KR101094004B1 - 스피커 전류 부궤환이 있는 디지털 오디오 앰프 - Google Patents

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본 발명은 디지털 앰프의 출력 음색을 개선하기 위한 스피커 전류 부궤환이 있는 디지털 오디오 앰프에 관한 것이다. 음원 신호에 따라 펄스 폭 변조를 수행하는 디지털 앰프와, 앰프 출력에 연결된 스피커 및 스피커에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출기를 설치하고, 전류검출기의 출력을 디지털 앰프 입력으로 부궤환시켜 디지털 앰프의 등가 출력저항을 증가시킨다. 큰 등가 출력저항의 효과로 스피커 재생음의 중역이 증가하여 맑은 소리와 스테레오 정위감이 우수한 음색이 얻어진다.

Description

스피커 전류 부궤환이 있는 디지털 오디오 앰프 {Digital audio amplifiers with a negative feedback of speaker current}
본 발명은 디지털 앰프의 출력 음색을 개선하기 위한 스피커 전류 부궤환이 있는 디지털 오디오 앰프에 관한 것이다.
오디오 전력 앰프는 아날로그 회로보다 전기적 효율이 좋은 디지털 앰프가 주로 사용된다. 아날로그 A급, B급 전력 증폭기는 많은 전기적 손실 및 결합 콘덴서 사용으로 인한 음질저하, 큰 방열판 등의 문제로 대부분의 TV, 오디오 장치에는 D급 디지털 앰프를 채용하고 있다. 결합 콘덴서를 사용하지 않는 D급 디지털 앰프는 선형성이 우수한 증폭 특성이 있지만, 출력저항이 영인 이상적인 전압원 특성으로 인해 높은 댐핑값과 인간의 음향 인지능력을 고려하지 못한 구동으로 스피커 재생음이 단조로운 단점이 있다. 음향 인식에 대한 연구 결과의 오디오 장치에의 응용이 어렵고, 음색을 결정하는 디지털 앰프의 설계기술은 아직 확립되지 못하고 있다.
디지털 앰프는 전기적 효율이 우수한 장치이지만 스피커에서 만들어진 음색이 단조롭고 정위감이 부족하다. 종래 디지털 앰프는 입력 전압 파형을 선형적으로 증폭하여 입력과 동일한 모양의 전압 파형을 스피커에 공급한다. 디지털 앰프에서 스피커 전류를 검출하고 앰프 입력으로 부궤환하는 회로를 추가하여 스테레오 정위감있는 재생음 특성을 얻도록 함을 목적으로 한다.
일정한 전압 증폭도가 주어지는 디지털 앰프에서 출력에 접속되는 스피커의 전류를 전류검출기로 검출하고, 검출 전압의 크기에 적절한 이득으로 조정된 신호를 다시, 디지털 앰프의 입력 신호에 (-)로 인가하여 부궤환 회로를 형성시킨다. 스피커 단자에 직렬로 접속된 검출저항, 또는 전류변성기를 이용하여 전류검출기를 구성한다.
디지털 앰프의 스피커 전류 신호를 적절한 이득의 부궤환 회로를 형성시켜 디지털 앰프의 등가 출력저항을 매우 크게 만든다. 큰 등가 출력저항은 스피커의 임피이던스 변화에 따라 재생음의 크기를 변화시킨다. 일반적 스피커는 100[Hz] 부근 저역과 수 [kHz] 중역에서 임피이던스가 상승하므로 큰 등가 출력저항이 존재하는 앰프는 풍부한 저역과 맑은 중역대의 소리를 재생하게 된다. 전자회로 이퀄라이저는 반드시 시간지연이 발생하여 스테레오 신호의 정위감이 손상되지만, 스피커 전류 부궤환에 의한 방법은 출력음의 시간지연이 발생하지 않는다. 또한, 큰 등가 출력저항은 스피커 통의 울림에 대해 스피커 댐핑이 작게 되고 자연스러운 감쇄 진동을 발생시킨다.
도1은 본 발명의 디지털 앰프와 전류검출기를 사용한 기본 구성도.
도2는 오디오 스피커의 주파수에 대한 임피이던스 특성도.
도3은 도1 기본 구성도의 전달함수 블럭도.
도4는 일반 전압 증폭기의 전기 등가회로.
도5는 전류검출기의 구성에 검출저항을 사용한 도면.
도6은 전류검출기의 구성에 전류변성기를 사용한 도면.
도7은 디지털 앰프의 출력에 출력저역필터가 포함된 구성도면.
도8은 전류검출기의 출력에 신호저역필터를 포함한 구성도면.
도9는 출력저역필터와 신호저역필터를 포함한 구성도면.
도1은 본 발명에 의한 디지털 앰프와 스피커 전류를 부궤환하는 기본 블럭 구성도를 나타낸 것으로, 음원(1)과 스피커 전류검출기(4) 및 이들의 전압차이 (Vp-Vn)를 증폭하는 디지털 앰프(2)와 디지털 앰프출력에 접속되는 스피커(3)로 구성된다.
도2는 일반적 오디오 스피커의 주파수에 따른 임피이던스 Zs(7)를 나타낸 것으로, 저역을 담당하는 우퍼(5)와 고역을 담당하는 트위터(6)으로 구성된다. 스피커는 우퍼(5)와 트위터(6)를 LC 네트워크로 연결하여 주파수를 분리하고 구동한다. 우퍼(5)의 임피이던스는 저역공진점 부근에서 매우 크게되고 최소점을 지나면서 주파수 증가에 따라 상승하게 된다. 트위터(6)는 대체적으로 안정된 임피이던스 특성을 보인다. 우퍼(5)와 트위터(6)로 구성된 스피커의 임피이던스는 주로 우퍼(5)에 의해 전체 임피이던스 변화가 결정된다.
도3의 입력 Vp과 출력전압 Vo의 비인 전달함수는 수학식1과 같다.
Figure 112010027063519-pat00001
도4는 일반 전압 증폭기의 전기 등가회로이다. 이것은 전압증폭도 K1의 종속전압원(8), 등가 출력저항 Ro(9) 및 스피커 부하 Zs(3)가 접속된 형태를 나타낸다. 도4에서 입력 Vp와 출력 Vo의 전달함수는 수학식2와 같다.
Figure 112010027063519-pat00002
그러므로 수학식1과 수학식2는 동일한 전기적 성질을 가지며, 스피커 전류의 부궤환이 디지털 앰프의 등가 출력저항 Ro(9)의 형태로 나타남을 알 수 있다. 수학식1 및 수학식2에서, 등가 출력저항 Ro(9)는 수학식3과 같이 얻어진다.
Figure 112010027063519-pat00003
전류검출기(4)의 이득 K2를 조정하여 원하는 등가 출력저항 Ro(9)의 크기를 결정할 수 있다. 도2의 스피커 임피이던스 Zs(7)는 일반적으로 중역대에서 상승하며 이때 약 +3[dB] 이상의 음량 증가를 얻기 위한 등가 출력저항 Ro(9) 값을 얻고, 디지털 앰프(2)의 이득 K1을 이용하여 수학식3으로 전류검출기(4)의 이득 K2를 결정한다.
도5는 전류검출기(4) 구현의 예로, 검출저항 Rs(4a)를 이용한다. 스피커(3)의 단자에 직렬로 연결한 검출저항 Rs(4a)와 이득변환부로 구성된다. 도6은 전류변성기(4b)를 이용한 전류검출기(4)의 구성이며 전류변성기(4b)의 주파수 특성이 본 발명의 디지털 오디오 앰프 주파수 특성에 직접적인 영향을 미치게 된다.
도7은 디지털 앰프(2)의 출력과 스피커(3) 사이에 출력저역필터(10)을 삽입하여 디지털 앰프(2)의 스위칭 전압을 감소시키는 구성이다. 일반적으로 디지털 앰프(2)에 이용하는 출력저역필터(10)는 오디오 출력의 고역 응답을 작게 하는 단점을 가진다. 그러나, 본 발명의 전류검출기(4)의 부궤환 작용으로 고역 응답 특성을 개선시킬 수 있다.
도8은 전류검출기(4)의 출력에 신호저역필터(11)을 삽입하고, 신호저역필터(11)의 출력을 부궤환시키는 방법으로 과도한 디지털 스위칭 잡음이 존재하는 경우에 효과적인 방법이다. 도9는 출력저역필터(10)와 신호저역필터(11) 모두를 설치한 구성으로, 적절한 필터의 특성을 유지하여 전체 디지털 오디오 앰프의 필요한 주파수 특성을 얻을 수 있다.
도1, 도7, 도8 및 도9의 구성에서 스피커(3)를 제외한 구성 요소들은 디지털 신호처리장치(DSP)와 AD변환기 등을 이용하여 하나의 실리콘 칩으로 구현할 수 있으며 서라운드 등의 다른 음향효과와 동시에 사용될 수도 있다..

Claims (6)

  1. 음원(1) 전압과 부궤환 전류검출기(4) 검출전압의 차를 디지털 앰프(2)로 입력하고, 디지털 앰프(2) 출력을 스피커(3)에 공급하고, 스피커(3)에 흐르는 전류를 전류검출기(4)로 검출하고, 이 검출전압을 다시 디지털 앰프(3)에 부궤환하는 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
  2. 제1항에 있어서, 출력저역필터(10)가 디지털 앰프(2)와 스피커(3) 사이에 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
  3. 제1항에 있어서, 신호저역필터(11)가 전류검출기(4)의 출력과 디지털 앰프(2)의 부궤환 입력 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
  4. 제1항에 있어서, 출력저역필터(10)가 디지털 앰프(2)와 스피커(3) 사이에 직렬로 연결되고, 신호저역필터(11)가 전류검출기(4)의 출력과 디지털 앰프(2)의 부궤환 입력 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
  5. 제1항에 있어서, 전류검출기(4)의 구성에 검출저항 Rs(4a)를 사용 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
  6. 제1항에 있어서, 전류검출기(4)의 구성에 전류변성기(4b)를 사용 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
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