KR19990032689A - 의율궤환 증폭기 - Google Patents

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김홍기
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윤종용
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개시된 내용은 입력신호와 궤환된 출력의 일부를 비교하여 보상하므로써, 최상의 성능을 구현하는 의율궤환 증폭기에 관한 것이다. 본 발명의 장치는, 입력신호를 실질적으로 증폭하는 주증폭회로와, 주증폭회로의 출력을 궤환시키는 궤환회로 및, 입력신호와 궤환된 출력신호를 비교하여 주증폭회로에 인가하는 제어증폭회로로 구성된다. 따라서, 본 발명은 무궤환 증폭기(open-Amp)의 고역안정성과 고속성을 살리면서, 궤환 증폭기(feed-back Amplifier)의 저(低)의율성, 저(低)직류오프셋(DC offset) 및 저(低)출력 임피이던스 등을 구현하여 최상의 증폭효과를 제공한다.

Description

의율궤환 증폭기
본 발명은 궤환방식의 증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 증폭하고자 하는 입력신호와 궤환된 출력의 일부를 비교하여 보상하므로써, 증폭기의 왜곡현상을 감소시켜 최상의 성능을 구현하는 의율궤환 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로, 증폭기는 궤환 증폭기(feed-back Amplifier)와 무궤환 증폭기(open-Amplifier)로 구분한다. 무궤환 증폭기(open Amp)는 출력의 일부를 입력에 궤환하지 않고 바로 출력하는 증폭기를 의미하며, 궤환 증폭기(feed-back Amplifier)는 출력의 일부를 입력에 인가하여 증폭효율과 왜곡현상을 개선한 증폭기를 의미한다. 각각의 증폭기는 장단점을 가지고 있으나, 일반적으로 궤환형태의 증폭기가 보다 우수한 성능을 발휘한다.
이러한 종래의 증폭기를 도 1 및 도 2에 도시하였다. 도 1은 종래 무궤환 증폭기(open-Amp)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도시한 바와 같이, 종래의 무궤환 증폭기(10)는 출력에서 입력으로 궤환되는 신호가 없다. 궤환이 없는 이 증폭기(10)는 입력신호(Vi)가 증폭도만큼만 증폭되어 바로 출력된다. 따라서, 증폭기(10)의 동작이 안정하다. 또한, 동작전류의 적정화와 고속트랜지스터의 사용으로 증폭기(10)의 동작을 고속화하는 것이 가능하다.
그러나, 이 무궤환 증폭기(10)는 출력임피던스가 높고, 구동(drive)능력이 낮은 단점이 있다. 또한, (+)반파와 (-)반파 각 상(相,phase)의 동작시 불균형이 생기기 쉽고, 직류성분이 발생되기 쉬우며, 왜곡현상도 많이 발생하는 문제점이 있다.
도 2 및 도 3은 종래의 궤환증폭기(feed-back Amp)중 부궤환 증폭기(NFB, Negative feed-back Amp)의 형태 및 동작을 설명하기 위한 것이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 종래의 부궤환 증폭기는, 일반적인 증폭회로(10)와 궤환률β인 궤환회로(20)로 구성되어 있다.
입력된 신호(Vi)는 증폭회로(10)에서 증폭되어 출력되고, 출력(Vo)은 궤환회로(20)에 입력된다. 궤환회로(20)의 궤환률에 의해 변환된 신호는 증폭회로(10)의 (-)입력에 인가되므로써, 증폭회로(10)의 왜곡현상은 감소된다. 이 증폭회로의 페루프이득(Close-loop Gain)은 수학식 1과 같다.
그리고, 페루프 왜곡률(DCL, Close-loop Distortion)은 수학식 2와 같다.
이 부궤환증폭기는 출력(Vo) 의 일부가 입력에 인가됨으로써, 왜곡현상이 감소하여 증폭효율이 개선되는 효과가 있다. 또한, 저(低)직류오프셋(DC offset) 및 저(低)출력 임피이던스 등의 특징을 갖는다.
그러나, 이 부궤환 증폭기는 부궤환루프(20)에 의해 동작이 불안정해진다. 또한, 부궤환의 전달속도보다 증폭회로(10) 자체의 전달속도가 더 빠를 경우, RINGING현상이 발생한다. 이하, 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 3은 궤환증폭기의 RINGING현상을 설명하기 위한 도면이다.
RINGING현상은 일종의 왜곡현상이다. 제작이 완성된 증폭기는 그 특성을 검사하기 위하여, 각종 입력신호를 인가한 후, 이에 대한 주파수특성(frequency - response)을 파악한다. 이러한 입력신호(Vi)로 펄스파를 인가할 경우 증폭기의 출력(Vo)은 펄스파 형태로 증폭되어야 하지만, 도시한 바와 같이, 출력신호에 울림형태의 파형(Vring)이 첨가되어 나타나는데, 이것이 RINGING현상이다.
이러한 RINGING현상을 방지하기 위해서는 증폭회로(10)자체의 신호전달속도를 지연시키는 위상보정회로를 첨가해야 한다. 그러나, 위상보정회로를 첨가하면 전체적인 부궤환 증폭기의 동작속도가 감소하는 문제점이 발생한다. 또한, 궤환량이 많을 경우, 전술한 동작의 불안정성 및 저속화의 문제점은 현저하게 나타난다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록, 출력의 일부를 궤환하여 주증폭회로의 입력신호와 비교하고 보상하므로써, 무궤환 증폭기(open-Amp)의 고역안정성과 고속성, 궤환 증폭기(feed-back Amp)의 저(低)의율성과 저(低)직류오프셋(DC offset) 및 저(低)출력 임피이던스 등을 구현하여 최상의 효과를 나타내는 증폭기를 제공함에 있다.
도 1은 종래의 무궤환 증폭기(open-Amp)의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 2는 종래의 부궤환 증폭기(feed-back Amplifier)의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 3은 Ringing현상을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 의율궤환 증폭기의 동작을 설명하기 위한 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 의율궤환 증폭기의 일 예시도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 ; 증폭회로(증폭기) 20 ; 궤환회로
30 ; 제어증폭회로
Vi ; 입력신호 Vo ; 출력신호
Vc ; 제어증폭신호 Vring ; ringing신호
A, A1, A2; 증폭회로(증폭기)의 이득 β ; 궤환률
R1∼R25 ; 저항 RLOAD; 출력부하저항
C1∼C4 ; 커패시터
D1 ; 다이오드 ZD1,ZD2 ; 제너다이오드
Q1∼Q8 ; TR J1 ; J-FET
V1∼V4 ; 전원전압
I1 ; 정전류원 IC1 ; 연산증폭기(OP-AMP)
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 의율궤환 증폭기는, 입력신호를 실제로 증폭하는 주증폭회로와, 주증폭회로의 출력을 궤환시키는 궤환회로 및 입력신호와 궤환된 출력신호를 비교하여 주증폭회로에 인가하여 보상하는 제어증폭회로를 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 의율궤환 증폭기의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는, 인가된 신호(Vi)의 실질적인 증폭을 수행하는 주증폭회로(10)를 구비하고 있다. 주증폭회로(10)에는 증폭된 출력(Vo)의 일부를 궤환시키는 궤환회로(20)가 연결된다. 그리고, 최초 입력신호(Vi)와 궤환회로(20)의 출력을 비교하여 주증폭회로(10)에 인가하는 제어증폭회로(30)가 연결된다. 도면을 참조하여 의율궤환 증폭기의 동작을 자세히 살펴본다.
입력신호(Vi)는 주증폭회로(10)를 거쳐 증폭된다. 증폭된 출력(Vo)의 일부는 궤환률이 β인 궤환회로(20)를 거쳐 제어증폭회로(30)에 입력된다. 제어증폭회로(30)에는 궤환된 신호 및 증폭하고자 하는 원래의 입력신호(Vi)가 인가된다. 제어증폭회로(30)는 두 신호를 비교하고, 두 신호의 차를 증폭하여 출력한다. 이 제어증폭신호(Vc)는 다시 주증폭회로(10)내 최종증폭단의 동작을 위한 전원공급선에 인가된다. 즉, 왜곡된 출력신호의 일부가 최종증폭단의 전원공급을 변화시키므로써, 왜곡현상을 감소시킨다. 이 의율궤환 증폭기의 페루프이득(Close-loop Gain)은 수학식 3과 같다.
그리고, 페루프 왜곡률(DCL, Close-loop Distortion)은 수학식 4와 같이 표현된다.
도 5는 본 발명에 따른 의율궤환 증폭기의 일예시도이다.
도시한 바와 같이, 본 예시에서 주증폭회로(10)는 일반적인 증폭기를 2단 직렬로 구성하였다. 궤환회로(20)는 저항(R22)과 커패시터(C2)가 병렬로 결합된 형태이며, 또한 기준전압을 공급하기 위한 저항(R21)이 연결되어 있다. 제어증폭회로(30)는 연산증폭기(IC1)와 제너다이오드(ZD2) 및 평활회로(Q3, R25, V2)를 구비하고 있다.
이와 같이 구성된, 본 발명에 따른 의율궤환 증폭기의 동작을 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 의율궤환 증폭기는, 출력신호의 일부를 이용하여 제어증폭신호를 생성하고, 이 제어증폭신호를 이용하여, 주증폭회로(10)의 최종증폭단의 전원공급을 제어하므로써, 증폭과정중 발생하는 왜곡현상을 감소시키려는 것이다. 이 제어증폭신호는 왜곡된 출력을 역으로 재인가하는 신호라는 의미에서 역왜곡신호(negative distortion wave)라고도 한다.
전술한 바와 같이, 주증폭회로(10)는 통상의 2단직렬증폭기이다. 입력신호(Vi)는 각 증폭단에서 증폭되어 최종적으로 부하저항(RLOAD)에 출력된다. 궤환회로(20)는 증폭된 출력신호의 일부를 제어증폭회로(30)에 인가한다. 제어증폭회로(30)는 연산증폭기(IC1)와 제너다이오드(ZD2) 및 평활회로(Q3, R25, V2)로 구성된다. 연산증폭기(IC1)의 2개 입력중 1개는 주증폭회로의 입력신호(Vi)이고, 1개는 궤환회로(20)의 출력이다. 연산증폭기(IC1)의 출력은 제너다이오드(ZD2)와 평활회로(Q3, R25, V2)에 의해 역왜곡신호(negative distortion wave)를 발생한다. 이 역왜곡신호는 주증폭회로(10)의 최종출력단을 동작시키는 전원공급선(node A)에 인가된다. 주증폭회로(10)의 증폭단은 다수의 단으로 결합될 수 있으며, 각 증폭단의 전원전압은 각 증폭단의 증폭특성에 의해 달라질 수 있다. 도시한 바와 같이, 본 예시에서는 2개의 증폭단이 서로 다른 전원전압(V1;26[V] , V3 및 V4;24.5[V])을 이용하고 있다.
본 발명에 따른 의율궤환 증폭기는 역왜곡신호를 주증폭회로(10)의 최종증폭단의 전원공급선(node A)에 연결하여 왜곡현상을 감소시킨다. 만약, 왜곡현상이 양(positive)으로 발생하면, 주증폭회로(10)의 최종증폭단의 전원전압은 낮아지므로 증폭률이 감소한다. 왜곡현상이 음(negative)으로 발생하면, 주증폭회로(10)의 최종증폭단의 전원전압이 높아지므로 증폭률이 증가하여, 결과적으로 의도하는 증폭이 수행된다.
본 발명에 따른 의율궤환 증폭기의 큰 특징을 열거하면,
첫째, 주증폭회로중 실질적인 증폭이 수행되는 위치에 출력신호를 직접 궤환시키지 않고, 보조적인 전원공급선에 궤환시키므로써, 증폭기의 동작안정화를 이룰수 있다.
둘째, 저주파수에서 고주파수대역까지 입력신호(Vi)와 출력의 왜곡신호를 비교 및 검출하여 일정하게 제어할 수 있기 때문에, 직류안정도가 양호하고 직류증폭기의 제작이 용이하다.
셋째, 주증폭회로의 이득은 일정하게 유지하면서, 출력임피이던스 및 왜곡률을 감소시킨다.
넷째, 주증폭회로의 위상보정이 필요하지 않기 때문에 고속트랜지스터를 선택하여 증폭기를 제작하므로써. 전달속도의 고속화 및 전류의 적정화가 가능하다.
마지막으로, 역왜곡신호를 주증폭회로의 최종증폭단에 인가하기 때문에 외부잡음에 의한 출력신호의 변조를 방지한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 입력신호와 궤환된 출력의 일부를 비교 및 보상하므로써, 무궤환 증폭기(open Amp)의 고역안정성과 고속성을 살리고, 궤환 증폭기(feed-back Amplifier)의 저(低)의율성, 저(低)직류오프셋(DC offset) 및 저(低)출력임피이던스 등을 구현하여 최상의 증폭효율을 제공한다.

Claims (5)

  1. 궤환방식의 증폭기에 있어서,
    입력신호를 증폭하는 주증폭회로;
    상기 주증폭회로에 연결되어 출력을 궤환시키는 궤환회로; 및
    상기 입력신호와 궤환된 출력신호를 비교하여 상기 주증폭회로에 인가하는 제어증폭회로를 포함하는 의율궤환 증폭기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 증폭기는 제어증폭회로의 출력을 주증폭회로의 각 증폭단중 최종 증폭단에 인가하는 것을 특징으로 하는 의율궤환 증폭기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 궤환회로는 출력신호의 일부를 이용하기 위해, 출력신호를 지정된 비율로 조정하여 제어증폭회로에 인가하는 것을 특징으로 하는 의율궤환 증폭기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어증폭회로는 입력신호와 궤환된 출력신호를 비교증폭하여 새로운 전원전압을 형성하고, 이 전압을 주증폭회로의 전원선에 인가하여 왜곡현상을 감소시키는 것을 특징으로 하는 의율궤환 증폭기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제어증폭회로는,
    상기 입력신호와 궤환된 출력신호를 비교증폭하기 위한 연산증폭기(OP-AMP);
    상기 연산증폭기의 출력을 반전형태로 변환하기 위한 제너다이오드(ZENER - DIODE); 및
    상기 제너다이오드의 비교출력전압과 일정한 수준의 기준전압을 가감(加減)하는 평활기(Regulator)를 구비하는 것을 특징으로 하는 의율궤환 증폭기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100836279B1 (ko) * 2000-07-13 2008-06-09 텍사스 인스트루먼츠 인코포레이티드 전력 증폭기 회로, 차동 출력 증폭기 회로, 및 왜곡 보정 방법

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KR100836279B1 (ko) * 2000-07-13 2008-06-09 텍사스 인스트루먼츠 인코포레이티드 전력 증폭기 회로, 차동 출력 증폭기 회로, 및 왜곡 보정 방법

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