KR19990072901A - 저역통과필터피드백없이위상지연이없는ｄ급증폭기 - Google Patents

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Abstract

에러 정정 목적의 D급 증폭기의 출력을 정확히 재생시키기 위한 회로는 기준 신호 증폭 회로를 포함한다. 상기 기준 신호 증폭 회로는 상기 증폭기의 내부 출력 스테이지의 디지털 출력을 단일 기준 신호로 결합하는 차등 증폭기로서 구성된 연산 증폭기를 포함한다. 상기 연산 증폭기의 대역폭을 감소시킴으로써, 상기 발생된 기준 신호에 위상 이동을 추가하지 않고, 스위칭 노이즈는 상기 디지털 신호로부터 제거된다. 추가적으로, 상기 증폭기의 대역폭을 아날로그 출력을 사용하기보다는 상기 출력 스테이지로부터의 상기 디지털 신호를 사용함으로써, 외부 스피커에 의해 유발된 후방 전자기장으로 인한 왜곡이 방지된다. 상기 기준 신호는 에러 정정 목적의 증폭기로의 원래 신호 입력에 비교된다.

Description

저역 통과 필터 피드백없이 위상 지연이 없는 Ｄ급 증폭기 {CLASS D AMPLIFIER NO LOW PASS FILTER FEEDBACK WITH ZERO PHASE DELAY}
본 발명은 D급 증폭기에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 위상 지연이 없는 출력 신호 재생 회로에 관한 것이다.
D급 증폭기에서, 입력 오디오 신호는 일반적으로 스피커인, 외부 부하에서 원래의 신호로 재생될 수 있는 출력 신호로 변환된다. D급 증폭기의 기본 동작은 도 1에 도시된다. 유입되는 아날로그 신호 (AUDIO_IN)는 펄스 폭 변조기인 PWM (101)에 의하여 원래의 신호에 대응되는 평균값인 고주파의 직사각형파 (rectangular wave) (DIG_OUT)로 변환된다. 직사각형파 (DIG_OUT)는 레벨 이동을 제공하여 구동 신호 (HI_OUT)와 구동 신호 (LO_OUT)로 상기 신호를 분할하는 출력 스테이지 (102)에 공급된다. 신호 (HI_OUT)와 신호 (LO_OUT)는 각각 출력 필터 (103 및 104)를 통하여 전송되어 스위칭 노이즈를 제거하고 평균한 출력을 제공하여 스피커 (105)를 구동시킨다. 출력 필터 (103 및 104)는 전형적으로 도 3a에 도시된 바와 같이, LC 필터로 구현된다. 출력 필터 (301)는 인덕터 (302) 및 캐패시터 (303)를 포함하며 출력 스테이지 (102)로부터 스피커 (105)로 진행하는 신호에 대한 저역 통과 필터 (low-pass filter)로서 동작한다.
전형적인 D급 증폭기의 출력 신호의 정확성을 향상시키기 위하여, 피드백 루프 (feedback loop)는 필요에 의하여 약간의 조정을 하고 출력을 확인한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 피드백 루프의 실시예는 피드백 증폭 회로 (206) 및 에러 증폭 회로 (207)를 포함한다. 피드백 증폭 회로 (206)는 필터 (103 및 104)의 출력을 단일 기준 신호 (REF_SIGNAL)로 재결합한다. 신호 (REF_SIGNAL)는 이어서 차이를 정정한 조정된 신호 (ADJ_OUT)를 발생시키는 에러 증폭 회로 (207)에 의하여 상기 원래의 신호 (AUDIO_IN)에 비교된다. 조정된 신호 (ADJ_OUT)는 이어서 정상적으로 PWM (101)에 의하여 처리되며, 상기 순환 과정은 계속된다. 상기 피드백 루프의 또 다른 실시예는 도 2b에 도시된다. 2개의 외부 피드백 필터 (203 및 204)는 출력 스테이지 (102)로부터 신호 (HI_OUT 및 LO_OUT)를 각각 직접 판독한다. 필터 (203 및 204)는 전형적으로 도 3b에 도시된 바와 같이, LC 또는 RC 회로를 포함한다. 도 3b에서, 피드백 필터 (304)는 저역 통과 필터로서 배열된 저항 (305) 및 캐패시터 (306)를 포함한다. 필터 (103 및 104)와 같이, 필터 (203 및 204)는 스위칭 노이즈를 제거하고 상기 디지털 신호들을 평균하며, 피드백 증폭 회로 (206)는 그 출력을 결합하여 에러 증폭 회로 (207)에 대한 신호 (REF_SIGNAL)를 생성한다.
도 2a 및 2b에 도시된 상기 피드백 루프의 구현에서, 신호 (REF_SIGNAL)의 정확성은 전체 증폭기의 정확성을 결정하는데 결정적이다. 신호 (REF_SIGNAL)가 과도한 왜곡이나 위상차를 나타내면, 유입되는 신호 (AUDIO_IN)에 에러 증폭 회로 (207)에 의하여 적당하게 비교될 수 없어서, 에러 보정을 쓸모 없게 하거나 심지어 방해가 되기도 한다. 신호 (REF_SIGNAL)의 왜곡은 스피커 (105)로부터의 후방 전자기장 (back-EMF) 및 출력 스테이지 (102)로부터의 스위칭 노이즈에 의하여 전형적으로 발생된다. 스위칭 노이즈는 출력 스테이지 (102)에서 전력 전계효과 트랜지스터 (power FET)의 정상적인 동작의 부작용으로서 PWM (101)의 출력에 따라서 단속적으로 순환을 계속한다. 이것은 상기 기본 출력 신호에 연결하는 고주파 노이즈 및 급격한 전류 최대치를 발생한다. 필터 (103 및 104와 203 및 204)는 저역 통과 필터로 동작함으로써 스위칭 노이즈를 제거하도록 설계되며, 자주 다중 필터 스테이지를 포함하여 고주파 제거 효과를 향상시킨다. 하지만, 에러 증폭 회로 (207)에 필요한 "깨끗한" 신호는 스피커 (105)에서 정확한 소리 재생을 위하여 필요한 것 이상의 필터 스테이지에 대한 요구 사항을 부과할 수 있다. 상기 추가적인 필터 스테이지는 상기 증폭 회로, 특히 도 2b의 외부 필터 구현, 에 대하여 비용과 복잡성을 추가한다. 하지만, 외부 필터 (203 및 204)를 사용하는 또 다른 이유는 신호 왜곡의 다른 가능한 소스인 스피커 (105)로부터의 후방 전자기장을 주시하기 위함이다. 스피커 (105)에서 원추의 큰 이동은 발성 코일 (voice coil)에서 상기 구동 파형을 왜곡시키면서, 후방 전자기장을 발생할 수 있다. 스피커 (105)로부터 외부 필터 (203 및 204)를 분리함으로써, 부품의 수는 증가하지만, 후방 전자기장의 영향은 최소화된다.
증폭기 정확성에서 다른 결정적인 요인은 신호 (REF_SIGNAL)의 위상차이다. 신호 (REF_SIGNAL 및 AUDIO_IN) 사이에 위상차가 존재하면, 상기 파형들이 다른 모든 면에서 동일하더라도 상기 신호들의 순간 크기는 다르다. 에러 증폭 회로 (207)가 상기 원래의 신호에 이미 일치되어 있는 신호를 "정정"하려고 하면 상기 차이는 에러 증폭 회로 (207)에 의하여 에러로 간주되며 상기 출력 신호의 왜곡 및 원치 않는 진동을 야기한다. 상기 피드백 루프에 의하여 사용되는 출력 신호를 발생하는 필터에서의 개별 소자 때문에, 종래의 D급 증폭기에서 위상차는 불가피하다. 필터 (103, 104, 203, 및 204)에서의 캐패시턴스는 신호 (REF_SIGNAL)에서 일정양의 위상차를 확보한다. 이 양은 필터 캐패시터 크기를 증가함으로써 감소될 수 있지만, 이 증가는 또한 상기 필터의 차단 주파수를 낮추고 상기 증폭기의 주파수 응답에 악영항을 미칠 수 있다.
따라서, 최소의 위상 이동을 유발하면서 증폭기 출력을 정확하게 재생할 수 있는 피드백 증폭 회로를 제공하는 것이 바람직하다.
도 1 은 기본적인 D급 증폭기 (Class D amplifier) 동작을 도시하는 블록도이다.
도 2a 는 D급 증폭기에서 종래의 피드백 루프 (feedback loop)를 도시하는 블록도이다.
도 2b 는 D급 증폭기에서 또 다른 종래의 피드백 루프를 도시하는 블록도이다.
도 3a 는 출력 필터의 구현을 도시하는 블록도이다.
도 3b 는 피드백 필터의 구현을 도시하는 블록도이다.
도 4 는 본 발명을 사용한 D급 증폭기 내에서 피드백 루프를 도시하는 블록도이다.
도 5 는 본 발명의 구성 회로도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
101 : 펄스 폭 변조기 (pulse width modulator, PWM)
102 : 출력 스테이지 103, 104, 301 : 출력 필터 105 : 스피커 203, 204, 304 : 피드백 필터
206 : 피드백 증폭 회로 207 : 에러 증폭 회로
302 : 인덕터 (inductor) 303, 306 : 캐패시터 (capacitor)
305, 502, 503, 504, 505 : 저항
406 : 기준 신호 증폭 회로 (reference signal amplifier circuit)
501 : 저대역폭 연산 증폭기 (low-bandwidth op-amp)
D급 증폭기에서, 본 발명은 에러 정정 피드백 루프 회로 내에서 증폭기의 출력 신호를 정확하게 재생하기 위한 기준 신호 증폭 회로를 제공한다. 본 발명에 따르면, 상기 기준 신호 증폭 회로는 상기 증폭기의 출력에 직접 접속된다. 상기 피드백 루프 회로 내에서 차등 증폭 회로로 구성된 연산 증폭기는 상기 증폭기의 출력 스테이지로부터의 디지털 신호들을 단일 기준 신호로 결합한다. 상기 연산 증폭기의 대역폭을 감소시킴으로써, 상기 차등 증폭 회로는, 스위칭 노이즈를 효과적으로 거부하면서 저역 통과 필터처럼 동작한다. 추가적으로, 상기 증폭기의 출력 스테이지에 직접 연결함으로써 외부 스피커로부터의, 잠재적으로 악영향을 미치는 후방 전자기장의 영향은 최소화된다. 결국, 개별 RC 또는 LC 필터들은 상기 기준 신호를 발생하도록 사용되지 않기 때문에, 상기 기준 신호에 위상 이동은 유발되지 않는다. 이것은 에러 정정 목적을 위한 증폭기로의 상기 원래의 입력 신호에 적절하게 비교될 수 있는 정확한 기준 신호의 발생을 야기할 수 있다.
본 발명은 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 이용하여 충분하게 이해된다.
다른 도면에서 같은 참조 번호를 사용한 것은 유사하거나 동등한 소자를 지시한다.
본 발명은 원래의 입력 신호와 비교하기 위한 출력 신호의 정확하고, 지연이 적은 재생을 발생하는 D급 증폭기를 위한 피드백 루프를 제공한다. 본 발명의 실시예는 도 4에 도시된다. 종래의 D급 증폭기에서와 같이, 아날로그 입력 신호 (AUDIO_IN)는 신호 (AUDIO_IN)를 조정하는 에러 증폭 회로 (207)로 공급된다. 그 결과로서의 신호 (ADJ_OUT)는 펄스 폭 변조기, 즉 PWM (101)에 의하여 고주파 디지털 신호 (DIG_OUT)로 변환된다. 출력 스테이지 (102)는 레벨 이동을 제공하고 신호 (DIG_OUT)를 구동 신호 (HI_OUT) 및 구동 신호 (LO_OUT)로 분리한다. 출력 필터 (103 및 104)는 스위칭 노이즈를 제거하며 상기 디지털 신호 (HI_OUT 및 LO_OUT) 각각을, 외부 스피커 (105)를 구동할 수 있는 아날로그 신호로 재변환한다. 에러 증폭 회로 (207)에 의해 적절한 에러 정정 성능을 확보하기 위하여, 본 발명은 기준 신호 증폭 회로 (406)를 제공한다. 회로 (406)는 출력 스테이지 (102)로부터 신호들 (HI_OUT 및 LO_OUT)을 직접 취하고 단일 기준 신호 (REF_SIGNAL)로 결합한다. 기준 신호 증폭 회로 (406)의 실시예는 도 5에 도시된다. 저대역폭 연산 증폭기 (501)는 저항들 (502, 503, 504, 및 505)에 의한 차등 증폭기 (differential amplifier)로서 구성된다. 원하는 필터링 주파수에서 이득이 롤 오프 (roll off)하도록 연산 증폭기 (501)의 대역폭을 감소시킴으로써, 상기 고주파 스위칭 노이즈는 제거될 수 있다. 동시에, 상기 롤 오프 주파수가 신호들 (HI_OUT 및 LO_OUT)의 주파수보다 크면, 상기 출력 신호는 위상 이동 없이 전달된다. 그리하여, 출력 신호 (REF_SIGNAL)는 원래의 입력 신호 (AUDIO_IN)와 동위상으로 발생된다. 그리하여, 회로 (406)에 의하여 발생되는 신호 (REF_SIGNAL)와 신호 (AUDIO_IN)는 에러 증폭 회로 (207)에 의하여 적절하게 비교되어 에러 정정을 위한 정확한 결과를 얻는다. 추가적으로, 도 2b에 도시된 추가적인 필터 (203 및 204)를 필요로 하지 않고서 회로 (406)는 스피커 (105)로부터의 후방 전자기장의 왜곡 영향을 피할 수 있다.
상기 연산 증폭기의 대역 폭을 감소시킴으로써, 상기 발생된 기준 신호에 위상 이동을 추가하지 않고, 상기 디지털 신호로부터 스위칭 노이즈를 제거할 수 있다. 상기 증폭기의 필터링된 아날로그 출력을 사용하기보다는 상기 출력 스테이지로부터의 상기 디지털 신호를 사용함으로써, 외부 스피커에 의해 유발된 후방 전자기장으로 인한 왜곡이 방지될 수 있다.

Claims (3)

  1. D급 증폭기에 있어서, 입력 오디오 신호를 디지털 파형으로 변환하는 펄스 폭 변조기와;
    상기 디지털 파형에 신호 분리 및 레벨 이동을 적용하여 하이 및 로우 디지털 구동 신호를 발생시키는 출력 스테이지와;
    에러 정정 목적을 위해 상기 D급 증폭기의 출력 신호를 상기 입력 오디오 신호에 비교하는 에러 증폭 회로와; 및
    상기 출력 스테이지에 직접 연결되어 상기 하이 및 로우 디지털 구동 신호로부터의 노이즈를 필터링하고 상기 하이 및 로우 디지털 구동 신호를, 상기 D급 증폭기의 출력 신호를 정확하게 표현하는 위상 지연이 없는 단일 아날로그 기준 신호에 결합하는 기준 신호 증폭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 D급 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서, 차등 증폭기로서 구성된 저대역폭 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 D급 증폭기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 저대역폭 연산 증폭기가 상기 출력 스테이지에 의하여 발생되는 스위칭 노이즈의 주파수보다 실질적으로 작은 롤 오프 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 D급 증폭기.
KR1019990006136A 1998-02-25 1999-02-24 저역 통과 필터 피드백없이 위상 지연이 없는 ｄ급 증폭기 KR100337411B1 (ko)

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