KR101236690B1 - 증폭기 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

증폭기 장치는 입력 신호(19)를 수개의 기준 전위들과 비교하는 비교 측정기(20)를 포함한다. 스위칭 스테이지(22)는 비교 측정기(20)의 출력에 의해 제어되며, 확성기 시스템과 같은 부하(24)의 일 측에 인가되는 전압 레벨을 선택하기 위해 배치된다. 증폭기/감산기(21)는 입력 신호(19)로부터 상기 부하에 인가되는 선택된 전압 레벨의 일정 비율을 감하기 위해 포함된다. 상기 증폭기/감산기(21)는 상기 입력 신호(19)에서 선택된 전압 레벨의 일정 비율을 감한 것을 증폭하고, 이를 부하(24)의 타 측에 인가한다. 또한 신호를 증폭하는 방법도 개시되어 있다.

증폭기, 효율, 전력 손실, 클래스 μ 증폭기

Description

증폭기 장치 및 방법{An Amplifier Apparatus and Method}

본 발명은 일반적으로 증폭기 시스템 및 방법에 관한 것으로, 예를 들어 오디오 증폭기 회로에서 신호를 증폭시키기 위한 것이다.

환경의 고려는 제품 개발을 위해 점점 더 중요한 디자인 요소가 되고 있다. 증폭기 디자인을 위해, 저 에너지 손실을 가지는 고 효율의 증폭기에 관한 상당한 연구가 이루어져 왔으며, 종래의 클래스 비(Class B) 증폭기들보다 더 높은 효율로 작동하는 다양한 토폴로지들이 존재한다. 그러한 증폭기들의 예는 클래스 디(Class D), 클래스 쥐(Class G) 및 클래스 에이치(Class H)이다. 그러한 증폭기들은 종래의 클래스 B 증폭기들보다 더 작은 히트 싱크(heat sink)들을 필요로 하며, 결과적으로 더 가볍고 작은 제품이 만들어진다.

고정 주요 전력 공급을 가진 클래스 B 증폭기에 있어, 사인파(sine wave)에 의해 포화될 때의 이론상의 최대 효율은 78.5%이나, 실제로, 상기 효율은 70%를 넘지 못한다.

종래의 클래스 D 증폭기의 기본 개념은 입력 신호를 펄스폭 변조(Pulse Width Modulated;PWM) 신호로 변환시키고, 상기 신호를 부하로 전달하기 전에 로우 패스 필터(low pass filter)를 통해 아날로그 출력 신호를 회복시키는 것이다. 종래의 클래스 D 증폭기로 이론상의 100% 효율을 성취할 수 있을 수도 있으며, 실제로, 90% 이상의 효율이 클래스 D 디지털 증폭기를 사용하여 성취되었다. 클래스 D 증폭기들의 불이익한 점들은 상기 PWM 신호의 고 레벨(level) 스위칭으로부터 기인한 EMI 문제들이다. 또한, 출력 로우 패스 필터에 대해 일반적으로 요구되는 사항은 클래스 D 증폭기 구현에 드는 비용을 추가시킨다. 동시에, 상기 출력 로우 패스 필터는, 예를 들어 6옴(ohms)의 고정 부하 임피던스가 그것을 설계하는 동안 가정되어야 함에 따라, 상기 증폭기의 출력 특성에도 영향을 미친다. 그러나 이는 일반적인 확성기 부하에 관한 것만은 아니다. 일반적인 확성기 시스템의 경우, 2옴 내지 수 십옴 범위의 부하에 연결되었을 때, 출력 특성이 목적 설계를 벗어날 것이다.

종래의 클래스 G 증폭기는 일반적으로 상이한 고정 레벨의 전력 공급 레벨을 상기 출력 신호와 가까운 전력 공급을 가지도록 스위칭함으로써, 종래의 클래스 B 증폭기보다 높은 효율을 성취한다. 이론상으로, 100% 효율은 고정 전력 공급 레벨의 수를 무한정 증가시킴으로써 성취될 수도 있다. 그러나, 상기 상이한 공급 전압들 중에서 스위칭하기 위해 여러 개의 장치가 사용되어야만 하므로, 이는 사실상 손실을 가져온다.

종래의 클래스 H 증폭기들은 상기 입력 신호를 사용하여 상기 전력 공급을 제어하고, 펄스 폭 변조(PWM)로 상기 전력 공급을 변화시킴으로써 상기 출력 신호 를 감싸게 된다. 비록 이론적으로 100%에 달하는 매우 높은 효율이 그러한 증폭기에서는 성취될 수도 있지만, 종래의 클래스 H 증폭기의 일시적인 응답은 불충분할 수도 있으며, 대역폭이 상기 전력 공급의 느린 응답으로 극도로 제한될 수도 있다. 또한, EMI 문제도 상기 증폭기들에서는 주요한 관심사이다.

일반적으로, 본 발명은, 다양한 고정 레벨의 전압을 부하의 일 측에 인가하고, 상기 입력 신호로부터 상기 부하에 인가한 전압의 일부를 감하여 끌어낸 차 신호(difference signal)를 얻고, 상기 증폭기를 통해 상기 부하의 타 측에 상기 차 신호를 인가함으로써, 증폭기의 전압 신호 레벨이 감소된 증폭기 장치 및 방법을 제공한다. 이는 부하에 걸쳐 상기 신호의 재건으로 귀착된다. 상기 부하에 걸쳐 획득할 수 있는 전압 스윙(swing)은 상기 증폭기만으로부터 획득할 수 있는 출력 전압 스윙보다 더 크다. 따라서, 상기 증폭기 장치의 효율 및 상기 증폭기 장치의 전력 처리 용량이 개선된다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, 증폭기; 상기 증폭기에 연결 가능함으로써 입력 신호를 수 개의 기준 전위(reference potential)들과 비교하는 비교 측정기로서, 출력을 가지는 비교 측정기; 상기 비교 측정기의 출력에 의해 제어 가능함으로써 부하의 일 측에 인가될 전압 레벨을 선택하는 스위칭 스테이지(switching stage); 및 상기 입력 신호로부터 상기 부하에 인가될 선택된 상기 전압 레벨의 일부를 감하여, 그 출력 신호를 제공하는 감산기를 포함하되, 상기 증폭기는 상기 감산기의 출력 신호를 수신하도록 배열되어, 상기 부하의 타 측에 인가될 상기 출력 신호를 증폭시키는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치를 제공한다.

상기 증폭기는 차동 증폭기를 포함할 수도 있다.

상기 증폭기는 상기 감산기를 포함할 수도 있다.

상기 증폭기는 선형 증폭기일 수도 있다.

일 실시예에서, 상기 증폭기는 그것과 관련된 이득을 가지며, 상기 감산기에 의해 감해진 상기 선택된 전압의 비율은 상기 증폭기의 이득에 반비례한다.

일 실시예에서, 입력 신호는 제1 전위와 제2 전위 사이에서 변하며, 상기 기준 전위들은 상기 입력 신호의 제1 및 제2 전위 사이의 범위를 갖는 하나 이상의 공급으로부터 얻을 수 있다.

상기 부하는 확성기 시스템을 포함할 수도 있다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 본 발명의 제1 측면에 따른 확성기 장치를 포함하는 오디오 시스템을 제공한다.

본 발명의 제3 측면에 따르면,
출력을 가지는 비교 측정기에서, 제 1 전위 및 제 2 전위 사이에서 변화하는 입력 신호를 수 개의 기준 전위들과 비교하는 단계; 상기 비교 측정기의 출력에 의해 제어될 수 있는 스위칭 스테이지에서, 부하의 일 측에 인가될 전압 레벨을 선택하는 단계; 상기 입력 신호로부터 상기 선택된 전압 레벨의 일정 비율을 감하는 단계; 상기 입력 신호로부터 상기 선택된 전압 레벨의 일정 비율을 감한 차이를 기초로하여 상기 차이를 증폭하는 단계; 상기 부하의 타 측에 상기 증폭된 차이를 인가하는 단계를 포함하는 증폭기 장치에서 신호를 증폭시키는 방법을 제공한다.

삭제

삭제

일 실시예에서, 상기 증폭기는 그것과 관련된 이득을 가지며, 상기 선택된 전압의 일정 비율을 감하는 단계는 상기 증폭기의 이득에 반비례하는 비율을 감하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 입력 신호는 제1 전위와 제2 전위 사이에서 변하며, 상기 방법은 상기 입력 신호의 제1 및 제2 전위 사이의 범위를 갖는 하나 이상의 공급으로부터 상기 기준 전위들을 얻는 단계를 더 포함한다.

설명의 위해, 본 발명의 바람직한 특성들이 다음의 도면을 참조하여 기술된다.

도 1은 종래의 클래스 B 증폭기의 개략적인 회로도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증폭기의 개략적인 회로도이다.

도 3은 사인파 형태의 입력 신호의 파형을 도시한다.

도 4는 도 3에서 도시된 유형의 사인파 입력 신호일 때, 도 2의 회로의 노드 1에서의 신호의 파형을 도시한다.

도 5는 도 3에서 도시된 유형의 사인파 입력 신호일 때, 도 2의 회로의 노드 3에서의 신호의 파형을 도시한다.

도 6은 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하여, 도 2의 증폭기의 표준화한 전력에 대한 효율의 그래프이다.

도 7은 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하여, 도 2의 증폭기의 표준화한 출력 전력에 대한 전력 손실의 그래프이다.

도 8은 본 발명의 더욱 바람직한 실시예에 따른 개략적인 회로도이다.

도 9는 사인파 입력 신호일 때, 도 8의 회로의 노드 1에서의 신호의 파형을 도시한다.

도 10은 사인파 입력 신호일 때, 도 8의 회로의 노드 3에서의 신호의 파형을 도시한다.

도 11은 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하여, 도 8의 증폭기의 표준화한 전력에 대한 효율의 그래프이다.

도 12는 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하여, 도 8의 증폭기의 표준화한 출력 전력에 대한 전력 손실의 그래프이다.

도 13은 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하여, 도2 및 도 8의 증폭기들의 표준화한 전력에 대한 효율의 그래프이다.

도 14는 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하여, 도 2 및 도 8의 증폭기들의 표준화한 출력 전력에 대한 전력 손실의 그래프이다.

도 1은 종래의 클래스 B 증폭기의 회로도를 도시한다. 입력 신호(10)는 접지 및 G_v의 이득을 가지는 증폭기(12)의 양의 입력 단자 사이에 인가된다. 상기 증폭기(12)의 출력으로부터 접지까지 직렬로 연결된 두 개의 저항(14, 15)을 포함하는 전위 디바이더(potential devider)에서 그 출력 신호를 나눔으로써, 음의 피드백이 상기 증폭기(12)에 인가된다. 상기 두 개의 저항(14, 15)의 접합점(16)은 상기 증폭기(12)의 음의 단자에 연결되어 있어, 상기 두 개의 저항(14, 15)은 상기 증폭기(12)의 이득을 한정한다. 상기 증폭기(12)는 각각 V_cc 및 -V_cc로 고정된 전력 공급 전압을 가진 트윈 전력 공급에 의해 전력을 공급받는다. 따라서, 상기 증폭기(12)의 출력 신호는 -V_cc 내지 +V_cc 범위 내에서 변화할 것이다.

클리핑(clipping)이 없다고 가정할 때, 만약 상기 입력 신호(10)의 최대 크기가 V_ref이고 V_cc의 상응하는 최대 출력을 낸다면, 상기 증폭기(12)의 이득은 아래의 식과 같이 표시될 수도 있다.

크기 V₀의 사인파 모양으로 변화하는 입력에 기초한 상기 증폭기(12)의 이론적인 효율은 아래의 식과 같으며,

전력 손실은 R이 저항성 부하일 때 아래의 식과 같이 표시될 수도 있다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예에 따른 증폭기 회로(18)는 도 2에 도시되어 있다. 상기 실시예에서, 상기 증폭기 회로(18)는 입력 신호(19), 비교 측정기(20), 제어 회로(21), 멀티 웨이(multi-way) 스위치(22) 및 차동 증폭기(23)를 포함한다. 상기 입력 신호(19)는 저항기 R7을 통과해서 상기 차동 증폭기(23)의 음의 입력으로 인가된다. 저항기 R8은 노드 3의 상기 차동 증폭기(23)의 출력과 상기 차동 증폭기(23)의 음의 입력 사이에 연결된다. 또한, 상기 입력 신호(19)는 상기 비교 측정기(20)의 입력에 인가된다. 상기 비교 측정기(20)의 출력 단자들은 상기 멀티 웨이 스위치(22)에 연결되고, 상기 멀티 웨이 스위치의 출력은 노드 1에서 확성기(24)의 양의 단자, 및 상기 노드 1과 접지 사이에 직렬로 연결된 두 개의 저항기 R9 및 R10을 포함하는 전위 디바이더에 연결된다. 상기 저항기들 R9 및 R10의 접합점(노드 2)은 상기 차동 증폭기(23)의 양의 입력으로 연결된다.

상기 비교 측정기(20)는 상기 입력 신호(19)를 상기 비교 측정기(20) 내의 저항기들 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6에 의해 정해진 기준 전압들 -2/3V_ref, -1/3V_ref, +1/3V_ref 및 +2/3V_ref과 비교한다. 바람직하게는, 다음의 수식을 만족한다.

또한, |V_ref|는 상기 입력 신호(19)의 최대 크기와 일치한다.

상기 입력 신호(19)의 크기가 |V_ref/3| 이하일 때, 접지 전위가 상기 부하(24)의 양의 단자에서 노드 1에 인가된다. 상기 입력 신호(19) 크기가 상기 기준 전압들을 초과할 때, 해당 신호는 상기 입력 신호(19)의 레벨을 나타내는 제어 회로(21)로 보내진다. 상기 멀티 웨이 스위치(22)를 통해, 상기 제어 회로(21)는 각각 -V_cc2, -V_cc1, V_cc1 또는 V_cc2 인 적절한 직류(DC) 전압을 상기 부하(24)의 양의 단자에 인가하는데, 이때, 아래의 식들을 만족하고,

및

V_cc는 최대 출력 전압을 나타내며, 또한, 이는 도 2에 예시된 본 발명의 실시예와 동일한 출력 전력을 내는 종래의 클래스 B 증폭기의 전력 공급 전압이다.

도 3은 사인파 모양으로 이루어진 입력 신호 파형(19)을 도시하며, 상기 파형의 최대 크기는 상기 비교 측정기(20)에서의 최대 전압과 동일하다. 도 3에 도시된 상기 파형, 즉 크기가 V_ref인 사인파 입력이 상기 비교 측정기(20)에 인가될 때, 도 4에 도시된 바와 같은 사인파 모양과 유사한 계단 파형이 상기 부하의 양의 단자에서 나타난다.

상기 차동 증폭기(23)의 이득은 아래의 식과 같이 결정되며,

그 전력 공급 전압은 +V_cc1 및 -V_cc1이다. 노드 2로부터 상기 부하에 인가되는 DC 전압의 일부는 상기 차동 증폭기(23)의 양의 입력에 인가되는데, 상기 전압의 크기는 적절한 상기 저항기들 R9 및 R10의 값을 선택함으로써 결정될 수도 있다. 상기 크기는 상기 부하에 공급되는 DC 전압의 1/G_v가 되도록 선택될 수도 있다. 상기 DC 전압들이 -V_cc2, -V_cc1, 접지, V_cc1 및 V_cc2로 고정됨에 따라, 상기 차동 증폭기(23)의 양의 입력에 인가되는 신호는 이에 상응하여 2/3V_ref, -1/3V_ref, 접지, +1/3V_ref, +2/3V_ref이 된다.

상기 입력 신호(19)는 저항기 R7을 통해 상기 차동 증폭기(23)의 음의 입력으로 인가된다. 상기 차동 증폭기(23)의 양의 입력과 음의 입력 사이의 차는 증폭되고, 도 5에서 도시된 바와 같이, 상기 부하의 음의 단자인 노드 3에 인가된다. 상기 차동 증폭기(23)는 본질적으로 상기 부하의 양의 단자에 인가되는 신호와 요구되는 신호 사이의 차를 보상한다. 따라서, 상기 부하에 의해 보여지는 전체 신호는 G_v의 이득으로 증폭되는 입력 신호와 동등하다.

상기 부하(24)의 양의 단자에서, 이는 본질적으로 여러 DC 전압 레벨 사이에 서 스위칭하는데, 효율은 이론적으로 100%이다. 상기 부하의 음의 단자에서는, 종래의 클래스 B 증폭기 설계가 상기 차동 증폭기(23)에 사용될 수도 있다. 그러한 차동 증폭기의 효율은 종래의 클래스 B 증폭기의 효율과 동일하다. 그러나, 공급되는 전압이 +V_cc/3 및 -V_cc/3이기 때문에, 도 2에 도시된 상기 증폭기 회로의 전체 효율은 동일한 출력 전력을 내는 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하여 상당히 높게 보일 수도 있다. 효율 및 전력 손실 결과는 아래에서 기재된다.

(도 6에 도시된 바와 같이) 효율 대 출력 전력의 그래프를 그렸을 때, 그 곡선(curve)의 결과적인 형태 때문에, 본 발명을 구현하는 증폭기들을 클래스 μ 증폭기라고 부를 것을 제안한다.

기호 정의

ε 효율

ε_B 통상의(종래의) 클래스 B 증폭기의 효율

ε₁ 클래스 μ 증폭기의 스테이지(Stage) 1의 효율

ε₂ 클래스 μ 증폭기의 스테이지 2의 효율

ε₃ 클래스 μ 증폭기의 스테이지 3의 효율

f 주파수

I 전류

P_in 입력 전력

P_out 출력 전력

P_{total - in -2+} 클래스 μ 증폭기의 스테이지 2의 양의 단자의 전체 입력 전력

P_{total - in -2-} 클래스 μ 증폭기의 스테이지 2의 음의 단자의 전체 입력 전력

P_{total - in -3+} 클래스 μ 증폭기의 스테이지 3의 양의 단자의 전체 입력 전력

P_{total - in -3-} 클래스 μ 증폭기의 스테이지 3의 음의 단자의 전체 입력 전력

P_{ave - in} 평균 입력 전력

P_{ave - out} 평균 출력 전력(본 적용에서는 클래스 B 및 클래스 μ에서 동일함)

P_{ave - in -B} 클래스 B 증폭기의 평균 입력 전력

P_{ave - in -1} 클래스 μ 증폭기의 스테이지 1의 평균 입력 전력

P_{ave - loss -1} 클래스 μ 증폭기의 스테이지 1의 평균 전력 손실

P_{ave - in -2} 클래스 μ 증폭기의 스테이지 2의 평균 입력 전력

P_{ave - loss -2} 클래스 μ 증폭기의 스테이지 2의 평균 전력 손실

P_{ave - in -3} 클래스 μ 증폭기의 스테이지 3의 평균 입력 전력

P_{ave - loss -3} 클래스 μ 증폭기의 스테이지 3의 평균 전력 손실

R 임피던스, 본 발명의 경우 저항성으로 가정함

t 시간

t₁ V_cc1이 스위치 온(switch on) 되는 순간의 시간

t₂ V_cc2가 스위치 온(switch on) 되는 순간의 시간

T 주기

V_out 출력 전압

V₀ 출력 전압의 크기(=|V_out|)

V_cc 최대 출력 전압, 또한, 통상의 클래스 B 증폭기의 공급 전압이기도 함

V_cc1 클래스 μ 증폭기의 부하의 양의 단자에 걸리는 스테이지 1 출력 전압

V_cc2 클래스 μ 증폭기의 부하의 양의 단자에 걸리는 스테이지 2 출력 전압

V_ref 기준 전압,

ω 각주파수(=2πf)

이하의 계산에서, 상기 부하(24)의 양의 단자는 -V_cc2, -V_cc1, 접지, V_cc1 및 V_cc2 사이에서 스위칭하는 DC 전압을 갖는 단자를 의미하며, 상기 부하(24)의 음의 단자는 +V_cc1 및 -V_cc1의 공급 전압으로 상기 차동 증폭기(23)에 연결되어 있다. 상기 부하 R은 저항성이다.

이하의 계산은 사인파 입력들을 기초로 한 것이다.

출력 전압은 아래와 같다.

전류는 아래와 같다.

입력 전력은 아래와 같다.

출력 전력은 아래와 같다.

1 주기 동안의 평균 입력 전력은 아래와 같다.

1 주기 동안의 평균 출력 전력은 아래와 같다.

효율은 아래와 같다.

도 2에 예시된 타입의 증폭기(이하 클래스 μ 증폭기라 함) 및 종래의 클래스 B 증폭기 모두에 적용된다:

평균 출력 전력은 아래와 같다.

종래의 클래스 B 증폭기:

평균 입력 전력은 아래와 같다. (1/2 주기 동안, T/2)

평균 효율은 아래와 같다.

평균 전력 손실은 아래와 같다.

클래스 μ 증폭기 - 스테이지 1: 사인파 출력 전압 | V ₀ |<| V _cc1 |:

동작의 본 스테이지에 있어서, 접지 전위가 상기 부하(24)의 양의 단자로 공급된다. 따라서, 상기 차동 증폭기(23)만이 상기 부하(24)의 음의 단자로 신호를 공급한다.

따라서, 평균 입력 전력은 아래와 같다.

효율은 아래와 같다.

동작의 본 스테이지 동안, 상기 결과를 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하면, 아래과 같고,

평균 전력 손실은 아래와 같다.

클래스 μ 증폭기 스테이지 2: 사인파 출력 전압 | V _cc1 |<| V ₀ |<| V _cc2 |:

본 스테이지에 있어서, V_cc1이 스위치 온 되는 순간인 V_out=V_cc1일 때의 시간 t₁을 결정해야 한다.

출력 전압은 아래와 같고,

t1에서, V_out=V_cc1 일 때, 아래의 수학식 1과 같다.

양의 단자에 있어서, 1/4 주기 동안의 전체 입력 전력은 아래와 같다.

음의 단자에 있어서, 1/4 주기 동안의 전체 입력 전력은 아래의 수학식 2와같다.

평균 입력 전력은 아래와 같다.

효율은 아래와 같다.

상기 결과를 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하면 아래와 같고,

평균 전력 손실은 아래와 같다.

클래스 μ 증폭기 스테이지 3: 사인파 출력 전압 | V _cc2 |<| V ₀ |<| V _cc |:

상기 수학식 1로부터,

V_cc2가 스위치 온 되는 순간인 V_out=V_cc2 일 때, t₂는 다음과 같다:

상기 부하(24)의 양의 단자에 있어서, 1/4 주기 동안의 전체 입력 전력은 다음과 같이 표시될 수도 있다:

그러나, ∵V_cc2=2V_cc1 일 때, 아래와 같다.

상기 부하(24)의 음의 단자에 있어서, 상기 수학식 2로부터,

평균 전체 입력 전력은 아래와 같다.

효율은 아래와 같다.

상기 결과를 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하면 아래와 같고,

평균 전력 손실은 아래와 같다.

도 6은 도 2에 도시된 상기 증폭기 회로의 표준화한 출력 전력(Normalized Output Power)에 대한 효율의 그래프를 도시하며, 비교를 위해, 종래의 클래스 B 증폭기의 표준화한 출력 전력에 대한 효율의 그래프를 도시한다. 상기 도시된 그래프들은 사인파 입력으로, 클리핑(clipping) 없이, 최대 출력 전력에서 작동하는 1로 표준화된 증폭기들에 관한 것이다.

도 7은 표준화한 출력 전력에 대한 도 2에 도시된 상기 증폭기에서의 전력 손실의 그래프를 도시하며, 비교를 위해, 표준화한 출력 전력에 대한 종래의 클래스 B 증폭기에서의 전력 손실의 그래프를 도시한다. 도 6에서처럼, 상기 도시된 그래프들은 사인파 입력으로, 클리핑(clipping) 없이, 최대 출력 전력에서 작동하는 1로 표준화된 증폭기들에 관한 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 클래스 μ 증폭기의 다른 바람직한 실시예를 도시한다. 도 2에 도시된 실시예에서 사용된 참조 번호들과 동일한 참조 번호들이 동일한 구성요소들을 표시하기 위해 사용된다.

도 8에 도시된 회로는 도 2에 도시된 회로와 동일하나, 그 차이점은 상기 스위칭 유닛(또는 멀티 웨이 스위치)(22)의 입력들 사이의 전압 스텝(step)인 V_cc1이 도 8에 도시된 회로에서는 V_cc/5이고, 따라서, 상기 부하(24)의 노드 1에서 양의 단으로의 DC 전압 출력이 -4V_cc1, -2V_cc1, 접지, 2V_cc1 및 4V_cc1인 것이다.

도 8에 도시된 회로에서의 저항기 값들은 다음과 같이 결정된다:

도 9는 도 8에 도시된 회로의 부하(24)의 양의 단자(노드 1)에서의 파형을 도시한다.

도 10은 도 8에 도시된 회로의 음의 단자의 노드 3에서의 신호를 도시한다.

도 8에 도시된 실시예에서는, 상기 부하(24)의 음의 단자에 있는 차동 증폭기는 하프 스윙(half swing)을 제공하는 대신, 도 10에 도시된 바와 같이 풀 스윙(full swing)을 제공한다.

도 11은 도 8에 도시된 상기 증폭기에서의 표준화한 출력 전력에 대한 효율의 그래프를 도시하며, 비교를 위해, 종래의 클래스 B 증폭기에서의 표준화한 출력 전력에 대한 효율의 그래프를 도시한다. 상기 도시된 그래프들은, 사인파 입력으로, 클리핑(clipping) 없이, 최대 출력 전력에서 작동하는 1로 표준화된 증폭기들에 관한 것이다.

도 12는 표준화한 출력 전력에 대한 도 8에 도시된 상기 증폭기에서의 전력 손실의 그래프를 도시하며, 비교를 위해, 표준화한 출력 전력에 대한 종래의 클래스 B 증폭기에서의 전력 손실의 그래프를 도시한다. 도 11에서처럼, 상기 도시된 그래프들은 사인파 입력으로, 클리핑(clipping) 없이, 최대 출력 전력에서 작동하는 1로 표준화된 증폭기들에 관한 것이다.

도 13은 도 2 및 도 8에 도시된 상기 증폭기들에서의 표준화한 출력 전력에 대한 효율의 그래프를 도시하며, 비교를 위해, 종래의 클래스 B 증폭기에서의 표준화한 출력 전력에 대한 효율의 그래프를 도시한다. 상기 도시된 그래프들은, 사인파 입력으로, 클리핑(clipping) 없이, 최대 출력 전력에서 작동하는 1로 표준화된 증폭기들에 관한 것이다.

도 14는 표준화한 출력 전력에 대한 도 2 및 도 8에 도시된 상기 증폭기에서의 전력 손실의 그래프를 도시하며, 비교를 위해, 표준화한 출력 전력에 대한 종래의 클래스 B 증폭기에서의 전력 손실의 그래프를 도시한다. 도 13에서처럼, 상기 도시된 그래프들은 사인파 입력으로, 클리핑(clipping) 없이, 최대 출력 전력에서 작동하는 1로 표준화된 증폭기들을 위한 것이다.

비록, 효율 및 전력 손실의 측면에서는, 도 8에 도시된 상기 실시예의 성능은 도 2에 도시된 실시예 만큼 뛰어나지 않지만, 도 8에 도시된 상기 실시예의 이점은 더 낮은 출력 전압을 가지는 차동 증폭기라는 것과 더 낮은 출력 전력이 사용될 수도 있다는 점이다. 만약, 상기 차동 증폭기(23)의 최대 출력 전압이 12V라면, 상기 부하(24)로의 전체 출력 전압은 60V이다.

도 8에 도시된 실시예에 관한 효율 및 전력 손실 계산은 다음과 같이 설명된다.

이전과 같이, V_cc의 공급 전압을 가지고, 크기 V_cc의 최대 출력 전압을 낼 수 있는 종래의 클래스 B 증폭기가 비교를 위해 사용된다. 상기 사용된 기호들이 동일하게 사용되며, 단, V_cc1은 V_cc/5로 변경된다.

출력 전압은 아래와 같다.

평균 출력 전력은 아래와 같다.

클래스 μ 증폭기 스테이지 1: 사인파 출력 전압 | V ₀ |<| V _cc1 |:

동작의 본 스테이지에 있어서, 접지 전위가 상기 부하(24)의 양의 단자로 공급된다. 따라서, 상기 차동 증폭기(23)만이 상기 부하(24)의 음의 단자로 신호를 공급한다.

평균 입력 전력은 아래와 같다.

효율은 아래와 같다.

동작의 본 스테이지 동안, 상기 결과를 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하면, 아래와 같고,

평균 전력 손실은 아래와 같다.

클래스 μ 증폭기 스테이지 2: 사인파 출력 전압 | V _cc1 |<| V ₀ |<|3 V _cc1 |:

본 스테이지에 있어서, V_cc1이 스위치 온 되는 순간인 V_out=V_cc1일 때의 시간 t₁을 결정해야 한다.

출력 전압은 아래와 같다.

V_out=V_cc1일 때, t1에서 아래의 수학식 3과 같다.

상기 부하(24)의 양의 단자에 있어서, 1/4 주기 동안의 전체 입력 전력은 아래와 같다.

상기 부하(24)의 음의 단자에 있어서, 1/4 주기 동안의 전체 입력 전력은 아래의 수학식 4와 같다.

평균 입력 전력은 아래와 같다.

효율은 아래와 같다.

상기 결과를 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하면, 아래와 같고,

평균 전력 손실은 아래와 같다.

클래스 μ 증폭기 스테이지 3: 사인파 출력 전압 |3 V _cc1 |<| V ₀ |<| V _cc |:

상기 수학식 3으로부터,

3V_cc1이 스위치 온 되는 순간인 V_out=V_cc2 일 때, t₂는 다음과 같다:

상기 부하(24)의 양의 단자에 있어서, 1/4 주기 동안의 전체 입력 전력은 아래와 같다.

그러나,

이므로, 아래와 같다.

상기 부하(24)의 음의 단자에 있어서, 상기 수학식 4로부터,

평균 전체 입력 전력은 아래와 같다.

효율은 아래와 같다.

상기 결과를 종래의 클래스 B 증폭기와 비교하면, 아래와 같고,

평균 전력 손실은 아래와 같다.

전술한 바와 같이, (도 6에 도시된 바와 같이) 효율 대 출력 전력의 그래프를 그렸을 때, 그 곡선(curve)의 결과적인 형태 때문에, 본 발명을 포함한 증폭기 들을 클래스 μ 증폭기라고 부를 것을 제안한다. 도 6에 도시된 그래프로부터, 상기 최대 출력 전력의 1/8 내지 1/3에서 제안된 일반적인 동작 중, 동작의 3 스테이지를 구현한 클래스 μ 증폭기는 약 62% 내지 75%의 효율이 달성됨을 알 수 있다. 이는 일반적으로 종래의 클래스 B 증폭기들보다 1.5 배 더 효율적이다.

상기 클래스 μ 증폭기와 상기 종래의 클래스 B 증폭기 사이의 실제 전력 손실 차는 도 7에 도시된 전력 손실 대 출력 전력의 그래프에서 명백하다. 최대 출력 전력의 1/8 내지 1/3에서 동작시, 상기 클래스 μ 증폭기의 전력 손실은 종래의 클래스 B 증폭기의 전력 손실의 1/3 보다 더 적을 수도 있다. 출력 전력의 전체 범위에서는, 상기 클래스 μ 증폭기의 최대 전력 손실은 종래의 클래스 B 증폭기의 최대 전력 손실의 절반보다 더 적을 수도 있다.

상기 클래스 μ 증폭기에 관해서 더 많은 스테이지의 동작이 사용된다면, 더 높은 효율이 달성될 수도 있을 것이다.

요약하면, 본 발명의 하나 이상의 바람직한 실시예들은 종래의 클래스 B 증폭기보다 상당히 더 높은 효율을 달성하는 증폭기 회로를 제공할 수도 있다. 본 발명의 하나 이상의 바람직한 실시예들의 다른 이점은, 상기 스위칭 회로 안에서 생성된 에러들이 상기 차동 증폭기가 상기 에러들을 상기 부하(24)의 반대쪽 단자에 인가함으로써 이들을 상쇄하여 실질적으로 제거될 수도 있다는 것이다.

Claims (13)

1. 증폭기;

   상기 증폭기에 연결 가능함으로써 입력 신호를 수개의 기준 전위들과 비교하는 비교 측정기로서, 출력을 가지는 비교 측정기;

   상기 비교 측정기의 출력에 의해 제어 가능함으로써 부하의 일 측에 인가될 전압 레벨을 선택하는 스위칭 스테이지; 및

   상기 입력 신호로부터 상기 부하에 인가되는 선택된 상기 전압 레벨의 일부를 감하여, 그 출력 신호를 제공하는 감산기를 포함하되,

   상기 증폭기는 상기 감산기의 상기 출력 신호를 수신받고, 상기 부하의 타 측에 인가되는 출력 신호를 증폭하도록 배열되며,

   상기 입력 신호는 제 1 전위 및 제 2 전위 사이에서 변화하고, 상기 기준 전위들은 상기 입력 신호의 상기 제 1 전위 및 제 2 전위 사이의 범위를 가지는 하나 이상의 공급으로부터 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 증폭기는 차동 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 증폭기는 그와 연관되는 이득을 가지며,

   상기 감산기에 의해 감해지는 선택된 전압의 비율은 상기 증폭기의 이득에 반비례하는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
6. 삭제
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 부하는 확성기 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 증폭기 장치.
8. 제 1항 또는 제 2항에 따른 증폭기 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 시스템.
9. 증폭기 장치에서 신호를 증폭하는 방법에 있어서,

   출력을 가지는 비교 측정기에서, 제 1 전위 및 제 2 전위 사이에서 변화하는 입력 신호를 수 개의 기준 전위들과 비교하는 단계;

   상기 비교 측정기의 출력에 의해 제어될 수 있는 스위칭 스테이지에서, 부하의 일 측에 인가될 전압 레벨을 선택하는 단계;

   상기 입력 신호로부터 상기 선택된 전압 레벨의 일정 비율을 감하는 단계;

   상기 입력 신호로부터 상기 선택된 전압 레벨의 일정 비율을 감한 차이를 기초로하여 상기 차이를 증폭하는 단계;

   상기 부하의 타 측에 상기 증폭된 차이를 인가하는 단계; 및

   상기 입력 신호의 상기 제 1 전위 및 제 2 전위 사이의 범위를 가지는 하나 이상의 공급으로부터 상기 기준 전위들을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 증폭 방법.
10. 삭제
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