KR100256377B1 - 저전압 증폭장치 - Google Patents

Abstract

개시된 본 발명은, 증폭 입력신호(Si')와 궤환 출력신호(So')의 편차신호를 검출하고, 이 편차신호를 정류하여 펄스폭 변조기를 통하여 구형파 펄스신호로 변조한 후, 변조된 구형파 펄스신호를 증폭기로 증폭함과 동시에 트랜스포머로 승압하며, 승압 펄스신호의 플러스극성과 마이너스극성을 각각 정류하여 플러스극성의 펄스신호와 마이너스극성의 펄스신호를 순차적으로 부하에 공급하는 저전압 증폭장치에 관한 것이다.

따라서, 본 발명은 DC-DC 컨버터를 사용하지 않은 상태에서 낮은 입력전압으로부터 높은 출력전압을 얻을 수 있으므로, 회로의 구성이 간단해지고, 이에 따라 제조원가가 절감되는 이점이 있다. 또한, 입력신호를 구형파 펄스신호로 변조한 후, 변조된 펄스신호를 증폭함으로써, 증폭효율이 향상되는 이점이 있다.

Description

저전압 증폭장치

본 발명은 저전압 증폭장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량탑재용 배터리 등과 같이 낮은 전위의 입력전압으로부터 차량용 스피커 등에서 요구하는 높은 전위의 출력전압을 얻기 위한 저전압 증폭장치를 구성함에 있어서, 회로구성이 간단하고, 증폭효율이 개선된 저전압 증폭장치에 관한 것이다.

일반적으로, 차량에 탑재되는 배터리는 통상 12볼트(소형차용) 또는 24볼트(대형차용: 화물차 등)의 전위를 갖는다. 이러한 낮은 입력전압을 이용하여 차량 내부에 탑재된 오디오 스피커에서 요구하는 높은 전위의 출력전압을 얻기 위해서는 저전압 증폭장치를 이용하여야 한다.

종래의 저전압 증폭장치가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.

＜종래의 저전압 증폭장치 1＞

도 1을 보면, 사인파(Sine Wave) 입력신호(Si)의 신호레벨을 소정크기로 증폭하는 증폭기(1)와, 입력전압(Vi)의 전압레벨을 승압하는 DC-DC 컨버터(2)와, 증폭기(1)에서 증폭된 입력신호를 사용자가 인식할 수 있는 음성으로 변환하는 스피커(3)로 구성되어 있다.

즉, 낮은 입력전압(Vi)(차량의 경우, 12볼트 또는 24볼트의 직류전압이 사용됨)을 공지의 DC-DC 컨버터(2)로 승압한 후, 증폭기(1)에 공급한다. 증폭기(1)는 DC-DC 컨버터(2)에 의해 승압된 전압을 전원으로 하여 입력신호(Si)의 신호레벨을 스피커(3)에서 요구하는 레벨크기로 증폭한다. 따라서, 사용자는 증폭된 음성신호를 청취할 수 있다.

＜종래의 저전압 증폭장치 2＞

도 2를 보면, 사인파 입력신호(Si)를 적정크기(후단에서 신호처리하기에 적합한 크기)로 증폭하는 전치증폭기(4)와, 전치증폭기(4)에 의해 증폭된 입력신호를 구형파 펄스신호로 변조하는 펄스폭 변조기(5)와, 펄스폭 변조기(5)에서 변조된 펄스신호를 증폭하는 펄스증폭기(6)와, 펄스증폭기(6)에서 증폭된 입력신호의 고조파성분을 제거하여 스피커(7)로 최종 출력하는 저역필터(8)와, 저역필터(8)에서 필터링된 출력신호(So)를 보상 궤환하여 출력신호(So)의 왜곡(Distortion)을 방지하는 궤환부(9)와, 입력전압(Vi)의 전압레벨을 승압하여 펄스증폭기(6)에 공급하는 DC-DC 컨버터(10)로 구성되어 있다.

즉, 낮은 입력전압(Vi)을 공지의 DC-DC 컨버터(10)로 승압한 후, 펄스증폭기(6)에 공급한다.

한편, 입력신호(Si)는 전치증폭기(4)에 의해 1차 증폭된 후 펄스폭 변조기(5)에 의해 구형파 펄스신호로 변조된다. 펄스증폭기(6)는 DC-DC 컨버터(10)에 의해 승압된 전압을 전원으로 하여 펄스폭 변조기(5)에서 변조된 구형파 펄스신호의 신호레벨을 스피커(7)에서 요구하는 레벨크기로 증폭한다. 증폭된 펄스신호는 저역필터(8)에 의해 고조파성분이 제거되고, 궤환부(9)를 통하여 특성개선(왜곡보상)이 행해진 후 스피커(7)로 최종 출력된다. 따라서, 사용자는 증폭된 음성신호를 청취할 수 있다.

그런데, 위와 같은 종래의 '저전압 증폭장치 1'에 의하면, 다음과 같은 문제점들이 발생한다.

(1) 낮은 입력전압으로부터 높은 출력전압을 얻기 위하여 저전압 증폭장치에 대출력의 DC-DC 컨버터가 포함되어야 하므로, 구성회로가 복잡해지고, 제조원가가 상승하게 된다.

(2) 사인파 입력신호를 증폭하는 방식을 취함으로써, 증폭기의 효율과 신뢰성이 저하된다.

또한, 앞서 언급한 종래의 '저전압 증폭장치 2'에 의하면, 위의 '저전압 증폭장치 1'의 경우에서 적용된 사인파형태의 입력신호를 직접 증폭하는 방식 대신에 입력신호를 구형파 펄스신호로 변조한 후 변조된 펄스신호를 증폭하는 방식을 취함으로써 증폭기의 효율이 개선되기는 하지만, 낮은 입력전압으로부터 높은 출력전압을 얻기 위하여 저전압 증폭장치에 대출력의 DC-DC 컨버터가 여전히 포함되어야 하므로, 구성회로가 복잡해지고, 제조원가가 상승하게 되는 문제점은 해결되지 못한다.

따라서, 본 발명은 위와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 DC-DC 컨버터를 사용하지 않은 상태에서 낮은 입력전압으로부터 높은 출력전압을 얻을 수 있도록 함으로써, 구성회로가 간단하고, 제조원가가 절감되는 저전압 증폭장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 제2 목적은 입력신호를 구형파 펄스신호로 변조한 후, 변조된 펄스신호를 증폭함으로써, 증폭효율을 향상시킨 저전압 증폭장치를 제공함에 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 저전압 증폭장치의 개략적 블럭도이고,

도 3은 본 발명에 의한 저전압 증폭장치의 회로도이며,

도 4는 도 3에 도시된 각부의 동작파형도이다.

＜도면의주요부분에사용된부호의설명＞

11: 전치증폭기 12: 비교기

13: 1차 정류기 14: 펄스폭 변조기

15: 펄스증폭기 16: 전력증폭기

17: 트랜스포머 18: 2차 정류기

19: 스위칭부 20: 스피커

21: 저역필터 22: 극성판별기

23, 23a: 스위칭 구동부 24: 궤환부

SW1, SW2: 스위칭소자 D1∼D4: 다이오드

L1, L2: 코일 C1, C2: 컨덴서

Si: 입력신호 Si': 증폭 입력신호

So: 출력신호 So': 궤환 출력신호

위와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 입력신호와 출력신호를 비교하여 입력신호와 출력신호의 편차신호를 출력하는 비교기; 상기 비교기에서 출력된 상기 편차신호를 전파정류하는 1차 정류기; 상기 1차 정류기에서 전파정류된 정류 편차신호를 구형파 펄스신호로 변조하는 펄스폭 변조기; 상기 펄스폭 변조기에 의해 변조된 상기 구형파 펄스신호를 증폭하는 증폭부; 1차측과 2차측의 권선비에 따라 상기 증폭부에서 증폭된 증폭 펄스신호를 승압하는 트랜스포머; 상기 트랜스포머에 의해 승압된 승압 펄스신호의 플러스극성과 마이너스극성을 각각 정류하는 2차 정류기; 상기 2차 정류기에서 정류된 정류 펄스신호가 부하에 인가되는 것을 스위칭하는 스위칭부; 상기 비교기에서 출력된 편차신호의 극성을 판별하는 극성판별기; 상기 극성판별기에서 판별된 극성에 따라 상기 스위칭부의 스위칭상태를 제어하는 스위칭 구동부; 및 상기 부하에 공급되는 출력신호의 특성을 개선하여 상기 비교기에 인가하는 궤환부를 포함하는 저전압 증폭장치에 있다.

선택적으로는 상기 비교기의 전단에, 상기 입력신호를 신호처리에 적합한 크기로 증폭하는 전치증폭기를 더 포함할 수도 있다.

바람직하게 상기 구형파 펄스신호는, 상기 입력신호의 최대주파수에 대하여 50배에서 100배 사이의 주파수를 갖는다.

바람직하게 상기 증폭부는, 상기 구형파 펄스신호를 1차 증폭하는 펄스증폭기; 및 상기 펄스증폭기에 의해 1차 증폭된 증폭 펄스신호를 2차 증폭하는 전력증폭기를 포함한다.

선택적으로는 상기 2차 정류기와 상기 부하 사이에, 상기 2차 정류기에 의해 정류되고 합성된 상기 합성 펄스신호의 고조파성분을 제거하는 저역필터를 더 포함할 수도 있다.

이하, 본 발명에 의한 저전압 증폭장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3에는 본 발명에 의한 저전압 증폭장치의 회로도가 도시되어 있다.

도 3을 보면, 사인파 입력신호(Si)를 적정크기(후단에서 신호처리하기에 적합한 크기)로 1차 증폭하는 전치증폭기(11)와, 전치증폭기(11)에서 증폭된 증폭 입력신호(Si')와 이득 보상되어 궤환되는 궤환 출력신호(So')를 동시에 인가받아 증폭 입력신호(Si')와 궤환 출력신호(So')의 레벨편차를 검출하는 비교기(12)와, 비교기(12)에 의해 검출된 레벨편차를 전파정류하는 1차 정류기(13)와, 1차 정류기(13)에서 정류된 신호를 구형파 펄스신호로 변조하는 펄스폭 변조기(14)와, 입력전압(Vi)을 전원으로 하여 펄스폭 변조기(14)에서 변조된 펄스신호를 2차 증폭하는 펄스증폭기(15)와, 한 쌍의 트랜지스터 또는 MOSFET 등으로 구성되어 펄스증폭기(15)에서 증폭된 펄스신호를 3차 증폭하는 전력증폭기(16)와, 전력증폭기(16)에서 3차 증폭된 펄스신호의 전압레벨을 승압하는 트랜스포머(17)와, 트랜스포머(17)에 의해 승압된 펄스신호를 전파정류하도록 다수개의 다이오드(D1∼D4)로 구성된 2차 정류기(18)와, 2차 정류기(18)에서 정류된 플러스(＋)극성과 마이너스(－)극성의 펄스신호를 각각 스위칭하도록 한 쌍의 스위칭소자(SW1, SW2)로 구성된 스위칭부(19)와, 스위칭부(19)를 통하여 인가된 펄스신호의 고조파성분을 제거하고 고조파성분이 제거된 출력신호(So)를 스피커(20)에 최종 출력하는 저역필터(21)로 구성되어 있다.

또한, 위의 비교기(12)에서 비교된 레벨편차의 극성을 판별하는 극성판별기(22)와, 극성판별기(22)에 의해 판별된 극성에 따라 스위칭부(19)의 스위칭동작을 제어하는 스위칭 구동부(23, 23a)와, 저역필터(21)에서 출력된 출력신호(So)의 특성을 개선(왜곡보상)한 후 비교기(12)에 제공하는 궤환부(24)로 구성되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의한 저전압 증폭회로의 동작에 대하여 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

전치증폭기(11)의 입력단에 Si Sin(ωt)의 입력신호(Si)가 입력되면(도 4a 참조), 전치증폭기(11)는 후단회로가 동작하기에 적당한 크기로 입력신호(Si)를 증폭한다. 이 증폭 입력신호(Si')를 비교기(12)의 플러스(＋)단자에 인가하고, 궤환부(24)를 통하여 공급된 궤환 출력신호(So')(도 4b 참조)를 마이너스(－)단자에 인가하면, 비교기(12)는 증폭 입력신호(Si')와 궤환 출력신호(So')의 편차량에 해당하는 편차신호(Se)(도 4c 참조)를 출력한다. 이를 수식으로 표현하면 아래의 수학식 1과 같다.

단, Si'는 전치증폭기(11)에 의해 증폭된 증폭 입력신호(Si)이고, So'는 궤환부(24)를 통하여 궤환된 궤환 출력신호(So)이다.

편차신호(Se)는 1차 정류기(13)에 의해 전파정류되고(도 4d 참조), 이후, 펄스폭 변조기(14)에 의해 편차량에 비례한 구형파 펄스신호로 변조된다(도 4e 참조). 이때, 펄스신호의 주기(T)는 일정하고, 온 타임(On Time)의 주기(T1)는 편차신호(Se)의 크기에 비례한다.

변조된 펄스신호는 펄스증폭기(15)와 트랜지스터 또는 MOSFET 등으로 구성된 전력증폭기(16)에 의해 전력 증폭된다. 이때, 사용된 전압레벨이 낮기 때문에 증폭된 펄스신호의 전류는 크지만 전압레벨은 낮다. 따라서, 이 전압을 부하(스피커 등)에 직접 인가하면 출력전력은 아래의 수학식 2와 같이 되므로, 스피커와 같이 임피던스(Zo)가 2Ω, 4Ω 및 8Ω 등으로 설정되어 있는 경우에는 출력전압(So)의 레벨이 전원전압으로 제한되어 출력전력(Po)도 아래의 수학식 2와 같이 제한된다.

단, Po는 출력전력이고, So는 출력전압이며, Zo는 부하의 임피던스이다.

이와 같이, 출력전력(Po)이 제한되는 문제점을 해결하기 위하여, 전력증폭기(16)에서 증폭된 변조펄스를 트랜스포머(17)의 1차측에 인가하면 트랜스포머(17)의 2차측에서는 1차측 권선수(N1)와 2차측 권선수(N2)에 비례하는 전압레벨을 얻을 수 있다. 따라서, 트랜스포머(17)의 권선수를 N1＜N2로 설정하면 2차측에는 승압된 전압레벨이 검출되므로, 위의 수학식 2로부터 아래의 수학식 3과 같이 출력전압(So)을 유추하여 원하는 출력전력(Po)을 얻을 수 있는 권선비(N1:N2)를 설정할 수 있다. 이때, 바람직한 권선비(N1:N2)를 구하는 공식은 아래의 수학식 4와 같다.

단, Vi는 트랜스포머(17)의 1차측에 걸리는 전압이다.

트랜스포머(17)의 2차 권선에서 출력되는 펄스신호는 2차 정류기(18)에 의해 전파정류되어 스위칭부(19)내의 스위칭소자(SW2)에 공급된다.

한편, 비교기(12)의 편차출력(Se)은 극성판별기(22)에 입력되고, 극성판별기(22)는 편차출력(Se)의 극성에 따라 플러스(＋)신호와 마이너스(－)신호를 출력한다(도 4f 참조). 이 극성신호는 스위칭 구동부(23, 23a)에 인가되고, 이로 인하여 스위칭 구동부(23, 23a)는 인가된 극성에 따라 스위칭부(19)내의 스위칭소자(SW1, SW2)를 번갈아 턴-온시키게 된다.

이때, 스위칭소자(SW1, SW2)의 출력신호는 앞서 설명한 바와 같이, 부하에 충분한 전력을 공급할 수 있는 높은 전압상태이므로 이 출력신호를 코일(L1, L2)과 컨덴서(C1, C2)로 구성된 저역필터(21)로 고조파성분과 스위칭 노이즈를 제거하면 입력신호(Si)로부터 소정크기만큼 증폭된 출력신호(So)를 얻을 수 있으므로, 부하에 충분한 전력을 공급할 수 있게 된다.

출력신호(So)는 궤환부(24)를 통하여 특성개선(왜곡보상)이 이루어진 후 비교기(12)에 입력되고, 위의 과정을 반복 수행함에 따라 안정된 출력특성을 얻을 수 있다.

한편, 위와 같은 본 발명에 있어서, 펄스폭 변조기(14)에 의해 입력신호(Si)가 구형파 펄스신호로 변조되는 경우, 이 구형파 펄스신호의 주파수는 입력신호(Si)의 주파수보다 대략 50배에서 100배 정도 높은 주파수를 갖도록 함으로써, 최종 출력되는 출력신호(So)의 특성을 향상시키도록 하는 것이 바람직하다.

결국, 본 발명에 의한 저전압 증폭장치에 따르면, 다음과 같은 이점이 있다.

(1) DC-DC 컨버터를 사용하지 않은 상태에서 낮은 입력전압으로부터 높은 출력전압을 얻을 수 있으므로, 회로의 구성이 간단해지고, 이에 따라 제조원가가 절감된다.

(2) 입력신호를 구형파 펄스신호로 변조한 후, 변조된 펄스신호를 증폭함으로써, 증폭효율이 향상된다.

Claims (5)

1. 입력신호와 출력신호를 비교하여 입력신호와 출력신호의 편차신호를 출력하는 비교기;

   상기 비교기에서 출력된 상기 편차신호를 전파정류하는 1차 정류기;

   상기 1차 정류기에서 전파정류된 정류 편차신호를 구형파 펄스신호로 변조하는 펄스폭 변조기;

   상기 펄스폭 변조기에 의해 변조된 상기 구형파 펄스신호를 증폭하는 증폭부;

   1차측과 2차측의 권선비에 따라 상기 증폭부에서 증폭된 증폭 펄스신호를 승압하는 트랜스포머;

   상기 트랜스포머에 의해 승압된 승압 펄스신호의 플러스극성과 마이너스극성을 각각 정류하는 2차 정류기;

   상기 2차 정류기에서 정류된 정류 펄스신호가 부하에 인가되는 것을 스위칭하는 스위칭부;

   상기 비교기에서 출력된 편차신호의 극성을 판별하는 극성판별기;

   상기 극성판별기에서 판별된 극성에 따라 상기 스위칭부의 스위칭상태를 제어하는 스위칭 구동부; 및

   상기 부하에 공급되는 출력신호의 특성을 개선하여 상기 비교기에 인가하는 궤환부를 포함하는 저전압 증폭장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 비교기의 전단에,

   상기 입력신호를 신호처리에 적합한 크기로 증폭하는 전치증폭기를 더 포함하는 저전압 증폭장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 구형파 펄스신호는,

   상기 입력신호의 최대주파수에 대하여 50배에서 100배 사이의 주파수를 갖는 저전압 증폭장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 증폭부는,

   상기 구형파 펄스신호를 1차 증폭하는 펄스증폭기; 및

   상기 펄스증폭기에 의해 1차 증폭된 증폭 펄스신호를 2차 증폭하는 전력증폭기를 포함하는 저전압 증폭장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 2차 정류기와 상기 부하 사이에,

   상기 2차 정류기에 의해 정류되고 합성된 상기 합성 펄스신호의 고조파성분을 제거하는 저역필터를 더 포함하는 저전압 증폭장치.

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