KR102151825B1 - 신호부와 오프셋부가 결합된 부궤환회로 - Google Patents

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Abstract

증폭기의 증폭이득을 결정하는 신호부궤환단(100)과 출력단자의 오프셋전압을 보정하는 오프셋부궤환단(200)이 결합된 부궤환회로.

Description

신호부와 오프셋부가 결합된 부궤환회로{Negative feedback circuit combined with signal Section and offset Section}
부궤환증폭기
도 1은 일반적인 부궤환증폭기의 일실시 예이다.
입력단자(IN11)로 입력된 신호는 증폭되어 출력단자(OUT11)로 출력되는데 증폭된 출력신호의 일부가 부궤환회로(R16, R17)를 경유하여 차동증폭기의 부극성트랜지스터(Q12)의 베이스로 입력되어 설정된 전압이득으로 증폭된다.
전압이득 Av는
Av = 1 + (R16/R17) (수학식 11)
이 되며,
도 1은 사람의 귀로들을 수 있는 오디오 주파수 범위는 20Hz~20Khz 정도이며 저 주파수에서부터 고 주파수까지 전압이득이 동일하게 적용된다.
도 1의 부궤환증폭기의 출력단자(OUT11)에는 평상시 어느 정도의 오프세트 전압(Offset Voltage)이 걸리게 되는데 이 오프세트 전압이 가능한 작게 걸리도록 해야 한다. (설명 11)
필요에 따라서는 부궤환회로의 임피던스를 높일 필요가 있는데 제17저항(R17)이 커지면 오프셋전압이 높아지게 된다.
도 1의 부궤환회로(R16, R17)의 제17저항(R17)과 접지 사이에 직류 차단용 콘덴서가 있으며 이 제11콘덴서(C11)와 제16저항(R16)과 제17저항(R17)에 의한 시정수를 오디오주파수의 하한 주파수보다 낮게 설정해야 한다. 이 부궤환시정수 Tfb는
Tfb = (R16 + R17) * C11 (수학식 12)
이 되며,
증폭기에 전원전압이 인가된 직후에는 출력단자(OUT11)가 전원전압까지 상승하는 불안정한 동작을 하면서 점차 오프세트 전압까지 낮아지는 데는 수초 정도 소요되며 안정되는 시간은 수학식 12에 비례하고 시정수가 클수록 안정되는 시간이 오래 걸린다. (설명 12)
출력단자OUT11)의 직류전압이 오프셋전압 이내에 들어오도록 부궤환회로(R16, R17)와 차동증폭기에 의해서 항상 제어된다. (설명 13)
설명 11을 상세히 설명하면
출력단자(OUT11)에 걸리는 오프셋전압은 부극성트랜지스터(Q12)의 베이스로 전류가 흐르면서 제16저항(R16)의 양단에 발생하는 전압이 출력단자(OUT11)에 나타나는 것이다. 제16저항(R16)은 제17저항(R17) 보다 전압이득(Av) 배로 큰 값이며 저항값을 크게 하면 출력단자에 발생하는 오프셋전압이 증가하는 문제점이 있다. (설명 14)
설명 12를 상세히 설명하면
도 1의 부궤환회로에는 제11콘덴서(C11)가 직접 관계되어 있어서 시정수에 의한 동작은 피할 수 없다. 이 시정수는 매우 길게 설정되어 있기 때문에 오디오 주파수영역에서는 제11콘덴서(C11)는 쇼트 되어 있는 것과 같은 효과가 있지만 출력단자(OUT11)의 오프셋전압을 제어하는 낮은 주파수에서는 시정수에 의한 주기로 제어하게 된다. 즉 출력단자(OUT11)의 전압이 변했을 때 신속하게 보정을 해줄 수 없고 시정수에 의한 제어주기로 상승과 하강을 반복하며 보정하게 되어 출력신호에 노이즈로 나타나며 제어주기의 진폭이 큰 편으로 제어 노이즈가 크다. (설명 15)
초저역의 노이즈로 나타나는 다른 설명으로는 오프셋전압을 보정할 때의 부궤환 량이 수학식 11과 같이 오디오주파수의 부궤환 량과 동일하게 동작함으로써 제어상태가 안정적이지 못하다.
제11콘덴서(C11)의 정전용량이 충분히 커서 임피던스가 0(ZERO) 이라고 할 때 오디오주파수 영역의 신호이득을 Av-signal 라하고 오프셋 제어주파수 영역의 이득을 Av_offset 라고 할 때 각각 이득의 수학식은
Av-signal = 1 + (R16/R17) (수학식 13)
Av_offset = 1 + (R16/R17) (수학식 14)
라고 할 수 있으며, Av_offset의 이득을 올릴 수 없어서 신속한 제어가 어려운 문제가 있다.
설명 13을 상세히 설명하면
차동증폭기는 설명 14의 오프셋전압을 목표로 하여 보정하면서 설명 15와 같이 긴 시정수에 의한 제어주기로 보정동작을 하게 되어 출력신호에 노이즈로 나타난다.
부궤환회로의 임피던스를 높게 할 경우 출력단자(OUT11)의 오프셋전압을 줄이는 방법과 오프셋전압을 제어하는 제어주기를 빠르게 하는 방법을 제시한다.
도 2에서
차동증폭기의 부극성트랜지스터(Q22)의 베이스와 제26저항(R26)의 일단과 제27저항(R27)의 일단이 접속되고;
제27저항(R27)의 타단과 제28저항(R28)의 일단과 제21콘덴서(C21)의 일단이 접속되고;
제26저항(R26)의 타단과 제28저항(R28)의 타단과 출력단자(OUT21)가 접속되고;
제21콘덴서(C21)의 타단과 접지가 접속된 부궤환회로.
부궤환회로의 임피던스 크기에 관계없이 출력단자의 오프셋전압이 작고, 오프셋전압을 보정하는 제어주기가 빠르고 제어진폭이 작아 노이즈가 적으며, 증폭기에 전원 인가 시 출력단자가 안정되기까지 시간이 짧게 걸린다.
도 1: 개선 전 부궤환증폭기의 일실시 예.
도 2: 본원의 개선 후 부궤환증폭기의 일실시 예.
도 2에서
제26저항(R26)과 제27저항(R27)과 제21콘덴서(C21)로 구성된 신호부궤환단(100)과, 제28저항(R28)과 제21콘덴서(C21)로 구성된 오프셋부궤환단(200)이 결합된 부궤환회로이며 오프셋부궤환단(200)은 로패스필터로 구성된 부궤환회로이다.
도 2의 부궤환증폭기의 부궤환회로는 신호부궤환단(100)과 오프셋부궤환단(200)이 결합하여 구성되어 있으며 제21콘덴서(C21)를 공유하고 있다.
가청주파수 범위의 최하한 주파수에서 제26저항(R26)과 제27저항(R27)의 병렬 저항값 보다 충분히 작은 임피던스가 되도록 제21콘덴서(C21)의 정전용량이 큰 것을 사용할 경우,
신호부궤환단(100)은 제21콘덴서(C21)의 임피던스를 0 으로 간주하면 저항(R26, R27)만으로 구성되어 있는 것이며 주파수에 따른 특성변화가 없이 평탄하여 가청주파수 범위의 전 영역에서 부궤환 량이 일정하며 증폭기의 이득은 전 주파수 대역에서 평탄한 특성으로 된다.
신호부궤환단(100)은 제26저항(R26)과 제27저항(R27)으로 분압 되어 차동증폭기의 부극성트랜지스터(Q22)의 베이스로 입력되며 분압 되는 비율 Ratio_signal 은
Ratio_signal = R27 / R26 + R27 (수학식 20)
신호부궤환단(100)은 저항만으로(R26, R27) 구성되어 있음으로 출력단자에서 신호의 변화가 차동증폭기의 부극성트랜지스터(Q22)의 베이스로 신호지연 없이 즉시 전달되어 보정동작이 빠르다.
신호부궤환단(100)의 전압이득 Av_signal은
Av_signal = 1 + (R26 / R27) (수학식 21)
이 된다.
신호부궤환단(100)의 입력은 출력단자(OUT21)가 되며 출력은 차동증폭기의 부극성트랜지스터(Q22)의 베이스가 되며 출력단자(OUT21)의 변화가 신호부궤환단(100)을 경유하여 부궤환 신호로 차동증폭기에 즉시 영향을 주어 증폭신호에 반영된다.
신호부궤환단(100)과 오프셋부궤환단(200)이 공동으로 사용하는 제21콘덴서(C21)의 정전용량은 크게 설계하기 때문에 가청주파수 범위에서 제21콘덴서(C21)의 임피던스가 매우 낮아서, 긴 시정수로 동작하는 오프셋부궤환단(200)은 오디오 신호 증폭 동작에는 영향을 주지 않는다.
오프셋부궤환단(200)은 제28저항(R28)과 제21콘덴서(C21)에 의한 로패스필터로 구성되어 있으며, 오프셋 제어동작을 하기 위해서 시정수를 수 초 정도로 매우 길게 설계하기 때문에 가청주파수에는 동작하지 않으며, 제28저항(R28) 만으로 출력단자와 직접 연결되어 있어서, 출력단자의 직류성분만 제21콘덴서(C21)에 충전된다.
긴 시정수로 동작하는 오프셋부궤환단(200)은 제21콘덴서(C21)의 임피던스가 높기 때문에 무시하면 저항(R28)만으로 구성되었다고 볼수 있다.
오프셋부궤환단(200)은 제28저항(R28)의 일단이 제21콘덴서(C21)와 접속되고 차동증폭기의 부극성트랜지스터(Q22)의 베이스에는 직접 영향을 주지 않으며 제28저항(R28)과 제21콘덴서(C21)로 구성된 로패스필터로 동작한다.
제21콘덴서(C21)의 임피던스를 ZC21 이라고 하고,
긴 시정수에서 제21콘덴서(C21)의 임피던스는 크기 때문에 ZC21 = ∞ 라고 하면, 출력단자의 전압이 분압 되는 비율 Ratio_offset 은,
Ratio_offset = ZC21 / (ZC21 + R28) = ∞ / (∞ + R28) = 1 (수학식 22)
오프셋부궤환단(200)의 전압이득 Av_offset은
Av_offset = 1 + (R28 / ZC21) = 1 + (R28 / ∞) = 1 + 0 = 1 (수학식 23)
가 된다.
오프셋부궤환단(200)의 입력은 출력단자(OUT21)가 되며 출력은 제21콘덴서(C21)의 일단이 되며 출력단자(OUT21)의 변화가 오프셋부궤환단(200)의 제28저항(R28)을 경유하여 제21콘덴서(C21)에서 적분되고, 출력단자(OUT21)의 가청주파수 성분이 제거된 직류성분이 제21콘덴서(C21)와 접속된 신호부궤환단(100)의 제27저항(R27)의 타단에 공급됨으로써 차동증폭기의 부극성트랜지스터(Q22)의 베이스 바이어스 전압에 변화를 주어 출력단자(OUT21)의 오프셋전압을 보정해 준다.
상기와 같이 신호부궤환단(100)은 오디오주파수 대역의 증폭이득에 관련된 입력신호를 증폭하는 동작을 하며, 오프셋부궤환단(200)은 출력단자(OUT21)의 오프셋 전압을 보정해주는 동작을 함으로써 수학식 23과 같이 전압이득이 1 이기 때문에 안정되고 미세한 제어동작을 하는 것이 장점이며 제어 노이즈도 작은 것이 특징이다.
종래기술의 도 1과 같은 부궤환회로에서는 출력단자의 오프셋 보정동작은 증폭기의 이득(수학식 11)과 같이 1 보다 높기 때문에 불안정할 수 있으며, 미세한 제어가 어려운 문제점을 본원에 의해서 해결되었고, 제어의 불안정한 동작으로 발생하는 제어노이즈도 줄어드는 효과가 있다.
종래기술의 도 1은 증폭기에 전원 인가 시 제11콘덴서(C11)가 바이어스 전압으로 충전이 완료될 때까지 출력단자의 오프셋전압이 높게 상승하여 스피커에서 "퍽~"하는 팝노이즈가 발생하는 불안정한 시간이 오래 걸리지만, 본원에의해서 오프셋부궤환단(200)에 의한 제21콘덴서(C21)가 바이어스 전압으로 충전이 완료되지 않은 상태에서도 신호부궤환단(100)의 빠른 보정동작에 의해서 출력단자(OUT21)의 오프셋전압을 정상 상태로 보정해주어 신속히 출력단자(OUT21)가 안정된다.
신호부궤환단(100)의 임피던스를 높게 설정하여도 오프셋부궤환단(200)에 의해서 안정되어 있기 때문에 출력단자의 오프셋전압은 영향을 받지 않아서 오차가 작고, 오프셋전압을 보정하는 제어주기가 빠르고 제어진폭이 작아서 노이즈가 작다.
본원에서 오프셋부궤환단(200)을 1단으로 구성된 로패스필터로 구성하였지만 다단의 로패스필터로 구성하는 것도 본원의 청구범위에 속한다.
본원에서 신호부궤환단(100)을 저항만으로 구성하였지만 이큐라이져(EQ)앰프 등과 같이 필요에 따라서 콘덴서나 코일 등으로 복합하여 구성하는 것도 본원의 청구범위에 속한다.
100: 신호부궤환단
200: 오프셋부궤환단

Claims (4)

  1. 제1저항의 일단과 출력단자가 접속되고,
    차동증폭기의 부극성트랜지스터의 베이스와 제1저항의 타단과 제2저항의 일단이 접속되고,
    제2저항의 타단과 제1콘덴서의 일단이 접속되고,
    제1콘덴서의 타단과 접지가 접속된 부궤환회로에서,

    제1저항(R26)의 일단과 출력단자(OUT21)가 접속되고,
    차동증폭기의 부극성트랜지스터(Q22)의 베이스와 제1저항(R26)의 타단과 제2저항(R27)의 일단이 접속되고,
    제2저항(R27)의 타단과 제1콘덴서(C21)의 일단이 접속되고,
    제1콘덴서(C21)의 타단과 접지가 접속된 신호부궤환단(100);
    제3저항(R28)의 일단과 출력단자(OUT21)가 접속되고,
    제3저항(R28)의 타단과 제1콘덴서(C21)의 일단이 접속되고,
    제1콘덴서(C21)의 타단과 접지가 접속되어 구성되는 오프셋부궤환단(200);
    로 구성되며,

    제1저항(R26)과 제2저항(R27)과 제1콘덴서(C21)로 구성되어 신호부궤환 기능을 독립적으로 수행하고,
    제3저항(R28)과 제1콘덴서(C21)로 구성되어 오프셋부궤환 기능을 독립적으로 수행하며,
    신호부궤환단(100)과 오프셋부궤환단(200)이 밀접한 결합 관계를 형성하는 것을 특징으로하는 신호부궤환단과 오프셋부궤환단이 결합된 부궤환회로.


  2. 삭제
  3. 청구항 1에서
    신호부궤환단(100)을 구성하는 소자에서 콘덴서와 코일을 혼합하여 구성한 부궤환회로.
  4. 청구항 1에서
    오프셋부궤환단(200)을 구성하는 로패스필터를 2단 이상 구성한 부궤환회로.

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