devialet Amplificateur audio
CN113839629B (zh) * 2021-09-23 2024-03-19 南京丹迪克科技开发有限公司 一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路
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