KR102374914B1 - 오디오용 소신호 증폭을 위한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기 - Google Patents

오디오용 소신호 증폭을 위한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오디오 장비 내의 모든 회로 부분에서 밸런스 상태를 유지하면서 오디오용 소신호(예: 마이크 신호)에 대해 큰 이득의 신호 증폭을 제공하기에 적합한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 트랜지스터와 OP AMP로 구성된 밸런스 입출력의 제 1 증폭부재 및 저항소자와 OP AMP로 구성된 밸런스 입출력의 제 2 증폭부재를 구비한 다단의 차동 증폭 회로를 통해 모든 회로 부분에서 밸런스 상태를 유지하면서 넓은 레벨 범위의 오디오 신호를 충분한 크기로 증폭하기에 적합한 오디오용 소신호 증폭을 위한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 밸런스 신호를 다루고 높은 이득을 구현한 오디오 장비(예: 인티앰프, 오디오 믹서)에서 노이즈 특성과 위상 왜곡 특성을 개선하여 고품질 오디오 장비를 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

오디오용 소신호 증폭을 위한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기 {multi-stage differential amplifier of balanced input and output for amplification of small signal audio}
본 발명은 오디오 장비 내의 모든 회로 부분에서 밸런스 상태를 유지하면서 오디오용 소신호(예: 마이크 신호)에 대해 큰 이득의 신호 증폭을 제공하기에 적합한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 트랜지스터와 OP AMP로 구성된 밸런스 입출력의 제 1 증폭부재 및 저항소자와 OP AMP로 구성된 밸런스 입출력의 제 2 증폭부재를 구비한 다단의 차동 증폭 회로를 통해 모든 회로 부분에서 밸런스 상태를 유지하면서 넓은 레벨 범위의 오디오 신호를 충분한 크기로 증폭하기에 적합한 오디오용 소신호 증폭을 위한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기에 관한 것이다.
오디오 장비에서 마이크 레벨 정도의 소신호를 증폭하기 위해서는 OP AMP(연산증폭기)를 통해 충분히 큰 이득을 갖는 증폭회로를 설계해야 한다. 이때, 마이크(mic)는 외부 노이즈에 강하도록 Positive, Negative 밸런스 방식으로 신호를 오디오 장비에 제공한다. 신호를 입력받은 오디오 장비는 내부에서 이득을 조절하며 출력 신호를 생성한다. 이때, 오디오 장비 내부에서도 밸런스로 신호를 전송하는 것이 노이즈 측면에서 유리함을 갖는다.
[도 1]은 외부 노이즈에 대응하는 밸런스 방식과 언밸런스 방식의 차이를 개념적으로 나타내는 도면이다.
[도 1] (a)로 나타낸 밸런스 방식의 경우, 외부로부터 노이즈가 들어오면 포지티브 신호와 네거티브 신호 각각에 동일 위상의 노이즈가 인가된다. 하지만 최종 신호를 생성하는 과정에서 포지티브 신호와 네거티브 신호간의 차동 신호만 출력하기 때문에 외부 노이즈는 상쇄된다. 반면, [도 1] (b)로 나타낸 언밸런스 방식의 경우, 외부로부터 들어온 노이즈가 상쇄되지 않고 최종 신호에까지 영향을 미치게 된다. 따라서, 외부 노이즈 제거 측면에서 언밸런스 방식보다는 밸런스 방식이 유리하다. 이때, 고음질 오디오 신호를 얻기 위해서는 오디오 장비 내에서도 밸런스 방식을 유지하는 것이 바람직하다,
[도 2]는 종래기술에 따른 밸런스 입출력 차동증폭기의 일 예를 나타내는 블록도이고, [도 3]은 종래기술의 밸런스 입출력 차동증폭기에서 이득조절 회로의 일 예를 나타내는 도면이다.
[도 2]와 [도 3]의 구성에서는 밸런스 입력인 포지티브 신호와 네거티브 신호 각각에 대해 이득 조절 처리하여 밸런스 출력을 생성한다. 이때, 소자 특성, 예컨대 저항값 등의 불균일성으로 인해 제 1 이득 조절부(GA)와 제 2 이득 조절부(GB)가 완전히 동일한 특성을 나타내지 못하고 차이를 나타낸다. 포지티브 신호와 네거티브 신호에 대해 상이한 이득이 적용되고, 그로 인해 오디오 장비의 CMRR(Common-Mode Rejection Ratio) 특성이 저하되는 문제가 나타난다.
이러한 문제는 오디오용 소신호를 증폭하는 회로와 같이 증폭 이득(gain)이 커야하는 경우에 심각해진다. 예를 들어, 프리앰프(Pre-amp)의 마이크(mic) 신호 증폭 회로는 수 mV 내지 수 uV 레벨의 미세한 마이크 신호를 입력받아 청취에 충분한 레벨까지 증폭시키기 위해 큰 이득이 필요하다. 프리앰프 회로의 약간의 차이로도 오디오 장비에서는 음질이나 음색 등이 크게 달라지므로 고품질 오디오 장비를 구현하기 위해서는 이러한 문제점은 무시할 수 없다.
[도 4]는 종래기술에 따른 밸런스 입출력 차동증폭기의 다른 예를 나타내는 블록도이다. 전술한 [도 2]와 [도 3]의 단점을 보완하기 위하여 대부분의 오디오 장비는 [도 4]의 방식을 채택하고 있다. [도 4]에서는 밸런스 입력 신호(Positive, Negative)를 내부적으로 언밸런스화하여 단일 신호로 만든 후에 이득을 조절하고, 신호 반전을 통해 단일 신호로부터 밸런스 출력 신호(Positive, Negative)를 재구성한다. 이 방식을 사용하면 밸런스 신호를 언밸런스화하고 반전 신호를 생성하기 위한 추가적인 소자가 필요할 뿐만 아니라 언밸런스 신호에서 밸런스 신호로 되돌리는 과정에서 위상 왜곡도 발생한다. 무엇보다도 외부 노이즈를 상쇄하는 밸런스 방식의 장점이 사라지게 된다.
그에 따라, 오디오 장비 내의 모든 회로 부분에서 밸런스 상태를 유지하면서 오디오용 소신호(예: 마이크 신호)에 대해 큰 이득의 신호 증폭을 제공하기에 적합한 밸런스 입출력 차동증폭기가 요구된다.
본 발명의 목적은 오디오 장비 내의 모든 회로 부분에서 밸런스 상태를 유지하면서 오디오용 소신호(예: 마이크 신호)에 대해 큰 이득의 신호 증폭을 제공하기에 적합한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 트랜지스터와 OP AMP로 구성된 밸런스 입출력의 제 1 증폭부재 및 저항소자와 OP AMP로 구성된 밸런스 입출력의 제 2 증폭부재를 구비한 다단의 차동 증폭 회로를 통해 모든 회로 부분에서 밸런스 상태를 유지하면서 넓은 레벨 범위의 오디오 신호를 충분한 크기로 증폭하기에 적합한 오디오용 소신호 증폭을 위한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기를 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 해결 과제는 이들 사항에 제한되지 않으며 본 명세서의 기재로부터 다른 해결 과제가 이해될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 밸런스 입출력 다단 차동증폭기는, 트랜지스터와 OP AMP로 구성되고 오디오용 소신호를 밸런스 입력(PS1, NS1)으로 제공받고 제 1단 공통 이득(GC1)에 의해 밸런스 신호를 증폭하여 밸런스 출력(PS2, NS2)을 제공하는 제 1 증폭부재(100); 저항소자와 OP AMP로 구성되고 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력(PS2, NS2)을 밸런스 입력으로 제공받고 제 2단 공통 이득(GC2)에 의해 밸런스 신호를 증폭하여 밸런스 출력(PS3, NS3)을 제공하는 제 2 증폭부재(200);를 포함하여 구성된다.
이때, 제 1 증폭부재(100)는 자신의 밸런스 입력 신호(PS1, NS1)에 대해 제 1 입력저항 소자(Ri1)로 각각의 이미터 단자가 상호 연결된 트랜지스터 소신호 증폭기 페어(Q1, Q2)에 의해 1차의 전류 증폭을 수행하고, 1차 전류 증폭된 전류 흐름(ic)에 의한 밸런스 신호(PSa, NSa)에 대해 각각의 (+)입력 단자가 바이어스 전압(Vbias)에 공통 연결되고 제 1 입력저항 소자(Ri1)로 각각의 피드백 경로가 상호 연결된 OP AMP 반전 증폭기 페어(P1, P2)에 의해 2차의 전압 증폭을 수행하여 밸런스 출력(PS2, NS2)을 생성하도록 구성된다.
또한, 제 2 증폭부재(200)는 자신의 밸런스 입력으로 제공된 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력(PS2, NS2)에 대해 각각의 (-)입력 단자가 제 2 입력저항 소자(Ri2)로 상호 연결된 OP AMP 비반전 증폭기 페어(P3, P4)에 의해 전압 증폭을 수행하여 밸런스 출력(PS3, NS3)을 생성하도록 구성된다.
이때, 제 1 증폭부재(100)는, 베이스 단자(B)로 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 입력 중의 포지티브 신호(PS1)를 입력받고 컬렉터 단자(C)가 제 1 컬렉터 저항 소자(Rc)를 통해 동작전원 Vee로 연결되는 제 1 PNP 트랜지스터(Q1); 베이스 단자(B)로 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 입력 중의 네거티브 신호(NS1)를 입력받고 컬렉터 단자(C)가 제 2 컬렉터 저항 소자(Rc)를 통해 동작전원 Vee로 연결되는 제 2 PNP 트랜지스터(Q2); 제 1 PNP 트랜지스터(Q1)의 이미터 단자(E)와 제 2 PNP 트랜지스터(Q2)의 이미터 단자(E)를 상호 연결하는 제 1 입력저항 소자(Ri1); (-)입력 단자로 제 1 PNP 트랜지스터(Q1)의 컬렉터 단자(C) 출력(PSa)을 입력받고 (+)입력 단자가 바이어스 전압(Vbias)에 연결되고 출력 단자가 제 1 피드백 저항 소자(Rf1)을 통해 제 1 PNP 트랜지스터(Q1)의 이미터 단자(E)에 연결되어 반전 증폭기를 구성하여 출력 단자를 통해 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력 중의 포지티브 신호(PS2)를 출력하는 제 1 OP AMP 소자(P1); (-)입력 단자로 제 2 PNP 트랜지스터(Q1)의 컬렉터 단자(C) 출력(NSa)을 입력받고 (+)입력 단자가 바이어스 전압(Vbias)에 연결되고 출력 단자가 제 2 피드백 저항 소자(Rf1)을 통해 제 2 PNP 트랜지스터(Q1)의 이미터 단자(E)에 연결되어 반전 증폭기를 구성하여 출력 단자를 통해 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력 중의 네거티브 신호(NS2)를 출력하는 제 2 OP AMP 소자(P2);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한. 제 2 증폭부재(200)는, (+)입력 단자로 제 2 증폭부재(200)의 밸런스 입력 중의 포지티브 신호(PS2)를 입력받고 (-)입력 단자와 출력 단자가 제 3 피드백 저항 소자(Rf2)을 통해 상호 연결되어 비반전 증폭기를 구성하여 출력 단자를 통해 제 2 증폭부재(200)의 밸런스 출력 중의 포지티브 신호(PS3)를 출력하는 제 3 OP AMP 소자(P3); (+)입력 단자로 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력 중의 네거티브 신호(NS2)를 입력받고 (-)입력 단자와 출력 단자가 제 4 피드백 저항 소자(Rf2)을 통해 상호 연결되어 비반전 증폭기를 구성하여 출력 단자를 통해 제 2 증폭부재(200)의 밸런스 출력 중의 네거티브 신호(NS3)를 출력하는 제 4 OP AMP 소자(P4); 제 3 OP AMP 소자(P3)의 (-)입력 단자와 제 4 OP AMP 소자(P4)의 (-)입력 단자를 상호 연결하는 제 2 입력저항 소자(Ri2);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 입력저항 소자(Ri1)는 가변 저항 소자로 구성되어 오디오용 소신호의 신호 레벨에 비례 설정되도록 구성될 수 있다. 또한, 제 2 입력저항 소자(Ri2)는 가변 저항 소자로 구성되어 오디오용 소신호의 신호 레벨에 비례 설정되도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면 밸런스 형태로 제공되는 오디오용 소신호(예: 마이크 신호)에 대해 큰 이득의 신호 증폭을 제공하기에 적합한 밸런스 입출력 차동증폭기를 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 오디오 장비 내의 모든 회로 부분에서 밸런스 상태를 유지함으로써 외부 노이즈를 효과적으로 상쇄시킬 수 있어 고음질의 오디오 증폭 출력 신호를 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 넓은 레벨 범위의 오디오 신호를 충분한 크기로 증폭하기에 적합한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 밸런스 신호를 다루고 높은 이득을 구현한 오디오 장비(예: 인티앰프, 오디오 믹서)에서 노이즈 특성과 위상 왜곡 특성을 개선하여 고품질 오디오 장비를 제공할 수 있는 장점이 있다.
[도 1]은 외부 노이즈에 대한 밸런스 방식과 언밸런스 방식의 차이를 개념적으로 나타내는 도면.
[도 2]는 종래기술에 따른 밸런스 입출력 차동증폭기의 일 예를 나타내는 블록도.
[도 3]은 종래기술의 밸런스 입출력 차동증폭기에서 이득조절 회로의 일 예를 나타내는 도면.
[도 4]는 종래기술에 따른 밸런스 입출력 차동증폭기의 다른 예를 나타내는 블록도.
[도 5]는 본 발명에 따른 밸런스 입출력 다단 차동증폭기의 전체 구성을 나타내는 블록도.
[도 6]은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 증폭부재의 내부 구성을 나타내는 회로도.
[도 7]은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 증폭부재의 내부 구성을 나타내는 회로도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
[도 5]는 본 발명에 따른 밸런스 입출력 다단 차동증폭기(1000)의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명은 오디오 장비 내의 모든 회로 부분에서 밸런스 상태를 유지하며 신호의 이득을 조절하는 차동증폭기 회로를 제안한다. 종래기술인 [도 2]와 비교하면, 본 발명은 밸런스 신호 상태를 유지하면서 이득 조절이 한 지점에서 공통으로 수행되는 구성이다. 그에 따라, 본 발명에 따르면 포지티브 신호와 네거티브 신호에 대해 동일한 이득이 적용되고, 따라서 종래기술에 비해 오디오 장비의 CMRR 특성이 개선되는 장점을 나타낸다.
[도 5]를 참조하면, 본 발명에 따른 오디오용 소신호 증폭을 위한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기는 넓은 레벨 범위의 입력 오디오 신호를 충분한 크기로 증폭하기 위한 구성으로서 제 1 증폭부재(100)와 제 2 증폭부재(200)가 순차적으로 직렬 연결된 다단 구조를 갖는다.
제 1 증폭부재(100)는 오디오용 소신호를 밸런스 입력(PS1, NS1)으로 제공받고 제 1단 공통 이득(GC1)에 의해 밸런스 신호를 증폭하여 밸런스 출력(PS2, NS2)을 제공하며, 제 2 증폭부재(200)는 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력(PS2, NS2)을 밸런스 입력으로 제공받고 제 2단 공통 이득(GC2)에 의해 밸런스 신호를 증폭하여 밸런스 출력(PS3, NS3)을 제공한다.
본 발명의 차동증폭기는 밸런스 신호 상태를 유지하면서 이득 조절을 각 단(stage)마다 한 지점에서 공통으로 수행한다. [도 6]과 [도 7]에 나타내는 바와 같이 제 1 증폭부재(100)와 제 2 증폭부재(200)는 입출력 인터페이스 뿐만 아니라 증폭회로 내부에서도 밸런스 신호를 언밸런스하는 부분이 없기 때문에 노이즈 제거 측면에서 유리하다. 또한, 언밸런스 신호를 밸런스 신호로 바꾸어 주는 과정이 존재하지 않기 때문에 포지티브 신호와 네거티브 신호 간의 위상 왜곡(위상 차)이 없고 OP AMP 소자의 개수도 종래기술에 비해 줄일 수 있다.
한편, [도 6]과 [도 7]에 나타낸 바와 같이, 제 1 증폭부재(100)는 트랜지스터와 OP AMP 반전 증폭기를 이용하여 구성하고, 제 2 증폭부재(200)는 저항소자와 OP AMP 비반전증폭기를 이용하여 구성한다.
[도 6]은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 증폭부재(100)의 내부 구성을 나타내는 회로도이다.
본 발명에서 제 1 증폭부재(100)는 오디오용 소신호를 밸런스 입력(PS1, NS1)으로 제공받고 제 1단 공통 이득(GC1)에 의해 밸런스 신호(PS1, NS1)를 증폭하여 밸런스 출력(PS2, NS2)을 제공하는 구성요소이다. 자신의 입력인 밸런스 입력 신호(PS1, NS1)에 대해 트랜지스터 소신호 증폭기 페어(Q1, Q2)에 의해 1차의 전류 증폭을 수행하고, 그 1차 전류 증폭된 전류 흐름(ic)에 의한 밸런스 신호(PSa, NSa)에 대해 OP AMP 반전 증폭기 페어(P1, P2)에 의해 2차의 전압 증폭을 수행하여 밸런스 출력(PS2, NS2)을 생성하도록 구성된다.
이때, 1차의 전류 증폭을 수행하는 트랜지스터 소신호 증폭기 페어(Q1, Q2)는 제 1 입력저항 소자(Ri1)로 각각의 이미터 단자가 상호 연결되어 있고, 2차의 전압 증폭을 수행하는 OP AMP 반전 증폭기 페어(P1, P2)는 각각의 (+)입력 단자가 바이어스 전압(Vbias)에 공통 연결되고 앞서의 제 1 입력저항 소자(Ri1)로 각각의 피드백 경로가 상호 연결되어 있다.
[도 6]을 참조하면, 본 발명에서 제 1 증폭부재(100)는 제 1 및 제 2 PNP 트랜지스터(Q1, Q2), 제 1 및 제 2 OP AMP 소자(P1, P2), 제 1 입력저항 소자(Ri1)를 포함하여 구성된다.
제 1 PNP 트랜지스터(Q1)와 제 2 PNP 트랜지스터(Q2)는 트랜지스터 소신호 증폭기 페어를 구성하는데, 각각 오디오용 소신호의 밸런스 입력을 구성하는 포지티브 신호(PS1)와 네거티브 신호(NS1)를 베이스 단자(B)를 통해 입력받아 이미터 단자(E)와 컬렉터 단자(C) 사이를 흐르는 전류 형태로 증폭 동작을 수행한다. 이를 위해, 각각의 컬렉터 단자(C)는 제 1 “G 체 2 컬렉터 저항 소자(Rc)를 통해 동작전원 Vee로 연결되고, 각각의 이미터 단자(E)는 제 1 및 제 2 OP AMP 소자(P1, P2)의 피드백 경로에 연결되어 전류 흐름의 경로를 제공한다. 제 1 및 제 2 PNP 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터 전류(ic)가 제 1 “G 체 2 컬렉터 저항 소자(Rc)를 각각 통과하면서 형성하는 전압 레벨은 밸런스 입력(PS1, NS1)에 대한 1차 전류 증폭의 결과물이며, 이를 편의상 밸런스 중간 신호(PSa, NSa)로 표시한다.
이때, 제 1 입력저항 소자(Ri1)는 제 1 PNP 트랜지스터(Q1)의 이미터 단자(E)와 제 2 PNP 트랜지스터(Q2)의 이미터 단자(E)를 상호 연결하는 브리지 역할을 수행하며, 이를 통해 1차 전류 증폭에서 포지티브 신호(PS1)와 네거티브 신호(NS1)에 대해 동일한 이득이 적용된다.
제 1 OP AMP 소자(P1)와 제 2 OP AMP 소자(P2)는 OP AMP 반전 증폭기 페어를 구성하는데, 트랜지스터 소신호 증폭기 페어가 1차 전류 증폭 결과물인 밸런스 중간신호의 포지티브 신호(PSa)와 네거티브 신호(NSa)를 (-)입력 단자로 입력받아 반전 증폭기에 의한 2차 전압 증폭 동작을 수행한다.
이를 위해, 각각의 (+)입력 단자는 바이어스 전압(Vbias)에 연결되고, 각각의 출력 단자는 제 1 및 제 2 피드백 저항 소자(Rf1)을 통해 제 1 및 제 2 PNP 트랜지스터(Q1, Q2)의 이미터 단자(E)에 연결되어 반전 증폭기 페어를 구성한다. 제 1 및 제 2 OP AMP 소자(P1, P2)가 반전 증폭기를 통해 출력하는 1쌍의 전압 레벨은 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력(PS2, NS2)를 구성한다.
이때, 1차 전류 증폭에서 기술한 바와 같이, 제 1 입력저항 소자(Ri1)는 제 1 및 제 2 OP AMP 소자(P1, P2)의 피드백 경로를 상호 연결하는 브리지 역할을 수행하며, 이를 통해 2차 전압 증폭에서 포지티브 신호(PSa)와 네거티브 신호(NSa)에 대해 동일한 이득이 적용된다.
일반적으로 트랜지스터 증폭회로의 출력 안정화 및 정확한 증폭 이득 조절이 곤란하여 종래에는 트랜지스터 증폭회로의 출력을 밸런스 신호의 증폭에 대해 적용하지 못하였다. 본 발명에서는 PNP 트랜지스터의 베이스(B)에 교류 신호(PS1, NS1)가 들어오면 트랜지스터 소신호 증폭에 의해서 컬렉터(C)에서 전류 증폭이 이루어지고, 그 증폭된 전류는 컬렉터 저항 소자(Rc)에 의해 전압으로서 OP AMP의 (-)입력으로 들어가고 반전 증폭으로 이득을 나타낸다.
[도 6]의 제 1 증폭부재(100)의 동작을 간략하게 기술한다.
먼저, 제 1 및 제 2 PNP 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스 단자(B)에 밸런스 형태의 오디오 신호(PS1, NS1)가 입력된다.
다음으로, 이들 PNP 트랜지스터(Q1, Q2)의 이미터(E)-컬렉터(C) 사이의 전류 증폭 동작에 의해 컬렉터 단자(C)에서 1차 전류 증폭된 출력 신호를 얻는다. 이때, 컬렉터(C)에 흐르는 전류(Ic)에 의해서 트랜지스터의 노이즈 팩터(Noise Factor)가 결정되는데, 트랜지스터의 노이즈 팩터는 오디오 신호의 품질(음질, 기기 성능)에 크게 영향을 미치는 요소이다. 제 1 및 제 2 PNP 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터 전류(Ic)는 다음의 [수학식 1]과 같이 얻는다.
Figure 112021061376291-pat00001
이때, 제 1 및 제 2 OP AMP 소자(P1, P2)의 (+)입력단자 측에 인가되는 Vbias 전압 값에 의해 제 1 및 제 2 PNP 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터 단자(C)의 전압 레벨과 출력 신호(Ic)의 기준점이 결정된다.
이어서, 제 1 및 제 2 PNP 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터 단자(C)에서 출력된 신호(PSa, NSa)가 제 1 및 제 2 OP AMP 소자(P1, P2)의 (-)입력단자로 제공되고, 제 1 및 제 2 OP AMP 소자(P1, P2)는 제 1 입력저항 소자(Ri1)와 제 1 및 제 2 피드백 저항 소자(Rf1)의 관계에 의해 반전 증폭기 동작으로 신호 증폭이 이루어져 밸런스 출력(PS2, NS2)을 생성한다. 제 1 및 제 2 OP AMP 소자(P1, P2)가 구성하는 반전 증폭기 회로의 이득은 다음의 [수학식 2]와 같이 얻는다.
Figure 112021061376291-pat00002
이때, 제 1 입력저항 소자(Ri1)의 저항 값을 변경하면 제 1 증폭부재(100)에서 포지티브 신호와 네거티브 신호의 이득을 동시에 공통으로 이득을 조절할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
[도 7]은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 증폭부재(200)의 내부 구성을 나타내는 회로도이다.
본 발명에서 제 2 증폭부재(100)는 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력(PS2, NS2)을 밸런스 입력으로 제공받고 제 2단 공통 이득(GC2)에 의해 밸런스 신호를 증폭하여 밸런스 출력(PS3, NS3)을 제공하는 구성요소이다. 자신의 입력인 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력(PS2, NS2)에 대해 각각의 (-)입력 단자가 제 2 입력저항 소자(Ri2)로 상호 연결된 OP AMP 비반전 증폭기 페어(P3, P4)에 의해 전압 증폭을 수행하여 밸런스 출력(PS3, NS3)을 생성한다.
본 발명에서 제 2 증폭부재(200)는 제 3 및 제 4 OP AMP 소자(P3, P4)와 제 2 입력저항 소자(Ri2)를 포함하여 구성된다.
제 3 OP AMP 소자(P3)와 제 4 OP AMP 소자(P4)는 OP AMP 비반전 증폭기 페어를 구성하는데, 그 입력으로 제공되는 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력의 포지티브 신호(PS2)와 네거티브 신호(NS2)를 (+)입력 단자로 입력받아 비반전 증폭기에 의한 전압 증폭 동작을 수행한다.
이를 위해, 각각의 (-)입력 단자와 출력 단자는 제 3 및 제 4 피드백 저항 소자(Rf2)를 통해 상호 연결되어 비반전 증폭기 페어를 구성한다. 제 3 및 제 4 OP AMP 소자(P3, P4)가 비반전 증폭기를 통해 출력하는 1쌍의 전압 레벨은 제 2 증폭부재(200)의 밸런스 출력(PS3, NS3)를 구성한다.
이때, 제 2 입력저항 소자(Ri2)는 제 3 OP AMP 소자(P3)의 (-)입력 단자와 제 4 OP AMP 소자(P4)의 (-)입력 단자를 상호 연결하는 브리지 역할을 수행하며, 이를 통해 제 2 증폭부재(100)의 전압 증폭에서 포지티브 신호(PS2)와 네거티브 신호(NS2)에 대해 동일한 이득이 적용될 수 있다.
[도 7]의 제 2 증폭부재(200)의 동작을 간략하게 기술한다.
먼저, 제 1 증폭부재(100)가 출력하는 밸런스 신호(PS2, NS2)가 제 3 및 제 4 OP AMP 소자(P3, P4)의 (+)입력단자로 인가된다.
제 3 및 제 4 OP AMP 소자(P3, P4)는 제 2 입력저항 소자(Ri2)와 제 3 및 제 4 피드백 저항 소자(Rf2)의 관계에 의해 비반전 증폭기 동작으로 신호 증폭을 수행하여 밸런스 출력(PS3, NS3)을 생성한다. 제 2 증폭부재(200)의 신호 증폭 이득은 다음의 [수학식 3]과 같이 얻는다.
Figure 112021061376291-pat00003
이때, 제 2 입력저항 소자(Ri2)의 저항 값을 변경하면 제 2 증폭부재(200)에서 포지티브 신호와 네거티브 신호의 이득을 동시에 공통으로 조절할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
한편, 본 발명에 따른 밸런스 입력 및 밸런스 출력 방식의 차동증폭기는 넓은 레벨 범위의 입력 오디오 신호를 충분한 크기로 증폭하기 위한 용도에 적합하도록 구성된 것이다. 이를 위해 제 1 입력저항 소자(Ri1)와 제 2 입력저항 소자(Ri2)는 가변 저항 소자로 구성되어 차동증폭기로 입력되는 오디오용 소신호의 신호 레벨에 비례 설정되도록 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 가변 저항 소자는 다양하게 구현될 수 있는데, 예컨대 단일의 가변저항 부품으로 구현될 수도 있고, 복수의 저항 부품과 스위치 부품으로 구현될 수도 있다.
이 경우, 낮은 레벨의 오디오 신호(예: 마이크 신호)가 들어올 경우 제 1 증폭부재(100)의 제 1 입력저항 소자(Ri1)와 제 2 증폭부재(200)의 제 2 입력저항 소자(Ri2)의 저항 값을 낮춤으로써 제 1 및 제 2 증폭부재(100, 200)의 증폭도를 높여 출력신호의 크기를 적당하게 맞춘다.
반대로, 큰 레벨의 오디오 신호(예: Line 신호)가 들어올 경우 제 1 증폭부재(100)의 제 1 입력저항 소자(Ri1)와 제 2 증폭부재(200)의 제 2 입력저항 소자(Ri2)의 저항 값을 크게 함으로써 제 1 및 제 2 증폭부재(100, 200)의 증폭도를 낮추어 출력신호의 크기를 적당하게 맞춘다.
이때, 하나의 증폭단에서 과한 증폭을 얻을 경우의 불안정성을 방지하기 위해 두 개의 증폭단(100, 200)으로 나누어 증폭한다.
본 발명에서 제 1 입력저항 소자(Ri1)를 변경하여 제 1 증폭부재(100)의 이득을 변경하는 예는 [표 1]과 같다. 이때, 제 1 및 제 2 피드백 저항 소자(Rf1)로는 6 ㏀ 저항 부품이 적용되었다.
이득(dB) 제 1 입력저항 소자(Ri1)
38 153 Ω
14 3 ㏀
또한, 본 발명에서 제 2 입력저항 소자(Ri2)를 변경하여 제 2 증폭부재(200)의 이득을 변경하는 예는 [표 2]와 같다. 이때, 제 3 및 제 4 피드백 저항 소자(Rf2)로는 10 ㏀ 저항 부품이 적용되었다.
이득(dB) 제 2 입력저항 소자(Ri2)
24 1.35 ㏀
18 2.88 ㏀
12 6.71 ㏀
6 20 ㏀

Claims (5)

  1. 트랜지스터와 OP AMP로 구성되고 오디오용 소신호를 밸런스 입력(PS1, NS1)으로 제공받고 제 1단 공통 이득(GC1)에 의해 밸런스 신호를 증폭하여 밸런스 출력(PS2, NS2)을 제공하는 제 1 증폭부재(100);
    저항소자와 OP AMP로 구성되고 상기 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력(PS2, NS2)을 밸런스 입력으로 제공받고 제 2단 공통 이득(GC2)에 의해 밸런스 신호를 증폭하여 밸런스 출력(PS3, NS3)을 제공하는 제 2 증폭부재(200);
    를 포함하여 구성되고,
    상기 제 1 증폭부재(100)는,
    자신의 밸런스 입력 신호(PS1, NS1)에 대해 제 1 입력저항 소자(Ri1)로 각각의 이미터 단자가 상호 연결된 트랜지스터 소신호 증폭기 페어(Q1, Q2)에 의해 1차의 전류 증폭을 수행하고,
    상기 1차 전류 증폭된 전류 흐름(ic)에 의한 밸런스 신호(PSa, NSa)에 대해 각각의 (+)입력 단자가 바이어스 전압(Vbias)에 공통 연결되고 상기 제 1 입력저항 소자(Ri1)로 각각의 피드백 경로가 상호 연결된 OP AMP 반전 증폭기 페어(P1, P2)에 의해 2차의 전압 증폭을 수행하여 밸런스 출력(PS2, NS2)을 생성하도록 구성되고,
    상기 제 2 증폭부재(200)는,
    (+)입력 단자로 상기 제 2 증폭부재(200)의 밸런스 입력 중의 포지티브 신호(PS2)를 입력받고 (-)입력 단자와 출력 단자가 제 3 피드백 저항 소자(Rf2)을 통해 상호 연결되어 비반전 증폭기를 구성하여 출력 단자를 통해 상기 제 2 증폭부재(200)의 밸런스 출력 중의 포지티브 신호(PS3)를 출력하는 제 3 OP AMP 소자(P3);
    (+)입력 단자로 상기 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력 중의 네거티브 신호(NS2)를 입력받고 (-)입력 단자와 출력 단자가 제 4 피드백 저항 소자(Rf2)을 통해 상호 연결되어 비반전 증폭기를 구성하여 출력 단자를 통해 상기 제 2 증폭부재(200)의 밸런스 출력 중의 네거티브 신호(NS3)를 출력하는 제 4 OP AMP 소자(P4);
    상기 제 3 OP AMP 소자(P3)의 (-)입력 단자와 상기 제 4 OP AMP 소자(P4)의 (-)입력 단자를 상호 연결하는 제 2 입력저항 소자(Ri2);
    를 구비하여 자신의 밸런스 입력으로 제공된 상기 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력(PS2, NS2)에 대해 각각의 (-)입력 단자가 상기 제 2 입력저항 소자(Ri2)로 상호 연결된 상기 제 3 및 제 4 OP AMP 소자(P3, P4)의 OP AMP 비반전 증폭기 페어(P3, P4)에 의해 전압 증폭을 수행하여 밸런스 출력(PS3, NS3)을 생성하도록 구성되는 오디오용 소신호 증폭을 위한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 증폭부재(100)는,
    베이스 단자(B)로 상기 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 입력 중의 포지티브 신호(PS1)를 입력받고 컬렉터 단자(C)가 제 1 컬렉터 저항 소자(Rc)를 통해 동작전원 Vee로 연결되는 제 1 PNP 트랜지스터(Q1);
    베이스 단자(B)로 상기 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 입력 중의 네거티브 신호(NS1)를 입력받고 컬렉터 단자(C)가 제 2 컬렉터 저항 소자(Rc)를 통해 동작전원 Vee로 연결되는 제 2 PNP 트랜지스터(Q2);
    상기 제 1 PNP 트랜지스터(Q1)의 이미터 단자(E)와 상기 제 2 PNP 트랜지스터(Q2)의 이미터 단자(E)를 상호 연결하는 제 1 입력저항 소자(Ri1);
    (-)입력 단자로 상기 제 1 PNP 트랜지스터(Q1)의 컬렉터 단자(C) 출력(PSa)을 입력받고 (+)입력 단자가 바이어스 전압(Vbias)에 연결되고 출력 단자가 제 1 피드백 저항 소자(Rf1)을 통해 상기 제 1 PNP 트랜지스터(Q1)의 이미터 단자(E)에 연결되어 반전 증폭기를 구성하여 출력 단자를 통해 상기 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력 중의 포지티브 신호(PS2)를 출력하는 제 1 OP AMP 소자(P1);
    (-)입력 단자로 상기 제 2 PNP 트랜지스터(Q1)의 컬렉터 단자(C) 출력(NSa)을 입력받고 (+)입력 단자가 바이어스 전압(Vbias)에 연결되고 출력 단자가 제 2 피드백 저항 소자(Rf1)을 통해 상기 제 2 PNP 트랜지스터(Q1)의 이미터 단자(E)에 연결되어 반전 증폭기를 구성하여 출력 단자를 통해 상기 제 1 증폭부재(100)의 밸런스 출력 중의 네거티브 신호(NS2)를 출력하는 제 2 OP AMP 소자(P2);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 오디오용 소신호 증폭을 위한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 입력저항 소자(Ri1)는 가변 저항 소자로 구성되어 상기 오디오용 소신호의 신호 레벨에 비례 설정되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 오디오용 소신호 증폭을 위한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 2 입력저항 소자(Ri2)는 가변 저항 소자로 구성되어 상기 오디오용 소신호의 신호 레벨에 비례 설정되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 오디오용 소신호 증폭을 위한 밸런스 입출력 다단 차동증폭기.
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