KR100370498B1 - 2중 부궤환 ｄ급 음향증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄스변조방식의 D급 증폭기를 이용한 음향증폭기에 관한 것이다.

디지털 방식의 D급 증폭기는 아날로그 증폭기에 비해 고효율을 얻을 수 있고 냉각장치도 매우 작고 전원장치 용량도 작은 장점이 있음에도 불구하고 고속 스위칭 동작에 의해 선형성이 매우 나쁘다. 이에 아날로그 앰프의 성능 개선을 위한 전압 부궤환을 사용하여 선형성을 꾀하지만 출력단의 필터에 의한 두 개의 극점과 내부의 회로의 극점들로 많은 부궤환을 걸기에 어려움이 있어 아날로그 증폭기에 비하여 매우 열악한 선형성을 얻는다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 D급 음향증폭기에 전류 부궤환을 이용하여 전압 부궤환을 안전하게 걸 수 있도록 함으로써 고효율과 저왜율의 특성을 갖는 D급 음향증폭기를 구현한다.

Description

2중 부궤환 Ｄ급 음향증폭기{CLASS D ACOUSTIC AMPLIFIER APPLIED DUAL NEGATIVE FEEDBACK}

본 발명은 펄스변조 스위칭 방식의 D급 증폭기를 이용한 음향증폭기에 관한것으로서, 특히 D급 음향증폭기에 2중 부궤환(전류 부궤환, 전압 부궤환)을 함께 적용한 2중 부궤환 D급 증폭기에 관한 것이다.

최근 그린라운드 시대의 도래와 더불어 특히 전자제품에 있어서는, 사용되는 에너지의 절대적인 양을 줄이려는 노력과 함께 에너지 효율을 제고함으로써 그 손실을 최소화시키려는 노력이 한창 진행중이다.

음향증폭기에는 선형성이 우수한 A급, B급 및 AB급 증폭기가 채용되어 왔는데 이러한 형태의 증폭기는 대출력 증폭기를 구현할 경우, 막대한 전력 손실이 발생된다. 따라서 음향 증폭기에서 음성에너지로 변환되어 출력되는 에너지 이외는 모두 열로 변환되어 버리기 때문에 증폭기의 온도가 증가되는 요인이 되며 이를 강제로 냉각하기 위해서는 필연적으로 방대한 방열판이 필요하게 되므로 결국 부피가 커지게 되는 단점을 갖게 된다. 즉, 선형성이 좋다는 장점이 있는 대신에 효율이 나쁘다는 단점이 있다.

그 중 이러한 특징을 가장 극명하게 나타내고 있는 것이 A급 증폭기이다. A급 증폭기는 증폭기의 최대 출력보다 더 큰 출력손실이 존재하는 증폭기로 그 효율은 50%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 높은 편으로 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, 그 전류량은 A급 증폭기의 바이어스 전류보다는 훨씬 적은 양이다. AB급 증폭기의 특성은 바이어스 전류가 많이 흐를수록 A급에 근사한 반면 바이어스 전류를 적게 흐를수록 B급에 근사해진다.

A급, B급 및 AB급 증폭기의 경우 손실량의 차이는 존재하지만 이론상 가해 주는 에너지의 21.5% ∼ 50%가 열로 손실되며, 실제는 40% ∼ 70%정도가 열로 손실된다. 그 결과 방열을 위한 수단으로 방열판이나 냉각용 팬이 필요하게 된다. 방열판과 냉각용 팬의 부과는 결국 부피의 증가라는 문제와 강제 냉각용 팬의 소음공해라는 문제를 유발하게 된다. 이러한 기존의 A급, B급 및 AB급 증폭기가 안고 있는 문제점을 해결할 수 있는 증폭기가 D급 증폭기이다.

도 1은 단일전압 혹은 미정의 부궤환 D급 음향증폭기의 블록 구성도이다.

도 1에 도시된 D급 증폭기는 선형동작이 아닌 스위칭(Switching) 동작에 의하여 증폭을 행하는 펄스폭 변조(PWM : Pulse Width Modulation)방식을 채택한 증폭기로서, 일정주기의 신호를 얻기 위한 고주파 구형파 발진기(11), 고주파 발진기의 출력신호인 구형파를 삼각파로 만들어 주는 적분기(12), 오디오 입력신호와 부궤환 신호를 증폭하는 차동 증폭기(13), 차동증폭기(13)의 출력신호와 적분기(12)의 출력신호의 차를 증폭하는 가산 증폭기(14), 스위칭 소자를 드라이브 해주는 게이트 드라이버(15), 게이트 드라이버에 의해 구동되는 스위칭 소자(Q1)(Q2), 출력필터(16) 및 스피커(17)로 구성되어 있다.

D급 증폭기를 이용한 음향기기의 원리는 스위칭 레귤레이터(switchingregulator) 혹은 PWM 변환기(PWM convert)와 동일한 원리이며 다만 다른 점이라면 음향기기용 D급 증폭기가 PWM 변환기에 비하여 약 20Hz ∼ 20KHz의 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 열 손실이 발생하며 또한 제어회로에서의 전력소비가 불가피하므로 대략 90% 전후의 효율을 기대할 수 있으며, 냉각장치도 작고, 전원용량도 아날로그 증폭기 보다 작다는 장점이 있다.

D급 증폭기는 이러한 장점이 있음에도 불구하고 고속 스위칭 동작에 의해 선형성이 매우 나쁘다는 단점이 있다. 성능 개선을 위하여 전압 부궤환을 사용하여 선형성을 꾀하고 있지만 출력단의 필터(인덕터와 캐패시터)에 의한 두 개의 극점과 내부회로의 극점들로 많은 부궤환을 걸기에 어려움이 있어 아날로그 증폭기에 비하여 매우 열악한 선형성을 얻는다. 또한 출력단의 필터에 의하여 부하의 값과 특성에 의하여 출력단의 주파수 특성, 일그러짐 등이 심하게 변하므로 특정 부하에 맞추어 출력단 필터를 설계해야 하는 단점이 있다.

이러한 D급 증폭기를 이용한 음향기기를 만들기 위하여 수많은 노력을 해왔지만 아직까지 상품화에 성공한 예는 없으며, 현재까지 알려진 D급 음향 증폭기는 도 1에 도시된 바와 같이 단일전압 혹은 미정의 부궤환을 이용한 방식이 전부이다.

D급 증폭기는 통상 펄스변조 방식의 스위칭을 이용하여 증폭을 수행하기 때문에, D급 증폭기를 이용하여 음향기기를 구현하게 되면, 한 개의 인쇄회로기판(PCB : Printed Circuit Board)상에 아날로그 회로와 디지털 회로가존재하게 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 나타난 바와 같이 부궤환 회로의 설계에 성공했다고 할지라도, 왜율은 아날로그 증폭기보다 여전히 훨씬 크기 때문에 양질의 음을 확보하는 데에는 많은 연구개선이 필요하다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은 펄스폭 변조 스위칭 방식의 D급 증폭기를 이용한 음향 증폭기에 고효율과 저왜율의 특성을 갖는 2중 부궤환 D급 음향증폭기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 펄스폭 변조 스위칭을 이용한 2중 부궤환 D급 음향증폭기는, 펄스폭변조 스위칭을 이용한 2중 부궤환 D급 음향증폭기에 있어서, 입력신호와 출력전압 궤환된 출력신호와의 차를 증폭하는 전압 증폭부; 출력전류 궤환된 상기 출력신호를 증폭하는 전류 증폭부; 상기 전압 증폭부의 출력신호와 상기 전류 증폭부의 출력신호에 의하여 생성되는 펄스 폭변조 신호에 의해 스위칭 구동되어 상기 출력신호를 발생하는 출력 스위칭 소자; 상기 출력 스위칭 소자의 후단에 연결된 인덕터와 캐패시터로 이루어진 제 2 저역통과필터; 상기 캐패시터와 그라운드 사이에 연결되어 상기 인덕터의 전류를 검출하기 위한 검출 저항을 포함하며, 상기 검출 저항에 인가된 양단 전압은 상기 전류 증폭부에 궤환 신호로 제공되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 단일전압 혹은 미정의 부궤환 D급 음향증폭기의 블록도이다.

도 2는 본 발명의 2중 부궤환 D급 음향증폭기의 블록구성도이다.

도 3은 도 2의 전압 증폭부를 상세하게 나타낸 회로도이다.

도 4는 도 2의 전류 증폭부를 상세하게 나타낸 회로도이다.

도 5는 도 2의 중간 증폭부를 상세하게 나타낸 회로도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >

100 : 음향증폭부 102 : 제 1 저역통과필터

104 : 전압 증폭부 106 : 전류 증폭부

108 : 중간 증폭부 200 : 비교기

300 : 삼각파 발생기 400 : 게이트 드라이버

500 : 제 2 저역통과필터

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 2중 부궤환 D급 증폭기의 블록 구성도이며, 도 3은 전압 증폭부의 상세 회로도이며, 도 4는 전류 증폭부의 상세 회로도이며, 도 5는 중간 증폭부의 상세 회로도이다.

본 발명의 2중 부궤환 D급 음향증폭기는 20Hz ∼ 20KHz의 가청주파수 대역에서 평탄한 크기(magnitude)특성을 유지하며 위상 마진(phase margin)의 확보와 출력전압(Vo)의 성능 향상을 위하여 전압궤환(voltage feedback)과 전류궤환(current feedback)을 동시에 적용한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 2중 부궤환 D급 음향증폭기는 출력측의 제 2 저역통과필터(500)에 의한 스루레이트 한계로 발생하는 과도 혼변조 일그러짐을 억제하기 위한 제 1 저역통과필터(102)와, 제 1 저역통과필터(102)의 출력신호와 전압 부궤환 루프(105)를 경유하여 궤환된 최종출력 전압(Vo)의 차를 증폭하는 전압 증폭부(104)와, 검출 저항(Rs)의 전압을 증폭하는 전류 증폭부(106)와, 전압 증폭부(104)의 출력신호와 전류 증폭부(106)의 출력신호의 차를 증폭하는 중간 증폭부(108)와, 기준신호로서 펄스변조 캐리어 삼각파를 발생하는 삼각파 발생기(300)와, 삼각파 발생기(300)의 기준신호와 중간 증폭부(108)의 출력신호를 비교하는 비교기(200)와, 비교기(200)의 출력신호를 증폭하며, 스위칭소자(Q1)(Q2)를 구동하여 주는 게이트 드라이버(400)와, 게이트 드라이버(400)의 출력신호에 의해 온/오프 됨으로써 펄스폭 변조된 디지털 신호인 구형파를 출력하는 스위칭소자(Q1)(Q2)와, 스위칭소자(Q1)(Q2)의 신호를 음향신호로 복조하여 스피커(SP)에 출력하는 제 2 저역통과필터(500)로 구성된다.

도 3을 참조하면, 전압 증폭부(104)의 보다 상세한 회로 구성을 도시한다. 도시한 바와 같이 전압 증폭부(104)는 그의 (+)단자에 인가되는 제 1 저역통과필터(102)의 출력신호와 전압 부궤환 루프(105)를 경유하여 (-)단자에 인가된 전압 부궤환 신호간의 차를 증폭하는 증폭기(OP1)를 구비한다. 저항(R1, R2)은 증폭기(OP1)의 이득을 결정해 주고, 저항(R2)과 캐패시터(C2)는 병렬회로로 연결되고, 저항(R3)와 캐패시터(C2) 직렬로 연결하여 증폭기의 가청대역의 성능과 직류안정도를 향상시키기 위한 목적으로 사용한다. 이 때 저항(R2)과 캐패시터(C2)의 시정수는 20KHz ∼ 300KHz내에서 설정되며, 캐패시터(C2)와 저항(R3)의 시정수는 20KHz 이하에서 선택한다.

전압 부궤환 루프(105)는 저항(R4)과 캐패시터(C3)와의 병렬회로로 구성되어 있으며, 저항(R4)과 캐패시터(C3)는 전체시스템의 이득(증폭률)과 안정도를 보장하는 역할을 한다. 출력전압(V_O)이 전압 부궤환 루프(105)의 저항(R4)를 통하여 전압 부궤환 되면, 가청주파수 대역에서 전체 시스템의 이득은 “1+(R4/R1)”으로 결정됨으로써, 출력전압(V_O)의 성능이 향상된다. 캐패시터(C3)는 라인(50)을 통해서 부궤환된 D급 증폭기의 최종출력 신호(V_O)의 위상을 당겨줌으로써 위상마진을 확보하여 안정도를 확보하는 기능을 담당한다. 저항(R4)은 원하는 이득과 저항(R1)을 고려하여 결정하여야 하며, 특히, 캐패시터(C3)는 상술한 바와 같이 안정도에 큰 영향을 주기 때문에 전체 시스템의 위상을 고려하여 결정한다.

제 2 저역통과필터(500)의 캐패시터(C1)와 접지 사이에 연결된 검출저항(R_S)에 검출되는 전압은 제 2 저역통과필터(500)의 인덕터(L1)의 전류에 비례하는 전압이다. 검출저항(R_S)에 전압을 전류 증폭부(108)의 입력에 가하여 전류 부궤환을 수행한다. 전류 증폭부(106)는, 도 4에 보다 상세히 도시한 바와 같이, 검출저항(R_S)에 인가되는 전압을 완벽하게 증폭하기 위하여 감산증폭기를 사용한다. 이 회로는 증폭기(OP2)와, 증폭기(OP2)의 이득을 결정하는 저항(R5, R6, R7, R8)로 구성되며 저항(R5/R6)의 비율과 저항(R7/R8)의 비율이 같게 설정한다.

이와 같이 D급 증폭기의 최종출력전류를 부궤환 하면 전체적인 특성은 트랜스 콘덕턴스(입력이 전압이면 출력은 전류가 나오는 것)가 된다. 즉, 제 2 저역통과필터(500)의 인덕터(L1)에 의한 극점이 높은 주파수쪽으로 이동하고 출력단을 정전류화 하는 효과가 있다. 이러한 효과로 인해 D급 증폭기는 마치 정전류회로의 출력에 캐패시터와 부하가 연결되는 것과 같이 동작한다. 그 결과 출력단에 극점이 2개에서 1개로 되므로 전압 부궤환을 안전하게 걸 수 있게 되어 전압 부궤환에 의한 성능 개선이 더욱 향상된다.

출력전류를 검출하여 부궤환을 적용시 안정하게 동작을 하기 위한 조건은 중간 증폭부(108)의 출력전압의 기울기가 비교기(200)에 인가되는 삼각파 전압의 기울기보다 작아야 한다. 이들의 관계식은 하기 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서 Vs : 삼각파의 피크-피크 전압

: 삼각파 전압의 기울기

Vcc : 출력단 전압

K2 : 스위칭 주파수에서 증폭기(OP2)의 이득

K3 : 스위칭 주파수에서 증폭기(OP3)의 이득

Rs : 검출저항 값

L : 제 2 저역통과필터(500)의 인덕터 값

증폭기(OP2)와 증폭기(OP3)의 선형성을 높이기 위하여, 전류 증폭부(106)내 증폭기(OP2)의 이득 K2와 중간 증폭부(108) 증폭기(OP3)의 이득 K3은 10배 이하의 범위에서 선택하고 검출저항(Rs) 값은 0.2Ω 이하의 범위에서 선택하여 수학식 1을 만족하는 삼각파 전압의 기울기, 출력단 전압, 증폭기들의 이득, 검출저항(Rs) 값과 제 2 저역통과필터(600)의 인덕터(L1)의 값을 결정한다.

궤환 증폭부(108)는, 도 5에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 저항(R7)을 통하여 인가되는 전압 증폭부(104)의 증폭기(OP1) 출력신호와 저항(R8)을 통해서 전류 증폭부(106)의 증폭기(OP2)의 출력신호의 차이를 증폭하는 증폭기(OP3)와, 증폭기(OP3)의 이득특성을 조정하는 저항(R12, R10)과, 가청대역(20KHz)이하의 성능을 보다 향상시키고 안정된 전류 바이어스와 과도한 루프 이득을 막기 위한 캐패시터(C5) 및 저항(R11, R12)으로 구성된다. 이때 스위칭 주파수에서의 증폭기(OP3)의 이득은 (R12/R10)로 결정되고, 캐패시터(C5)와 저항(R10)의 시정수는 10KHz ∼ 200KHz내에서 선택하고 캐패시터(C5)와 저항(R9)의 시정수는 10KHz 이하로 정한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 D급 증폭기의 동작은 도 2 내지 도 5를 참조하여 다음과 같이 설명된다.

제 1 저역통과필터(102)는 입력되는 음향신호(Vi)가 제 2 저역통과필터(500)의 공진주파수에 가까운 주파수가 입력될 때 과도한 슬루레이트에 의한 일그러짐이 발생하는 것을 억제하기 위한 것으로, 제 1 저역통과필터(102)의 컷오프 주파수는 가청대역의 상한인 20KHz이상과 제 2 저역통과필터(500)의 공진주파수 보다 낮은 주파수로 설정한다. 제 1 저역통과필터(102)는 입력음향신호(Vi)를 필터링하며, 필터링된 주파수의 입력음향신호는 전압 증폭부(104)의 증폭기(OP1)로 인가된다.

전압 증폭부(104)의 증폭기(OP1)는 전압궤환(voltage feedback)을 수행하는 증폭기로서, 그의 (+)단자와 (-)단자에는 제 1 저역통과필터(102)에서의 출력신호와 최종 출력신호(Vo)으로부터의 궤환신호가 입력된다. 이 때 최종출력(Vo)은 출력 스위칭 소자(Q1, Q2)에서 출력된 구형파를 제 2 저역통과필터(500)를 통과시켜 검출한 포락선 신호이기 때문에 음향입력신호(Vi)와 닮은꼴을 나타내며, 단지 그 크기가 증폭되고 위상이 수°이하 지연된 신호 파형을 갖는다.

증폭기(OP1)는 그의 (+)단자에 입력되는 신호와 (-)단자에 입력되는 신호, 즉 스피커(SP)의 입력신호인 캐패시터(C1)의 신호로부터 전압 부궤환 루프(105)를 경유하여 전달된 신호의 차를 증폭하여 출력한다. 이 때 증폭기(OP1)의 이득은 1+(R2/R1)로 결정되며, 증폭기(OP1)의 극점을 스위칭 주파수보다 높은 곳으로 설정하기 위해서 이득은 10배 이하로 설정된다. 증폭기(OP1)에서 출력된 신호는 저항(R9)을 통해서 중간 증폭부(108)의 (+)단자에 입력된다.

마찬가지로 전류 증폭부(106)의 증폭기(OP2)(도 4참조)는 전류궤환(current feedback)을 수행하는 증폭기로서, 검출저항(Rs)의 양단에 연결된 라인(60, 70)이 두 입력단에 연결되어 검출저항(Rs)에 흐르는 전류에 대한 전압을 부궤환 하여 증폭한다. 저항(R5, R6)에 의해 스위칭 주파수에서의 증폭기(OP2)의 이득이 (R6/R5)으로 결정되며, 증폭기(OP2)에 의해 증폭된 신호는 라인(30)상의 저항(R10)을 통하여 중간 증폭부(108)의 증폭기(OP3)의 (-)단자로 인가된다.

궤환 증폭부(108)의 증폭기(OP3)(도 5참조)는 라인(20)상의 전압 증폭부(104)의 출력신호와 라인(30)상의 전류 증폭부(106)에서의 출력신호의 차를 증폭하며, 증폭된 신호는 비교기(200)로 제공된다.

비교기(200)는 삼각파 발생기(300)에서 생성된 기준신호인 펄스폭 변조 캐리어 삼각파와 중간 증폭부(108)내 증폭기(OP3)의 출력신호를 비교하여 펄스폭 변조된 구형파를 생성한다.

즉, 비교기(200)는 삼각파 발생기(300)의 삼각파 신호보다 증폭기(OP3)의 출력신호가 크면, 논리 하이(High)를 출력하고, 그 반대의 경우에는 논리 로우(Low)를 출력함으로써, 비교기(200)의 출력은 펄스폭 변조된 구형파로서 생성된다. 결국 비교기(200)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 기능을 수행한 셈이며, 이런 측면에서 비교기(200)는 아날로그-디지털 변환기로서 사용된다.

비교기(200)에서 생성된 구형파 신호는 출력 스위칭 소자(Q1)(Q2)를 구동하기에는 미약한 신호이므로 게이트 드라이버(400)에 의해 증폭된 후에 MOS FET로 구성된 출력 스위칭 소자(Q1)(Q2)의 게이트에 인가된다. 이때 게이트 드라이버(400)의 출력이 논리 로우인 경우에는 제 1 출력 스위칭 소자(Q1)가 온 되고, 그 결과로 출력 스위칭 소자(Q1)의 출력 단자(즉, 드레인)에서 구형파가 얻어지고, 게이트 드라이버(400)의 출력이 논리 하이 인 경우에는 제 2 출력 스위칭 소자(Q2)의 출력단자(즉, 드레인)에서 구형파가 얻어지게 된다.

출력 스위칭 소자(Q1)(Q2)의 스위칭 주파수는 수백 KHz이며, 그에 따라 얻어진 구형파는 결국 외부에서 입력된 음향신호가 펄스변조 되어 얻어진 파형이다. 출력 스위칭 소자(Q1, Q2)에 의해 생성된 구형파는 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성되어 있는 제 2 저역통과필터(500)로 제공되고, 제 2 저역통과필터(500)에서 스위칭 신호가 제거된 후 일정하게 증폭된 음향신호로 복조된다. 이때, 제 2 저역통과필터(500)는 디지털-아날로그 변환기로 작용한다.

제 2 저역통과필터(500)의 시정수는 가청대역 이상과 스위칭 주파수보다는 낮은 주파수에서 정하며 특성 임피던스는 2 ∼ 20Ω으로 설정한다.

이와 같이 작은 크기의 최초 입력신호는 펄스폭 변조 스위칭 메카니즘을 통하여 큰 신호로 증폭이 되어 스피커(SP)를 통해 출력됨으로써 음향을 창출하게 된다.

상술한 바와 같이, 2중 부궤환 D급 음향증폭기로서 구현된 본 발명은 출력단의 인덕터에 흐르는 전류를 부궤환 걸어 입력 전압 대 출력 전류의 성능이 향상된다.

이것은 출력단을 정전류원화하는 것으로 인덕터에 의한 극점이 높은 주파수쪽으로 이동하는 효과를 나타낸다. 그 결과, 출력단에 캐패시터와 부하가 연결된 것이므로 극점이 2개에서 1개로 되므로 전압 부궤환을 안전하게 걸 수 있게 되어 전류 부궤환에 의한 성능이 개선되어 기존의 아날로그 증폭기에 필적하는 성능을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 D급증폭기의 출력신호는 펄스폭 변조로 동작함으로 출력소자의 상태는 도통 혹은 단선의 상태를 가지므로 에너지 손실은 거의 없게 된다. 실질적으로 D급 증폭기의 출력소자의 상태가 도통에서 단선, 단선에서 도통으로 변환할 때 스위칭 손실이 발생하고, 도통 상태일 때 출력소자의 내부 저항에 의한 도통 손실이 있어 실제 효율은 90%이상의 고효율을 갖는다.

부가적인 효과로 에너지 절감 효과를 들 수 있다. 즉, D급 증폭기가 효율이 우수하다는 것은 알려져 있으나 성능이 열악하여 사용되지 못하고 있었다. 그러나 본 발명은 부궤환을 안전하게 처리함으로써 기존의 모든 아날로그 증폭기를 D급 증폭기로 전환할 경우 동급이상의 성능을 확보하고 에너지를 절약할 수 있다. 더불어 방열판의 크기와 전원장치의 용량이 기존 아날로그 증폭기에 비하여 30% ∼ 40% 작아도 동일한 출력을 얻을 수 있는 장점이 있어 전체적으로 소형화 및 제조가격의 인하 효과를 얻을 수 있다.

Claims (6)

1. 펄스폭변조 스위칭을 이용한 2중 부궤환 D급 음향증폭기에 있어서,

   입력신호와 출력전압 궤환된 출력신호와의 차를 증폭하는 전압 증폭부;

   출력전류 궤환된 상기 출력신호를 증폭하는 전류 증폭부;

   상기 전압 증폭부의 출력신호와 상기 전류 증폭부의 출력신호에 의하여 생성되는 펄스 폭변조 신호에 의해 스위칭 구동되어 상기 출력신호를 발생하는 출력 스위칭 소자;

   상기 출력 스위칭 소자의 후단에 연결된 인덕터와 캐패시터로 이루어진 제 2 저역통과필터;

   상기 캐패시터와 그라운드 사이에 연결되어 상기 인덕터의 전류를 검출하기 위한 검출 저항을 포함하며,

   상기 검출 저항에 인가된 양단 전압은 상기 전류 증폭부에 궤환 신호로 제공되는 것을 특징으로 하는 2중 부궤환 D급 음향증폭기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2 저역통과필터의 출력신호의 성능향상과 위상마진을 확보하기 위하여 저항과 캐패시터를 병렬로 구성된 전압 부궤환 루프를 더 포함하며,

   상기 출력신호는 상기 전압 부궤환 루프를 통하여 상기 전압 증폭부에 궤환 신호로 제공되는 것을 특징으로 하는 2중 부궤환 D급 음향증폭기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 D급 음향증폭기는,

   상기 입력신호에 의한 상기 제 2 저역통과필터의 과도혼변조일그러짐을 억제하기 위하여 상기 입력신호를 필터링하여 상기 전압 증폭부로 제공하는 제 1 저역통과필터를 더 포함하는 2중 부궤환 D급 음향증폭기.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 제 2 저역통과필터의 차단 주파수는 가청대역 이상이고, 상기 제 1 저역통과필터의 공진 주파수보다 낮게 설정된 것을 특징으로 하는 2중 부궤환 D급 음향증폭기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 D급 음향증폭기는,

   상기 전압 증폭부의 출력신호와 상기 전류 증폭부의 출력신호를 비교 증폭하는 중간 증폭부;

   펄스폭 변조 스위칭을 위한 펄스폭 변조 캐리어를 기준신호로서 생성하는 삼각파 발생기;

   상기 중간 증폭부와 상기 삼각파 발생기의 펄스폭 변조 캐리어를 비교하여 펄스폭 변조 신호를 출력하는 비교기;

   상기 출력 스위칭 소자의 스위칭을 구동을 위하여 상기 비교기의 출력신호를 증폭하는 게이트 드라이버를 더 포함하는 2중 부궤환 D급 음향증폭기.
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