KR101722767B1 - 디지털 오디오 앰프 - Google Patents

디지털 오디오 앰프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오디오신호를 디지털 입력신호로 변조하는 디지털 변조부; 상기 디지털 입력신호에, 출력단의 출력신호의 피드백 경로를 경유한 피드백 신호를 가산하여 오차신호(error signal)를 출력하는 가산부; 상기 오차신호를 능동보상하는 능동보상부; 상기 능동보상부의 출력을 정전압과 비교연산하는 비교부; 상기 비교부의 출력을 증폭하여 상기 출력단으로 출력하는 출력증폭부; 및 상기 출력단의 출력신호를 처리하여 상기 피드백신호를 생성하는 피드백 경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프에 관한 것이다.

Description

디지털 오디오 앰프{DIGITAL AUDIO AMPLIFIER}
본 발명은 디지털 오디오 앰프에 관한 것으로서, 디지털 오디오 앰프의 출력단의 전원전압에 의해 발생하는 오류, 또는 파워 출력단과 출력전원 공급기에서 발생되는 전압 동요(perturbation)을 보상하여 원 오디오 신호에 가까운 고품질의 음향을 출력할 수 있도록 하는 디지털 오디오 앰프에 관한 것이다.
일반적으로, 스위칭 전력증폭단(switching power stage)을 포함한 전력 증폭 기술은 선형 증폭 기술에 비해 높은 효율을 가지고 있다. 그러나, 이러한 전력 증폭기술은 높은 효율을 가지고 있음에도 불구하고, 전력 증폭기의 중요한 사양이라 할 수 있는 선형성과 잡음특성이 선형 증폭기를 이용했을 때에 비해 좋지 못하다. 또한, 스위칭 전력증폭단으로 인하여, 출력증폭기의 전원 전압에 의한 에러나 전압동요(perturbation)가 출력에 영향을 주어 증폭기의 성능을 감소시키는 단점을 가지고 있다.
도 1은 종래의 디지털 오디오 앰프의 구성을 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이 디지털 입력신호를 사용한 전력 증폭기의 기존 방식은 디지털 신호를 칩 내부에서 처리하여 전압 레벨을 높인 스위칭 신호를 만들어 사용하는 것이 일반적이다.
도 1에 도시된 종래의 디지털 오디오 앰프의 경우, 먼저 디지털 변조부(110)가 디지털 신호를 디지털 변조하여 출력하고, 전처리부(120)는 상기 변조된 디지털 신호에 대해 전처리를 수행하며, 이후 출력증폭부(130)가 전처리부(120)의 출력신호를 증폭하여 출력단을 통해 출력한다.
상기와 같은 종래의 디지털 오디오 앰프의 경우, 디지털 신호의 전압 레벨을 그대로 증폭시켜 출력 신호를 만들어낸다. 이 방식의 경우, 위에서 기술한 출력증폭부의 전원 전압에 의한 오류(에러)나 전압동요(perturbation)가 출력에 직접적으로 영향을 주고, 이를 제거할 수 없기 때문에 오디오 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
이에, 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 기술이 연구되었다.
엣지 또는 램프 보정유닛(Edge or Ramp Correction Unit)을 사용하는 종래 기술은, 디지털 입력 신호를 DAC(digital analog converter)를 통해 아날로그 신호로 변경하여 증폭장치 내부에서 처리하는 방식이다. 그런데, 이 경우 램프입력(ramp input)을 발생하는 회로(Ramp Generator)에서 잡음이 발생한다는 점, 및 시스템을 구성함에 있어 주변 회로가 많이 필요하여 복잡해진다는 점 등의 문제점이 존재한다. 더욱이 전달 주파수가 변화하는 디지털 변조기(digital modulator)를 이용한 디지털 오디오 앰프의 경우, 에러 보상 경로의 이득이 변조지수(modulation index)와 반비례하기 때문에 높은 변조지수 입력에서 에러 보상 경로의 이득이 감소하여 THD(total harmonic distortion) 특성이 나빠지는 문제가 발생한다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제 2011-0071347호(2011.06.29공개)에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 디지털 오디오 앰프의 출력단의 전원전압에 의해 발생하는 오류, 또는 파워 출력단과 출력전원 공급기에서 발생되는 전압 동요를 보상하여 원 오디오 신호에 가까운 고품질의 음향을 출력할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 비교적 간단한 회로구성에 의해서도 원하는 품질의 오디오 앰프를 구현할 수 있는 디지털 오디오 앰프를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 디지털 오디오신호를 디지털 입력신호로 변조하는 디지털 변조부; 상기 디지털 입력신호에, 출력단의 출력신호가 피드백 경로를 경유하여 생긴 피드백 신호를 가산하여 오차신호(error signal)를 출력하는 가산부; 상기 오차신호를 능동보상하는 능동보상부; 상기 능동보상부의 출력을 정전압과 비교연산하는 비교부; 상기 비교부의 출력을 증폭하여 상기 출력단으로 출력하는 출력증폭부; 및 상기 출력단의 출력신호를 처리하여 상기 피드백신호를 생성하는 피드백 경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프를 제공한다.
본 발명에서, 상기 피드백 경로는, 상기 출력단의 출력신호의 게인을 조정하여 보상하는 피드백 보상부; 및 상기 피드백 보상부의 출력신호에 포함된 일정 주파수 이상의 고주파를 필터링하여 상기 가산부에 제공하는 피드백 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 디지털 변조부의 후단에 설치되어 상기 디지털 입력신호에 포함된 고조파를 필터링하여 상기 가산부에 제공하는 입력필터; 및 상기 가산부로부터의 오차신호에 포함된 고조파를 감쇄시키는 에러필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 피드백 필터, 상기 입력필터 및 상기 에러필터는 일정 주파수 이하의 성분만 통과시키는 로우패스 필터인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 능동보상부는 상기 오차신호에 대해 적분연산을 수행하는 적분기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 비교부로부터 출력되는 신호는 PWM(Pulse Width Modulation)파 형태의 신호인 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 출력증폭부의 출력신호의 미리 설정된 가청주파수 대역 부분만을 상기 출력단의 출력신호로서 출력하는 외부필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 디지털 오디오 앰프는 디지털 오디오 앰프의 출력단의 전원전압에 의해 발생하는 오류, 또는 파워 출력단과 출력전원 공급기에서 발생되는 전압 동요를 보상하여 원 오디오 신호에 가까운 고품질의 음향을 출력할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 디지털 오디오 앰프는 별도의 복잡한 회로나 연산장치를 구비하지 않고도 비교적 간단한 회로구성에 의해 원하는 품질의 오디오 앰프를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 높은 효율을 갖는 디지털 오디오 앰프를 구현할 수 있고, 변동하는 입력 주파수를 갖는 PDM(pulse density modulated) 신호를 수용할 수 있으며 높은 PSRR(Power Supply Rejection Ratio) 특성과 높은 SNR(Signal to Noise Ratio) 특성을 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 디지털 오디오 앰프의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프의 구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 다른 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프의 구성을 도시한 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프의 구성을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명에 의한 다른 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프의 구성을 도시한 것으로서, 이를 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프는 디지털 오디오신호를 디지털 입력신호로 변조하는 디지털 변조부(210); 디지털 변조부(210)의 후단에 설치되어 상기 디지털 입력신호에 포함된 고조파를 필터링하여 가산부(230)에 제공하는 입력필터(220); 입력필터(220)로부터의 디지털 입력신호에, 출력단(out)의 출력신호가 피드백 경로를 경유하여 생긴 피드백 신호를 가산하여 오차신호(error signal)를 출력하는 가산부(230); 가산부(230)로부터의 오차신호에 포함된 고조파를 감쇄시키는 에러필터(240); 에러필터(240)에 의해 필터링된 상기 오차신호를 능동보상하는 능동보상부(250); 능동보상부(250)의 출력을 정전압과 비교연산하는 비교부(260); 비교부(260)의 출력을 증폭하여 상기 출력단(out)으로 출력하는 출력증폭부(270); 및 출력단(out)의 출력신호를 처리하여 상기 피드백신호를 생성하는 피드백 경로(280, 290)를 포함하여 구성된다. 본 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프는 출력증폭부(270)의 출력신호의 미리 설정된 가청주파수 대역 부분만을 출력단(out)의 출력신호로서 출력하는 외부필터(310)를 더 포함할 수 있다.
상기 피드백 경로는, 출력단(out)의 출력신호의 게인을 조정하여 보상하는 피드백 보상부(280); 및 피드백 보상부(280)의 출력신호에 포함된 일정 주파수 이상의 고주파를 필터링하여 가산부(230)에 제공하는 피드백 필터(290)를 포함한다.
여기서, 피드백 필터(290), 입력필터(220) 및 에러필터(240)는 일정 주파수 이하의 성분만 통과시키는 로우패스 필터이다. 그리고, 능동보상부(250)는 상기 오차신호에 대해 적분연산을 수행하는 적분기를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 동작 및 작용을 도 2 및 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 디지털 변조부(210)는 디지털 오디오신호를 입력받아 이를 디지털 입력신호로 변조하여 출력한다. 본 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프는 아날로그가 아닌 디지털 오디오신호를 디지털 변조부(210)로 입력받는다. 디지털 변조부(210)는 디지털 오디오신호를 이후 단계에서의 신호 처리에 적합한 형태의 디지털 입력신호로 변조하는데, 예를 들어 16비트나 24비트의 평형(parallel) 신호를 1비트의 시리얼(serial) 신호로 변조할 수 있다.
다음으로, 입력필터(220)는 디지털 변조부(210)로부터 출력되는 디지털 입력신호에 포함된 고조파를 필터링하여 제거하고, 그 필터링 작업이 완료된 디지털 입력신호를 가산부(230)에 제공한다. 입력필터(220)는 일정 주파수 이하의 부분만을 통과시키는 일종의 로우패스필터이다. 디지털 입력신호에는 고조파 성분이 많이 존재하므로 이를 여과하지 않을 경우 THD(total harmonic distortion) 오디오 특성이 나빠질 수 있다. 따라서, 입력필터(220)는 디지털 입력신호에 필터링을 수행하여 고조파성분에 의한 외부방해를 감쇄시켜 높은 성능의 오디오 출력을 얻을 수 있도록 한다.
이어서, 가산부(230)는 입력필터(220)로부터의 디지털 입력신호에, 출력단(out)의 출력신호가 피드백 경로를 경유하여 생성되는 피드백 신호를 가산하여 오차신호(error signal)를 출력한다. 본 실시예에서는, 출력단(out)의 출력신호를 피드백경로(280, 290)를 통해 처리한 후 이를 가산부(230)에 입력하여 피드백 루프를 형성한다. 가산부(230)는 입력필터(220)로부터의 디지털 입력신호에 상기 피드백 신호를 가산하여 두 신호 간의 오차신호를 생성하여 출력하는 것이다. 이렇게 함으로써, 필터링된 디지털 입력신호와 필터링된 피드백신호를 합하여, 출력단이나 외부의 방해나 장애로 인한 에러성분을 한번 더 여과하여 깨끗한 신호를 만드는 것이다.
다음으로, 에러필터(240)는 가산부(230)로부터의 오차신호에 포함된 고조파를 감쇄시키기 위해 오차신호에 대해 필터링을 수행한다. 에러필터(240)도 일정 주파수 이하의 부분만을 통과시키는 일종의 로우패스필터로서, 에러신호에 포함된 고조파신호를 감쇄시킴으로써 음파영역 이상의 고주파 제거하고 THD 특성을 개선하는 역할을 한다.
이어서, 능동보상부(250)는 에러필터(240)에 의해 필터링된 상기 오차신호를 능동보상한다. 특히, 능동보상부(250)는 상기 오차신호에 대해 적분연산을 수행하는 적분기를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 능동보상부(250)는 적분연산을 통해 자가발진 피드백루프의 높은 이득을 구현하고 에러필터(240)의 출력신호인 오차신호에 포함되어 있는 (출력단에서의 에러와 외부방해에 따른) 고주파 성분을 감쇄시킬 수 있다.
다음으로, 비교부(260)는 능동보상부(250)의 출력을 정전압과 비교연산하여 그 연산결과를 출력한다. 비교부(260)는 능동보상부(250)의 출력신호(아날로그신호)를 정전압과 비교하여 PWM 신호형태의 신호를 출력한다. 비교부(260)를 거친 디지털 신호(펄스 신호)는 증폭하기도 쉬울 뿐더러 노이즈에 대해서도 강한 특성을 갖고 있다. 비교부(260)에 입력되는 신호의 전압이 0~VDD 일 때 상기 정전압은 1/2VDD 수준의 전압이 될 수 있다.
이어서, 출력증폭부(270)는 비교부(260)의 출력을 증폭하여 상기 출력단(out)으로 출력한다.
추가적으로, 본 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프는 출력단(out)에서 가산부(230)에 이르는 피드백 경로를 포함하고 있다. 출력단(out)의 출력신호는 상기 피드백 경로를 통해 이득조정 및 필터링된다.
구체적으로, 먼저 피드백 보상부(280)가 출력단(out)의 출력신호의 게인을 조정하여 보상한다. 피드백 보상부(280)는 입력필터(220)로부터 입력되는 신호와의 가산을 위해, 출력단(out)의 출력신호의 게인을 조정하여 보상한다. 피드백되는 출력단(out)의 출력신호는 그 전압레벨이 상대적으로 높기 때문에, 가산기(230)에서의 가산을 위해 피드백 보상부(280)는 입력필터(220)로부터 입력되는 디지털 입력신호와 비슷한 전압레벨로 출력단(out)의 출력신호의 게인을 조정한다.
그리고, 피드백 필터(290)는 피드백 보상부(280)의 출력신호에 포함된 일정 주파수 이상의 고주파를 필터링하여 가산부(230)에 제공한다. 피드백 필터(290)도 일정 주파수 이하의 부분만을 통과시키는 일종의 로우패스필터로서, 출력단(out)의 신호에 포함된 고조파를 필터링하여 잡음을 제거한다.
상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프는 디지털 입력신호가 출력단(out)으로부터 피드백되는 출력신호와 가산되어 처리되는 피드백 루프 구조를 이루고 있다. 이러한 피드백 루프로 구성된 디지털 오디 앰프는 아날로그 자가 발진 피드백 루프로 구성되어 있어서 본연의 자가 발진 주파수가 존재하지만, 디지털 변조된 입력을 통해 신호가 들어올 경우 입력 신호를 쫓아 가게 되어 입력 신호를 출력에 그대로 전달하게 된다. 통상의 Class D 증폭기의 경우 디지털 입력을 DAC(digital to analog converter)를 통해 아날로그 입력으로 변환하여 사용하지만, 본 실시예의 디지털 오디오 앰프는 디지털 입력신호를 직접 사용하여(DAC가 필요없이) 피드백 루프를 구성하는 방식이라는 기술적 차별성을 가지고 있다.
피드백 루프에 입력되는 디지털 입력 신호(오디오 신호)는 피드백 루프의 주파수 대역보다 낮은 주파수에 위치해 있다(피드백 루프의 시간 상수보다 더 긴 시간 상수를 가짐). 따라서, 디지털 입력신호는 피드백 루프 내의 필터(로우패스필터)에 의해 영향을 받는 주파수 대역이 아니기 때문에, 출력증폭부(270)의 이득만큼 증폭되어 출력으로 나타나게 된다. 이에 반해, 출력단(out)의 전원 전압의 동요(perturbation)에 의한 에러는 스위칭에 의해 나타나는 고주파 대역의 에러부분이 대부분을 차지하여 입력 신호의 주파수보다 몇 십 배 이상의 주파수를 갖는다. 이것은 피드백 루프의 주파수 대역을 조절하여 감쇄가 가능하도록 설계를 진행하는 것으로 해결할 수 있다.
결과적으로, 본 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프에서는, 디지털 입력신호 및 에러가 포함된 출력단(out)의 출력신호가 모두 필터링된 후에 합쳐지기 때문에 상호 간의 영향을 줄일 수 있다. 따라서, 깨끗한 입력 신호가 출력신호의 영향을 받아 디지털 입력신호 자체의 THD특성이 악화되거나 노이즈가 발생하는 것을 막을 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프는 출력증폭부(270)의 후단부에 외부필터(310)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 외부필터(310)는 출력증폭부(270)의 출력신호의 미리 설정된 가청주파수 대역 부분만을 출력단(out)의 출력신호로서 출력하도록 하는 역할을 한다. 이 경우에는 외부필터(310)로 인해 루프 특성이 변할 수 있으므로 이를 보상하기 위한 내부 회로(미도시)가 피드백 경로 상에 포함될 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프는 디지털 오디오 앰프의 출력단의 전원전압에 의해 발생하는 오류, 또는 파워 출력단과 출력전원 공급기에서 발생되는 전압 동요를 보상하여 원 오디오 신호에 가까운 고품질의 음향을 출력할 수 있도록 한다. 또한, 본 실시예에 따른 디지털 오디오 앰프는 별도의 복잡한 회로나 연산장치를 구비하지 않고도 비교적 간단한 회로구성에 의해 원하는 품질의 오디오 앰프를 구현할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 높은 효율을 갖는 디지털 오디오 앰프를 구현할 수 있고, 변동하는 입력 주파수를 갖는 PDM(pulse density modulated) 신호를 수용할 수 있으며 높은 PSRR(Power Supply Rejection Ratio) 특성과 높은 SNR(Signal to Noise Ratio) 특성을 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110, 210 : 디지털 변조부
120 : 전처리부
130, 270 : 출력증폭부
220 : 입력필터
230 : 가산부
240 : 에러필터
250 : 능동보상부
260 : 비교부
270 : 출력증폭부
280 : 피드백 보상부
290 : 피드백 필터
310 : 외부필터

Claims (7)

  1. 디지털 오디오 앰프로서,
    디지털 오디오 신호를 디지털 입력신호로 변조하는 디지털 변조부;
    상기 디지털 입력신호에, 출력단의 출력신호가 피드백 경로를 경유하여 생긴 피드백 신호를 가산하여 오차신호(error signal)를 출력하는 가산부;
    상기 오차신호를 능동보상하는 능동보상부;
    상기 능동보상부의 출력을 정전압과 비교연산하는 비교부;
    상기 비교부의 출력을 증폭하여 상기 출력단으로 출력하는 출력증폭부; 및
    상기 출력단의 출력신호를 처리하여 상기 피드백신호를 생성하는 피드백 경로를 포함하되,
    상기 디지털 오디오신호는 다수 비트의 평형(parallel) 신호이고,
    상기 디지털 변조부는 다수 비트의 평형 신호인 상기 디지털 오디오신호를 1비트의 시리얼(serial) 신호인 상기 디지털 입력신호로 변조하며,
    상기 피드백 경로는,
    상기 출력단의 출력신호의 게인을 조정하여 보상하는 피드백 보상부; 및
    상기 피드백 보상부의 출력신호에 포함된 일정 주파수 이상의 고주파를 필터링하여 상기 가산부에 제공하는 피드백 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 디지털 변조부의 후단에 설치되어 상기 디지털 입력신호에 포함된 고조파를 필터링하여 상기 가산부에 제공하는 입력필터; 및
    상기 가산부로부터의 오차신호에 포함된 고조파를 감쇄시키는 에러필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 피드백 필터는 일정 주파수 이하의 성분만 통과시키는 로우패스 필터인 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 능동보상부는 상기 오차신호에 대해 적분연산을 수행하는 적분기를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 비교부로부터 출력되는 신호는 PWM(Pulse Width Modulation)파 형태의 신호인 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 출력증폭부의 출력신호의 미리 설정된 가청주파수 대역 부분만을 상기 출력단의 출력신호로서 출력하는 외부필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.
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