KR100704859B1 - 다중 레퍼런스, 고정밀 스위칭 증폭기 - Google Patents

Abstract

스위칭 증폭기는 브리지 구성에 복수의 독립 출력단을 사용하고, 각 출력단은 공통 출력 부하의 단일 단자에 대한 두개 이상의 정적 또는 동적 레퍼런스 전압, 전류 또는 파워와 독립 듀티 사이클을 곱한 결과를 나타낸다. 복수의 전기 제어식 스위치(207, 208, 209, 210, 211, 212)는 레퍼런스를 부하(218)에 연결시키며, 파형 발생기는 파워의 거친 제어 및 미세 제어를 위해 부하에 대한 스위치를 제어한다. 파형 발생기는 펄스 부호 변조(PCM)를 사용하는 것이 바람직하지만, 본 발명은 이 점에 제한되지 않고, 전기 제어식 스위치를 배열하기에 적합한 어떤 변조 기구나 파형에도 적용할 수 있다. 부하는 양쪽에서 필터링되고, 전원으로 복귀 경로(즉, 그라운드)는 필터(213, 214, 215, 216, 217)를 통하여 부하에 접속된 각각의 스위치를 통하여 연결된다. 증폭기는 구성에서 이익이 되는 오디오 또는 다른 장치를 사용할 수 있다.

스위칭 증폭기, 전기 제어식 스위치, 레퍼런스, PCM, 파형 발생기

Description

다중 레퍼런스, 고정밀 스위칭 증폭기 {MULTI-REFERENCE, HIGH-ACCURACY SWITCHING AMPLIFIER}

본 발명은 스위칭 증폭기에 관한 것으로, 특히 낮은 단가로 고정밀도를 얻기 위해서 브리지 구성에서 복수의 독립적인 레퍼런스 출력단을 사용하는 스위칭 증폭기에 관한 것이다.

스위칭 증폭기는 유니폴라 또는 바이폴라 전원 레퍼런스와 부하간의 접속 시간을 고정된 제어 주기 내에서 변조하는 원리에 기초하고 있었다. 부하에 이용할 수 있는 전압이나 전류는 접속된 전원의 전압이나 전류에 접속 듀티 사이클(duty cycle, 전체 시간에 대한 ON 시간의 비율)을 곱한 값이다. 그래서, 제어 주기마다 한번 정도로 자주 갱신되는 변조 입력으로 출력 전압, 전류 또는 전원을 비례적으로 제어한다. 제어 주기는 대개 대상물의 최고 주파수 주기의 1/20에서 1/2 범위를 사용한다.

스위칭 증폭기의 출력은 부하에 가해지기 전에 필터링된다. 이에 의해 변조 소스와 제어 주기 사이에 헤테로다인(heterodyne) 효과가 생긴다(에일리어싱). 제어 주기가 길면 필터 경사가 급해지는 반면에, 짧은 제어 주기를 사용하면 낮은 Q를 갖는 출력 필터를 사용할 수 있다. 그러므로, 필터 단가 때문에 짧은 제어 주 기를 사용하게 된다.

증폭용 소스의 다이내믹 레인지는 지난 10년 동안에 극단적으로 증가하였다. 이에 따라 전형적인 디지털 오디오 소스는 현재 96㏈의 다이내믹 레인지와 20㎑의 대역폭을 가진다. 이러한 신호의 정밀 증폭에 필요한 것은 전형적인 스위칭 증폭기 출력단이 40㎑의 제어 주파수 내에서 대략 65,000분의 1의 최대 타이밍 분해능(timing resolution)을 갖는 것이다. 여기서, 분해능이라고 하는 것은 대개 1 나노세컨드(nanosecond)보다는 작다.

도 1은 양 출력 드라이버로서 단일 레퍼런스를 사용하는 전형적인 종래 기술의 브리지 스위칭 증폭기 출력단을 나타낸다. 도 2는, 증폭기 출력단의 시간 요구 조건(time requirement)을 나타내는데, 여기서 파형(202 내지 205)은 도 1의 전기 제어식 스위치(102 내지 105)에 공급된 (액티브 하이) 구동 신호에 각각 대응하는 것이다. 전원(101)은 스위치(102, 104)에 접속하여 부하(108)에 대한 전압을 필터(106 또는 107)를 통하여 제어한다. 전원(101)의 복귀 경로는 스위치(103, 105)에 접속되어 경로를 완성시키도록 된다.

스위치(102 내지 105)를 제어하는 것은 제어 회로(109)이다. 필터(106, 107)는 출력에서 스위칭 성분을 제거하는 역할을 한다. 스위치(102, 103)가 특정 듀티 사이클에서만 활성화되는 동안 스위치(105)는 필터(106, 107)를 거쳐 부하(108)에 한쪽 극성을 제공하도록 활성화된다. 그렇지 않으면, 스위치(104, 105)가 특정 듀티 사이클에서만 활성화되는 동안 스위치(103)는 필터(106, 107)를 거쳐 부하(108)에 반대쪽 극성을 제공하도록 활성화된다.

도 1의 출력단이 100㎑의 전형적인 속도로 동작하는 경우에, 신호를 96㏈의 다이내믹 레인지(65536 분의 1)로 정확하게 증폭하기 위한 시간 분해능은 100㎑의 역수를 65536으로 나눈 값 즉 153 피코세컨드(picosecond)로 예상된다. 이는 보통 이용하는 실리콘 반도체의 능력을 넘어선 것이다. 이에 따라 고대역폭, 고정밀 신호를 합리적인 단가로 정확하게 증폭하기 위한 다른 접근 방식이 요구된다.

본 발명은 복수의 독립 출력단을 브리지 구성에 편입하는 스위칭 증폭기에 관한 것이다. 넓게는, 각 출력단은 공통 출력 부하의 단일 단자에 대한 두개 이상의 정적 또는 동적 레퍼런스 전압, 전류 또는 파워와 독립 듀티 사이클을 곱한 결과를 나타낸다. 본 발명의 구성은 종래의 구성보다 낮은 단가로 고정밀도를 얻는데, 이는 완화된 시간 요구 조건의 출력 전압, 전류 또는 파워를 산출하기 위해 다중 레퍼런스를 사용하기 때문이다.

바람직한 실시예에서, 제1 레퍼런스의 전압이 제2 레퍼런스의 전압보다 높은, 제1 전압 레퍼런스와 제2 전압 레퍼런스가 사용된다. 제1 전압 레퍼런스는 제2 전압 레퍼런스보다 2의 제곱만큼 높다. 복수의 전기 제어식 스위치는 레퍼런스를 부하에 연결시키며, 파형 발생기(waveform generator)는, 제1 전압을 파워의 거친(coarse) 제어를 위해 부하에 인가하며 제2 전압을 파워의 미세(fine) 제어를 위해 부하에 인가하도록 스위치를 제어한다. 파형 발생기는 펄스 부호 변조(pulse code modulation, PCM)를 사용하는 것이 바람직하지만, 본 발명은 이 점에 제한되지 않고, 전기 제어식 스위치를 배열하기에 적합한 어떠한 변조 기구(modulation scheme)나 파형에도 적용할 수 있다.

부하는 양쪽에서 필터링되고, 전원으로의 복귀 경로(return path)는 필터링된 부하에 접속된 각각의 스위치를 통하여 연결되는 것이 바람직하다. 두개의 레퍼런스를 이용하는 실시예에서, 본 발명에 따른 시스템은, 하나의 레퍼런스를 부하의 각 편에 직렬로 접속하는데 사용되는 한 쌍의 제1 전기 제어식 스위치, 다른 레퍼런스를 부하의 각 편에 직렬로 접속하는데 사용되는 한 쌍의 제2 전기 제어식 스위치, 및 부하의 양쪽에 복귀 경로용의 한 쌍의 제3 전기 제어식 스위치를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에 파형 발생기는 적당하게 각 스위치를 제어하기 위한 충분한 출력을 포함한다.

도 1은 양 출력 드라이버용으로 단일 레퍼런스를 사용하는 전형적인 브리지 스위칭 증폭기 출력단을 나타내고,

도 2는 전형적인 브리지 스위칭 증폭기 출력단의 시간 요구 조건을 나타내고,

도 3은 출력 드라이버마다 두개의 다이내믹 레퍼런스를 가진 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내고,

도 4는 도 3에 나타낸 바람직한 실시예의 시간 요구 조건을 나타낸다.

본 발명은 넓게는 두개의 독립 출력단을 브리지 구성에 편입하는 스위칭 증폭기에 속한다. 각 출력단은 공통 출력 부하의 단일 단자에 대한 두개 이상의 정 적 또는 동적 레퍼런스 전압, 전류 또는 파워와 독립 듀티 사이클을 곱한 결과를 나타낸다. 본 발명의 구성은 종래의 구성보다 낮은 단가로 고정밀도를 얻는데, 이는 완화된 시간 요구 조건의 출력 전압, 전류 또는 파워를 산출하기 위해 다중 레퍼런스를 사용하기 때문이다.

예시로서, 두개(또는 그 이상)의 독립 스위칭 증폭기 출력 단자를 가로질러 부하를 브리지 구성에 접속시킴으로써, 출력의 차이, 즉 두 개의 독립 레퍼런스/듀티 사이클 승산 결과 사이의 차이를 얻을 수 있다. 단일 레퍼런스의 독립 듀티 사이클이 브리지의 각 출력단에 사용되는 기존의 스위칭 증폭기에서는 로우레벨(low-level) 변조가 타이밍 분해능(timing resolution)에 의한 제한에 영향을 받았다.

각 출력단에서 결과가 나온다는 점에서, 레퍼런스의 감소는 같은 출력을 유지하기 위해 듀티 사이클의 증가를 초래한다는 것을 예상할 수 있다. 또한, 어떤 원인에 의한 레퍼런스의 감소는 듀티 사이클의 증가로 보상하지 않으면, 그 원인에 의해 그 단의 출력을 감소시킨다는 것을 알 수 있다.

브리지 구성의 부하에 대한 최종 출력은 차동 신호(difference signal)라는 점에서, 두 개의 출력단은 같은 양(weight) 즉 레퍼런스/듀티 사이클 승산 결과를 낳을 필요는 없다. 높은 레퍼런스의 거친 정보(coarse information)는 그 부하에서 낮은 레퍼런스의 미세 정보(fine information)와 합해질 수 있다. 디지털 데이터 스트림에서 미세 정보로부터 거친 정보를 분리하는 것은 단지 비트 영역 선택의 문제이다. 아날로그 분리는 미분기를 사용할 수 있다.

넓은 다이내믹 레인지를 충족하기 위해서는 각 레퍼런스가 자체로 동적이어 야 한다. 따라서, 증폭기 분해능은 고정된 절대값을 갖는 것이 아니라 전류 레벨에 따라 변화한다. 동적 레퍼런스의 사용으로 분해능은 전류 레벨을 따를 수 있게 된다. 예를 들면, 참고로 그 내용이 본 발명에 융합되는 미국 특허 제5,610,533에 개시된 바와 같이, 동적 레퍼런스에서는, 들어오는 신호의 순간치(instantaneous value)에 따라서 부하에 가해지는 에너지가 변할 수 있다.

단일 부하에 대한 독립 레퍼런스와 제어 듀티 사이클을 사용함으로써, 단일 스위칭 증폭기 출력단의 레퍼런스와 사이클로부터 시간 요구 조건을 변경할 수 있다. 어떠한 레퍼런스 변화도 다이내믹 레인지를 증가시키도록 순간 레벨에 곧 적합하게 되어야 하며, 출력 감쇠에 단독으로 영향을 미치지 않아야 한다.

도 3은 출력 드라이버마다 두개의 다이내믹 레퍼런스를 편입한 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 4는 이 시스템에 관련된 타이밍 파형을 나타낸다. 제1 레퍼런스(VR1)는, 도시한 바와 같이, 커패시터와 인덕터를 이용하는 부하의 양쪽 필터를 통하여 부하(218)로 에너지를 공급하도록 스위치(207, 210)에 접속된다. 제2 레퍼런스(VR2)는 부하의 양쪽 필터와 스위치(208, 211)의 제어를 통하여 부하(218)에 에너지를 공급한다. 전원에 대한 복귀 경로는 스위치(209, 212)를 통하여 접속된다. 스위치는 제어 회로(220)로 제어되며, 그 타이밍 도를 도 4에 나타낸다. 스위치는 상업적으로 유용한 파워 MOSFET이나 어떤 다른 적당한 장치를 사용하여 구현될 수 있다.

거친/미세 제어(coarse/fine control)에 대해 직접적으로 비트 영역을 추출하기 위해서는, 레퍼런스(VR1)는 VR2보다 2의 제곱만큼 높은 것이 바람직하다. 출 력 극성에 따라서, 동시 제어되는 스위치 쌍은 208/209(미세)와 207/208(거침) 또는 212/211(미세)과 210/211(거침) 중 어느 하나이다. 이런 식의 제어는 반대편에서 싱킹(sinking) 및 소싱(sourcing)함에 따라 VR2를 수도그라운드(pseudo-ground)로 만든다. 듀티 사이클에서의 순간 차이는, 주파수에 있어서 출력 필터가 허용할 수 있는 범위보다 실질적으로 높다는 점에서, 부하가 이를 인식하지 못한다.

신호(401 내지 406)는 노드(201 내지 206)를 통하여 공급된 제어 신호를 나타낸다. 변조는 거친 및 미세 밸류(value)의 감소로 시작하여, 미세 감소와 거친 증가로 신호를 바꾸고 나서, 미세 증가와 거친 감소로 다시 바꾼다. 뉴머레이터 (액티브) 신호는 그 보수화 전에 활성화된다. 이는 비트 센스 반전을 그 차이를 가로질러 나타내기 위해 편의상 행해진다(차이는 한편에서는 소싱하고, 다른 한편에서는 싱킹하는 것을 의미함).

설명한 증폭기의 출력단이 100㎑의 속도로 동작하는 경우에, 예를 들면 다이내믹 레인지가 96㏈인 신호를 정밀하게 증폭하기 위해 필요한 듀티 사이클의 타이밍 분해능은, 100㎑의 역수를 65536으로 나눈 후 50을 곱한 값, 즉 8 나노세컨드로 얻어질 것이다(레퍼런스는 같은 경우를 50:1의 비율로 제시한다고 가정하면). 이는 상업적으로 이용 가능한 반도체 장치의 능력 내이다.

Claims (20)

1. 필터링된 부하(218);

   극성이 동일한 제1 전압 레퍼런스(220) 및 제2 전압 레퍼런스(219);

   일측(one side)은 상기 필터링된 부하의 양측에 각각 직렬로 접속되고, 타측(other side)은 상기 제1 전압 레퍼런스(220)에 접속되는 한 쌍의 제1 전기 제어식 스위치(207, 210);

   일측은 상기 필터링된 부하(218)의 양측에 각각 직렬로 접속되고, 타측은 상기 제2 전압 레퍼런스(219)에 접속되는 한 쌍의 제2 전기 제어식 스위치(208, 211);

   일측은 상기 필터링된 부하(218)의 양측에 각각 직렬로 접속되고, 타측은 그라운드로의 경로를 형성하는 한 쌍의 제3 전기 제어식 스위치(209, 212); 및

   펄스 부호 변조된 입력 신호에 따라서 경로(201 내지 206)를 따라 각각의 상기 제1 내지 제3 전기 제어식 스위치를 제어하되, 상기 변조된 입력 신호에 의해 상기 제1 전압 레퍼런스(220)가 파워의 거친 제어(coarse control)를 위해 상기 부하(218)에 인가되도록, 그리고 상기 제2 전압 레퍼런스(219)가 파워의 미세 제어(fine control)를 위해 상기 부하(218)에 인가되도록 각각의 상기 제1 내지 제3 전기 제어식 스위치를 제어하는 파형 발생기(waveform generator)

   를 포함하며,

   상기 제1 전압 렌퍼런스(220)의 전압은 상기 제2 전압 레퍼런스(219)의 전압보다 높은,

   스위칭 증폭기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 입력 신호는 오디오 신호인, 스위칭 증폭기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 전압 레퍼런스(220) 및 상기 제2 전압 레퍼런스(219)는 정적(static)인, 스위칭 증폭기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 전압 레퍼런스(220) 및 상기 제2 전압 레퍼런스(219)는 동적(dynamic)인, 스위칭 증폭기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 전압 레퍼런스(220)는 상기 제2 전압 레퍼런스(219)보다 2의 제곱만큼 큰, 스위칭 증폭기.
6. 제1항에 있어서,

   상기 부하(218)의 양측에서 그라운드에 직렬로 접속되는 전기 제어식 스위치를 더 포함하는 스위칭 증폭기.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1 전압 레퍼런스(220) 및 상기 제2 전압 레퍼리스(219)는 모두 양의 전압 레퍼런스인, 스위칭 증폭기.
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