KR19980073677A - Self-oscillating delta modulation class D acoustic amplifier - Google Patents

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KR19980073677A
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Abstract

본 발명은 D급 증폭기를 이용한 음향증폭기에 관한 것으로서, 상세하게는 D급 증폭기에 전압 부궤환수단을 부가하여 저왜율을 확보하면서도 D급 증폭기의 장점인 고효율을 갖는 델타변조(delta modulation) 방식의 자려발진형(self- oscillation) D급 음향증폭기를 구현한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acoustic amplifier using a class D amplifier. Specifically, the present invention relates to a delta modulation method having a high efficiency, which is an advantage of the class D amplifier, while securing low distortion by adding a voltage negative feedback means to the class D amplifier. It is a self-oscillation class D acoustic amplifier.

본 발명의 D급 음향증폭기는 가변주파수-가변듀티(variable frequency- variable duty)의 2개의 자유도 확보를 위하여 자려발진이 되도록 델타변조 D급 증폭기를 구성하여, 별도의 변조 캐리어 신호(톱니파 혹은 삼각파 등) 발생회로 없이 가변주파수-가변듀티로 스스로 스위칭 동작하여 증폭을 수행함으로써 부품의 소자값 또는 각종 특성의 변화를 스스로 조정할 수 있기 때문에 최소의 부품을 사용하면서 최대출력전압이 거의 외부인가전압(±Vdd)까지 대칭상태로 풀 스윙할 수 있다. 또한 저왜율(0.1% 근방)과 높은 효율(90%대)로 에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 최대출력의 풀 스윙을 하는 경우에도 신호가 잘리는 문제가 전혀 없으며, 20Hz∼20kHz까지의 가청주파수 대역에서 평판한 이득특성을 보이는 한편, 3dB 밴드 폭도 30kHz 근방에 존재하므로 응답특성도 양호하고, 2차 시스템이므로 전체 시스템이 상시 안정하여 안정도 문제가 전혀 없다. 아울러 극히 적은 수의 부품을 사용하므로 싼 가격으로 제조할 수 있어 경쟁력을 향상시킬 수 있다.The class D acoustic amplifier of the present invention configures a delta modulated class D amplifier to be self-oscillating to secure two degrees of freedom of variable frequency-variable duty, thereby providing a separate modulated carrier signal (sawtooth wave or triangle wave). It is possible to adjust the change of device's element value or characteristics by self switching by variable frequency-variable duty without generating circuit, so that the maximum output voltage is almost externally applied voltage (±) Vdd) up to full swing in symmetry. In addition, energy savings are possible due to low distortion (near 0.1%) and high efficiency (90%), and there is no problem in that the signal is cut off even at full swing of maximum output, and audible frequency from 20Hz to 20kHz While the gain characteristics are reputed in the band, the 3dB band width is also present in the vicinity of 30 kHz, so the response characteristics are good. As the secondary system, the entire system is always stable and there is no stability problem. In addition, the use of a very small number of parts can be manufactured at a low price, thereby improving competitiveness.

Description

자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기Self-oscillating delta modulation class D acoustic amplifier

본 발명은 D급 증폭기를 이용한 음향증폭기에 관한 것으로서, 상세하게는 D급 증폭기에 전압 부궤환수단을 부가하여 저왜율을 확보하면서도 D급 증폭기의 장점인 고효율을 갖는 자려발진형 델타변조(self-oscillation delta modulation) D급 음향증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to an acoustic amplifier using a class D amplifier. Specifically, a self-oscillating delta modulation (self-) having high efficiency, which is an advantage of the class D amplifier, is secured by adding a voltage negative feedback means to the class D amplifier. oscillation delta modulation) Class D acoustic amplifier.

통상, 음향증폭기로서 사용되고 있는 증폭기는 A급, B급 및 AB급의 아날로그 증폭기와 D급의 디지털 증폭기로 대별할 수 있다.In general, amplifiers used as acoustic amplifiers can be roughly divided into class A, B and AB analog amplifiers and class D digital amplifiers.

이러한 음향증폭기에 있어서 그 동안 높은 효율보다는 선형성이 더 강조되어 왔으며, 전력의 손실을 그다지 고려하지 않아도 되는 시대적인 분위기 및 기술부족 등의 이유로 최근까지 음향증폭기에는 선형성이 우수한 A급, B급 및 AB급의 아날로그 증폭기가 채용되고 있다.In this acoustic amplifier, linearity has been emphasized more than high efficiency for a long time, and acoustic amplifiers have excellent linearity in class A, B, and AB until recently because of the atmosphere and technology lack of consideration of power loss. Class analog amplifier is adopted.

그러나 아날로그 증폭기로 대출력 증폭기를 구현할 경우, 효율이 나빠 막대한 전력 손실이 발생한다. 또한 음성 에너지로 변화되어 출력되는 에너지 이외의 에너지는 모두 열로 변화되는 까닭에 증폭기의 온도가 상승하게되어 이를 강제 냉각시키기 위해서는 필연적으로 방대한 방열판이 요구되기 때문에 결국 부피가 커지게 되는 문제가 있다.However, implementing a large output amplifier with an analog amplifier is inefficient, resulting in huge power losses. In addition, since the energy of the amplifier is changed to heat and all of the energy other than the energy is converted into heat, the temperature of the amplifier is increased, so that a massive heat sink is inevitably required to force cooling of the amplifier.

아날로그 증폭기 중에 이러한 특성이 가장 극명하게 나타나는 증폭기가 A급 증폭기이다. A급 증폭기는 증폭기의 최대 출력보다 더 큰 손실이 존재하는 증폭기로서 그 효율이 25%를 넘지 못하는 구조적인 단점이 있다.The most obvious of these characteristics among analog amplifiers is the Class A amplifier. Class A amplifiers have a loss that is greater than the amplifier's maximum output and have a structural disadvantage that the efficiency does not exceed 25%.

한편, 이를 개선하기 위하여 채택하고 있는 푸시풀(push-pull) B급 증폭기의 경우에는 에너지 손실을 줄이기 위하여 두 개의 트랜지스터를 에미터 폴로어(emitter follower) 형태로 결합하여 사용하는데, 효율은 최대 78.5%까지 얻을 수 있어 비교적 높은 편이나 신호가 작은 레벨에서 크로스오버 왜곡(crossover distortion)이 발생하는 단점이 있다. 이러한 B급 증폭기에 적당한 부궤환을 적용하면 신호가 작은 경우에 발생하는 크로스오버 왜곡은 어느 정도 개선할 수 있으나 대전압에서 대전류를 흘러야하는 경우에 고조파왜율(Total Harmonic Distortion : THD)이 나빠지는 것을 완전히 해결할 수는 없다.On the other hand, the push-pull class B amplifier, which is adopted to improve this, uses two transistors in the form of emitter follower to reduce energy loss. It can get up to%, but the disadvantage is that crossover distortion occurs at relatively high levels but at a small signal level. Applying the appropriate negative feedback to such a class B amplifier can improve the crossover distortion that occurs when the signal is small to some extent, but the harmonic distortion (THD) becomes worse when a large current must flow at a large voltage. It cannot be solved completely.

그 이유는 B급 증폭기의 구조에 종속된다. 즉, B급 증폭기에 존재하는 두 개의 트랜지스터는 서로 번갈아 가면서 온/오프(on/off)되기 때문에 작은 전류가 흐르고 있을 때에는 온/오프가 용이하나, 큰 전류가 흐르고 있을 때에는 온/오프가 빠르게 수행되기 어렵다. 다시 말해 B급 증폭기는 평상시에는 바이어스 전류가 전혀 흐르고 있지 않기 때문에, 특히 대전류 영역에서는 빠른 온/오프가 어려워 고조파왜율이 나빠지는 것이다.The reason depends on the structure of the class B amplifier. In other words, the two transistors in the class B amplifier are alternately turned on and off, so it is easy to turn on and off when a small current flows, but quickly turn on and off when a large current flows. It's hard to be. In other words, since the class B amplifier does not normally flow any bias current at all, especially in a large current region, fast on / off is difficult, resulting in poor harmonic distortion.

A급과 B급의 중간형태인 AB급 증폭기는 무신호 시에도 어느 정도의 전류가 흐르는데, 이 전류의 크기는 A급 증폭기에 비해서는 훨씬 작은 전류이며, B급에 비하여는 대단히 큰 전류이다. 따라서, 바이어스 전류를 많이 흘리면 흘릴수록 특성은 A급에 근사하며, 반면에 바이어스 전류를 적게 흘리면 흘릴수록 특성이 B급에 근사하는 증폭기이다.Class A amplifiers, which are intermediate between class A and class B, have some current flowing in the absence of a signal. The magnitude of this current is much smaller than that of class A amplifier, and is much larger than class B. Therefore, the more the bias current flows, the closer the characteristic is to Class A. On the other hand, the less the bias current flows, the closer the characteristic is to the amplifier.

상기 A급, B급 및 AB급의 아날로그 증폭기의 경우, 손실량의 차이는 존재하지만, 가해주는 에너지의 21.5%∼75%가 결국은 열로 손실되므로 방열을 위하여 방열판이나 냉각용 팬(fan)이 필요하게 되고, 방열판 및 냉각용 팬의 부가는 부피의 증가라는 문제 이외에도 팬의 소음공해라는 문제까지도 유발할 수 있다. 이러한 문제를 내포하고 있는 음향증폭기는 가정용으로 사용할 경우에도 폐해가 있지만, 특히 밀폐된 공간, 예를 들어 자동차용 음향기기의 경우를 가정하면 과다한 열 손실은 밀폐된 자동차내의 공간에서 음향기기의 온도 상승으로 연결이 되므로, 음향기기의 수명단축을 초래할 수 있다.In the case of the analog amplifiers of the class A, B and AB class, there is a difference in loss amount, but since 21.5% to 75% of the energy applied is eventually lost to heat, a heat sink or a cooling fan is required for heat dissipation. In addition, the addition of the heat sink and the cooling fan may cause a problem of noise pollution of the fan in addition to the problem of increase in volume. Acoustic amplifiers containing these problems are also harmful when used for home use. However, assuming that especially in the case of a closed space, for example a car acoustic device, excessive heat loss can cause the temperature of the sound equipment to rise in the space inside the closed car. This can lead to a shortening of the life of the sound equipment.

따라서, 가정용, 집회장용 및 차재용 등의 모든 음향기기에 있어서 중요한 점은 선형성(혹은 고조파왜율)이 우수해야함은 물론이고, 열 손실을 줄이기 위하여 효율이 좋아야 하며, 아울러 되도록 부피가 작아야 한다는 것이다.Therefore, an important point for all acoustic devices such as home, meeting room, and in-vehicle is not only excellent linearity (or harmonic distortion), but also to be efficient in order to reduce heat loss, and to be as small as possible.

아날로그 증폭기의 문제점을 해결할 수 있는 증폭기, 즉 좋은 효율과 작은 부피를 제공할 수 있는 증폭기로서 디지털 증폭기인 D급 증폭기를 고려해 볼 수 있다.As an amplifier that can solve the problems of the analog amplifier, that is, an amplifier capable of providing good efficiency and a small volume, a class D amplifier, which is a digital amplifier, can be considered.

D급 증폭기는 선형동작이 아닌 스위칭(switching) 동작에 의하여 증폭을 수행하는 펄스폭변조(Pulse width Modulation : PWM) 방식을 채택한 증폭기로 제어 펄스, 즉 파워 FET(Field Effect Transistor)의 게이트 신호는 보통 고정된 주파수(수백 kHz대)를 갖는 톱니파 캐리어 신호와 제어 기준신호(음성신호의 에러 신호)의 비교를 통하여 생성된다. D급 증폭기를 이용한 음향증폭기에서는 스위칭에 의한 비선형 동작을 이용하여 증폭을 수행하기 때문에 왜곡이 존재하는데, 이는 적절한 부궤환(negative feedback)을 사용하여 음향기기로서 가치가 충분히 있을 만큼 기술적으로 보정해 줄 수 있다.Class D amplifiers adopt a pulse width modulation (PWM) method that amplifies by switching rather than linear operation. The gate signal of the control pulse, that is, the power field effect transistor (FET), is usually A sawtooth carrier signal having a fixed frequency (several hundreds of kHz) is generated through comparison of a control reference signal (error signal of a speech signal). Distortion exists in acoustic amplifiers using Class D amplifiers because they perform amplification using nonlinear operation by switching, which can be technically corrected to be of sufficient value as an acoustic device by using appropriate negative feedback. Can be.

D급 증폭기를 이용한 음향증폭기의 원리는 스위칭 레귤레이터(switching regulator) 혹은 PWM 변환기(PWM Converter)와 동일한 원리이며, 다만 다른 점이라면 전술한 스위칭 레귤레이터나 PWM 변환기에 비하여 음향기기용 D급 증폭기는 약 20Hz∼20kHz의 넓은 가청주파수 대역의 밴드 폭을 갖는다는 점이다.The principle of an acoustic amplifier using a class D amplifier is the same as that of a switching regulator or a PWM converter, except that the class D amplifier for an acoustic device is about 20 Hz to about 20 Hz to that of the switching regulator or PWM converter. It has a band width of 20 kHz wide audible frequency band.

D급 증폭기는 하이파워 스위치로서 통상 하이파워 FET를 채용하는데, 이상적일 경우 이론적으로는 거의 100%의 효율을 얻을 수 있으나 실제로는 스위칭 주파수에 비례하는 열 손실이 발생하고 또한 여러 가지 제어회로에서 전력소모가 발생하므로 대강 90% 전후의 효율을 기대할 수 있다.Class D amplifiers typically employ a high-power FET as a high-power switch, ideally theoretically 100% efficient, but in reality heat loss proportional to the switching frequency and power in various control circuits. As consumption occurs, the efficiency can be expected to be around 90%.

이러한 D급 증폭기는 고조파왜율이 나쁘기 때문에 부궤환 회로 처리를 잘 해주어야만 음향기기로서의 음질이 충분히 확보될 수 있다.Since the harmonic distortion of the class D amplifier is bad, it is necessary to handle the negative feedback circuit well so that sound quality as an acoustic device can be sufficiently secured.

그러나, 도 1에 나타낸 종래의 D급 증폭기를 이용한 음향기기에는 통상 펄스폭변조 방식의 스위칭을 이용하여 증폭을 수행하는 디지털 회로부분과 그에 더불어 부수되는 아날로그 회로부분이 혼재하고 있기 때문에 회로 내에 스위칭 잡음이 많으며, 안정성(stability)이 충분히 확보된 부궤환 회로를 설계하여 부가하기가 상당히 어렵다. 또 부궤환 회로처리를 잘못하면 회로가 불안정하게 되어 발진을 일으키는 수도 있다.However, in the acoustic apparatus using the conventional class D amplifier shown in Fig. 1, since the digital circuit portion for performing amplification using pulse width modulation switching and the analog circuit portion accompanying it are mixed, switching noise in the circuit is mixed. There are many, and it is quite difficult to design and add a negative feedback circuit with sufficient stability. Incorrect processing of the negative feedback circuit may cause the circuit to become unstable and cause oscillation.

D급 증폭기를 이용한 음향기기가 내포하고 있는 전술한 문제점을 해결하기 위한 발명으로서 본 발명자는 3중 부궤환 D급 음향증폭기(대한민국 특허출원 제 96-37905호)의 발명을 이미 출원한 바가 있다. 전술한 발명에서는 펄스폭변조 스위칭 방식의 D급 증폭기를 이용한 음향증폭기에 있어서, 고효율, 고출력을 확보하면서도 보다 개선된 낮은 고조파왜율(0.1% 이하)의 특성을 갖는 3중 부궤환 음향증폭기의 제공을 목적으로 하였다.As an invention for solving the above-mentioned problems included in an acoustic apparatus using a class D amplifier, the present inventor has already filed the invention of a triple negative feedback class D acoustic amplifier (Korean Patent Application No. 96-37905). In the above-described invention, in the acoustic amplifier using the pulse width modulation switching class-D amplifier, it is possible to provide a triple negative feedback acoustic amplifier having improved characteristics of low harmonic distortion (0.1% or less) while improving efficiency and high power. It was for the purpose.

그런데, 고정된 주파수(수백 kHz대)를 갖는 톱니파 캐리어 신호와 제어 기준신호(음성신호의 에러 신호)의 비교를 통하여 스위칭 동작을 수행하는 일반적인 펄스폭변조 D급 증폭기는 또 다른 문제점을 가지고 있다.However, a general pulse width modulation class D amplifier having a switching operation by comparing a sawtooth carrier signal having a fixed frequency (several hundreds of kHz) and a control reference signal (error signal of an audio signal) has another problem.

입력신호가 정현파인 경우를 가정하면, 최대출력전압을 얻기 위하여 변조계수(MI: Modulation Index = 기준신호(음성신호의 에러 신호)/톱니파 캐리어 신호)를 거의 1로 하여 동작시키는 경우, 즉 최대입력신호를 가하여 최대출력을 얻고자 하는 경우에 출력파형이 외부공급전압(±Vdd)까지 도달하는 대칭형 풀 스윙(full swing) 파형을 얻기가 어렵다는 문제가 있다. 다시 말해, 출력전압이 풀 스윙을 하는 경우, 정현파 출력의 최대 혹은 최소 지점의 어느 한쪽에서 출력파형이 잘리게 되는 클립문제(입력전압 problem)가 발생한다. 그 이유는 전술한 D급 증폭기에 사용되는 두 개의 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)에 있어서 스위칭 시에 펄스파형의 상승(rising) 및 하강(falling) 시간에 대한 특성이 상호 다르기 때문이다. 또 다른 이유로는 종래의 D급 증폭기에는 스위칭 동작이 고정주파수-가변듀티(fixed frequency-variable duty) 방식으로 이루어지기 때문이다. 즉, 듀티 조절만의 스위칭 동작(자유도 1개)으로 증폭을 수행하므로 상기한 바와 같이 MOSFET들의 특성이 상이한 경우에 발생하는 문제가 출력 파형에 영향을 주게 되는 것이다.Assuming that the input signal is a sine wave, in order to obtain the maximum output voltage, when the modulation coefficient (MI: Modulation Index = reference signal (audio signal error signal) / sawtooth carrier signal) is set to almost 1, that is, the maximum input voltage In the case of obtaining a maximum output by applying a signal, it is difficult to obtain a symmetrical full swing waveform in which the output waveform reaches the external supply voltage (± Vdd). In other words, when the output voltage is full swing, a clip problem (input voltage problem) occurs in which the output waveform is cut at either the maximum or minimum point of the sine wave output. The reason for this is that the two MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) used in the above-described Class D amplifier have different characteristics on the rising and falling times of the pulse waveform during switching. Another reason is that the switching operation is performed in a fixed frequency-variable duty scheme in the conventional class D amplifier. That is, since the amplification is performed by the switching operation of only duty adjustment (1 degree of freedom), the problem that occurs when the characteristics of the MOSFETs are different as described above affects the output waveform.

이를 해결하기 위한 쉬운 방법을 든다면, 외부공급전압(±Vdd)을 올리고, 변조계수(MI)를 낮은 영역에서 사용하면 된다. 그러나 이와 같은 단순한 방법은 사용하는 소자에 대한 전압 스트레스(voltage stress)를 가중시킴으로써 수명단축의 문제를 낳을 뿐만 아니라, 쓸데없는 전력손실(power loss) 증가라는 또 다른 문제점을 유발한다.An easy way to solve this problem is to increase the external supply voltage (± Vdd) and use the modulation coefficient (MI) in the low range. However, such a simple method not only shortens the lifespan by increasing the voltage stress on the device, but also causes another problem of unnecessary power loss.

또 다른 해결방법으로는 개별조정방법(individual tuning method)을 들 수 있다. 이 방법은 흔히 고가의 음향기기에서 주로 사용되는 방법인데, 풀 스윙 출력을 목적으로 한다면, 음향기기내에 존재하는 부품 중에 풀 스윙 조정(tuning)에 유효하다고 생각되는 부품을 계속 바꾸어 나가면서 시행착오로 조정하는 방법으로 상당히 번거럽고, 비생산적인 방법이다.Another solution is the individual tuning method. This method is commonly used in expensive audio equipment. For the purpose of full swing output, trial and error can be done by continuously changing the parts that exist in the audio equipment that are considered valid for full swing tuning. It's a cumbersome and unproductive way to adjust.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 최소의 부품을 사용하면서 최대출력전압이 거의 외부인가전압(±Vdd)까지 대칭상태로 풀 스윙할 수 있는 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기를 제공하는 데 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, the self-excited delta-modulated D-class sound that can be full swing symmetrically up to the external output voltage (± Vdd) while using the minimum components To provide an amplifier.

이를 위하여 본 발명에서는 가변주파수-가변듀티(variable frequency- variable duty)의 2개의 자유도 확보를 위하여 자려발진이 되도록 델타변조 D급 증폭기를 구성함으로써 부품의 소자값 또는 각종 특성이 다소 변하더라도 스스로 조정(self-tuning)할 수 있는 능력을 부여하는 것을 특징으로 한다.To this end, in the present invention, the delta modulated Class D amplifier is configured to be self-oscillating to secure two degrees of freedom of variable frequency-variable duty, thereby adjusting itself even if the device value or various characteristics of the component are somewhat changed. and the ability to self-tuning.

도 1은 종래의 디지털 증폭기의 블록구성도1 is a block diagram of a conventional digital amplifier

도 2는 본 발명의 음향증폭기의 블록구성도2 is a block diagram of an acoustic amplifier of the present invention.

도 3은 도 2의 상세 회로도3 is a detailed circuit diagram of FIG.

도 4a 및 4b는 본 발명의 음향증폭기의 입출력 파형도4A and 4B are input and output waveform diagrams of the acoustic amplifier of the present invention.

도 5a 및 5b는 본 발명의 음향증폭기의 고조파왜율의 측정도5A and 5B are measurement diagrams of harmonic distortion of the acoustic amplifier of the present invention.

도 6은 본 발명의 음향증폭기의 효율의 측정도Figure 6 is a measure of the efficiency of the acoustic amplifier of the present invention

도 7a 및 7b는 본 발명의 음향증폭기의 주파수 응답의 측정도7a and 7b are measurements of the frequency response of the acoustic amplifier of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 변조기 20 : 파워 스위치부10 modulator 20 power switch unit

30 : 복조필터 40 : 스피커30: demodulation filter 40: speaker

50 : 전압부궤환 수단 CP : 비교기50: voltage negative feedback means CP: comparator

Q1∼Q4 : 트랜지스터M1, M2 : 하이파워 스위치Q1 to Q4: Transistors M1 and M2: High power switch

D1∼D4 : 다이오드Z1∼Z4 : 제너 다이오드D1 to D4: Diodes Z1 to Z4: Zener Diodes

L : 인덕터R1∼R10 : 저항L: Inductor R1-R10: Resistance

RH : 저항 C1∼C5 : 커패시터RH: Resistor C1 to C5: Capacitor

+Vdd, -Vdd : 외부 공급 전원 Vin : 입력전압+ Vdd, -Vdd: External power supply Vin: Input voltage

Vout : 출력전압(스피커 입력전압) Vf : 부궤환전압Vout: Output voltage (speaker input voltage) Vf: Negative feedback voltage

Vcp : 비교기 출력전압 Vq : 트랜지스터 출력전압Vcp: comparator output voltage Vq: transistor output voltage

Vm : 하이파워 스위치 출력전압Vm: High Power Switch Output Voltage

본 발명의 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기는 도 2에 나타낸 바와 같이 입력신호(Vin)와 전압부궤환 수단(50)으로부터 입력되는 부궤환전압(Vf)을 비교함으로써 입력신호(Vin)를 가변주파수-가변듀티의 펄스파형으로 변조하여 출력하는 변조기(10)와; 상기 변조기(10)의 출력을 전류증폭하고 스위칭 동작을 수행하는 파워 스위치부(20)와; 상기 파워 스위치부(20)의 출력신호를 적분 복조하는 복조필터(30)와; 상기 복조필터(30)의 출력전압(Vout)을 적당한 크기로 감쇄시켜 부궤환전압을 변조기(10)에 공급하는 전압부궤환 수단(50) 및 외부 부하인 스피커(40)로 구성된다.As shown in FIG. 2, the self-oscillating delta modulated class D acoustic amplifier of the present invention compares the input signal Vin with the negative feedback voltage Vf inputted from the voltage negative feedback means 50. A modulator 10 for modulating and outputting a pulse waveform of variable frequency-variable duty; A power switch unit 20 amplifying the output of the modulator 10 and performing a switching operation; A demodulation filter (30) which integrally demodulates an output signal of the power switch unit (20); The output voltage Vout of the demodulation filter 30 is attenuated to an appropriate magnitude, and includes a voltage negative feedback means 50 for supplying a negative feedback voltage to the modulator 10 and a speaker 40 which is an external load.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 음향증폭기를 도 3에 나타낸 상세 회로도를 참조하여 설명한다.The acoustic amplifier of the present invention having the above configuration will be described with reference to the detailed circuit diagram shown in FIG.

변조기(10)는 커패시터(C1)와 저항(R1)으로 이루어지며 입력전압(Vin)의 직류성분 및 낮은 주파수 성분을 차단하는 고역통과여파기(high pass filter)와; 상기 고역통과여파기로부터 입력되는 신호와 전압부궤환 수단(50) 및 저항(RH)을 통해 피드백되어 입력되는 신호를 비교 출력하는 비교기(CP)와; 상기 비교기(CP)의 풀업(pull-up) 저항(R2) 및 히스테리시스 전압을 결정하는 저항(RH)으로 구성된다.The modulator 10 includes a high pass filter comprising a capacitor C1 and a resistor R1 and blocking direct current and low frequency components of the input voltage Vin; A comparator (CP) for comparing and outputting a signal input from the high pass filter with a signal fed back through the voltage sub-feedback means (50) and a resistor (RH); It consists of a pull-up resistor R2 of the comparator CP and a resistor RH that determines the hysteresis voltage.

파워 스위치부(20)는 다링톤(darlington)형 에미터폴로어(emitter follower) 구조를 형성하며 상기 변조기(10)의 출력 전류를 증폭하는 트랜지스터(Q1∼Q4)와; 상기 트랜지스터(Q1∼Q4)의 빠른 역회복(reverse recovery)을 도모하는 다이오드(D1, D2)와; 응답특성을 조정하는 분배저항(R3, R4)과; P채널 MOSFET인 하이파워 스위치(M1)를 천천히 턴온(turn-on)시키는 저항(R5), 빨리 턴오프(turn-off)시키는 다이오드(D3)와; N채널 MOSFET인 하이파워 스위치(M2)를 천천히 턴온시키는 저항(R6), 빨리 턴온프시키는 다이오드(D4)와; 하이파워 스위치(M1, M2)로 유입되는 직류성분을 차단하는 블로킹 커패시터(C2, C3), 풀업 저항(R7) 및 풀다운 저항(R8)과; 상기 MOSFET(M1, M2)의 게이트(gate)의 턴온 및 턴오프 전압을 결정하는 제너 다이오드(Z1∼Z4)로 구성된다.The power switch unit 20 includes transistors Q1 to Q4 that form a darlington type emitter follower structure and amplify the output current of the modulator 10; Diodes D1 and D2 for fast reverse recovery of the transistors Q1 to Q4; Distribution resistors R3 and R4 for adjusting the response characteristics; A resistor R5 for slowly turning on the high power switch M1, which is a P-channel MOSFET, and a diode D3 for quickly turning off; A resistor R6 for slowly turning on the high power switch M2, which is an N-channel MOSFET, and a diode D4 for rapidly turning on; Blocking capacitors C2 and C3, pull-up resistors R7, and pull-down resistors R8 for blocking direct current flowing into the high power switches M1 and M2; Zener diodes Z1 to Z4 determine the turn-on and turn-off voltages of the gates of the MOSFETs M1 and M2.

복조필터(30)는 2차 순시 적분형 저역통과여파기(low pass filter)를 형성하는 인덕터(L)와 커패시터(C4)로 구성된다. 이 복조필터는 변형된 펄스파형(수백 kHz)으로부터 가청주파수대역(20Hz∼20kHz)의 신호를 복조하는 측면에서 볼 경우에는 저역통과여파기로 생각할 수 있으며, 수백 kHz대의 펄스신호에 대하여 순시적으로 작동하는 측면에서 볼 때에는 적분기로 생각할 수 있다.The demodulation filter 30 is composed of an inductor L and a capacitor C4 forming a second instantaneous integral type low pass filter. This demodulation filter can be thought of as a lowpass filter in terms of demodulating a signal in the audible frequency band (20 Hz to 20 kHz) from a modified pulse waveform (hundreds of kHz), and operates instantaneously for pulse signals in the hundreds of kHz. In terms of doing so, it can be thought of as an integrator.

전압부궤환 수단(50)은 출력전압(Vout)을 적당한 크기로 감쇄시켜 부궤환전압(Vf)을 얻는 저항(R9, R10) 및 응답특성을 조정하는 커패시터(C5)로 구성된다.The voltage negative feedback means 50 is composed of resistors R9 and R10 for reducing the output voltage Vout to an appropriate magnitude to obtain the negative feedback voltage Vf and a capacitor C5 for adjusting the response characteristics.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 작용을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 여기서 용이한 설명을 위하여 입력신호(Vin)는 정현파라고 가정한다.The operation of the present invention having the configuration as described above will be described with reference to FIGS. 2 and 3. For ease of explanation, it is assumed that the input signal Vin is a sine wave.

우선, 각단에서 얻어지는 파형을 도 2에서 살펴보면, 정현파 입력파형(Vin)이 변조기(10)에 입력되고, 변조기(10)의 출력은 가변주파수-가변듀티의 펄스파형이다. 이 펄스파형은 파워 스위치부(20)에 입력된 후, 비슷한 모양의 펄스파형으로 변환되어 파워 스위치부(20)의 출력으로 나타난다.First, referring to the waveform obtained at each stage in FIG. 2, the sine wave input waveform Vin is input to the modulator 10, and the output of the modulator 10 is a pulse waveform of a variable frequency-variable duty. This pulse waveform is input to the power switch unit 20, and then converted into a pulse waveform of a similar shape and appears as an output of the power switch unit 20.

대전류의 제공이 가능한 하이파워 스위치(M1, M2)의 출력펄스 파형은 복조필터(30)를 경유하면서 수십배 정도 증폭된 정현파 출력(Vout)으로 복조된다. 증폭된 정현파 출력(Vout)은 스피커(40)로 인입되고 음향으로 변환되고, 동시에 전압부궤환 수단(50)에 의하여 부궤환 신호(Vf)로 변환되어 변조기(10)의 (-)단자로 입력된다.The output pulse waveforms of the high power switches M1 and M2 capable of providing a large current are demodulated by a sine wave output Vout amplified by several tens of times via the demodulation filter 30. The amplified sinusoidal output Vout is introduced into the speaker 40 and converted to sound, and at the same time is converted into a negative feedback signal Vf by the voltage negative feedback means 50 and input to the negative terminal of the modulator 10. do.

변조기(10)의 (-)단자로 입력되는 부궤환 신호(Vf)는 변조기(10)의 (+)단자로 입력되는 입력신호(Vin)와 거의 같은 크기를 갖는 정현파 신호이다. 변조기(10)의 출력으로 나타나는 펄스신호는 변조기(10)의 (+)단자로 입력되는 입력신호(Vin)와 변조기(10)의 (-)단자로 입력되는 부궤환 신호(Vf)의 비교에 의하여 얻어지는 펄스파형이다.The negative feedback signal Vf input to the negative terminal of the modulator 10 is a sinusoidal signal having substantially the same magnitude as the input signal Vin input to the positive terminal of the modulator 10. The pulse signal appearing at the output of the modulator 10 is used to compare the input signal Vin input to the (+) terminal of the modulator 10 and the negative feedback signal Vf input to the (-) terminal of the modulator 10. It is a pulse waveform obtained by.

도 3을 통하여 시간 순차적으로 신호가 어떻게 변화하는가를 부연하여 설명한다.It will be described in detail how the signal changes in time sequential through FIG.

입력신호(Vin)는 정현파이며, 이제 막 정현파의 신호가 양으로 증가하려 한다고 하고, 쉬운 설명을 위하여 저항(RH)이 충분히 크기 때문에 저항(RH)을 경유하여 비교기(CP)의 (+)단자에 중첩되는 히스테리시스 전압의 영향을 무시할 수 있고, 부궤환 신호(Vf)의 초기 전압은 0이며, 출력전압(Vout) 또한 0이라고 가정하자.The input signal Vin is a sinusoidal wave, and the signal of the sinusoidal wave is about to increase positively, and for the sake of easy explanation, since the resistor RH is large enough, the positive terminal of the comparator CP is connected via the resistor RH. The influence of the hysteresis voltage superimposed on can be ignored, and assume that the initial voltage of the negative feedback signal Vf is zero and the output voltage Vout is also zero.

그러면, 입력신호(Vin)가 부궤환 신호(Vf) 보다 크기 때문에 비교기(CP)의 (-)단자의 전압은 비교기(CP)의 (+)단자의 전압보다 크다. 따라서, 비교기(CP)의 출력(Vcp)은 로우(low)인 전압(-Vdd)이 된다. 이에 따라 트랜지스터(Q3, Q4)는 온(on)이 되고, 트랜지스터(Q1, Q2)는 오프(off)가 되기 때문에 트랜지스터의 출력전압(Vq)은 로우 상태의 전압(-Vdd)이 된다. 비교기(CP)의 출력전압(Vcp) 파형과 트랜지스터의 출력전압(Vq) 파형의 모양은 비슷하고, 다만 다른 점이라면 다음 단의 하이파워 스위치(M1, M2)의 구동을 위하여 에미터 폴로어형의 트랜지스터(Q1∼Q4)에 의해 전류증폭이 이루어진다는 점이다.Then, since the input signal Vin is greater than the negative feedback signal Vf, the voltage of the negative terminal of the comparator CP is greater than the voltage of the positive terminal of the comparator CP. Therefore, the output Vcp of the comparator CP becomes a low voltage (-Vdd). Accordingly, since the transistors Q3 and Q4 are turned on and the transistors Q1 and Q2 are turned off, the output voltage Vq of the transistor becomes the voltage (-Vdd) in the low state. The output voltage (Vcp) waveform of the comparator (CP) and the output voltage (Vq) waveform of the transistor are similar, except that the difference between the emitter follower type to drive the high power switch (M1, M2) of the next stage. The current amplification is performed by the transistors Q1 to Q4.

트랜지스터의 출력전압(Vq)이 로우상태의 전압(-Vdd)이 되면, 하이파워 스위치(M1)가 온 되고, 그 결과 하이파워 스위치(M1, M2)의 출력전압(Vm)은 하이(high)인 전압(+Vdd)이 되고, 이 전압(Vm)은 복조필터(30)의 2차 순시 적분형 저역통과여파기인 인덕터(L)와 커패시터(C4)에 의해서 순시적으로 양의 전압으로 적분됨으로써 출력전압(Vout)으로 복조된다.When the output voltage Vq of the transistor reaches a low voltage (-Vdd), the high power switch M1 is turned on, and as a result, the output voltage Vm of the high power switches M1 and M2 is high. It becomes the phosphorus voltage (+ Vdd), and this voltage (Vm) is instantaneously integrated with a positive voltage by the inductor (L) and the capacitor (C4) which are the second instantaneous integrated low pass filter of the demodulation filter (30). Demodulated to output voltage Vout.

출력전압(Vout)은 전압부궤환 수단(50)인 저항(R9, R10)과 커패시터(C5)에 의해서 부궤환전압(Vf)으로 변환되어 비교기(CP)의 (+) 단자로 전달된다. P채널 MOSFET 하이파워 스위치(M1)가 온 되어 있는 동안에 출력전압(Vout)은 계속 증가하고, 부궤환전압(Vf)도 계속 증가한다. 그러다 비교기(CP)의 (+)단자로 전달되는 부궤환전압(Vf)이 비교기(CP)의 (-)단자로 전달되는 입력전압(Vin)을 능가하는 순간에 비교기(CP)의 출력전압(Vcp)은 로우상태(-Vdd)에서 하이상태(+Vdd)로 변화된다.The output voltage Vout is converted to the negative feedback voltage Vf by the resistors R9 and R10 and the capacitor C5, which are the voltage negative feedback means 50, and transferred to the positive terminal of the comparator CP. While the P-channel MOSFET high power switch M1 is on, the output voltage Vout continues to increase, and the negative feedback voltage Vf continues to increase. The output voltage of the comparator CP at the instant when the negative feedback voltage Vf transmitted to the positive terminal of the comparator CP exceeds the input voltage Vin delivered to the negative terminal of the comparator CP Vcp) is changed from the low state (-Vdd) to the high state (+ Vdd).

이에 따라 트랜지스터의 출력(Vq)도 하이가 되므로, 이번에는 N채널 MOSFET인 하이파워 스위치(M2)가 온되고 P채널 MOSFET인 하이파워 스위치(M1)는 오프되므로 트랜지스터의 출력(Vq)도 하이가 되어, 이번에는 하이파워 스위치(M2)가 온되고 하이파워 스위치(M1)는 오프 된다. 하이파워 스위치(M2)가 온되면 하이파워 스위치의 출력전압(Vm)이 로우상태(-Vdd)가 되므로, 2차 순시 적분형 저역통과여파기인 인덕터(L)와 커패시터(C4)에 의해서 음의 전압으로 적분되어 출력전압(Vout)은 감소하고, 부궤환전압(Vf)도 감소한다.As a result, the output Vq of the transistor also becomes high. This time, the high power switch M2, which is an N-channel MOSFET, is turned on, and the high power switch M1, which is a P-channel MOSFET, is turned off. This time, the high power switch M2 is turned on and the high power switch M1 is turned off. When the high power switch (M2) is turned on, the output voltage (Vm) of the high power switch becomes low (-Vdd). Therefore, the negative voltage is reduced by the inductor (L) and the capacitor (C4), which are the second instantaneous integrated low pass filter. Integrating with the voltage reduces the output voltage Vout and decreases the negative feedback voltage Vf.

(1)(One)

부궤환전압(Vf)이 입력전압(Vin)보다 다시 작아지게 되면, 비교기(CP)의 출력전압(Vcp)은 하이상태(-Vdd)에서 로우상태(-Vdd)로 변화된다. 이와 같은 반복동작에 의하여 P채널 MOSFET 하이파워 스위치(M1)와 N채널 MOSFET 하이파워 스위치(M2)가 교번하여 온/오프됨으로써 증폭작용이 이루어진다.When the negative feedback voltage Vf becomes smaller than the input voltage Vin again, the output voltage Vcp of the comparator CP is changed from the high state (-Vdd) to the low state (-Vdd). By this repetitive operation, the P-channel MOSFET high power switch M1 and the N-channel MOSFET high power switch M2 are alternately turned on / off, thereby amplifying.

여기서, 하이파워 스위치(M1, M2)를 천천히 턴온시키는 저항(R5, R6)은 47Ω∼470Ω 범위가 바람직하며, 하이파워 스위치(M1, M2)로 유입되는 직류성분을 차단하는 블로킹 커패시터(C2, C3)는 10nF∼470nF 범위인 것이 적당하다.Here, the resistors R5 and R6 for slowly turning on the high power switches M1 and M2 are preferably in the range of 47 Ω to 470 Ω, and the blocking capacitors C2 and C2 which block DC components flowing into the high power switches M1 and M2. C3) is suitably in the range of 10 nF to 470 nF.

그 이유는, 상기 하이파워 스위치(M1, M2)가 턴 온/오프 되기 위해서는 상기 스위치(M1, M2)의 게이트와 소오스 단자 사이에 형성되는 기생용량의 충반전이 일어나 주어야 하는데, N채널 MOSFET 하이파워 스위치(M2)에서 기생용량의 충전경로는 저항(R6)과 블로킹 커패시터(C3)로 경유하게 된다.The reason for this is that in order for the high power switches M1 and M2 to be turned on / off, charging and charging of parasitic capacitances formed between the gates of the switches M1 and M2 and the source terminals must occur. The charging path of the parasitic capacitance in the power switch M2 is routed through the resistor R6 and the blocking capacitor C3.

이때, 상기 저항(R6)은 기생용량의 충전속도를 지연시키기 위한 역할을 수행하는데 만약, 상기 저항(R6)이 극히 작다고 가정하면 상기 기생용량의 충전속도를 지연시킬 수 없으며, 반면에 극히 크다고 가정하면 상기 기생용량의 충전속도가 너무 늦어지게 되어 상기 N채널 MOSFET 하이파워 스위치(M2)의 턴온 동작에 소요되는 시간이 길어지게 된다.In this case, the resistor R6 serves to delay the charging speed of the parasitic capacitance. If the resistance R6 is assumed to be extremely small, the resistance R6 cannot be delayed, but on the other hand, it is assumed to be extremely large. As a result, the charging speed of the parasitic capacitance becomes too slow, and the time required for turn-on operation of the N-channel MOSFET high power switch M2 becomes long.

따라서, 저항(R6)은 너무 커도 또는 너무 작아도 않된다는 조건이 성립하는데, 상기 N채널 MOSFET 하이파워 스위치(M2)를 오프시키는 경우 기생용량의 방전은 다이오드(D4)를 통해 이루어지는데, 상기 다이오드(D4)의 턴온 저항성분이 작기 때문에 신속한 방전이 이루어진다.Therefore, the condition that the resistor R6 should not be too large or too small is established. When the N-channel MOSFET high power switch M2 is turned off, the parasitic capacitance is discharged through the diode D4. Since the turn-on resistance of D4) is small, rapid discharge occurs.

그러므로, 상기 저항(R5, R6)의 저항값의 범위가 47Ω∼470Ω인 경우에 상기 블로킹 커패시터(C2, C3)는 10nF∼470nF 범위인 것이 적당하다는 것이다.Therefore, when the resistance values of the resistors R5 and R6 are in the range of 47? To 470 ?, the blocking capacitors C2 and C3 are suitably in the range of 10nF to 470nF.

앞서 설명에서와 같이 본 발명의 음향증폭기는 입력전압(Vin)과 부궤환전압(Vf)을 비교기(CP)에서 스스로 비교하여 작동하도록 설계되어 있기 때문에, 자려발진에 의한 스위칭 동작이 이루어지고, 또한 비교기(CP)의 출력전압(Vcp)은 가변의 주파수를 가지는 동시에 가변의 듀티(duty)를 갖게 된다.As described above, since the acoustic amplifier of the present invention is designed to operate by comparing the input voltage Vin and the negative feedback voltage Vf by the comparator CP, a switching operation by self-oscillation is also performed. The output voltage Vcp of the comparator CP has a variable frequency and a variable duty.

따라서, 비록 하이파워 스위치(M1, M2)의 펄스 스위칭시 상승 혹은 하강특성이 다소 다르거나, 그 밖에 파워 스위치부(20)에 있는 소자들의 소자값들이 다소 다르더라도, 회로 스스로가 지니고 있는 가변주파수-가변듀티(2개의 자유도) 특성에 의해 스스로 조절할 수 있으므로 최대 출력전압(Vout)을 수행하는 경우에도 양쪽이 대칭인 풀 스윙이 가능하게 된다.Accordingly, although the rising or falling characteristics of the high power switches M1 and M2 are slightly different in the pulse switching, or the device values of the elements in the power switch unit 20 are slightly different, the variable frequency possessed by the circuit itself is different. Self-adjustment is possible due to the variable duty (two degrees of freedom) characteristics, allowing full swing symmetry on both sides even when the maximum output voltage (Vout) is performed.

종래의 고정 주파수의 PWM 방식의 D급 증폭기의 경우와 본 발명에 의한 자려발진 델타변조 방식의 D급 증폭기의 경우에 있어서 최대로 출력전압(Vout)을 스윙시키려고 하는 경우에 차이를 살펴봄으로써 종래의 출력전압(Vout) 풀 스윙 문제가 어떻게 해결이 되는지를 알아본다.In the case of the conventional fixed frequency PWM class D amplifier and the self-excited delta modulated class D amplifier according to the present invention, the difference between the case of trying to swing the output voltage Vout to the maximum is explained. Find out how the output voltage (Vout) full swing problem can be solved.

가령, 위쪽에 있는 P채널 MOSFET 하이파워 스위치(M1)의 상승 혹은 하강시간이 아래쪽의 N채널 MOSFET 하이파워 스위치(M2)의 상승 혹은 하강시간 보다 길다고 하는 경우, 즉 하이파워 스위치(M1)의 유효한 온 시간이 하이파워 스위치(M2)의 유효한 온시간 보다 짧다고 가정하고, 또한 입력전압(Vin)이 정현파이므로 출력전압(Vout)도 정현파라고 가정한다.For example, when the rise or fall time of the upper P-channel MOSFET high power switch M1 is longer than the rise or fall time of the lower N-channel MOSFET high power switch M2, that is, the high power switch M1 It is assumed that the effective on time is shorter than the effective on time of the high power switch M2, and since the input voltage Vin is a sine wave, the output voltage Vout is also a sine wave.

그러면, 이때 종래의 고정 주파수의 PWM 방식의 D급 증폭기의 경우에는 위쪽의 하이파워 스위치(M1)의 유효한 온 시간이 아래쪽 하이파워 스위치(M2)의 유효한 온시간 보다 짧기 때문에 아래쪽으로는 정현파의 출력전압이 최대로 스윙을 할 수 있지만, 위쪽으로는 정현파의 스윙이 충분히 될 수 없으므로 위쪽의 정현파의 스윙 시에는 파형이 잘리는 문제가 발생한다.Then, in the case of the conventional fixed frequency PWM class D amplifier, the effective on time of the high power switch M1 on the upper side is shorter than the effective on time of the lower high power switch M2. Although the voltage can swing at maximum, the swing of the sinusoid in the upper portion cannot swing enough, so the waveform is truncated during the swing of the sinusoid in the upper portion.

그러나, 본 발명에 의한 자려발진형 델타변조방식의 D급 증폭기의 경우에는 주파수가 가변되고, 아울러 듀티가 가변되는 두 가지의 특성으로 인해 풀 스윙시에도 파형이 잘리는 문제가 없다. 왜냐하면 하이파워 스위치(M1)의 유효한 온 시간이 하이파워 스위치(M2)의 유효한 온 시간 보다 짧더라도 주파수가 가변되어 실질적으로 가용할 수 있는 듀티의 범위가 넓어지기 때문이다.However, in the case of the self-oscillating delta modulation type D amplifier according to the present invention, the frequency is variable and the duty is variable, so that the waveform is not cut even during the full swing. This is because even if the effective on time of the high power switch M1 is shorter than the effective on time of the high power switch M2, the frequency is variable, so that the range of duty that is actually available becomes wider.

부연하여 설명하면, 듀티(duty)란 펄스의 주기에 대한 온 시간의 비율을 지칭하는데, 펄스의 주기가 짧게 고정(주파수가 높게 고정)되어 있는 경우에는 하이파워 스위치(M1, M2)의 스위칭시 상승 혹은 하강시간이 펄스의 주기에 비하여 무시하지 못할 만큼 길면 가용할 수 있는 유효한 듀티의 범위가 좁아지는 효과로 나타난다. 그런데, 만일 필요에 따라서 펄스의 주기를 길게(주파수를 낮게)하거나 펄스의 온시간을 길게 할 수 있다면, 하이파워 스위치(M1, M2)의 스위칭시 상승 혹은 하강시간이 다소 다르더라도 그 영향을 거의 무시할 수 있을 정도로 경감시킬 수 있다.In detail, the duty refers to the ratio of the on time to the period of the pulse. When the period of the pulse is shortly fixed (high frequency is fixed), the switching of the high power switches M1 and M2 is performed. If the rise or fall time is too long to be negligible compared to the period of the pulse, the available duty range becomes narrower. However, if the period of the pulse can be extended (lower frequency) or the on time of the pulse can be extended as necessary, even if the rise or fall time of the switching of the high power switches M1 and M2 is slightly different, the effect is almost negligible. It can be reduced to a negligible extent.

즉, 스위칭 주파수(혹은 주기)를 입력전압(Vin)과 부궤환전압(Vf)의 비교에 의거하여 회로가 스스로 펄스의 주기(주파수) 혹은 온 시간을 조절할 수 있다면, 정현파의 위쪽과 아래쪽이 거의 외부전원(±Vdd)까지 풀 스윙되는 대칭형의 출력전압(Vout)을 얻을 수 있는 것이다.That is, if the circuit can adjust the period (frequency) or on time of the pulse itself based on the comparison of the switching frequency (or period) with the input voltage Vin and the negative feedback voltage Vf, It is possible to obtain a symmetrical output voltage (Vout) that is fully swinged to the external power supply (± Vdd).

본 발명에 의한 음향증폭기의 회로는 부궤환 기법의 측면에서 볼 때 전압직렬궤환(voltage series feedback)에 속하므로, 폐루프전압이득(A)은 간단히 근사적으로 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Since the circuit of the acoustic amplifier according to the present invention belongs to voltage series feedback in terms of the negative feedback technique, the closed loop voltage gain (A) can be expressed simply as Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

(2)(2)

본 발명의 음향증폭기에서 스위칭 주파수는 히스테리시스 전압을 결정하는 저항(RH, R1)의 비율을 조정하거나, 커패시터(C5)를 조정하거나, 2차 대역통과여파기인 인덕터(L)와 커패시터(C4)를 조정함으로써 설정한다.In the acoustic amplifier of the present invention, the switching frequency adjusts the ratio of the resistors RH and R1 that determine the hysteresis voltage, adjusts the capacitor C5, or adjusts the inductor L and the capacitor C4, which are secondary bandpass filters. Set by adjusting.

여기서, 히스테리시스전압은 아래의 식 2와 같이 구해지는데,Here, the hysteresis voltage is obtained as shown in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

저항(R10)이 1㏀이라고 가정하면, 히스테리시스전압을 결정하는 저항(RH)은 100kΩ∼1MΩ 범위가 바람직하며, 그에 따라 인덕터(L)는 20μH∼200μH 범위가 적당하고, 커패시터(C4)는 0.47μF∼4.7μF 범위인 것이 바람직하다.Assuming that the resistor R10 is 1 kW, the resistance RH for determining the hysteresis voltage is preferably in the range of 100 kΩ to 1 MΩ. Accordingly, the inductor L has a suitable range of 20 μH to 200 μH, and the capacitor C4 is 0.47. It is preferably in the range of μF to 4.7 μF.

(3)(3)

또한 출력전압(Vout)을 적당한 크기로 감쇄시키는 저항(R10)은 1kΩ±20% 범위인 것이, 응답특성을 조정하는 커패시터(C5)는 10pF∼470pF 범위인 것을 적당하다.In addition, the resistor R10 for attenuating the output voltage Vout to an appropriate magnitude is in the range of 1 k? ± 20%, and the capacitor C5 for adjusting the response characteristic is in the range of 10 pF to 470 pF.

특히, 하이파워 스위치(M1, M2)의 출력전압(Vm)을 가청주파수대역의 출력전압으로 복조하는 복조필터(30)의 인턱터(L)와 커패시터(C4)는 음향증폭기의 주파수특성(이득특성, 위상특성)의 결정에 결정적인 영향을 주는 소자이므로 신중한 선택이 필요하다.In particular, the inductor L and the capacitor C4 of the demodulation filter 30, which demodulate the output voltage Vm of the high power switches M1 and M2 to the output voltage of the audible frequency band, have a frequency characteristic (gain characteristic) of the acoustic amplifier. Since the device has a decisive influence on the determination of phase characteristics, careful selection is required.

본 발명의 경우는 종래의 방식에 비하여 다음과 같은 장점 및 특징을 갖는다. 첫째, 전술한 바와 같이 스스로 조절할 수 있는 기능이 있으므로 소자값의 변동에 대하여 민감하지 않고, 둘째로 톱니파 발생회로가 불필요하므로 저가(low cost)구현이 가능하며, 셋째로 부궤환 방법이 극히 간단하고, 넷째로 2차 시스템이므로 항시 안정하며, 다섯째로 연산증폭기(operational amplifier)의 사용이 없으며 단지 비교기(comparator)만으로 음향증폭기 시스템이 구현된다.The present invention has the following advantages and features as compared to the conventional method. First, as described above, the self-adjusting function is not sensitive to fluctuations in device values. Second, since the sawtooth wave generation circuit is unnecessary, low cost can be realized. Third, the negative feedback method is extremely simple. Fourth, because it is a secondary system, it is always stable. Fifth, there is no use of an operational amplifier, and an acoustic amplifier system is implemented using only a comparator.

다음은 본 발명에 의하여 실제로 제작된 음향기기의 성능을 살펴본다.Next, look at the performance of the sound device actually produced by the present invention.

정격출력 40W 및 최대출력 80W에 대한 실제 실험을 위하여, 외부 공급전압 ±Vdd는 ±20V로 하고, 스피커 부하는 4Ω부하를 적용했다. 입력신호의 전압(Vin)은 최대 1Vp를 가정했기 때문에 정격출력 40W(=(18/)2/4 )를 얻으려면 18Vp의 출력전압(Vout)을 확보해야 하므로 폐루프이득은 약 20이 되도록 하였다.For actual experiments with a rated power of 40W and a maximum power of 80W, the external supply voltage ± Vdd is ± 20V, and the speaker load is 4Ω load. Since the input voltage (Vin) is assumed to be 1Vp maximum, the rated output is 40W (= (18 / ) To obtain a 2/4), so to secure the output voltage (Vout) of 18Vp closed loop gain was adjusted to about 20.

무신호 입력시, 자려발진 스위칭 주파수(self-oscillating switching frequency)는 약 350kHz가 되도록 하였다. 그런데, 본 발명의 음향증폭기는 입력전압의 크기가 커질수록 스위칭 주파수가 연동하여 감소하는 특징이 있으므로, 실제로 동작시 평균 스위칭 주파수는 약 200kHz∼250kHz정도가 된다.At no signal input, the self-oscillating switching frequency is approximately 350kHz. However, the acoustic amplifier of the present invention has a feature that the switching frequency decreases as the magnitude of the input voltage increases, so in practice, the average switching frequency is about 200kHz to 250kHz.

도 4a 내지 도 4b는 입력전압(Vin)이 1Vp의 크기를 갖는 1kHz의 정현파인 경우 외부인가전압(+Vdd) 및 출력전압(Vout)의 파형과, 입력전압(Vin)이 1Vp의 크기를 갖는 5kHz의 정현파인 경우의 출력전압(Vout) 및 하이파워 스위치의 출력전압(Vm)을 나타낸다. 파형이 대칭형의 풀 스윙 상태로 깨끗이 잘 증폭되고 있음을 알 수 있으며, 또한 하이파워 스위치의 출력전압(Vm)이 가변주파수-가변듀티로 작동하고 있음을 알 수 있다.4A to 4B illustrate waveforms of an externally applied voltage (+ Vdd) and an output voltage Vout when the input voltage Vin is a sine wave of 1 kHz having a magnitude of 1 Vp, and an input voltage Vin having a magnitude of 1 Vp. The output voltage Vout in the sine wave of 5 kHz and the output voltage Vm of the high power switch are shown. It can be seen that the waveform is clearly amplified well with a symmetrical full swing state, and the output voltage (Vm) of the high power switch operates as a variable frequency-variable duty.

도 5a는 1kHz시 정력 출력전력과 고조파왜율간의 관계를 나타내는 것이며, 도 5b는 정력출력 1W, 10W, 40W시 주파수와 고조파왜율간의 관계를 나타낸 것이다. 도 5a의 경우, 그 모양이 마치 'U'자 형태를 보이고 있다. 작은 출력레벨에서 고조파왜율이 중간 레벨에서의 고조파왜율보다 나쁜 이유는 작은 출력레벨에서는 잡음이 신호에 보다 심각하게 영향을 미치기 때문이다.FIG. 5A shows the relationship between the static output power at 1 kHz and harmonic distortion, and FIG. 5B shows the relationship between the frequency at 1 kHz, 10 W, 40 W and harmonic distortion. In the case of Figure 5a, the shape is like a 'U' shape. The harmonic distortion at lower output levels is worse than the harmonic distortion at intermediate levels because noise affects the signal more seriously at smaller output levels.

한편, 아주 큰 출력레벨에서 고조파왜율이 나빠지는 이유는 출력전압(Vout)의 스윙이 외부공급전압(±Vdd)보다 커지면 ±Vdd의 제한에 걸려서 출력전압(Vout)에 클립 문제가 발생하기 때문이다. 도 5a로부터 대강 0.1%대의 고조파왜율이 얻어짐을 알 수 있다. 도 5b에서도 특히, 음향에너지가 비교적 충만한 500Hz에서 5kHz까지 고조파왜율 특성이 대체로 양호하다.On the other hand, the harmonic distortion at a very large output level is worse because the swing of the output voltage Vout becomes larger than the external supply voltage (± Vdd), causing a clip problem at the output voltage (Vout). . It can be seen from FIG. 5A that harmonic distortion of about 0.1% is obtained. Also in Fig. 5B, the harmonic distortion property is generally good from 500 Hz to 5 kHz, which is relatively full of acoustic energy.

도 6은 정력출력 전력 대 효율(efficiency)의 관계를 나타낸다. 효율의 산출은 수학식 3과 같이 정의하여 적용되었다.6 shows the relationship between the energetic output power versus efficiency. The calculation of the efficiency was defined and applied as in Equation 3.

[수학식 3][Equation 3]

여기서, Po(x), Pdd(x)와 x는 각각 정격출력 전력, 전체공급 전력 및 임의의 출력레벨을 나타낸다. 도 6으로부터 최대출력에서 약 90% 근방의 효율이 달성됨을 알 수 있다.Here, Po (x), Pdd (x) and x represent the rated output power, the total supply power and the arbitrary output level, respectively. It can be seen from FIG. 6 that an efficiency of around 90% is achieved at full power.

주파수 특성을 나타낸 도 7a 및 도 7b로부터 가청주파수 범위, 즉 20Hz∼20kHz에서 이득특성이 대체로 평탄함을 볼 수 있으며, 3dB 밴드 폭 역시 거의 30kHz 근방에 위치함을 알 수 있다.It can be seen from Figs. 7A and 7B showing the frequency characteristics that the gain characteristics are generally flat in the audible frequency range, that is, 20 Hz to 20 kHz, and the 3 dB band width is also located near about 30 kHz.

이상의 실험결과를 토대로 볼 때, 본 발명의 음향증폭기는 저가 보급형 디지털 음향증폭기로서 충분히 상용화가 가능함을 알 수 있다.Based on the above experimental results, it can be seen that the acoustic amplifier of the present invention can be sufficiently commercialized as a low-cost, low-cost digital acoustic amplifier.

또한 그린 라운드에 부합하여 에너지를 절감할 수 있다. 예를 들어, 50W의 정력출력 전력을 요하는 경우를 가정한다고 하면, A급 증폭기(효율 20% 가정)의 경우에는 200W의 전력이 쓸데없이 낭비되고 있지만, 본 발명의 증폭기(90% 가정)의 경우에는 약 5W 정도의 손실밖에는 없다. 따라서 손실을 비교해 보면, 본 발명의 경우에는 A급 증폭기에 비하여 에너지의 손실이 대충 1/40(=5/200) 정도로 줄어드는 것을 알 수 있다. 현존하는 기존의 아날로그 증폭기를 전량, 혹은 대다수를 본 발명의 음향증폭기 기술로 대체한다고 가정하면, 에너지의 절감은 실로 엄청난 것이며, 이는 결국 환경오염으로부터 지구를 보호하는데 일조하게 됨은 물론 그린 라운드의 환경기술의 무한경쟁에서 세계적으로 환경기술을 선점할 수 있게 될 것이다.It also saves energy by matching the green rounds. For example, suppose that 50W of static output power is required. In the case of a class A amplifier (assuming 20% efficiency), 200W of power is wasted, but the amplifier of the present invention (90% assumption) In this case, there is only about 5W loss. Therefore, when comparing the losses, it can be seen that the energy loss of the present invention is reduced to about 1/40 (= 5/200) in comparison with the class A amplifier. Assuming that all or most of the existing analog amplifiers are replaced by the acoustic amplifier technology of the present invention, the energy saving is indeed enormous, which in turn helps to protect the earth from environmental pollution, as well as green round environmental technology. It will be possible to preoccupy the world's environmental technology in the infinite competition.

상술한 바와 같이 본 발명은 가변주파수-가변듀티의 2개의 자유도 확보를 위하여 자려발진이 되도록 델타변조 D급 증폭기를 구성하여 별도의 변조 캐리어 신호(톱니파 혹은 삼각파 등) 발생회로 없이 가변주파수-가변듀티로 스스로 스위칭 동작을 하여 증폭을 수행함으로써 부품의 소자값 또는 각종 특성의 변화를 스스로 조정할 수 있다.As described above, the present invention configures a delta modulated Class-D amplifier to be self-oscillating to secure two degrees of freedom of the variable frequency-variable duty so that the variable frequency-variable without a separate modulated carrier signal (sawtooth wave or triangle wave) generation circuit. By amplifying by switching operation by duty, it is possible to adjust the change in device value or various characteristics of components by itself.

또한 고조파왜율이 0.1% 근방을 보이고, 90%대의 효율을 나타내므로 에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 최대출력의 풀 스윙을 하는 경우에도 신호가 잘리는 문제가 전혀 없으며, 20Hz∼20kHz까지의 가청주파수 대역에서 평판한 이득특성을 보이는 한편, 3dB 밴드 폭도 30kHz 근방에 존재하므로 응답특성도 양호하며, 2차 시스템이므로 전체 시스템이 상시 안정하여 안정도 문제가 전혀 없다.In addition, since the harmonic distortion is around 0.1% and the efficiency is about 90%, it can not only save energy but also have no problem of cutting off the signal even when full swing of maximum output, and audible frequency from 20Hz to 20kHz While the gain characteristics are reputed in the band, the 3dB band width is also present in the vicinity of 30 kHz, so the response characteristics are good. As the secondary system, the entire system is always stable and there is no stability problem.

아울러 극히 적은수의 부품을 사용하므로 싼 가격으로 제조할 수 있어 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다.In addition, the use of a very small number of parts can be manufactured at a low price, thereby improving price competitiveness.

Claims (10)

스위칭을 이용한 디지털(D급) 음향증폭기에 있어서,In digital (D class) acoustic amplifier using switching, 별도의 변조 캐리어 신호(톱니파 혹은 삼각파 등) 발생회로 없이 가변주파수-가변듀티로 스스로 스위칭 동작을 하여 증폭을 수행하는 것을 특징으로 하는 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기.A self-oscillating delta modulated Class D acoustic amplifier characterized in that amplification is performed by switching operation by a variable frequency-variable duty without a separate modulation carrier signal (sawtooth wave or triangle wave) generation circuit. 제 1항에 있어서, 입력신호(Vin)와 전압부궤환 수단(50)으로부터 입력되는 부궤환전압(Vf)을 비교함으로써 입력신호(Vin)를 가변주파수-가변듀티의 펄스파형으로 변조하여 출력하는 변조기(10)와; 상기 변조기(10)의 출력을 전류증폭하고 스위칭 동작을 수행하는 파워 스위치부(20)와; 상기 파워 스위치부(20)의 출력신호를 적분 복조하는 복조필터(30)와; 상기 복조필터(30)의 출력전압(Vout)을 적당한 크기로 감쇄시켜 부궤환전압(Vf)을 변조기(10)에 공급하는 전압부궤환 수단(50) 및 외부부하인 스피커(40)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기.The method of claim 1, wherein the input signal Vin is modulated into a pulse waveform of a variable frequency-variable duty by comparing the input signal Vin with the negative feedback voltage Vf input from the voltage negative feedback means 50. A modulator 10; A power switch unit 20 amplifying the output of the modulator 10 and performing a switching operation; A demodulation filter (30) which integrally demodulates an output signal of the power switch unit (20); Including a voltage negative feedback means 50 for supplying a negative feedback voltage (Vf) to the modulator 10 by attenuating the output voltage (Vout) of the demodulation filter 30 to an appropriate magnitude Self-oscillating delta modulation class D acoustic amplifier, characterized in that the configuration. 제 2항에 있어서, 상기 변조기(10)는 커패시터(C1)와 저항(R1)으로 이루어지며 입력전압(Vin)의 직류성분 및 낮은 주파수 성분을 차단하는 고역통과여파기와; 상기 고역통과여파기로부터 입력되는 신호와 전압부궤환 수단(50) 및 저항(RH)을 통해 피드백 입력되는 신호를 비교하여 가변주파수-가변듀티의 펄스파형을 출력하는 비교기(CP)와; 상기 비교기(CP)의 풀업(pull-up) 저항(R2) 및 히스테리시스 전압을 결정하는 저항(RH)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기.3. The apparatus of claim 2, wherein the modulator (10) comprises: a high pass filter comprising a capacitor (C1) and a resistor (R1) and blocking a direct current component and a low frequency component of an input voltage Vin; A comparator (CP) for comparing a signal input from the high pass filter with a signal input feedback through the voltage sub-feedback means (50) and a resistor (RH) and outputting a pulse waveform of a variable frequency-variable duty; A self-oscillating delta modulation class D acoustic amplifier comprising a pull-up resistor (R2) of the comparator (CP) and a resistor (RH) for determining a hysteresis voltage. 제 3항에 있어서, 상기 히스테리시스전압을 결정하는 저항(RH)이 100kΩ∼1MΩ 범위인 것을 특징으로 하는 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기.4. The self-oscillating delta modulated Class A acoustic amplifier according to claim 3, wherein the resistance (RH) for determining the hysteresis voltage is in a range of 100 k? 제 2항에 있어서, 상기 파워 스위치부(20)는 다링톤형 에미터폴로어 구조를 형성하며 상기 변조기(10)의 출력 전류를 증폭하는 트랜지스터(Q1∼Q4)와; 상기 트랜지스터(Q1∼Q4)의 빠른 역회복을 도모하는 다이오드(D1, D2)와; 응답특성을 조정하는 분배저항(R3, R4)과; P채널 MOSFET인 하이파워 스위치(M1)를 천천히 턴온시키는 저항(R5), 빨리 턴오프시키는 다이오드(D3)와; N채널 MOSFET인 하이파워 스위치(M2)를 천천히 턴온시키는 저항(R6), 빨리 턴온프시키는 다이오드(D4)와; 하이파워 스위치(M1, M2)로 유입되는 직류성분을 차단하는 블로킹 커패시터(C2, C3), 풀업 저항(R7) 및 풀다운 저항(R8)과; 상기 MOSFET(M1, M2)의 게이트의 턴온/턴오프 전압을 결정하는 제너 다이오드(Z1∼Z4)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기.3. The power switch unit (20) of claim 2, further comprising: transistors (Q1 to Q4) forming a Darlington type emitter follower structure and amplifying the output current of the modulator (10); Diodes D1 and D2 for fast reverse recovery of the transistors Q1 to Q4; Distribution resistors R3 and R4 for adjusting the response characteristics; A resistor R5 for slowly turning on the high power switch M1, which is a P-channel MOSFET, and a diode D3 for turning off the fast; A resistor R6 for slowly turning on the high power switch M2, which is an N-channel MOSFET, and a diode D4 for rapidly turning on; Blocking capacitors C2 and C3, pull-up resistors R7, and pull-down resistors R8 for blocking direct current flowing into the high power switches M1 and M2; A self-oscillating delta modulation class D acoustic amplifier comprising a zener diode (Z1 to Z4) for determining the turn-on / turn-off voltage of the gates of the MOSFETs (M1 and M2). 제 5항에 있어서, 상기 저항(R5, R6)이 47Ω∼470Ω 범위이고, 커패시터(C2, C3)가 10nF∼470nF 범위인 것을 특징으로 하는 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기.6. The self-oscillating delta modulated Class A acoustic amplifier according to claim 5, wherein the resistors (R5, R6) range from 47Ω to 470Ω and the capacitors (C2, C3) range from 10nF to 470nF. 제 2항에 있어서, 상기 복조필터(30)는 2차 순시 적분형 저역통과여파기를 형성하는 인덕터(L)와 커패시터(C4)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기.The self-oscillating delta modulated Class A acoustic amplifier according to claim 2, wherein the demodulation filter (30) comprises an inductor (L) and a capacitor (C4) forming a second instantaneous integral low pass filter. 제 7항에 있어서, 상기 인덕터(L)가 20μH∼200μH 범위이고, 커패시터(C4)가 0.47μF∼4.7μF 범위인 것을 특징으로 하는 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기.8. The self-oscillating delta modulated Class A acoustic amplifier according to claim 7, wherein the inductor (L) is in the range of 20 mu H to 200 mu H, and the capacitor C4 is in the range of 0.47 mu F to 4.7 mu F. 제 8항에 있어서, 상기 전압부궤환 수단(50)은 출력전압(Vout)을 적당한 크기로 감쇄시켜 부궤환전압(Vf)을 얻는 저항(R9, R10) 및 응답특성을 조정하는 커패시터(C5)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기.9. The capacitor (C5) of claim 8, wherein the voltage negative feedback means (50) adjusts the resistances (R9, R10) and the response characteristics to obtain a negative feedback voltage (Vf) by attenuating the output voltage (Vout) to an appropriate magnitude. Self-oscillating delta modulation class D acoustic amplifier, characterized in that consisting of. 제 9항에 있어서, 상기 저항(R10)이 1kΩ±20%의 범위내에서 설정되는 경우 커패시터(C5)가 10pF∼470pF 범위내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 자려발진형 델타변조 D급 음향증폭기10. The self-oscillating delta modulated Class A acoustic amplifier according to claim 9, wherein the capacitor C5 is set within a range of 10pF to 470pF when the resistor R10 is set within a range of 1kΩ ± 20%.
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