KR101086064B1 - 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프 - Google Patents

저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프에 관한 것으로 특히, 전압 증폭기(1)와 전력 증폭기(2) 및 전원전압 공급부(3)를 구비한 공지된 오디오 앰프에 있어서, 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드(ZD2)와 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1), 부하량 조절용 트랜지스터(TR2), 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3) 및 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)를 부가 설치하여 전력 증폭기(2)에서 출력되는 음향신호 내 전압이 제너다이오드(ZD1)의 제너전압 이상일 때 전원전압 공급부(3)로부터 출력되는 높은 전압을 음향신호의 실제 전압크기에 부응하여 실시간으로 전압강하시켜 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
따라서, 전력 증폭기에서 출력되는 음향신호의 전압이 일정 전압 이상일 때, 그 높이에 부응하여 전원전압 공급부에서 출력되는 최대 출력전압 중 일부를 전압강하시킨 상태로 전력 증폭기에 공급시켜 줄 수 있어 전력 증폭기에서 불필요하게 소모되는 무효전력을 최대한 줄일 수 있어 불필요한 전력소모를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 전력 증폭기 내의 전력증폭소자가 무효전력에 의해 과열되어 열 소손되는 것을 방지할 수 있으므로 수명 자체를 대폭 연장시킬 수 있으며, 또한 전력 증폭기 내 전력증폭소자들이 보다 안정적으로 동작하게 되므로 앰프 자체의 출력효율을 대폭 향상시킬 수 있고, 방열판의 크기 및 전력 증폭기 자체가 크기를 크게 줄일 수 있어 제품의 생산원가도 대폭 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 앰프 자체의 구동에 따른 신뢰도를 대폭 향상시킬 수 있는 것이다.

Description

저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프{Audio amplifier with low power consumption and high efficiency output}
본 발명은 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프에 관한 것으로 더욱 상세하게는 전력 증폭기에서 스피커 측으로 출력되는 음향신호 내 전압을 일정한 제너전압을 갖는 제너다이오드를 통해 비교하여 정해진 전압 미만인 저출력일 경우에는 일반 앰프에서와 같이 전력 증폭기에 낮은 기본전압을 공급하되, 정해진 전압 이상인 중출력 내지 고출력일 경우에는 바이패스전압 가변용 트랜지스터와 부하량 조절용 트랜지스터 및 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터를 통해 전원공급 제어용 전력효과 트랜지스터(이하 "FET"라 칭함)의 게이트에 인가되는 게이트 바이어스 전압을 현재 음향신호의 출력전압 변화에 대응하여 실시간으로 가변하여 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자에서 출력되는 전압을 음향신호의 실제 전압크기에 부응하여 실시간으로 전압강하시킨 형태로 전력 증폭기에 공급시켜 주는 방식을 통해 고출력에서 불필요하게 소비되는 전력낭비를 방지할 수 있고, 전력 증폭기 내 반도체 소자가 과열로 인해 열 소손되는 것을 방지하여 그 수명을 대폭 연장시킬 수 있으며, 또한 소자들의 안정된 작동을 통해 출력효율을 대폭 향상시킬 수 있고, 또 방열판의 크기 및 전력 증폭기 자체가 크기를 크게 줄여 제품의 생산원가도 대폭 저감시킬 수 있도록 발명한 것이다.
일반적으로 오디오 앰프는 보통 프리 앰프(Pre-amplifier)와 전력용 앰프(Power amplifier)로 이루어져 있다.
프리 앰프는 몇 개의 입력 프로그램 신호를 선택 또는 혼합해서 증폭함과 동시에 주파수 특성이나 음량이 소요의 상태로 되도록 조정하게 되는데, 이때 프리 앰프의 입력신호로는, 라디오 튜너신호, 마이크 신호, 자기 테이프 재생신호, CD 재생신호, 레코드 재생신호 등이 있다.
프리 앰프는 통상적으로 주파수특성의 보정을 위해 헤드 앰프, 이퀄라이저 앰프, 톤 콘트롤 앰프, 라우드니스 콘트롤 앰프, 하이 컷 필터 앰프 및 로우 컷 필터 앰프의 전부 또는 일부를 포함하고 있다.
프리 앰프에서 조정된 신호는 전력용 앰프로 보내지고 전력용 앰프는 이 신호를 부하인 스피커를 충분히 구동시킬 수 있는 전력으로까지 증폭한다.
이와 같은 전력용 앰프는 주 앰프(main amplifier)라고도 불리며 심하게 변화하는 음악 파형에도 순간적으로 반응하여 파형에 필요한 전력을 스피커에 보내주어야 한다.
전력용 앰프는 출력을 표시하는 각종 계기와 이의 구동회로, 스피커 전환 스위치를 구비하고 있고, 출력소자들이 파괴되지 않도록 보호하는 회로도 포함하고 있다.
이러한 오디오 앰프의 성능은 크게 세 가지의 점이 좌우하게 되는데, 첫째 각 앰프의 회로방식의 차이에 기인하여 성능이 달라지고, 둘째 앰프를 구성하고 있는 부품의 차이 즉 트랜지스터, 저항, 콘덴서, 배선재료 등의 차이에 의해 성능이 달라지며, 셋째 신호의 변화에 의해 심한 에너지 변화를 일으키는 전력에 대응하는 전원공급기의 성능에 따라 오디오 앰프의 전체적인 성능이 달라진다.
한편, 전력 증폭기(PA)의 출력단 소자는 보통 트랜지스터, FET, IGBT 등이 사용되며, 이와 같은 전력 증폭기는 동작에 따라 A, B, C, H급 등으로 분류되고, 그 구성에 따라 푸시풀, SEPP 등으로 분류된다.
그러나, 어떠한 경우라 하더라도 출력단을 보호하는 장치는 필수적이다.
출력단 소자의 파괴원인으로는 회로구성, 안정도 등 회로의 불안정성에 기인하기도 하지만, 전압.전류.전력 등의 전기적 과부하나 출력단자의 쇼트(단락)에 의한 것이 크다.
이에 출력단 소자를 보호하기 위해서 종래부터 여러 가지 방법이 개발되어 왔다.
그 중 하나로 드라이브(여진) 전력을 작게 하여 부하 단락시의 오버드라이브를 막는 방법이 있으나, 이 방법은 기본적으로 앰프의 출력을 줄이는 방법에 불과하다.
또 다른 방법으로 출력단의 콜렉터 전류가 규정치 이상 흐를 때에는 출력단을 차단하여 콜렉터 전류가 흐르지 않도록 하는 방법이 있는데, 이 경우 출력단 소자에 과부하가 걸릴 때에 지속적인 부하의 변화에 대하여는 효과적으로 과전류를 제한할 수 있지만 순간적인 출력 증가에 대해서는 완벽하게 보호기능을 하지 못하며, 출력신호가 없는 상태에 서의 출력단 단락시에는 순간적인 단락에 대해서는 작용할 수 있으나 지속적인 단락시에는 허용 Pc(콜렉터 소비전력)의 초과로 인하여 출력단 소자가 파괴되는 문제가 있다.
또한, 보호회로의 응답속도가 출력단 소자의 내단락 시간(short circuit withstand time, tsc )보다 길기 때문에 효과적으로 출력단 보호를 하지 못하는 문제가 있다.
한편, 일부 앰프에서는 전력 증폭기에서 발생되는 무효전력을 줄이기 위하여 도 1 및 도 2와 같이, 입력되는 미세 음향신호에 대한 전압 증폭을 실시하는 전압 증폭기(1)와; 상기 전압 증폭기를 통해 출력되는 음향신호를 전력증폭시켜 스피커(SP)로 출력시켜 주는 출력단 전력 증폭기(2)와; 앰프의 각부 구동에 필요한 전원 전압을 포함하여 전력 증폭기(2)에서 입력신호의 레벨에 대응하여 필요로 하는 기본전압 및 높은 전압을 공급해 주는 전원전압 공급부(3)와; 상기 출력단 전력 증폭기(2)에서 출력되고 있는 음향신호의 전압과 비교기 등을 이용하여 기준전압과 상호 비교하여 그 결과에 대응되는 온/오프 신호를 하이/로우 공급전압 제어부(5)로 출력하는 출력전압 검출부(4)와; 상기 출력전압 검출부(4)의 출력신호에 부응하여 온/오프되며 전원전압 공급부(3)에서 출력되고 있는 기본전압 또는 높은 전압 중 어느 한 전압을 전력 증폭기(2)에 출력시켜 주는 하이/로우 공급전압 제어부(5)로 구성된 무효전력 저감회로를 채택하고 있는 경우도 있다.
이와 같은 구성을 갖는 전력 증폭기의 무효전력 저감회로는 전력 증폭기(2)에서 스피커(SP)로 출력되는 음향신호의 전압을 출력전압 검출부(4)에서 기준전압과 비교하는 방식을 통해 기준전압 미만이면 하이/로우 공급전압 제어부(5)로 "로우"신호를 발생시켜 하이/로우 공급전압 제어부(5) 내의 스위칭 트랜지스터를 "오프"시켜 주는 방식을 통해 전원전압 공급부(3)에서 출력되는 전압 중 "로우" 전압(예를 최대 출력 1200W의 앰프에서 현재출력이 600W미만의 저출력인 경우 60V의 직류전압)이 전력 증폭기(2)에 공급되도록 하고, 기준전압 이상이면 하이/로우 공급전압 제어부(5)로 "하이"신호를 발생시켜 하이/로우 공급전압 제어부(5) 내의 스위칭 트랜지스터를 "온"되도록 하는 방식을 통해 전원전압 공급부(3)에서 출력되는 전압 중 "하이" 전압(예를 최대 출력 1200W의 앰프에서 현재출력이 600W이상의 저출력인 경우 120V의 직류전압)이 전력 증폭기(2)에 공급되도록 한다.
그러나, 이와 같은 구성을 갖는 전력 증폭기의 무효전력 저감회로는 실제 전력 증폭기에서 출력되는 음향신호의 전압이 예를 들어 최대 출력 대비 50%는 넘으나 100% 보다는 비교적 낮은 전압 경우(예를 들어 900W로 중출력일 경우)에도 그 전압레벨(실제로는 90V 정도의 전압을 공급해 주는 것이 바람직할 경우)의 높이에 무관하게 무조건 전원전압 공급부에서 출력되는 전압 중 최고 높은 전압(예를 들어 120V)을 전력 증폭기에 공급시켜 주게 된다.
이와 같이 전력 증폭기에서 출력되는 음향신호의 전압이 기준전압 이상이긴 하나 최대 출력레벨보다는 비교적 낮은 일부 음향신호 레벨임(예를 들어 중출력)에도 불구하고 무조건 최대로 높은 전압이 공급되므로 일부 무효전력이 발생되어 그로 인해 불필요하게 전력을 소비하게 됨은 물론 전력 증폭기 내 반도체 소자인 전력증폭소자가 무효전력를 소모하는 과정에서 과열되어 열 소손이 발생하게 될 뿐만 아니라 장기간 사용시 그 수명이 짧아지게 되는 문제점도 있다.
또한, 상기와 같이 열이 발생하게 될 경우 전력증폭소자들이 불안정하게 작동하게 되어 출력 자체의 효율이 크게 저하되고, 또 상기와 같이 발생되는 열을 원활히 냉각시켜 주기 위해 설치되는 방열판 자체의 크기가 커지게 될 뿐만 아니라 결국 전력 증폭기 자체의 크기가 커지게 되어 제품의 생산원가도 상승하게 되는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 앰프의 전력 증폭기에서 스피커 측으로 출력되는 음향신호 내 전압을 일정한 제너전압을 갖는 제너다이오드를 통해 비교하여 정해진 전압 미만인 저출력일 경우에는 종래 일반적인 앰프에서와 마찬가지로 전원전압 공급부에서 출력되는 낮은 전압을 전력 증폭기에 공급시켜 주되, 정해진 전압 이상인 중출력 및 고출력일 경우에는 바이패스전압 가변용 트랜지스터와 부하량 조절용 트랜지스터 및 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터를 통해 전원공급 제어용 FET의 게이트에 인가되는 게이트 바이어스 전압을 음향신호의 출력전압 변화에 대응하여 실시간으로 가변하여 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자에서 출력되는 전압을 음향신호의 실제 전압크기에 부응하여 실시간으로 전압강하시켜 전력 증폭기에 공급시켜 줌으로써 음향신호의 전압이 일정 전압 이상일 때 발생되던 전력 증폭기에서 무효전력으로 소모되던 전력낭비를 미연에 방지할 수 있어 불필요한 전력소모를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 반도체 소자가 무효전력에 의해 과열되어 결국 열 소손되는 것을 방지할 수 있음은 물론 수명 자체를 대폭 연장시킬 수 있고, 또한 전력증폭소자들이 보다 안정적으로 동작하게 되어 앰프 자체의 출력효율을 대폭 향상시킬 수 있으며, 또 방열판의 크기 및 전력 증폭기 자체가 크기를 크게 줄일 수 있어 제품의 생산원가도 대폭 저감시킬 수 있고, 특히 앰프 자체의 구동에 따른 신뢰도를 대폭 향상시킬 수 있는 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 입력되는 미세 음향신호에 대한 전압 증폭을 실시하는 전압 증폭기와; 상기 전압 증폭기를 통해 출력되는 음향신호를 전력증폭시켜 스피커로 출력시켜 주는 출력단 전력 증폭기와; 앰프의 각부 구동에 필요한 전원 전압을 포함하여 전력 증폭기에서 입력신호의 레벨에 대응하여 필요로 하는 높고 낮은 전압을 공급해 주는 전원전압 공급부를 구비한 오디오 앰프에 있어서, 보호용 저항과 함께 상기 전력 증폭기의 출력단자와 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자 사이에 연결되어 상기 전력 증폭기에서 출력되는 음향신호 내 전압이 자체 내의 제너전압 이상일 경우 그 이상전압을 바이패스전압 가변용 트랜지스터의 베이스 바이어스 전압으로 전달해 주는 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드와; 상기 제너다이오드를 통해 공급되는 베이스 바이어스 전압에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 변화되며 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자에서 낮은 전압 출력단자 측으로 바이패스되는 전압강하량을 가변시켜 주는 방식을 통해 부하량 조절용 트랜지스터의 베이스 바이어스 전압을 가변시켜 주는 바이패스전압 가변용 트랜지스터와; 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터의 콜렉터 전압에 대응하여 변화되는 베이스 바이어스 전압에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 변화되며 콜렉터와 전원전압 공급부의 낮은 전압 출력단자 사이에 설치된 부하 저항과 자체의 부하량을 실시간으로 변화시켜 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터의 부하량을 조절해 주는 부하량 조절용 트랜지스터와; 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자와 낮은 전압 출력단자 사이에서 상기 부하량 조절용 트랜지스터와 직렬 연결된 형태로 설치되어 실시간으로 변화되는 부하량에 부응하여 전원공급 제어용 FET의 게이트에 인가되는 바이어스 전압을 가변시켜 주는 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터와; 상기 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자와 낮은 전압 출력단자 사이에서 각각 병렬 연결된 형태를 갖고 상기 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터를 통해 공급되는 게이트 바이어스 전압에 부응하여 턴 "온"량이 제어되며 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자에서 출력되어 전력 증폭기로 공급되는 전압이 실시간으로 변화되는 음향신호의 전압 높이에 대응하여 전압 강하된 상태에서 공급되게 하는 전원공급 제어용 FET;를 부가 설치한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자와 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터의 베이스 사이에는 전원공급 제어용 FET의 게이트에 인가되는 최대 바이어스 전압을 제한하기 위한 게이트 보호용 제너다이오드를 더 설치한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터와 부하량 조절용 트랜지스터의 베이스와 상기 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드 사이에는 각각 역방향 전압 차단용 다이오드를 더 설치한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전원전압 공급부의 낮은 전압 출력단자와 바이패스전압 가변용 트랜지스터의 이미터 사이에는 상기 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자에서 출력되는 전압이 전력 증폭기에 공급될 때 이를 불빛으로 표시해 주는 높은 전압 구동상태 표시용 발광다이오드를 더 설치한 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프에 의하면, 앰프의 전력 증폭기에서 스피커 측으로 출력되는 음향신호 내 전압을 일정한 제너전압을 갖는 제너다이오드를 통해 비교하여 정해진 전압 미만인 저출력일 경우에는 종래 일반적인 앰프에서와 마찬가지로 전원전압 공급부에서 출력되는 낮은 전압을 전력 증폭기에 공급시켜 주고, 정해진 전압 이상인 중출력 및 고출력일 경우에는 바이패스전압 가변용 트랜지스터와 부하량 조절용 트랜지스터 및 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터를 통해 전원공급 제어용 FET의 게이트에 인가되는 게이트 바이어스 전압을 음향신호의 출력전압 변화에 대응하여 실시간으로 가변하여 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자에서 출력되는 전압을 음향신호의 실제 전압크기에 부응하여 실시간으로 전압강하시킨 상태에서 전력 증폭기에 공급시켜 줌으로써 첫째 음향신호의 전압이 일정 전압 이상일 때 그 레벨 높이에 무관하게 무조건 높은 전압(즉, 최대전압)을 전력 증폭기에 공급시켜 줌으로 인해 발생되던 전력 증폭기에서의 무효전력 소모에 의한 전력낭비를 미연에 방지할 수 있어 불필요한 전력소모를 방지할 수 있고, 둘째 반도체 소자인 전력증폭소자가 무효전력에 의해 과열되어 결국 열 소손되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 그 수명 자체를 대폭 연장시킬 수 있으며, 셋째 전력증폭소자들을 보다 안정적으로 동작시킬 수 있어 앰프 자체의 출력효율을 대폭 향상시킬 수 있고, 넷째 방열판의 크기 및 전력 증폭기 자체가 크기를 크게 줄일 수 있어 제품의 생산원가도 대폭 저감시킬 수 있으며, 다섯째 앰프 자체의 구동에 따른 신뢰도를 대폭 향상시킬 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.
도 3은 본 발명이 적용된 앰프의 일부 블록 구성도.
도 4는 본 발명이 적용된 앰프의 일부 상세 회로도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명이 적용된 앰프의 일부 블록 구성도를 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명이 적용된 앰프의 일부 상세 회로도를 나타낸 것이다.
이에 따르면 본 발명 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프는,
입력되는 미세 음향신호에 대한 전압 증폭을 실시하는 전압 증폭기(1)와; 상기 전압 증폭기(1)를 통해 출력되는 음향신호를 전력증폭시켜 스피커(SP)로 출력시켜 주는 출력단 전력 증폭기(2)와; 앰프의 각부 구동에 필요한 전원 전압을 포함하여 전력 증폭기(2)에서 입력신호의 레벨에 대응하여 필요로 하는 높고 낮은 전압을 공급해 주는 전원전압 공급부(3)를 구비한 오디오 앰프에 있어서,
보호용 저항(R1)과 함께 상기 전력 증폭기(2)의 출력단자와 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+) 사이에 연결되어 상기 전력 증폭기(2)에서 출력되는 음향신호 내 전압이 자체 내의 제너전압 이상일 경우 그 이상전압을 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 베이스 바이어스 전압으로 전달해 주는 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드(ZD1)와;
상기 제너다이오드(ZD1)를 통해 공급되는 베이스 바이어스 전압에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 변화되며 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 낮은 전압 출력단자(LB+) 측으로 바이패스되는 전압강하량을 가변시켜 주는 방식을 통해 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)의 베이스 바이어스 전압을 가변시켜 주는 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)와;
상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 콜렉터 전압에 대응하여 변화되는 베이스 바이어스 전압에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 변화되며 콜렉터와 전원전압 공급부(3)의 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에 설치된 부하 저항(R2)과 자체의 부하량을 실시간으로 변화시켜 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)의 부하량을 조절해 주는 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)와;
전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)와 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에서 상기 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)와 직렬 연결된 형태로 설치되어 실시간으로 변화되는 부하량에 부응하여 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)의 게이트에 인가되는 바이어스 전압을 가변시켜 주는 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)와;
상기 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)와 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에서 각각 병렬 연결된 형태를 갖고 상기 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)를 통해 공급되는 게이트 바이어스 전압에 부응하여 턴 "온"량이 제어되며 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 출력되어 전력 증폭기(2)로 공급되는 전압이 실시간으로 변화되는 음향신호의 전압 높이에 대응하여 전압 강하된 상태에서 공급되게 하는 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn);를 부가 설치한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)와 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)의 베이스 사이에는 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)의 게이트에 인가되는 최대 바이어스 전압을 제한하기 위한 게이트 보호용 제너다이오드(ZD1)를 더 설치한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)와 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)의 베이스와 상기 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드(ZD2) 사이에는 각각 역방향 전압 차단용 다이오드(D1)(D2)를 더 설치한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전원전압 공급부(3)의 낮은 전압 출력단자(LB+)와 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 이미터 사이에는 상기 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 출력되는 전압이 전력 증폭기(2)에 공급될 때 이를 불빛으로 표시해 주는 높은 전압 구동상태 표시용 발광다이오드(LED)를 더 설치한 것을 특징으로 한다.
여기서 미설명 부호 D3, D4는 역방향 전압 차단용 다이오드이고, R3-R5는 부하 및 보호용 저항이다.
이와 같이 구성된 본 발명의 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프에 대한 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명이 적용된 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프는, 전압 증폭기(1)와 전력 증폭기(2) 및 전원전압 공급부(3)를 구비한 공지된 오디오 앰프에 있어서, 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드(ZD1)와 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1), 부하량 조절용 트랜지스터(TR2), 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3) 및 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)를 부가 설치하여 전력 증폭기(2)에서 출력되는 음향신호 내 전압이 제너다이오드(ZD1)의 제너전압 이상일 때 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 출력되는 전압을 음향신호의 실제 전압크기에 부응하여 실시간으로 전압강하시켜 공급할 수 있도록 한 것을 주요기술 구성요소로 한다.
이때, 상기 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드(ZD1)는 보호용 저항(R1)과 함께 상기 전력 증폭기(2)의 출력단자와 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+) 사이에 직렬 연결된 상태를 갖고, 앰프의 구동시 상기 전력 증폭기(2)에서 출력되고 있는 음향신호 내 전압이 자체 내의 제너전압(예를 들어 60V) 이상인지를 검출하여, 제너전압 미만인 저출력일 때는 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 베이스 바이어스 전압을 차단하고, 제너전압 이상(예를 들어 60V이상)일 때는 제너전압 이상인 전압을 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 베이스에 바이어스 전압으로 전달해 주게 된다.
상기에서 제너다이오드(ZD1)를 통해 검출된 전력 증폭기(2)의 음향신호 출력전압이 제너전압 미만(예를 들이 최대 음향신호 출력이 1200W인 앰프에서 600W 미만의 저출력)이어서 제너다이오드(ZD1)에서 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 베이스에 공급되는 바이어스 전압을 차단하게 되면, 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)를 포함하여 그 후단부에 설치되어 있는 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)와 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)의 구동도 차단되어 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)도 "오프"된 상태를 유지하게 되므로 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)를 통해 출력되는 전압(예를 들어 120V)이 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)에 의해 차단되고, 전원전압 공급부(3)의 낮은 전압 출력단자(LB+)를 통해 출력되는 전압(예를 들어 60V)이 종래 앰프에서와 마찬가지로 전력 증폭기(2)에 공급되는 형태를 갖는다.
또한, 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)는 NPN형 트랜지스터로써 전력 증폭기(2)에서 출력되고 있는 음향신호 내 전압이 제너다이오드(ZD1)의 제너전압보다 높은 전압이므로 인해 상기 제너다이오드(ZD1)를 통해 공급되는 베이스 바이어스 전압 높이에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 변화되며, 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 낮은 전압 출력단자(LB+) 측으로 바이패스되는 전압강하량을 음향출력신호에 대응하여 가변시켜 주는 역할을 수행하여 후술하는 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)의 베이스 바이어스 전압을 음향출력신호의 크기에 대응하여 가변시켜 주게 된다.
또, 상기 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)는 PNP형 트랜지스터로써 전력 증폭기(2)에서 출력되고 있는 음향신호 내 전압의 변화에 대응하여 가변되는 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 콜렉터 전압에 대응하여 변화되는 베이스 바이어스 전압에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 가변되며, 자체의 콜렉터와 전원전압 공급부(3)의 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에 설치된 부하 저항(R2)과 턴 "온"량에 부응하여 자체의 부하량을 실시간으로 변화시켜 후술하는 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)의 이미터 부하량을 음향출력신호의 크기에 대응하여 자동 조절해 주는 기능을 수행하게 된다.
한편, 상기 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)는 NPN형 트랜지스터로써 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)와 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에서 상기 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)와 직렬 연결된 형태로 설치되어, 전력 증폭기(2)의 출력전압 변화에 부응하여 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)를 통해 실시간으로 변화되는 부하량에 대응하여 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)의 게이트에 인가되는 바이어스 전압(중출력 내지 대출력으로 출력되고 있는 음향신호의 크기에 대응하여 아날로그 형태의 반파형 펄스 전압)을 크기를 가변시켜 주는 기능을 수행하게 된다.
또, 상기한 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)들은 소오스와 드레인이 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)와 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에서 각각 병렬 연결되고 게이트는 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)의 이미터에 연결된 형태를 갖는다.
이와 같은 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)는 상기 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)를 통해 전력 증폭기(2)의 음향신호 출력전압 변화에 부응하여 실시간으로 변화되는 형태로 공급되는 아날로그 형태의 반파형 게이트 바이어스 전압에 부응하여 턴 "온"량이 제어되며, 상기 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 출력되어 전력 증폭기(2)로 공급되는 전압이 음향출력신호의 전압 높이에 대응하여 실시간으로 전압 강하하여 소정 전압만 공급(예를 들어 앰프의 최대 출력이 1200W인데 현재 전력 증폭기(2)에서 출력되는 음향신호의 전압이 중출력인 900W일 경우 최대전압 120V 중 90V만 통과)시켜 주는 역할을 수행하게 된다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 전력 증폭기(2)에서 출력되는 음향신호의 전압이 일정 전압 이상일 때, 그 높이에 부응하여 전원전압 공급부(3)에서 출력되는 최대 출력전압 중 일부를 전압강하시킨 상태로 전력 증폭기(2)에 공급시켜 줄 수 있어 전력 증폭기(2)에서 불필요하게 소모되는 무효전력을 최대한 줄일 수 있어 불필요한 전력소모(예를 들어 최대 음향신호 출력이 1200W인 앰프에서 900W의 음향신호가 출력될 경우 300W)를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 전력 증폭기(2) 내의 전력증폭소자가 무효전력에 의해 과열되어 열 소손되는 것을 방지할 수 있으므로 수명 자체를 대폭 연장시킬 수 있다.
또한, 전력 증폭기(2) 내 전력증폭소자들이 보다 안정적으로 동작하게 되므로 앰프 자체의 출력효율을 대폭 향상시킬 수 있고, 방열판의 크기 및 전력 증폭기 자체가 크기를 크게 줄일 수 있어 제품의 생산원가도 대폭 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 앰프 자체의 구동에 따른 신뢰도를 대폭 향상시킬 수 있는 것이다.
또한, 본 발명에서는 상기 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)와 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)의 베이스 사이에 게이트 보호용 제너다이오드(ZD2)를 더 설치하여 줌으로써 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)를 통해 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)의 게이트로 인가되는 바이어스 전압이 최대 바이어스 전압(예를 들어 13V)을 넘게 되는 것을 제한할 수 있어 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)를 과 게이트 바이어스 전압으로부터 보호할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)와 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)의 베이스와 상기 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드(ZD2) 사이에는 각각 역방향 전압 차단용 다이오드(D1)(D2)를 더 설치하여 줌으로써 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)와 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)의 베이스에 역방향으로 전압이 인가됨으로 인한 소손을 미연에 방지할 수 있다.
이 밖에도 본 발명에서는 상기 전원전압 공급부(3)의 낮은 전압 출력단자(LB+)와 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 이미터 사이에 높은 전압 구동상태 표시용 발광다이오드(LED)를 부가 설치하여 줌으로써 앰프의 점검시 전력 증폭기(2)에 예를 들어 60V 이상의 높은 전압이 공급될 때 높은 전압 구동상태 표시용 발광다이오드(LED)가 점등되어 발생되는 불빛을 통해 원활히 인지하고 필요한 점검을 수행할 수 있다.
한편, 앰프는 통상 정극성(+) 전원단자와 접지단자 및 부극성 전원단자(-)를 갖는 양 전원에 의해 구동되는 형태를 갖고 있는데, 지금까지의 설명은 전원전압 공급부(3)에서 정극성(+) 전원단자와 접지단자 사이에서 정극성 전원전압이 출력되고, 각부는 상기 전원전압 공급부에서 츨력되는 정극성 전압에 의해 구동되는 형태를 중심으로 설명하였다.
즉, 전원전압 공급부(3)에서 상기한 정극성(+) 전압 외에도 부극성(-) 전원단자와 접지단자 사이에서 부극성 전원전압이 출력되고, 이 부극성 전압에 의해 구동되는 형태를 갖는 또 다른 대칭회로가 앰프에는 구비되어 있는데 이에 대한 도시 및 그들의 동작관계를 생략하였다.
이와 같은 부극성 전압에 의해 구동되는 각부의 구성부품은 상술한 구성부품과 반대방향으로 전류가 흐르는 형태, 예를 들어 전술에서 NPN형 트랜지스터로 제시한 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)나 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)로는 PNP형 트랜지스터가 대치되어 설치되고, PNP형 트랜지스터로 제시한 부하량 조절용 트랜지스터(TR3)로는 NPN형 트랜지스터가 대치되어 설치되며, 게이트에 "하이"신호가 인가될 때 작동되는 전원공급 제어용 FET(FET₁-FETn)에 대응해서는 게이트에 "로우"신호가 인가될 작동되는 FET로 대치되어 설치됨은 물론 다이오드들의 방향 역시 전술한 예시와 반대방향으로 설치되는 형태를 갖는다.
이와 같이 양 전원(+, -)에 의해 구동되는 앰프회로를 대칭회로로 설계하는 기술은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 다 알고 있는 사실이어서 중복된 설명을 피하기 위해 이에 대한 구체적인 회로에 대한 도시 및 상세한 작동설명 등을 생략한 것이다.
상술한 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
1 : 전압 증폭기
2 : 전력 증폭기
3 : 전원전압 공급부
D1-D4 : 역방향 전압 차단용 다이오드
LED : 높은 전압 구동상태 표시용 발광다이오드
FET₁-FETn : 전원공급 제어용 FET
R1-R5 : 저항
SP : 스피커
TR1 : 바이패스전압 가변용 트랜지스터
TR2 : 부하량 조절용 트랜지스터
TR3 : 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터
ZD1, ZD2 : 제너다이오드

Claims (4)

  1. 입력되는 미세 음향신호에 대한 전압 증폭을 실시하는 전압 증폭기와; 상기 전압 증폭기를 통해 출력되는 음향신호를 전력증폭시켜 스피커로 출력시켜 주는 출력단 전력 증폭기와; 앰프의 각부 구동에 필요한 전원 전압을 포함하여 전력 증폭기에서 입력신호의 레벨에 대응하여 필요로 하는 높고 낮은 전압을 공급해 주는 전압 공급부를 구비한 오디오 앰프에 있어서,
    보호용 저항과 함께 상기 전력 증폭기의 출력단자와 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자 사이에 연결되어 상기 전력 증폭기에서 출력되는 음향신호 내 전압이 자체 내의 제너전압 이상일 경우 그 이상전압을 바이패스전압 가변용 트랜지스터의 베이스 바이어스 전압으로 전달해 주는 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드와;
    상기 제너다이오드를 통해 공급되는 베이스 바이어스 전압에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 변화되며 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자에서 낮은 전압 출력단자 측으로 바이패스되는 전압강하량을 가변시켜 주는 방식을 통해 부하량 조절용 트랜지스터의 베이스 바이어스 전압을 가변시켜 주는 바이패스전압 가변용 트랜지스터와;
    상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터의 콜렉터 전압에 대응하여 변화되는 베이스 바이어스 전압에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 변화되며 콜렉터와 전원전압 공급부의 낮은 전압 출력단자 사이에 설치된 저항과 자체의 부하량을 실시간으로 변화시켜 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터의 부하량을 조절해 주는 부하량 조절용 트랜지스터와;
    전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자와 낮은 전압 출력단자 사이에서 상기 부하량 조절용 트랜지스터와 직렬 연결된 형태로 설치되어 실시간으로 변화되는 부하량에 부응하여 전원공급 제어용 FET의 게이트에 인가되는 바이어스 전압을 가변시켜 주는 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터와;
    상기 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자와 낮은 전압 출력단자 사이에서 각각 병렬 연결된 형태를 갖고 상기 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터를 통해 공급되는 게이트 바이어스 전압에 부응하여 턴 "온"량이 제어되며 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자에서 출력되어 전력 증폭기로 공급되는 전압이 실시간으로 변화되는 음향신호의 전압 높이에 대응하여 전압 강하된 상태에서 공급되게 하는 전원공급 제어용 FET;를 부가 설치한 것을 특징으로 하는 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자와 게이트 전압 가변 제어용 NPN 트랜지스의 베이스 사이에는 전원공급 제어용 FET의 게이트에 인가되는 최대 바이어스 전압을 제한하기 위한 게이트 보호용 제너다이오드를 더 설치한 것을 특징으로 하는 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터와 부하량 조절용 트랜지스터의 베이스와 상기 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드 사이에는 각각 역방향 전압 차단용 다이오드를 더 설치한 것을 특징으로 하는 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원전압 공급부의 낮은 전압 출력단자와 바이패스전압 가변용 트랜지스터의 이미터 사이에는 상기 전원전압 공급부의 높은 전압 출력단자에서 출력되는 전압이 전력 증폭기에 공급될 때 이를 불빛으로 표시해 주는 높은 전압 구동상태 표시용 발광다이오드를 더 설치한 것을 특징으로 하는 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프.





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