KR100743379B1

KR100743379B1 - 전압 레벨 변환 회로

Info

Publication number: KR100743379B1
Application number: KR1020027008796A
Authority: KR
Inventors: 쉬미트로버트워렌
Original assignee: 톰슨 라이센싱 에스.에이.
Priority date: 2000-01-06
Filing date: 2001-01-04
Publication date: 2007-07-30
Also published as: DE60120910D1; WO2001050595A1; CN1394386A; CN100350740C; DE60120910T2; AU2627801A; EP1245079A1; US6762641B1; MXPA02006713A; JP2004533128A; KR20020064988A; EP1245079B1

Abstract

센터 탭된 접지를 갖는 스플리트 레벨 전원으로 동작하도록, 싱글 엔드된 전원으로 동작하게 설계된 연산 증폭기 집적 회로를 동작시키기 위한 전압 레벨 변환기들이 제공된다. 연산 증폭기 집적 회로의 제 1 극성 전원 단자가 스플리트 레벨 전원의 제 1 극성에 접속되고, 연산 증폭기 집적 회로의 제 2 극성 전원 단자가 전원의 제 2 극성에 접속되며, 연산 증폭기의 포지티브 신호 입력 단자는 스플리트 레벨 전원의 센터 탭된 접지에 연결된다. 최대 전압 정격을 갖는 집적 회로를, 상기 최대 전압 정격보다 더 큰 전원 전압을 갖는 전원으로 동작시키기 위한 제 2 전압 레벨 변환기가 제공되고, 제 1 제너 다이오드가 집적 회로의 제 1 극성 단자 및 전원의 제 1 극성 사이에 직렬로 연결되고, 제 2 제너 다이오드가 집적 회로의 제 2 극성 단자 및 전원의 제 2 극성 사이에 직렬로 연결된다.

센터 탭된 접지, 스플리트 레벨 전원, 싱글 엔드된 전원, 연산 증폭기 집적 회로, 극성 전원 단자

Description

전압 레벨 변환 회로{Voltage level translation circuits}

본 발명은 집적 회로들의 동작의 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 비호환적인 구성들 및/또는 전압 레벨들을 갖는 전원(power supply)들로 동작하도록 집적 회로들을 적합화하는 것에 관한 것이다. 양 경우에 있어서, 비호환성은 전압 레벨 변환(translation)을 이용하여 극복된다.

저가화가 중요한 엔지니어링 파라미터인 소비자 전자장치에서, 부품이 사용되게 설계되지 않은 방식으로 저가 부품들을 이용하여 설계하는 것은 흔한 일이다. 그러한 경우는 디바이스용 전원이 다른 용도로 설계된 경우일 수 있고, 보조 특성을 제공하기 위해 명확히 비호환적인 전원을 이용하는 것이 필요하게 된다. 그러한 경우는 전원이 밸런스된 스플리트 레벨 전원, 즉 센터 탭된 접지(center tapped ground)를 갖는 ±5.0볼트인 DVD 플레이어에 대한 것일 수 있고, 비용적인 이유로 인해, 제거하는 것이 바람직한 입출력 커플링 캐패시터들을 갖는 싱글 엔드된 전원용으로 설계된 집적 회로를 이용하는 것이 바람직하다. 그러한 입출력 커플링 캐패시터들은 가외 부품 비용을 나타내며, 때로는 매우 제한되는 인쇄 회로 기판 스페이스를 소모해버릴 수도 있다. 더욱이, 입출력 캐패시터들은 전해적(electrolytics)인 경우에, 다른 캐패시터들보다 특히 더 크며, 제거하는 것이 바람직한 추가적인 신뢰성 문제를 나타낸다.

또한, 전원 및 집적 회로 구성의 비호환성은 예를 들어 각종 서브시스템들이 상이한 전력 및 전압 요건들에 따라 동작하는 디지털 회로 시스템에서 일어날 수 있다. 몇몇 집적 회로 프로토콜들 및 시스템들은 3.3볼트의 Vcc(포지티브 레일 전압) 및 접지 전위의 Vss(보다 낮은 레일 전압)를 갖는 전원을 필요로 하는 반면, 다른 것들은 5.0볼트 또는 2.9볼트의 Vcc 대 Vss 전압을 필요로 할 수도 있다.

또한, 전원으로부터 이용가능한 비호환적인 전압들과 관련하여, 대다수 집적 회로들은 과전압이나 과전류에 매우 민감한데, 그 이유는, 그러한 과잉 공급이 부정확한 결과(특히 집적 회로가 디지털인 경우)를 제공할 뿐만 아니라 집적 회로의 물리적인 손상을 야기할 수도 있기 때문이다. 대부분의 프로세서들은 약간이라도 초과되면 집적 회로에 심각한 손상을 야기하지 않는 전압 및 전류 정격을 갖고 있다. 예를 들면, 3.3볼트의 전원 전압에서 동작하도록 설계된 마이크로프로세서들이 고/저 전압 차가 5.0볼트인 RAM들로부터 데이터를 판독할 때에 3.45볼트의 피크 대 피크를 초과하는 신호들의 인가에 의해 손상받게 되는 것은 일반적이다. 그러므로, 사양을 충족하도록 전압 공급 레벨을 엄밀하게 제한시키는 것은 집적 회로들의 동작에 필수적이다.

전압 레벨 변환기의 제 1 실시예는, 싱글 엔드된 전원으로 동작하게 설계된 연산 증폭기 집적 회로를, 센터 탭된 접지를 갖는 스플리트 레벨 전원으로 동작시키기 위해 제공된다. 연산 증폭기 집적 회로의 제 1 극성 전원 단자가 스플리트 레벨 전원의 제 1 극성에 접속되고, 연산 증폭기 집적 회로의 제 2 극성 전원 단자가 스플리트 레벨 전원의 제 2 극성에 접속되며, 연산 증폭기의 신호 입력 단자는 센터 탭된 접지에 접속된다.

전압 레벨 변환기의 제 2 실시예는, 미리 정해진 최대 전압 정격을 갖는 집적 회로가 상기 전압 정격보다 더 큰 전원 전압을 갖는 스플리트 레벨 전원으로 동작될 수 있게 제공되고, 제 1 전압 변환 제너 다이오드가 집적 회로의 적절한 제 1 극성 단자 및 전원의 제 1 극성 사이에 직렬로 연결되고, 제 2 전압 변환 제너 다이오드가 집적 회로의 제 2 극성 단자 및 전원의 제 2 극성 사이에 직렬로 연결된다.

도 1은 종래 회로의 개략적인 부분 블록도.

도 2는 본 발명의 양태들에 따르는 2개의 변환 회로들을 내장하는 도 1의 증폭기를 개략적으로 도시한 도면.

도 1을 참조하면, 전체 10으로 나타내어진 증폭기 시스템은 집적 회로 칩(12)을 포함하며, 상기 집적 회로 칩은 실시예에서 각각의 L 및 R 입체 음향 증폭 및 음향 재생을 위한 한 쌍의 연산 증폭기들(14R, 14L)을 제공한다. 신호 R 및 L은 분리 저항기(20R, 20L) 및 각각의 커플링 캐패시터(18R, 18L)들을 통해 각각의 증폭기들(14R, 14L)의 반전 입력들(17R, 17L)에 연결된다. 단자(15R, 15L)에서의 증폭기들(14R, 14L)의 출력 신호들은 커플링 캐패시터들(22R, 22L)을 통해 각각의 라우드스피커들(16R, 16L)을 구동한다. 본 경우에서 라우드스피커(16R, 16L)는 이어폰 스피커이다.

이 배열을 위한 전력은, 한 쪽은 노드(24)에서 접지되며, 노드(26)에서 포지티브 전압(V_DD)이 제공되는 싱글 엔드된 전원(도시하지 않음)에 의해 제공된다. 저항기들(28R, 28L)은, 커플링 캐패시터(32)를 통해 비반전 단자(30R, 30L)들에 대한 저항기들의 접점에 가상의 AC 기준 신호 접지를 제공하는 디바이더를 형성한다. 전원 디커플링 캐패시터(33)는 전원을 통한 고주파 공통 모드 피드백을 방지한다. 각각의 고주파 롤오프 캐패시터들(38R, 38L)과 병렬인 저항기들(36R, 36L)은, 각각의 출력 단자(15R, 15L)로부터 반전 단자(17R, 17L)들 및 분리 저항기들(20R, 20L)로 네거티브 신호 피드백을 제공하고 고주파 롤오프를 갖는 발진을 방지한다. 저항기들(40R, 40L)은 누설 전류에 대한 DC 리턴을 제공하여, DC 안정성을 개선시킨다. 셧다운 회로(41)는 집적 회로(12)의 내부에 있다.

특히, AC 접지 커플링 캐패시터(32)뿐만 아니라 DC 차단 커플링 캐패시터(18R, 18L, 22R, 22L)들에 대해 유의하여야 한다. 도 1의 증폭기인 도 2와 연관하여 개시된 전압 변환에 의해, 회로는 센터 탭된 접지를 갖는 스플리트 전압 전원에 의해 전력을 공급받으므로, 5개의 커플링 캐패시터들은 하기에서 논의되는 바와 같이 제거된다.

도 1에 사용된 싱글 엔드된 전원(도시하지 않음) 및 도 2에 사용된 센터 탭된 접지를 갖는 스플리트 전압 전원(도시하지 않음)은 모두 ⓒ1966년, Motorola^TM Silicon Rectifier Handbook, 페이지 4-10 및 6-4에서 각각 볼 수 있는 널리 공지된 전원 구성들이다. 싱글 엔드된 전원은 접지에 대해 하나의 DC 극성을 갖는 풀 웨이브 또는 풀 웨이브 브릿지 전원일 수 있다. "스플리트 전압 전원"은 통상적으로, 접지로서 작용하는 AC 입력 리드와 관련하여 반대의 DC 극성들을 발생하는 풀 웨이브 브릿지 더블러(doubler)라고 칭하여진다. 접지는 ±DC 전원 전압에 대한 DC 접지뿐만 아니라 직렬 전원 캐패시터들의 접점에서 센터 탭된 AC 접지 리턴으로서 작용한다.

상술한 헤드폰 증폭기가 설치될 장치는 DVD 플레이어이다. 도 1에서 언급한 바와 같이, "비호환성" 문제들 중의 하나는 DVD 전원의 구성이 싱글 엔드된 전원으로 설계된 집적 회로와 호환될 수 없는 "스플리트 전압 전원"이라는 것이다. "비호환성" 문제들중 두 번째 문제는, 일단 구성의 비호환성 문제가 극복되면, 제 2 전원의 전압이 선택된 집적 회로의 최대 전압 사양을 초과한다는 것이다. "비호환성"의 위의 두 문제점들은, 하기에서 설명되고, 도 1의 부재들과 동일한 부재들에는 동일한 도면 부호가 부여된 도 2에 도시된 전압 변환 회로에 의해 극복된다.

이제, 도 2를 참조하면, 도 1의 회로는 센터 탭된 접지, 가용 ±전압을 갖는 스플리트 전압 전원과 함께 사용되도록 전압 변환되고, 노드(26)는 플러스 전압 전원에 접속되고, 노드(24)는 네거티브 전압 전원에 접속되며, 접지 노드(40)는 센터 탭된 접지에 접속된다. 이런 방식으로, 집적 회로의 전압은 도 1의 싱글 엔드된 전원의 총 전압의 1/2만큼 네커티브로 변환된다.

접지 단자는 캐패시터(32) 및 디바이더 저항기들(28R, 28L)에 의해 제공되는 싱글 엔드된 전원에 대한 가상 접지 대신에 스플리트 레벨 전원의 실제 접지 전압이기 때문에, DC 차단 캐패시터(18R, 18L, 22R, 22L)들은 더 이상 필요하지 않다. 왜냐하면, AC 접지는 DC 접지의 전원 전압에 있기 때문이다. AC 및 DC 접지들이 이제 동일한 DC 전압에 있기 때문에, 캐패시터(32) 또한 불필요하게 된다.

구성의 "비호환성" 문제를 해결하고 전압 변환에 의해 5개의 커플링 캐패시터들을 절약하였지만, 이것은 전압 레벨의 "비호환성" 문제를 남겨놓고 있다. 본 발명은 제너 영역에서 도전하는 제너 다이오드에 의해 제공되는 레벨 변환기들을 갖는 레벨 변환기 회로를 또한 포함하고, 각각의 제너 다이오드는 집적 회로(12)에 인가된 스플리트 레벨 전원의 한쪽의 전압 레벨을 감소시키는, 시스템을 개시하고 있다. 제 1 전압 레벨로부터 제 2 전압 레벨로의 전압의 변환은, 제너 전압을 발생시키고 전원 단자들과 연산 증폭기 노드들(24, 26) 간의 전압 강하로서 제너 전압을 인가함으로써 제공된다.

본 예에서, 스플리트 레벨 전원 전압은 ±5.0볼트이지만 특정 집적 회로는 최대 5.5볼트로 지정된다. 이 10볼트 전원은 집적 회로의 최대 전압 정격을 초과하는데, 예를 들어 집적 회로 칩 기판이 전원 전압들중의 하나에 내부적으로 접속되고 접지에는 접속되지 않는 경우에, 집적 회로의 인접 부분들은 그들 간에 10볼트 차를 가질 수 있기 때문이다.

이 가능성 있는 과전압 조건은 제너 극성으로 극화(poled)된 2개의 2.4볼트 제너 다이오드들(50, 52)을 추가시킴으로써 해결되고, 상기 제너 다이오드들 각각은 스플리트 전원 전압의 한쪽과 직렬로 추가되어진다. 따라서 2개의 제너 다이오드들은 2×2.4 = 4.8볼트의 강하를 제공하여, 집적 회로(12) 양단에서 최대 전원 전압을 5.2볼트로 되게 한다. 따라서, ±5.0볼트의 스플리트 전압 전원측들 각각은 ±2.6볼트로 하향 변환된다. 제너 다이오드들(50, 52)은 증폭기(14R, 14L)에 의해 인출되는 DC 전류에서 그들의 특성의 제너 영역에 있도록 선택된다. 대안적으로, 순방향의 도전 방향으로 극화된 비제너(non-zener) 실리콘 다이오드들 또한 사용될 수 있고(도시되지 않음), 예컨대 0.6볼트 강하를 각기 갖는 4개의 다이오드들이 제너 다이오드 대신에 2.4볼트 강하를 제공할 수 있다. 제너 전압들의 값 또는 순방향 바이어스된 실리콘 다이오드들의 수는 원하는 전압 강하의 레벨에 따라 선택될 수 있다. 그러나, 제너 다이오드들을 사용하는 것은 보다 양호한 전원 조정을 제공한다.

본 실시예(들)은 R_f가 네거티브 피드백 저항기이고 R_i가 단자 17R, 17L에서 의 입력 임피던스라 할 때에 이득 A_v=R_f/R_i인 경우의 반전 증폭기 구성으로 연산 증폭기들(14R, 14L)을 예시하고 있다. 본 실시예들은 또한 비반전 증폭기 구성(도시하지 않음)으로 접속된 연산 증폭기들(14R, 14L)에도 적용된다. 즉, 피드백 저항기들은 비반전 단자들(30R, 30L)로 복귀되고, 이득은 A_v=1+(R_f/R_i)이며 반전 단자들(17R, 17L)은 접지에 연결된다.

본 실시예(들)은 스플리트 레벨 전원인 과전압 전원으로부터의 전압 변환을 예시하고 있다. 단지 하나의 제너 다이오드가 사용될 필요가 있는 싱글 엔드된 과전압 전원이 사용되는 경우도 본 발명의 예상 범위내에 있다.

Claims

오디오 증폭기 시스템에 있어서,

연산 증폭기;

상기 연산 증폭기의 출력에 연결된 라우드스피커;

상기 연산 증폭기의 신호 입력을 신호원에 접속하는 수단; 및

상기 연산 증폭기를 센터 탭된 접지(center tapped ground)를 갖는 스플리트 레벨 전원으로 동작하도록 동작시키는 전압 레벨 변환기를 포함하고,

상기 전압 레벨 변환기는,

상기 연산 증폭기의 제 1 극성 전원 단자를 상기 스플리트 레벨 전원의 제 1 극성에 접속하는 제 1 접압 레벨 변환 수단; 및

상기 연산 증폭기의 제 2 극성 전원 단자를 상기 스플리트 레벨 전원의 제 2 극성에 접속하는 제 2 전압 레벨 변환 수단을 포함하는, 오디오 증폭기 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연산 증폭기의 신호 입력은 상기 연산 증폭기와 직렬로 접속되는 어떠한 DC 분리 캐패시터들 없이 상기 신호원에 연결되고, 상기 연산 증폭기의 출력은 상기 연산 증폭기와 직렬로 접속되는 어떠한 DC 분리 캐패시터들 없이 상기 라우드스피커에 연결되는, 오디오 증폭기 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 라우드스피커는 접지에 접속된 하나의 단자를 갖는 이어폰인, 오디오 증폭기 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연산 증폭기는 공통 기판을 갖는 동일 집적 회로 칩 상에 복수의 연산 증폭기들을 포함하고, 상기 복수의 연산 증폭기들 모두는 또한 전압 레벨 변환되고, 상기 기판은 상기 복수의 연산 증폭기들 각각에 대해 동일한 양으로 바이어스되는, 오디오 증폭기 시스템.
제 1 항에 있어서,

센터 탭된 접지를 갖는 상기 스플리트 레벨 전원은 또한 다른 기능들을 수행하는 다른 회로들에도 전력을 제공하는, 오디오 증폭기 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 라우드스피커는 이어폰이고 다른 기능들을 수행하는 상기 다른 회로들은 DVD 플레이어인, 오디오 증폭기 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연산 증폭기는 상기 센터 탭된 접지에 접속되는 AC 기준을 갖는, 오디오 증폭기 시스템.