KR100809241B1 - 푸쉬-풀 증폭기 및 ｐｗｍ 리미터 - Google Patents

푸쉬-풀 증폭기 및 ｐｗｍ 리미터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변조 깊이를 한정하는 펄스폭 변조기 리미터를 갖는 개선된 푸쉬-풀 증폭기를 제공한다. 이로써 종래 기술의 문제점이 극복될 수 있으며, 하이측 출력 스위치가 왜곡을 일으키는 기간동안 폐쇄될 수 있다.

Description

푸쉬-풀 증폭기 및 ＰＷＭ 리미터{PWM LIMITER}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 개시된 푸쉬-풀(push-pull) 증폭기에 관한 것이다. 본 발명은 이러한 푸쉬-풀 증폭기용 펄스폭 변조기에 관한 것이다.
내셔널 세미콘덕터 코포레이션(National Semiconductor Corporation)의 출원 노트(note) DS101277에는 그러한 D급 증폭기(class D amplifier)가 공지되어 있다. 상기 문헌에는 연장된 기간동안 스위치들 중 하나가 활성 상태로 남아있는 것을 방지하기 위한 리미터(limiter)가 개시되어 있다.
이러한 푸쉬-풀 증폭기 및 펄스폭 변조기의 문제점은 이러한 알려진 푸쉬-풀 증폭기의 칩 동작에 있어서 출력 신호의 스펙트럼이 예측되지 않는다는 것이다.
본 발명의 목적은 종래기술의 문제점을 갖지 않는 푸쉬-풀 증폭기를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 푸쉬-풀 증폭기를 개선하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 푸쉬-풀 증폭기는 청구항 1의 특징을 포함한다.
본원 명세서에는 동일 출원인에 의해 동일자로 출원된 다음의 계류중인 특허출원이 상호참조된다.
"Carrousel handshake" applicant's ref.Nr.ID603908, Application No.0 201 818.2
"Level shifter" applicant's ref.Nr.ID60468, Application No.0 201 826.5
"Silent start" applicant's ref.Nr.ID604681, Application No.0 201 827.3
"Demodulation filter"applicant's ref.Nr.ID604683, Application No.0 201 829.9
본 발명의 실시예들은 종속항에 개시되어 있다.
본 발명의 상기 및 다른 특징들은 하기에 개시된 예들을 참조하면 보다 명확해질 것이다.
도 1은 푸쉬-풀 증폭기의 일례를 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 펄스폭 변조기 및 발진기 신호들의 타이밍도.
도 3은 펄스폭 변조기의 리미팅 로직의 상태도.
도 4는 펄스폭 변조기의 리미터 로직의 카르노 맵(karnaugh map)을 도시한 도면.
도 5는 펄스폭 변조기의 리미터 로직을 구현한 도면.
도 6은 리미터를 갖는 펄스폭 변조기의 일례를 도시한 도면.
도 7은 상태도의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 8은 도 7의 실시예의 타이밍 신호를 도시한 도면.
도 1은 본 발명에 따른 푸쉬-풀 증폭기(PPA)의 일례를 도시한 개략적인 블록도이다. 입력 유닛(IU)을 통하여 증폭기는 입력 신호를 수신한다. 입력 유닛은 펄스폭 변조기(PWM)에 결합되며, PWM의 출력은 스위칭 유닛(SU)에 결합된다. 스위칭 유닛은 복조 필터(DF)를 통해 증폭기의 출력(O)에 출력 신호를 공급한다.
펄스폭 변조기는 피드백 소자(RF)를 갖는 피드백 루프 내에서 결합되며, 피드백 소자의 한 쪽은 스위칭 유닛(SU)의 출력측에 결합되고 다른 쪽은 펄스폭 변조기의 입력측에 결합된다.
펄스폭 변조기는 제 1 적분기(FI)와 제 2 적분기(SI) 및 비교기(COM)을 포함하고, 제 1 적분기의 입력은 입력 유닛(IU)의 출력에 결합되고, 제 2 적분기의 입력은 제 1 적분기(FI)의 출력에 결합되며 또한 발진기(OSC)에 결합된다.
스위칭 유닛(SU)은 스위치 제어 유닛(SCU)과 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)를 각각 포함한다. 본 예에서, 복조 필터는 2차 저역 복조 필터 또는 고차의 복조 필터일 수 있는 인덕턴스(L) 및 캐패시턴스(C)로 도시된다.
펄스폭 변조기(PWM)를 갖는 제어루프의 안정성은, 루프로 공급된 신호 전류(Isig)가 피드백 전류(Ifb)를 초과하지 않는 한 보장될 수 있다. 신호 전류가 너무 크게 되면, 내부 신호가 다시 감소하여 루프가 제어를 다시 시작할 때까지, 내부 3각 신호(internal triangular signal)가 발산하고 출력이 영구적으로 하이측(highside) 또는 로우측(lowside)으로 스위칭된다. 복조 필터 다음에서 이것은 출력 신호의 클리핑(clipping)으로 나타난다. 변조 깊이가 0-100%로 한정되기 때문에, 클리핑은 실제로 펄스폭 변조 영역(the pulse width modulation domain)에서 발생한다.
출력이 영구적으로 한 쪽으로 스위칭되는 것이 바람직하지 못한 데에는 두 가지 이유가 있다.
첫째, 출력 신호의 스펙트럼은 예측불가능하게 된다. PWM 신호 및 스펙트럼 해석에 있어서, 변조가 0-100%로 제한된다고 하자. 그 결과, 고주파수 스펙트럼은 캐리어 주파수 배수들의 근방에 집중된다. 이 효과는, PWM 신호가 다른 대역 제한된 고주파수 신호들과 간섭하지 않도록 하는 방식으로 캐리어 주파수를 선택하는데 활용될 수 있다. 그러나, PWM 신호가 클리핑되면, 캐리어가 더 이상 존재하지 않게 되며, 스펙트럼 성분들이 임의의 주파수에서 나타나서 다른 신호들을 교란시킬 수 있다.
둘째, 푸쉬-풀 증폭기 내의 스위칭 유닛이 이른바 부트스트랩 캐패시터를 이용하여 하이측 드라이버를 대신할 수 있다. 출력이 하이측으로 스위칭되면, 부트스트랩 캐패시터는 하이측 드라이버에 의해 방전된다. 부트스트랩 전압이 소정의 값 이하로 강하하면, 하이측 스위치는 스위칭 오프되고 스위칭 유닛의 출력은 고저항으로 된다. 이것은 부하에서(예를 들면, 스피커에서) 미지의 가청 효과(strange audible effect)를 유발할 수 있다.
전술한 두 효과는, 변조 깊이가 예를 들어 5-95%로 한정되면 방지될 수 있다. 이런 방식에 있어서, 캐리어 주파수는 항상 출력 스펙트럼 내에 존재하며, 부트스트랩 캐패시터는 각각의 클록 사이클에서 재충전된다. 변조 깊이는 비교기(COM)의 출력 신호를 클록 신호와 결합함으로서 자동으로 제한될 수 있다.
상기 두 개의 적분기 대신에, 단지 하나의 적분기만 사용하여 비교기의 반전 입력측에 예를 들어 톱니파 신호를 공급하는 것도 가능하다.
도 2에는 발진기와 대비하여 5%, 50%, 95%의 변조 깊이에 대한 pwm 신호의 타이밍이 도시되어 있다. 도 2에서 알 수 있듯이, pwm 신호의 상승 에지는 항상 발진기 신호의 상승 에지에 선행하며, 하강 에지에 대해서도 마찬가지다. 결국, 발진기의 상승 에지 동안 pwm 신호가 로우이면, 루프는 제어 범위 밖에 있게 된다. 이제 클록의 상승 에지에 의해 아주 짧은 펄스가 발생되어 스위칭 유닛을 스위칭할 수 있으며, 그 결과 출력측에 최소 펄스폭이 발생할 수 있다. 하강 에지에 대해 그 역이 성립한다. 이런 방식으로, 변조 깊이는 자동으로 제한된다. 최소 출력 펄스의 길이는, 파워 경로에 사용될 수 있는 이른바 핸드세이크 시스템(handshake system)의 속도에 의해 결정된다. 이러한 형태에 있어서 변조 경로의 제한은 논리 함수로 구현될 수 있다.
이러한 논리 함수의 상태 변화가 도 3에 도시되어 있다. 상태 변화 도면으로부터 도 4에 도시되어 있는 카르노 맵(karnaugh map)이 유도된다. 카르노 맵은 비트 R 및 S에 대한 복합 로직 회로를 구현함으로서 직접 해독된다. 다음 상황을 고려하자. 제어 루프가 조절 범위를 벗어나 있고, 비교기의 출력(comp)이 항상 하이라고 가정하자. 또한 osc 신호가 하이라면, PWM 리미터 로직은 상태 11로 점프하고 출력 pwm은 하이가 된다. 이제 osc가 로우가 되면, 로직은 상태 10으로 점프하고 pwm은 하이를 유지한다. 그 다음 osc가 다시 하이로 되면, 로직은 상태 00으로 점프하여 pwm이 로우가 되며 그 바로 다음에 상태 11로 점프함으로서 pwm이 다시 하이로 되게 한다. 그 결과, pwm 신호는 아주 짧은 펄스를 나타내는데, 이 짧은 펄스는 스위칭 유닛의 출력이 또한 (최소) 길이 펄스를 나타내도록 한다. pwm 펄스가 스위칭 유닛에 의해 검출되지 않으면, PWM 리미터는 그 용도가 사라지게 된다. pwm 신호의 검출을 보장하기 위해, 핸드세이크가 사용될 수 있다. 상기 예에서, pwm 신호의 천이가 스위칭 유닛으로부터 확인될 때까지 PWM 리미터 로직이 상태 00으로 유지되는 방식으로 핸드세이크가 구성된다. 이러한 확인은 릴리스(release) 신호로부터 획득된다.
PWM 리미터의 로직 구현이 도 5에 도시되어 있다. 인에이블 파워(enablepower)가 로우이면, 스위칭 유닛은 비활성으로 되고 릴리스(release)는 계속해서 하이가 되며, 이 경우, pwm 신호는 바로 피드백되고 스위칭 유닛이 행하는 핸드쉐이킹은 없다. 인에이블 파워가 하이이면 스위칭 유닛은 활성으로 된다. 이제 릴리스가 pwm 대신에 피드백된다. 정상 상황에서 릴리스 신호는 약간의 지연을 갖고 pwm 신호를 뒤따른다. 결국, PWM 리미터 로직의 타이밍은 캐로설(carrousel)과 동기한다.
스위칭 유닛의 출력에서 펄스의 최소 길이는 스위칭 유닛 자신에 의해 제어됨에 주목하라. PWM 리미터는 출력 펄스를 발진기의 주기와 비교함으로서 출력 펄스의 최대 길이를 제한한다.
도 6에는, 푸쉬-풀 증폭기의 예시적인 한 부분이 도시되어 있다(또한 도 1을 참조하라). 입력 유닛(IU6)은 입력 신호를 수신한다. 펄스폭 변조기(PWM6)에 있어서, 종래의 푸쉬-풀 증폭기의 문제점을 극복하기 위해서 펄스폭 변조 신호가 획득되며, 펄스폭 변조기(PWM6)와 스위칭 유닛(SU6) 사이에 펄스폭 변조기 리미터(PLIM6)가 배치되고, 이에 따라 로직이 전술한 바와 같이 동작한다.
각각의 클록 사이클 대신에 출력에서 각각의 두 클록 사이클마다 펄스 신호를 생성하는 것도 가능함을 알 것이다. 이로써, 변조 깊이는 종래 기술의 단점 없이 개선될 수 있다.
도 7은 발진기 신호(osc)로부터 두 개의 신호(osclow, oschigh)를 갖는 보정된 상태도를 도시한 도면이다. 도 8은 대응하는 타이밍 신호를 도시한 도면이다. 이로써, 클리핑 동안 스위칭의 횟수가 반분되어 증폭기의 성능을 보다 더 향상시키며 EMC를 감소시킬 수 있다.
본원 출원인과 동일 출원인의 발명의 명칭이 "caroussel Handshake"인 특허출원을 참조하면, 출력에서 펄스의 최소 길이가 크로설(caroussel)에서 결정되는 것이 설명되어 있다.

Claims (7)

  1. 입력 신호를 수신하는 입력과 출력 신호를 공급하는 출력을 갖는 푸쉬-풀 증폭기(a push-pull amplifier)에 있어서,
    적어도 두 개의 적분기, 비교기 출력 신호를 공급하는 비교기, 피드백 소자를 포함하는 펄스폭 변조기와,
    상기 펄스폭 변조기의 출력에 결합된 적어도 두 개의 스위치를 갖는 스위칭 유닛과,
    상기 스위칭 유닛의 출력에 결합된 복조 필터, 및
    복조 깊이를 제한하는 펄스폭 변조기 리미터를 포함하되,
    상기 펄스폭 변조기 리미터는 제 1 입력에서 비교기 출력 신호를 수신하고 제 2 입력에서 발진기 신호를 수신하며, 상기 푸쉬-풀 증폭기의 출력에 결합된 출력을 갖는 로직 회로를 포함하고, 상기 로직 회로는 피드백 신호가 약간의 지연과 함께 펄스폭 변조 신호를 뒤따르는 피드백 경로를 포함하는,
    푸쉬-풀 증폭기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 푸쉬-풀 증폭기는 클래스 D급 증폭기(class D amplifier)인 푸쉬-풀 증폭기.
  4. 제 1 항에서 청구된 푸쉬-풀 증폭기에 사용하기 위한 펄스폭 변조기 리미터.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조기는 발진기를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 적분기는 제 1 적분기와 제 2 적분기를 포함하며,
    상기 제 1 적분기의 입력은 상기 펄스폭 변조기의 입력에 결합되고, 상기 제 2 적분기의 입력은 상기 제 1 적분기의 출력 및 상기 발진기에 결합되며,
    상기 비교기는 상기 제 1 적분기의 출력 신호를 수신하는 제 1 입력과 상기 제 2 적분기의 출력 신호를 수신하는 제 2 입력을 가지는,
    푸쉬-풀 증폭기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 발진기는 발진기 신호를 공급하는,
    푸쉬-풀 증폭기.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 피드백 소자는 상기 스위칭 유닛의 출력에 일측이 결합되고 상기 펄스폭 변조기에 타측이 결합되는
    푸쉬-풀 증폭기.
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