KR19980025038A - 스위칭 오디오 증폭기 - Google Patents

Abstract

2중 비교기 PWM 오디오 증폭기는 적분증폭기(42)에 연결된 차동-싱글엔드형 귀환 증폭기(40)을 구비하여 비교기(12,16)에 대한 좀더 정밀한 귀환제어를 제공한다.

Description

스위칭 오디오 증폭기

본 발명은 스위칭 D급 오디오 증폭기, 특히 전(全)브리지 2중 비교기 오디오 D급 증폭기에 관한 것이다.

많은 D급 증폭기는 인턱터를 이용한 출력필터를 갖는다. 인덕터는 값이 비싸다. 그래서 D급 증폭기의 비용은 출력필터 및 비싼 유도자를 제거하여 감소될 수 있다. 알려진 싱글 비교기 펄스폭 변조기(PWM) 구조는 출력여과를 필요로 하는 반면에 2중 펄스폭 변조기(PWM) 구조는 그렇지 않다. 싱글 비교기 이상의 2중 비교기는 출력필터를 제거하여 향상된다. 2중 비교기는 무효전력 소모를 감소시키고 인턱터/커패시터 출력필터망을 제거한다. 공교롭게도 2중 변조기는 복잡한 폐루프를 갖는다. 그 결과 2중 비교기는 1 혹은 2퍼센트의 변동을 허용하지 않는 고품질 오디오 응용을 위해 브리지 회로의 출력을 충분히 정밀하게 추적하지 못한다.

알려진 싱글 비교기 PWM 증폭기는 도 1A에 도시되어 있다. 오디오 입력은 적분증폭기(11)에 공급된다. 적분기(11) 출력은 싱글 비교기(12)에 공급된다. 비교기(12)로의 다른 입력은 변조 삼각파이다. 비교기(12) 출력은 원하는 출력을 나타내는 펄스폭 변조신호이다. 전브리지 시스템에서, PWM 출력은 H-브리지(20)의 한쪽에 한쌍의 MOSFETs를 구동하는 데 사용된다. 상보성 PWM신호는 비교기(12)의 PWM 출력을 반전시켜 발생된다. 상보성 PWM신호는 전브리지(24)의 다른쪽에 있는 다른쌍의 MOSFETs를 구동하는데 사용된다. 시스템에서의 귀환은 차동 브리지 출력을 출력 적분기(11)와 똑같은 접지로 기준된 신호 종료신호로 변환시키는 반전 차동증폭기(19)에 의해 브리지 출력(20,22)으로 직접 간다. 증폭기(19) 출력은 적분기(11)에 대한 제2입력이다. 적분기(11)는 오디오 입력과 반전된 출력의 합을 적분하고 이들 두 신호 사이의 차를 제로로 하고 브리지 출력을 오디오 입력에 정확히 따르게 한다. 도 2A는 싱글 비교기 PWM 구조와 연관된 파형을 보여준다. H-브리지에 대한 4개의 게이트 구동신호 모두는 도 1A의 비교기(12)에서 출력된 싱글 PWM 신호로부터 유도된다. 그 구조는 부하 횡단 단자(20,22), +VBUS와 -VBUS로 각각 정의된 2개의 출력상태만을 가진다. 오디오 입력이 없을 때 스피커에서의 출력은 제로가 되어야 한다. 스피커에서의 제로 출력을 이루기 위해 H-브리지는 +VBUS와 -VBUS사이에 50%듀티 사이클 스위칭을 갖는 구형파를 발생시켜야 한다. 출력필터(70)는 스피커에서의 제로출력을 발생키기기 위해 구형파의 평균을 낸다. 출력필터(70)가 이 회로에서 제거된다면 스피커 자체가 브리지 출력의 평균을 내야 한다. 스피커의 저항특성 때문에 스위칭 주파수에서의 RMS 전력은 스피커에서 소산되곤 한다. 이 점을 허용할 수 없기에 도 2A의 2중 비교기 구조를 이용하여 위와 같은 결점을 극복할 수 있다.

도 1B는 종래기술의 2중 비교기 PWM 증폭기를 도시한다. 이런 2중 비교기 PWM 증폭기는 필터를 필요로 하지 않는다. 여기서 오디오 입력은 제1비교기(12)에 공급된다. 또한 오디오 입력은 반전 증폭기(14)에 공급되고 이곳에서 제2비교기(16)에 공급된다. 또한 각 비교기는 변조 삼각파 신호를 수신한다. 각 비교기(12,16)는 전브리지(50)에서 파워 MOSFETs를 구동시키는 일련의 펄스(V_A,V_B)를 출력한다. PWM 비교기(12,16)의 출력에 접속된 반전기(36,38)는 상보성 펄스를 발생시킨다. 그래서 게이트 구동회로(18)는 입력펄스(AHI,ALI,BHI,BLI)를 수신한다. 게이트 구동회로(18)는 DMOS, 즉 출력 게이트 구동신호(AHO, BHO, ALO, BLO)를 발생시키는 준 수직(quasi-vertical) DMOS 파워 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이들 출력신호는 풀 H-브리지(24)에 있는 파워 MOSFETs(52,54,56,58)의 게이트에 인가된다. 브리지 출력단자(20,22)는 증폭기(30,32)를 거쳐 브리지 구동회로(18)의 각 입력 A 및 B에 연결되고 신호(AHI,ALI,BHI,BLI)에 대한 귀환신호를 제공한다.

도 2B의 스위칭 순서는 도 1B에 도시한 회로에 의해 수행된 2중 비교기 스위칭 기술을 도시한다. 도 2B는 두 개의 PWM 비교기 출력(12,16)을 나타내는 두 개의 펄스 트레인(V_A,V_B)을 필요로하여 H-브리지(24)에 대한 4개의 게이트전압 모두를 정의한다. 스피커를 거치는 H-브리지 출력전압은 3가지의 출력상태 +VBUS, -VBUS, OV를 갖는다. OV출력상태를 부가함으로써 브리지 출력필터가 필요없게 된다. 특히 이것은 작은 +VBUS 및 -VBUS 스파이크가 저진폭 사인(sign) 파 출력의 피크를 발생시키는 평균일 때 브리지(24) 출력이 오디오 주기의 대부분에 대해 제로인 경부하에서 사실이다. 사실상 스피커(26)는 펄스 백(back)을 아날로그 오토신호로 변환시키기 위해 자신의 필터로 작용한다.

두 제어신호, 즉 한쪽(AHO)에 대한 것과 또다른 한쪽(BHO)에 대한 것을 갖느다는 것이 2중 비교기 구조의 특징이다. 물론 각각은 브리지에서의 다른 트랜지시터를 제어하기 위해 상보성 신호(ALO,BLO)를 갖는다. 그러나 브리지의 양쪽을 제어하기 위한 2개의 귀환신호가 주어지기 때문에 종래기술에서는 분리된 구동신호를 따로따로 제어하기 위한 2개의 귀환경로를 이용해 왔다. 도 2A에 도시한 바와 같이 브리지 출력은 출력(20)이 브리지의 A 쪽을 보정하도록 그리고 출력(22)이 브리지의 B 쪽을 보정하도록 각각의 반전기(30,32)를 통해 게이트 구동회로(18)의 각 입력으로 귀환된다.

도 1B의 구조는 H-브리지의 출력을 오디오 입력과 정확히 매치시킬 수 없다. 이 이유는 각각의 제어신호에 대한 2개의 귀환경로가 있기 때문이다. 귀환경로는 브리지(50)의 양쪽이 2개의 펄스폭 변조기 중의 하나에서 출력의 구형파를 추적하도록 폐쇠된다. 한 귀환경로는 출력(20)에서 반전기(30)를 거쳐 게이트 구동회로(18)의 BHI 및 BLI 입력까지이다. 다른 경로는 브리지(24)의 양쪽이 펄스폭 변조기(12,16)에서 구형파 입력(V_A,V_B)중의 하나를 추적하도록 폐쇄된다. 이런 기술의 한가지 결점은 H-브리지(24)의 차동 출력전압이 추적되지 않고 귀환의 제한범위에서만 허용된다는 것이다. 브리지 출력전압은 대략 60-80볼트인 반면에 게이트 구동회로(18)는 약 5볼트이다. H-브리지로부터의 귀환은 60-80볼트에서 약 5볼트까지 감소되어야 하는데 이렇게 감소하면 귀환의 정밀도에 불리하게 영향을 끼친다. 이런 2중 귀환경로 설계로 인해 약한 전원을 거부하게 되고 조파왜곡이 증가하게 된다.

본 발명의 목적은 도 1B의 2중 비교기 회로의 출력필터 필요를 감소시키지만 싱글 비교기 PWM 증폭기와 유사한 정밀한 입출력 추적(tracking)을 이루는 회로를 제공하는 것이다.

본 발명은 변조 기준신호를 수신하고, 제1 및 제2상보성 비교기 제어신호 중의 하나를 수신하고, 각각의 제1 및 제2제어신호를 발생시키는 제1 및 제2비교기와;

전브리지를 제어하고, 상보성 출력게이트 구동신호의 제1 및 제2쌍을 발생시키기 위한 제1 및 제2제어신호에 연결된 게이트 구동회로와;

브리지 한쪽에 제1쌍의 파워 트랜지스터를 포함하고, 브리지의 다른쪽에 제1쌍의 파워트랜지스터와 제2쌍의 파워트랜지스터의 게이트를 구동하기 위한 제1쌍의 상보형 출력게이트에 연결되며, 제2쌍의 트랜지스터의 게이트를 구동하기 위한 제2쌍의 상보성 출력게이트 구동신호에 연결되는 전(full) 출력 브리지와;

전브리지의 한쪽에 결합된 하나의 입력과, 전브리지의 다른쪽에 결합된 또하나의 입력과, 브리지 출력을 거치는 전압을 나타내는 출력 귀환신호를 갖는 차동증폭기와;

오디오 입력과 출력 귀환신호를 수신하고 가산하며 제1 및 제2 상보성 비교기 제어신호를 발생시키기 위한 적분오류 증폭기회로를 구비하는 스위칭 오디오 증폭기를 포함한다.

편리하게 본 발명은 귀환 기술을 가지는 2중 비교기 펄스폭변조 스위칭 오디오 D급 증폭기를 제공한다. 본 발명에 따라 차동증폭기는 H-브리지의 출력을 싱글엔드형(single ended) 귀환신호로 변환시킨다. 귀환신호는 오디오 입력신호와 함께 가산되고 한 비교기에 대한 제어전압을 생산하도록 적분된다. 다른 비교기에 대한 제어전압은 제1비교기의 제어전압을 반전시켜 발생된다. 두 비교기에 대한 제2입력은 삼각파다. 두 비교기의 출력, PWM 신호는 게이트 구동회로에 인가되고 게이트 구동회로는 H-브리지로 형성된 네 개 MOSFETs의 게이트를 구동한다. 부하 또는 스피커는 어떤 여과도 필요로 하지 않고 H-브리지의 출력에 직접 연결된다. 귀환경로 및 입력 적분기는 H-브리지의 출력펄스를 평활화하고 스케일하여 회로가 좀더 정밀히 입력신호를 추적한다.

도 1A는 종래기술의 싱글 비교기 PWM 증폭기를 도시한다.

도 1B는 종래기술의 2중 비교기 PWM 증폭기를 도시한다.

도 2A는 도 1의 싱글 PWM 증폭기에 대한 동작 파형을 도시한다.

도 2B는 도 1B의 2중 PWM인 2중 귀환 루프 증폭기에 대한 동작 파형을 도시한다.

도 3은 차동 싱글엔드 및 적분 귀환루프를 구비한 폐루프 2중 비교기 PWM 증폭기를 도시한다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12,16: 비교기 14: 반전증폭기 18: 구동회로

20,22: 단자 24: 전(全)브리지 26: 스피커

36,38: 반전기 40: 차동증폭기 41: 가산노드

42: 적분기 43: 귀환커패시터 60,62: 필터

이하 도면을 참고로 실시예에 의해 본 발명을 기술한다.

도 3은 본 발명의 2중 비교기 싱글 귀환루프 PWM 증폭기를 도시한다. 도3에서의 동일참조부호는 도 1A 및 2A에 있는 동일소자를 참조한다. 단자(20,22)에서의 H-브리지 출력은 싱글엔드형 출력신호를 발생시키는 차동증폭기(40)에 공급된다. 증폭기(40)에 대한 각각의 입력은 커패시터(60) 및 저항기(62)를 포함하는 저역필터를 통해 지난다. 저역필터는 왜곡을 줄이기 위해 증폭기(40)의 슬루율(slew rate)보다 작게 차동증폭기 입력의 슬루율을 제한한다. 증폭기(40)의 출력은 스피커를 지나는 전압이 반전된 표시이고 또한 오디오 입력에 대한 신호에서 반대이다. 저항기(RF1 및 RF2)는 증폭기(40) 출력 전압레벨을 오디오 입력 전압레벨로 스케일한다.

증폭기(40)로부터의 귀환신호는 가산노드(41)에 인가된다. 오디오신호 역시 가산노드(41)에 인가된다. 가산노드(41)에서의 전압은 오디오 입력과 증폭기 출력 사이의 차를 나타내고 일반적으로 오류신호로 언급된다. 오류신호는 귀환 커패시터(43)를 갖는 적분기(42)에 인가된다. 적분 증폭기(42)의 출력은 H-브리지(24)의 한쪽 즉, AHO 및 ALO에 대한 제어신호 CTL+이다. 신호 CTL+는 반전증폭기(14)에 연결되어 H-브리지(24)의 다른 한쪽, 즉 BHO 및 BLO를 제어하는 제2제어신호 CTL-를 발생시킨다.

상보성 제어신호 CTL+ 및 CTL-는 PWM 비교기(12,16)에 각각 입력된다. 또한 변조 삼각파 하도록 기준신호는 두 비교기(12,16)에 입력된다. 비교기(12,16) 및 반전기(36,38)는 제1쌍의 상보성 입력 저전압 게이트 구동신호(AHI, ALI)와 제2쌍의 상보성 게이트 구동신호(BHI,BLI)를 포함하는 게이트 구동 입력신호를 발생시킨다. 게이트 구동회로(18)는 H-브리지의 고전류 트랜지스터(MOSFETs)의 게이트를 구동하는 데 필요한 출력 고전압 구동신호(AHO,ALO,BHO,BLO)를 발생시킨다. 출력게이트 구동신호는 전브리지(24)에 있는 MOSFETs의 게이트에 인가되고 스피커(26)는 단자(20 및 22) 사이에 브리지를 거쳐 접속된다.

동작중에 H-브리지 출력단자(20,22)에서의 구동신호는 도 2B에 도시한 H-브리지 출력펄스와 비슷한 구형파 펄스이고 이들은 스피커(26)를 구동시킨다. 또한 출력(20,22)은 차동증폭기(40)의 필터(60, 62)에 접속된다. 여과된 출력신호는 증폭기(40)에 입력된다. 증폭기(40)의 싱글엔드형 출력은 D급 증폭기의 출력을 나타내는 귀환신호이다. 귀환신호는 노드(41)에서의 오디오 입력과 가산되어 오류신호를 제공한다. 적분기(42)는 오류신호를 수신하고 출력신호 CTL+를 발생시킨다. 출력 CTL+에 연결된 반전기(14)는 상보성 제어신호 CTL-를 발생시킨다. 적분기(42)는 2가지 기능을 수행한다. 첫째, 노드(41)상의 오류신호를 적분한다. 이런 방식으로 적분기(42)를 이용하여 오류신호가 제로로 구동되고 출력이 오디오 입력과 정확히 같아질 때까지 게이트 구동 제어신호 CTL+ 및 CTL-를 조정한다. 둘째, 재구성 여과를 제공한다. 증폭기(40)에서 출력된 귀환신호 여전히 펄스 같으므로 적분기(42)는 PWM 비교기(12,16)에 의해 사용되는 제어신호 CTL+ 및 CTL-를 평활화한다. 변조 기준 삼각파 신호는 두 비교기(12,16)에 결합된다. 그 다음에 반전기(36,38)는 상보성 게이트 구동신호(AHI,ALI,BHI,BLI)를 발생시킨다.

2중 비교기 PWM 오디오 증폭기는 적분증폭기(42)에 연결된 차동-싱글엔드형 귀환 증폭기(40)을 구비하여 비교기(12,16)에 대한 좀더 정밀한 귀환제어를 제공한다.

Claims (7)

1. 변조 기준신호를 수신하고, 제1 및 제2상보성 비교기 제어신호 중의 하나를 수신하고, 각각의 제1 및 제2제어신호를 발생시키는 제1 및 제2비교기와;

   전브리지를 제어하고, 상보성 출력게이트 구동신호의 제1 및 제2쌍을 발생시키기 위한 제1 및 제2제어신호에 연결된 게이트 구동회로와;

   브리지 한쪽에 제1쌍의 파워 트랜지스터를 포함하고, 브리지의 다른쪽에 제1쌍의 파워트랜지스터와 제2쌍의 파워트랜지스터의 게이트를 구동하기 위한 제1쌍의 상보형 출력게이트에 연결되며, 제2쌍의 트랜지스터의 게이트를 구동하기 위한 제2쌍의 상보성 출력게이트 구동신호에 연결되는 전(full) 출력 브리지와;

   전브리지의 한쪽에 결합된 하나의 입력과, 전브리지의 다른쪽에 결합된 또하나의 입력과, 브리지 출력을 거치는 전압을 나타내는 출력 귀환신호를 갖는 차동증폭기와;

   오디오 입력과 출력 귀환신호를 수신하고 가산하며 제1 및 제2 상보성 비교기 제어신호를 발생시키기 위한 적분오류 증폭기회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 오디오 증폭기.
2. 제1항에 있어서, 오류 증폭기는 상보성 비교기 제어신호를 발생시키기 위한 반전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 오디오 증폭기.
3. 제1항 혹은 제2항에 있어서, 브리지는 4개의 파워 MOSFET 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 오디오 증폭기.
4. 제3항에 있어서, 파워 MOSFET 디바이스는 준 수직 DMOS 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 오디오 증폭기.
5. 제1항 내지 제4항에 있어서, 오류 증폭기는 적분기인 것을 특징으로 하는 스위칭 오디오 증폭기.
6. 제1항 내지 제5항에 있어서, 출력브리지는 필터의 개입없이 부하에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭 오디오 증폭기.
7. 오디오 입력신호와 오류신호를 수신하고 가산하고 적분하고, 상보형 출력 제어신호를 발생시키기 위한 입력 증폭기와;

   기준전압과 상보성 제어전압 사이의 각각의 차에 비례하는 폭을 갖는 펄스폭 변조신호를 발생시키며, 변조 기준전압을 상보성 제어신호 중의 하나와 비교하기 위한 것과, 변조 기준전압을 또다른 상보성 제어신호와 비교하기 위한 것인 한쌍의 비교기와;

   입력 오디오 신호에 비례하여 부하를 구동하는 한쌍의 출력을 발생시키기 위한 상보성 제어전압에 응답하는 출력 브리지와;

   브리지를 거친 부하에 비례하는 오류신호를 발생시키기 위한 브리지 출력에 연결된 차동증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 2중 비교기 폐루프 오디오 증폭기.