KR100750127B1 - Ｄ급 앰프에서 오디오 볼륨 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

D급 앰프에서 캐리어 레벨 조정에 의한 오디오 볼륨 제어 장치 및 그 방법이 개시되어 있다. 본 발명은 볼륨 제어 신호를 발생하는 제어부, 볼륨 제어 신호에 따라 캐리어 신호의 레벨을 조절하고, 그 조절된 캐리어 신호 레벨과 입력되는 오디오 신호의 레벨을 비교하여 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 PWM부, PWM부에 의해 생성된 펄스폭 변조 신호의 전력을 증폭하는 파워 증폭부를 포함한다.

Description

Ｄ급 앰프에서 오디오 볼륨 제어 장치 및 그 방법{Apparatus and method for controlling audio volume in D class amplifier}
도 1은 본 발명에 따른 D급 앰프의 오디오 볼륨 제어 장치의 전체 블록도이다.
도 2는 도 1의 PWM부의 일실시예이다.
도 3은 도 1의 파워 증폭부의 일실시예이다.
도 4는 도 1의 PWM부의 볼륨 제어를 보이는 파형도이다.
도 5는 본 발명에 따른 오디오 볼륨 제어를 오디오 재생 시스템에 적용할 경우의 예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 D급 앰프의 오디오 볼륨 제어 방법을 보이는 흐름도이다.
본 발명은 D급 앰프(D class amplifier) 시스템에 관한 것이며, 특히 D급 앰프에서 캐리어 레벨 조정에 의한 오디오 볼륨 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
통상적으로 오디오용의 파워 앰프로서는 A급, B급, AB급 및 D급이 사용된다. 이중에서 D급 앰프는 A급 앰프, B급 앰프, AB급 앰프등에서 발생하는 증폭 효율 저하를 줄일 수 있다. D급 앰프는 오디오 신호를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modualation:PWM)신호로 변경하여 스위칭하는 방식이다. 따라서 D급 앰프는 데이터 변환 손실이 없고 스위칭 회로로부터 시작되는 아날로그 부분에서 발생하는 비선형성 성분을 극복한다면 이론상으로는 100%의 증폭 효율을 갖는다. 통상적으로 이러한 D급 앰프를 이용한 오디오 시스템은 전체 시스템을 제어하는 마이크로콤퓨터, 디지털 신호 처리를 담당하는 디지털 신호 처리기, 오디오 신호와 캐리어 신호를 비교하여 PWM 신호를 생성하는 PWM기, PWM 신호의 전압 및 전류를 증폭하는 파워 증폭기로 구성된다.
디지털 신호 처리기는 마이크로 컴퓨터로부터 볼륨 레벨 제어 신호를 입력 받으면 그 볼륨 레벨에 맞게 오디오 데이터의 게인을 변화시킨다. 이때 볼륨 레벨을 어느 수준 이상으로 조정할 경우 오디오 데이터는 시프트(shift)등의 연산으로 인해 LSB(Least Significant Bit) 부분이 손상된다. 예를 들면, 입력되는 8비트 오디오 데이터의 게인 "1111 1111"를 디지털 게인 조정을 통해 "0111 1111"로 시프트 시키면 LSB부분("1")이 손실된다. 또 하나의 예를 들면, 오디오 데이터 게인값이 -12dB일 때 오디오 데이터 A를 "0010 1111", 오디오 데이터 B를 "00101100"이라고 가정하자. 이때 오디오 데이터 게인값을 12dB 다운시키면 오디오 데이터 A는 "0000 1011", 오디오 데이터 B는 "0000 1011"로 서로 동일한 값이 되어 버린다. 따라서 오디오 데이터의 게인을 조정하기 전에는 오디오 데이터 A, B가 다른 신호였으나, 오디오 데이터의 게인을 조정한 후 에는 동일한 샘플값이 되어 버려 원래의 오디오 정보를 상실하게 된다.
따라서 종래의 D급 앰프에서 디지털 게인 조정 방식은 오디오 데이터의 LSB 부분이 상당량 손실되는 경우가 자주 발생하므로 재생되는 사운드의 정밀성이 떨어지고 그에 따라 사운드의 자연스러움이 떨어지게 되는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 D급 디지털 앰프를 사용하는 오디오 시스템에 있어서 PWM(Pulse Width Modulation)기내 캐리어 신호의 레벨 조정을 통해 볼륨 조정을 함으로써 음질 저하를 방지할 수 있는 오디오 볼륨 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 D급 디지털 앰프를 사용하는 오디오 시스템에 있어서 디지털 신호 처리기내 디지털 볼륨과 PWM 변환기내 캐리어 신호의 레벨을 연동하여 오디오 볼륨 조정을 함으로써 음질 저하를 방지할 수 있는 오디오 볼륨 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 디지털 오디오 앰프에 있어서, 볼륨 제어 신호를 발생하는 제어부;
상기 제어부에서 발생하는 볼륨 제어 신호에 따라 캐리어 신호의 레벨을 조절하고, 그 조절된 캐리어 신호 레벨과 입력되는 오디오 신호의 레벨을 비교하여 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 PWM부;
상기 PWM부에 의해 생성된 펄스폭 변조 신호의 전력을 증폭하는 파워 증폭부 를 포함하는 것을 특징으로한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 디지털 오디오 앰프 시스템에 있어서,
볼륨 제어 신호에 따라 입력되는 오디오 신호의 레벨을 조절하는 신호 처리부;
볼륨 제어 신호에 따라 캐리어 신호의 레벨을 조절하고, 그 조절된 캐리어 신호 레벨과 상기 신호 처리부에서 조절된 오디오 신호의 레벨을 비교하여 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 펄스폭변조부;
볼륨 레벨 범위에 따라 상기 오디오 신호의 게인과 상기 캐리어 신호의 레벨을 연동하여 오디오 볼륨을 조정하는 볼륨 제어 신호를 발생하는 제어부;
상기 펄스폭변조부에 의해 생성된 펄스폭 변조 신호의 전력을 증폭하는 파워 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 오디오 게인을 조정하는 신호 처리기 및 캐리어 신호와 오디오 신호를 비교하여 펄스폭 변조 신호를 생성하는 PWM기를 구비한 디지털 오디오 앰프의 볼륨 제어 방법에 있어서,
외부로부터 오디오 볼륨 레벨을 입력받는 과정;
상기 입력 받은 오디오 볼륨 레벨에 따라 상기 오디오 신호의 게인과 상기 캐리어 신호의 레벨을 연동하여 오디오 볼륨을 조정하는 과정을 포함하며,
상기 오디오 볼륨 조정 과정은 입력되는 볼륨 레벨이 기준치 이상일 경우 상기 캐리어 신호의 레벨을 조정하고, 입력되는 볼륨 레벨이 기준치 미만일 경우 상 기 캐리어 신호의 레벨 조정에 의해 볼륨 레벨을 상기 기준치 레벨로 조정한 후 상기 오디오 신호의 게인을 조정하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 D급 앰프의 오디오 볼륨 제어 장치의 전체 블록도이다.
도 1의 D급 앰프의 오디오 볼륨 제어 장치는 마이콤부(110), DSP부(120), DAC부(130), PWM부(140), 파워증폭부(150), 스피커(160)로 구성된다.
먼저, 마이콤부(110)는 리모콘등에 의해 볼륨 레벨을 입력받으면 해당되는 볼륨 제어 신호로 변환한다. 이때 마이콤부(110)는 볼륨 레벨값에 따라 DSP부(120) 또는 PWM부(140)로 볼륨 제어 신호를 선택적으로 출력한다. 예컨대, 마이콤부(110)는 입력되는 입력되는 볼륨 레벨값이 기준치(예를 들면"10") 이상이면 PWM부(140)에서 캐리어 신호의 레벨을 조절하도록 하고, 볼륨 레벨값이 기준치 미만이면 PWM부(140)의 캐리어 신호의 레벨 조정에 의해 기준 볼륨 레벨까지 낮춘 후 그 기준 볼륨 레벨에서 입력 볼륨 레벨을 뺀 크기만큼 DSP부(120)의 볼륨 레벨을 제어하도록 한다.
DSP(Digital Signal Processor)부(120)는 마이콤부(110)의 제어 신호에 따라 입력되는 오디오 신호에 대해 디코딩 알고리듬, 이퀄라이져(equalizer), 인핸스먼트(enhancement)와 같은 신호 처리를 수행한다. 특히 DSP부(120)는 마이콤부(110) 에서 발생하는 볼륨 제어 신호에 따라 입력되는 디지털 오디오 신호의 게인을 조절한다.
DAC(Digital Analog Converter)부(130)는 DSP부(120)에서 게인이 조절된 디지털 오디오 신호를 아날로그 오디오 신호로 변환한다.
PWM(Pulse Width Modulation)부(140)는 마이콤부(110)에서 발생하는 볼륨 제어 신호에 따라 캐리어 신호의 레벨을 조절하고, 그 캐리어 신호 레벨과 DSP부(120)에서 출력되는 오디오 신호의 레벨을 비교하여 저전압의 펄스 폭 변조 신호를 생성한다.
파워 증폭부(150)는 PWM부(140)에서 생성된 펄스 폭 변조 신호를 스위칭 회로를 통해 전력 증폭한다. 그 전력 증폭된 펄스폭 변조 신호는 로우패스 필터등을 이용하여 잡음을 제거한 후 스피커(160)로 입력된다.
스피커(160)는 파워 증폭부(150)에서 증폭된 펄스폭 변조 신호로 사운드를 재생한다.
도 2는 도 1의 PWM부(140)의 일실시예이다.
캐리어 발생기(210)는 캐리어 신호를 발생하며, 마이콤부(110)에서 입력되는 볼륨 제어 신호에 따라 그 레벨이 조절된다. 일 실시예로서 캐리어 발생기(210)에서 캐리어 신호의 레벨은 OP 앰프등을 이용하여 조절할 수 있다.
비교기(220)는 캐리어 발생부(210)에서 발생되는 캐리어 신호 레벨과 DAC부(130)에서 입력되는 아날로그 오디오 신호의 레벨을 비교하여 펄스 폭 변조 신호를 생성한다. 이때 오디오 신호와 캐리어 신호를 비교하여 오디오 신호가 크면 하이 레벨을 출력하고, 오디오 신호가 작으면 로우 레벨을 출력한다.
도 3은 파워 증폭부(150)의 일실시예이다.
파워 증폭부(150)는 파워 스위칭기(20), 로우패스 필터(30)를 포함한다.
파워 스위칭기(20)는 PMOS 트랜지스터(P1) 및 NMOS 트랜지스터(N1)를 포함한다. PMOS 트랜지스터(P1)는 PWM부(140)의 제1출력 신호(Q1)에 따라 스위칭되고, 소스에는 실제 전원 전압(Vcc2)이 인가된다. NMOS 트랜지스터(N1) 역시 PWM부(140)의 제2출력 신호(Q2)에 따라 스위칭되고, 그것의 드레인은 PMOS트랜지스터(P1)의 드레인과 연결되고 그것의 소스는 접지 전압(Vss2)와 연결된다. 여기서 Vcc1, Vss1은 전압원에서 인가되는 이상적인 전압이고, Vcc2, Vss2는 전압원과 파워 스위칭기(20)사이를 연결하는 도선(50)내의 저항(R1, R2)에 의해 일정치 만큼 강하된 전압으로, 파워 스위칭기(20)에 인가되는 실제 전압이다. 아울러 R1, R2는 전압원과 파워 스위칭기(20)사이를 연결하는 도선에 발생되는 저항이다.
로우패스 필터(30)는 인덕터(32) 및 커패시터(34)로 구성되며, 파워 스위칭기(20)의 출력 신호의 고주파 성분을 제거한다.
도 4는 도 1의 PWM부(140)의 볼륨 제어를 보이는 파형도이다.
캐리어 발생부(210)에서 발생되는 캐리어 신호 레벨(410-1, 410-2))과 DAC부(130)에서 입력되는 아날로그 오디오 신호의 레벨(420)을 비교하여 펄스 폭 변조 신호를 생성한다. 이때 오디오 신호와 캐리어 신호를 비교하여 오디오 신호가 크면 하이 레벨을 출력하고, 오디오 신호가 작으면 로우 레벨을 출력한다. 그리고 캐리어 신호의 주기는 오디오 신호의 샘플링 주파수(fs)와 같다. 볼륨A에서 볼륨B로 높 일 경우 캐리어 신호는 마이콤부(110)에서 인가되는 볼륨 제어 신호에 의해 A레벨(410-1)에서 B레벨(410-2)로 낮아진다. 그에 따라 볼륨 B의 펄스폭이 볼륨A에서의 펄스폭보다 더 넓어지게 됨으로써 오디오의 볼륨이 증가하게 된다. 이때 캐리어 신호의 크기는 포화(saturation) 방지를 위해 입력되는 오디오 신호의 크기보다 작아지지 않도록 해야한다. 결국, 본 발명은 오디오 신호 레벨은 그대로 둔채 캐리어 신호의 레벨만 조절하므로 원래의 오디오 신호는 손실되지 않는다.
도 5는 본 발명에 따른 오디오 볼륨 제어를 오디오 재생 시스템에 적용할 경우의 예를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 볼륨 레벨이 10 미만일 경우는 오디오 신호의 게인 조정에 의해 볼륨을 제어한다. 즉, 볼륨 레벨이 10 미만일 경우 오디오 신호의 크기를 약 -35dB 이하로 낮추어야 한다. 그러나 PWM부(140)에서 볼륨을 제어할 경우 -35dB 이하에 해당하는 캐리어 신호의 크기는 너무 크다. 따라서 캐리어의 크기를 키우는 데에는 한계가 있기 때문에 마이콤부(110)는 DSP부(120)에 볼륨 제어 신호를 인가함으로써 오디오 신호의 게인 조정에 의해 볼륨을 제어하도록 한다. 또한 볼륨 레벨이 10 이상일 경우 PWM부(140)에서 볼륨을 제어하는 것이 효과적이다. 따라서 볼륨 레벨이 10 이상일 경우 마이콤부(110)는 PWM부(140)에 볼륨 제어 신호를 인가함으로써 캐리어 신호의 레벨 조정에 의해 볼륨을 제어하도록 한다. 이때 캐리어 신호의 크기가 입력 오디오 신호의 크기 보다 큰 상황까지만 고려한다. 또한 사용자가 가장 많이 이용하는 볼륨 레벨이 10 - 20 일 경우 마이콤부(110)는 PWM부(140)로 볼륨 제어 신호를 출력한다.
도 6은 본 발명에 따른 D급 앰프의 오디오 볼륨 제어 방법을 보이는 흐름도이다.
먼저, 사용자로부터 볼륨 레벨 명령을 입력한다(610 과정).
이어서, 입력되는 볼륨 레벨과 미리 설정된 기준볼륨 레벨과를 비교한다(620 과정). 여기서, 기준 볼륨 레벨은 캐리어 레벨 조정 방법을 이용하여 볼륨을 제어할 수 있는 볼륨 레벨의 최대값을 의미하며, 그 값은 실제 적용되는 오디오 시스템에 따라 달라질 수 있다.
이때 입력 볼륨 레벨이 기준 볼륨 레벨보다 크거나 같으면 캐리어 레벨 조정에 의한 볼륨 레벨 제어를 수행한다(630 과정).
그러나 입력 볼륨 레벨이 기준 볼륨 레벨보다 적으면 캐리어 레벨 조정을 이용하여 기준 볼륨 레벨까지 볼륨 레벨을 낮춘다(640 과정). 이어서, 기준 볼륨 레벨에서 입력 볼륨 레벨을 뺀 크기만큼 디지털 볼륨 조정(오디오 신호의 게인 조정)에 의한 볼륨 레벨을 제어한다(650 과정). 예컨대, 입력 볼륨 레벨이 "5"이고 기준 볼륨 레벨이 "10"이라고 하면 캐리어 레벨 조정을 이용하여 기준 볼륨 레벨("10)"까지 볼륨 레벨을 낮춘다. 그리고 기준 볼륨 레벨에서 입력 볼륨 레벨을 뺀 크기에 해당하는 "5"만큼 디지털 볼륨 조정에 의한 볼륨 레벨을 제어한다.
또한 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이 프, 하드디스크, 플로피디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, TV나 홈시어터등과 같이 D급 디지털 앰프를 사용하는 오디오 시스템에 있어서 오디오 신호의 레벨은 그대로 두고 PWM 변환기내 캐리어 신호의 레벨 조정을 통해 볼륨 조정을 함으로써 음질 저하를 방지할 수 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 디지털 오디오 앰프 시스템에 있어서,
    볼륨 제어 신호에 따라 입력되는 오디오 신호의 레벨을 조절하는 신호 처리부;
    볼륨 제어 신호에 따라 캐리어 신호의 레벨을 조절하고, 그 조절된 캐리어 신호 레벨과 상기 신호 처리부에서 조절된 오디오 신호의 레벨을 비교하여 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 펄스폭변조부;
    볼륨 레벨 범위에 따라 상기 오디오 신호의 게인과 상기 캐리어 신호의 레벨을 선택적으로 조정하여 오디오 볼륨을 조정하는 볼륨 제어 신호를 발생하는 제어부;
    상기 펄스폭변조부에 의해 생성된 펄스폭 변조 신호의 전력을 증폭하는 파워 증폭부를 포함하며,
    상기 제어부는 입력되는 볼륨 레벨값이 기준치 이상이면 상기 캐리어 신호 레벨을 조절하여 볼륨 레벨을 조절하고, 입력되는 볼륨 레벨값이 기준치보다 적으면 캐리어 신호 레벨을 조정하여 기준 볼륨 레벨까지 그 볼륨 레벨을 낮추어 오디오 신호의 게인 조정에 의해 볼륨 레벨을 제어하는 것임을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는 입력되는 볼륨 레벨값이 기준치보다 적으면 캐리어 신호 레벨을 조정하여 기준 볼륨 레벨까지 그 볼륨 레벨을 낮추고 그 기준 볼륨 레벨에서 입력 볼륨 레벨을 뺀 크기만큼 오디오 신호의 게인 조정에 의해 볼륨 레벨을 제어하는 것임을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기준치는 상기 캐리어 신호의 레벨 조정을 통해 볼륨을 제어할 수 있는 최대 볼륨 레벨값임을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 파워 증폭부는
    상기 펄스폭변조부에서 발생하는 펄스 폭 변조 신호를 전력 증폭하는 파워 스위칭기:
    상기 파워 스위칭기에서 출력되는 신호의 고주파 성분을 제거하는 로우패스필터기를 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프 시스템.
  7. 오디오 신호의 게인을 조정하는 신호 처리기 및 캐리어 신호와 오디오 신호를 비교하여 펄스폭 변조 신호를 생성하는 펄스폭 변조기를 구비한 디지털 오디오 앰프의 볼륨 제어 방법에 있어서,
    임의의 오디오 볼륨 레벨을 입력받는 과정;
    상기 입력받은 오디오 볼륨 레벨에 따라 상기 오디오 신호의 게인 및 상기 캐리어 신호의 레벨을 선택적으로 조정하여 오디오 볼륨을 조정하는 과정을 포함하하며,
    상기 오디오 볼륨 조정 과정은 입력되는 볼륨 레벨값이 기준치 이상이면 상기 캐리어 신호 레벨을 조절하여 볼륨 레벨을 조절하고, 입력되는 볼륨 레벨값이 기준치보다 적으면 상기 캐리어 신호 레벨을 조정하여 기준 볼륨 레벨까지 그 볼륨 레벨을 낮추어 오디오 신호의 게인 조정에 의해 볼륨 레벨을 제어하는 것임을 특징으로 하는 오디오 볼륨 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 오디오 볼륨 조정 과정은 입력되는 볼륨 레벨이 기준치 이상일 경우 상기 캐리어 신호의 레벨을 조정하고, 입력되는 볼륨 레벨이 기준치 미만일 경우 기준 볼륨 레벨에서 입력 볼륨 레벨을 뺀 크기만큼 오디오 신호의 게인을 조정하는 것을 특징으로 하는 오디오 볼륨 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기준치는 상기 캐리어 신호의 레벨 조정을 통해 볼륨을 제어할 수 있는 최대 볼륨 레벨값임을 특징으로 하는 오디오 볼륨 제어 방법.
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