KR20010075204A - 오디오 신호 레벨을 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

오디오 신호 레벨을 제어하고 상기 신호를 증폭기(AMP2)로 전송시키는 제어 회로(200)가 기술되어 있다. 상기 제어 회로는 다수의 저항 노드를 갖는 R-2R 저항 네트워크를 기초로한다. 다수의 스위치(S1, S2)는 다수의 저항 노드 각각을 다수의 로우 임피던스 노드중 하나와 상기 증폭기와 관련된 로우 임피던스 입력 노드에 교호적으로 연결된다. 스위치 제어 회로(202)는 상기 오디오 신호를 로우 임피던스 입력 노드로 전송시키도록 상기 다수의 스위치를 선택적으로 제어한다.

Description

오디오 신호 레벨을 제어하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING AN AUDIO SIGNAL LEVEL}

실질적으로 모든 오디오 증폭 시스템은 신호 경로의 전체 이득(gain)을 제어하는 수단을 필요로 한다. 그러한 이득 제어는 시스템 기술자로 하여금 시스템의 동적 대역(range)에 적합한 신호 레벨을 최적화 하는 것을 가능케 하며 최종 사용자로 하여금 증폭된 소리의 라우드니스(loudness) 또는 볼륨을 적절한 쾌적 레벨 또는 기호 레벨로의 조절을 가능하게 한다. 볼륨 제어는 아날로그 오디오 경로의 가변 저항 소자, 즉 전위차계, 아날로그 오디오 경로의 가변 이득 증폭기(VGA), 및 디지털 볼륨 제어 워드에 의해 디지털화된 오디오의 증폭을 포함하는 수단에 의해 이루어질 수 있다.

종래의 2-채널 스테레오 또는 4-6 채널 서라운드 오디오 시스템과 같은 다중-채널 시스템에서, 전위차계("포츠(pots)")는 모든 채널들이 이득 제어의 대략 동일한 정도를 수신하도록 공통의 회전 샤프트로 편성되어 있다. 이와 달리, 다중 VGA들은 다수의 채널용으로 사용될 수 있으며, 각각은 균일한 종합 이득설정(setting)을 이루기 위해 모든 다른 것들 처럼 동일한 이득 제어 신호를 수신한다. 디지털 영역에서, 각 오디오 채널은 적절한 디지털 이득 파라미터 값을 수신한다.

그 경우에, 개개의 채널 이득은 상대적인 오프셋을 가질 필요가 있지만 여전히 좌/우 밸런스(팬) 또는 중간채널 트리밍에서와 같이 함께 전역으로 트랙할 필요가 있으므로, 부가적인 전위차계는 마스터 볼륨 제어부와 직렬인 포츠-기반 시스템(pot-based system)에 부가될 수 있으며, 또는 슬립 클러치 메카니즘은 편성된 포츠 구성에서 개개의 포츠 조정력을 허용하도록 사용될 수 있다. 또한, 채널당 오프셋은 VGA-기반 시스템의 전역 이득 제어 신호에 부가될 수 있으며, 수치상의 오프셋은 디지털 시스템의 채널 이득 파라미터 사이에서 유사하게 실행될 수 있다.

오디오 볼륨 제어 회로는 전형적으로 광범위한 요건을 충족시켜야 한다. 예를 들어, 그러한 회로는 인간의 라우드니스 인지의 성질에 해당하는 대수 전송 기능을 가져야 한다. 대수 전송 기능은 포츠-기반 시스템에서 샤프트 회전의 기능처럼 그 저항에 대수 편차를 갖는 "오디오 테이퍼" 포츠(pots)들의 사용으로 달성될 수 있다. 이것은 편성된 사용을 하기 위해 상호 정합하는 포츠를 값싸게 제조하는 것이 어렵다는 단점을 지닌 체 다양하게 응용되어 실시된다. 그 결국, 적당한 가격의 오디오 시스템에는 낮은 볼륨의 채널간의 차이점이 종종 쉽게 인지된다. VGA계 시스템에서, 대수 볼륨 편차는 선형 입력(예를 들어, 전위차계 또는 DAC에서의 전압)으로부터 적절한 대수 형식으로 제어 신호를 맵핑시킴으로서 실행된다. 이와 달리, 상기 제어 신호는 오디오 페이터 포츠로부터 유도될 수 있다. 디지털 볼륨제어 시스템에서, 대수 볼륨 스텝은 맵핑 함수로서, 예를 들어 간단한 조사표로부터 달성될 수 있다.

오디오 볼륨 제어 회로는 또한 저잡음을 제시한다. 전위차계는 수동 소자이므로, 어떠한 능동 잡음도 신호 경로에 영향을 주지 않지만 저항 열잡음, 및 예를 들어 불쾌한 와이퍼 접촉에서 나오는 불연속 잡음으로 오디오 신호를 저하시킬 수 있다. 몇몇 경우에, 포츠는 부적절한 차폐로 인하여 전자기 간섭이 오디오 경로로 들어가는 것을 또한 허용한다. VGA들은 작동 증폭기와 유사한 능동 소자들이므로 본질적으로 어느 정도의 잡음에 영향을 준다. 상기 잡음은 적절한 설계 기술로 최소화될 수 있지만, 이는 이득 단에서 더 큰 신호 처리 트랜지스터 또는 증가된 바이어스 전류로 인하여 부가적인 비용을 초래한다. 디지털 볼륨 제어 시스템에서, 디지털 영역에서 배타적으로 실행되면, 상기 시스템 잡음은 볼륨 제어 블럭에 뒤따르는 시스템의 비트 분석에 의해 제어된다. 예를 들어, 디지털만의 볼륨 제어부를 지닌 16비트 디지털 오디오 시스템이 있다면, 이는 전체 출력 라우드니스가 전력 증폭기를 구동시키는 DAC에서 모든 16비트의 활동과 상호 관련이 있음을 암시한다. 그 후 볼륨을 최대 가용 동적 대역의 1/4, 예를 들어 2비트의 볼륨 감소로 설정하면, DAC에서 분석시 명백히 삭감된 14비트만을 사용하여 해상도가 유지된다. 또한, DAC 및 어떤 차후의 EQ에 의해 영향을 받은 잡음 및 왜곡 결과물은 볼륨이 감소될 때 감쇄되지 않는다. 따라서 잡음 플로어(noise floor)는 정규의 볼륨 설정시 조차 명백하게 될 수 있다. 상기 시스템이 임의의 디지털 영역의 볼륨 제어부를 포함하지만, 일반적으로 모든 곳에 디지털 볼륨 제어부를 사용하지 않고, 대신 하이브리드의 전단-DAC 디지털 제어부 및 후단-DAC 아날로그 제어부를 사용하는 것은 이러한 이유 때문이다.

오디오 볼륨 제어 회로는 또는 낮은 왜곡을 제시한다. 수동, 전위차계 볼륨 제어 시스템은 필수적으로 무왜곡이어야 한다. 이것의 예외 사항은 아주 약간의 전압계 저항 값 의존성을 가지고 이루어지는 점이다. VGA들은 능동 증폭 소자이므로 전체 왜곡에 영향을 줄 수 있는 임의의 능동 이득 블럭에서 고유의 비-이상적인 특성의 일상적인 설정을 필요로 한다. 모든 디지털 볼륨 제어부는 증폭 과정에서 절단 오차 또는 반올림 오차로 인하여 잠정적으로 왜곡을 격을 수 있다.

오디오 볼륨 제어 회로는 또한 전이 평활도를 제시해야 한다. 하나의 이득 설정으로부터 다른 것으로의 변동은 가청 가공물(audible artifact)을 오디오로의 도입을 방지시키도록 점진적인 규모로 실행되어야 한다. 결국, 이득 제어는 실질적으로 준-정적 제어 신호로서 고충실도 오디오 신호를 증폭시키며, 제어 신호에서 임의의 비정상적인 동작은 오디오 신호의 변조 결과물을 생성시킬 것이다. "트릭(trick)"은 이득 제어 신호의 모든 편차를 충분하게 점진적으로, 예를 들어 10㎐이하, 및/또는 진폭에서 변조 생성물이 눈에 띄지 않을 정도로 작은 주파수 요소로서 유지된다. 본질적으로 수작동 전위차계는 하나의 이득 설정으로부터 운용자가 제어 손잡이를 돌릴 수 있는 제한 율에 의한 다음 설정으로 상대적으로 느리며 평탄한 전이를 제공한다. 그러나, 만일 전위차계가 스텝 모터에 의해(원격 제어로서) 작동된다면, 볼륨 제어부의 개개의 스테어 스텝(stair step)은 서보-스테퍼(servo-stepper) 설계에 따라 현저하므로 더 위험하다. VGA 시스템에서, 변동 명령이 계단 함수일지라도, 이득 제어 신호는 이득 설정 사이에서 평탄하게 경사지도록 이루어져야 한다. 이것은 상기 신호가 포츠와 같은 연속 소스로부터 유도된다면 쉽게 달성되지만, 상기 제어 신호가 DAC와 같은 더 조잡한 소스로부터 유도된다면 더 주의를 필요로 한다. 디지털 볼륨 제어 시스템에서, 더 작은, 중간 이득 스텝은 허용된 볼륨 설정 증분 사이에 부가될 수 있으며, 제어 알고리즘을 볼륨 변동중 평탄한 경사에 더 밀접하게 근접하도록 허용된다. 예를 들어, 볼륨 제어가 0㏈, -1㏈, -2㏈등과 같은 정수 ㏈ 위치에만 위치되도록 허용된다면, 1㏈ 스텝의 가청도를 감소시키기 위해서 이들 스텝들 사이에서 1/4㏈ 증분의 마이크로-스탭으로 이루어질 수 있다.

오디오 볼륨 제어 회로는 또한 다중 채널 시스템의 채널 사이에서 정밀한 트래킹을 가능하게 한다. 즉, 2개 이상의 채널이 포함되면, 각 채널에 대한 볼륨 제어 함수는 그 전체 이득 제어 대역에 걸쳐 다른 함수와 밀접히 일치하는 것이 일반적으로 바람직하다. 오프셋은 좌/우 밸런스 또는 전/후 중간채널 트리밍을 위해 채널 이득 사이에 의도적으로 도입될 수 있지만, 일단 이들 오프셋이 결정되면 모든 채널은 적절한 비율로 마스터 이득 제어 신호를 정확히 트랙킹하는 것이 다시 필요하다. 전위차계-기반 시스템에서, 전술한 바와 같이, 포츠(pots)는 물리적으로 단일로 편성되며, 트랙킹을 달성하기 위해 샤프트를 회전시킨다. 좌/우 밸런스 또는 중간채널 트리밍은 상대적인 적합성을 지닌 편성 함수를 이루도록 슬립-클러치 메카니즘으로 개개의 포츠를 제어하는 동심성 샤프트를 사용하여, 또는 밸런스/트리밍을 위해 각 채널과 직렬인 부가적인 포츠를 사용하여 달성될 수 있다. 전자의 방법은 기계적으로 복잡하다는 단점을 지니며 매우 낮거나 또는 높은 볼륨 설정에서 알맞게 작용하지 않는데, 왜냐하면 1개의 오프셋 채널이 다른 것(들) 이전에 말단 정지점에 충돌하기 때문이다. 후자의 방법은 더 많은 포츠를 필요로 하는 단점을 갖는다. VGA 시스템에서, 이득 제어 함수와 밀접히 일치하는 VGA를 사용하는 것이 필요하다. 디지털 영역에서, 정밀한 트랙킹은 수반된 디지털 계산의 정확한 특성이 주어진다면 쉽게 실행된다.

오디오 볼륨 제어 회로는 또한 넓은 동적 대역(range)을 제시한다. 볼륨 제어 시스템에 대한 전형적인 작동 대역은 80-100㏈ 이득 편차이다. 이상적으로, 볼륨 제어 시스템은 거의 196㏈의 신호 경로 동적 대역을 암시하는 그 최소 이득 설정일 때 조차 상업적인 CD 레코딩에 포함된 동적 대역의 모든 96㏈를 통과시킬 것이다. 물론, 최소 이득 설정에서(전혀 무음이기 이전에), 상기 볼륨은 너무 낮아 CD 레코딩의 96㏈가 사람 청각에 느껴지지 않으므로, 196㏈ 지수는 실제 조건에 불필요하다. 그럼에도 불구하고, 양호한 볼륨 제어 회로에 필요한 동적 대역은 그것이 통과하는 오디오 프로그램 소재(audio program material)을 초과함은 물론이다. 전위차계-기반 볼륨 제어에 대하여, 저항의 수동 특성은 적은 잡음(만일 저항 값이 낮고 적절한 소재가 사용된다면)과 실질적으로 무왜곡을 부가하므로, 일반적으로 이것은 문제가 아니다. 이득-제어 증폭기 회로의 능동 특성 때문에, 낮은 왜곡은 VGA 시스템에 대하여 오히려 더 문제이다. 상기 VGA는 일반적으로 더 낮은 이득 설정으로 증가하는 왜곡의 제한 정도를 부가시킬 것이다. 상술한 바와 같이, 잡음의 정도를 또한 부가시킬 것이다. 모든 디지털 볼륨 제어 시스템에서, 볼륨 제어 블럭의 출력은 바람직한 동적 대역의 유형을 이루기 위해 16보다 상당히 더 많은 비트를 가져야 한다. 예를 들어, 볼륨 제어 워드는 8비트이고 오디오는 16비트이므로, 결과적인 이득-제어 출력은 24비트이다. 이 24비트 워드는 전력 증폭기에 공급되기 이전에 등가의 24비트 DAC를 통과해야 한다. 그리고, DAC의 그 분석은 엄청 비싸다는 것이 이해될 것이다. 진정한 24비트 DAC가 실질적으로 오늘날의 기술로 실현가능한지에 대해 논의도 되고 있다.

디지털 제어부는 오디오 볼륨 제어 회로에 또한 필요하다. 원격 제어 가정용 스테레오 수신기, 텔레비전, 및 다른 가정용 오락 시스템과 같은 디지털로 작동되는 오디오 장비의 도래로서, 디지털로 작동되는 볼륨 제어를 위한 필요성이 야기되었다. 여기서, 상대적으로 낮은 6 내지 8비트의 분석 이진 제어 워드(즉, 64 내지 256 레벨)는 대수 눈금에서 볼륨 제어의 동작 대역 상의 이득 레벨을 선택하도록 사용된다. 이것은 전위차계-기반 볼륨 제어 시스템에서 포츠의 회전 샤프트를 작동시키는 원격으로 작동되는 스테퍼 모터의 사용으로서 적용될 수 있다. 그러한 장치의 부가적인 비용 및 바람직하지 않은 복잡성은 상대적으로 쉬운 것으로 짐작된다. VGA-기반 시스템에서, DAC는 임의의 원격 소스에서 나온 제어 명령들을 수신하고 그것들을 적절한 이득 제어 신호(들)로서 전환시키도록 사용될 수 있다. 모든 디지털 시스템에서, 볼륨 제어 워드(적절하게 대수 형식으로 맵핑됨)는 간단히 오디오 신호와 곱해져 볼륨-제어된 결과를 생성시킨다.

물론, 신뢰도는 볼륨 제어 회로의 바람직한 특성이다. 전위차계는 열, 습기, 먼지, 부식, 진동, 그리고 간단한 마모 및 파열의 유해한 영향에 적용되는 전자-기계 물품이다. 많은 판매 전자 장치들에 있어서, 그것은 일반적으로 오물 또는 먼지 오염으로 인하여 문제점을 야기하는 제품중의 제 1 서브시스템이다. 또한, 디지털적으로 또는 원격으로 전위차계를 작동시키도록 임의 종류의 모터가 사용된다면, 전자-기계 복잡성은 증가하며 신뢰도는 상관적으로 감소한다. VGA 및 디지털 볼륨 제어부 실행은 아마도 몇몇 수동 소자를 지닌 이산 또는 집적 반도체에서 주로 또는 완전히 이루어지며, 그러한 소자와 연관되어 높은 수준의 신뢰도를 제시한다.

오디오 볼륨 제어 회로는 이행하기 쉽고 사용하기 쉬운 것이 또한 바람직하다. 1개의 전위차계 또는 2개 이상의 편성은 쉽게 작동될 뿐만 아니라 오디오 시스템에 매우 쉽게 포함된다. 만일 스테퍼 모터 액츄에이터가 디지털 또는 원격 제어를 위해 사용된다면 이것은 덜 적당하다. VGA 시스템은 숙련된 회로 설계자에 의해 상대적으로 쉽게 설계되지만, 다소 복잡할 수 있다. 디지털 실행부는 숙련된 디지털 ASIC 설계자에게 상당히 간단하지만 DAC 설계에 복잡성을 부가한다.

회로 집적에 의한 시스템 간략화 및 비용 절감은 또한 대부분의 오디오 시장 분야에서 필수적이다. 단일, 편성, 또는 서보-구동 전위차계는 IC에 간단히 집적될 수 없다. VGA 해결 방법은 축적될 수 있지만, 고성능이 타깃이라면 상당히 복잡한 아날로그 IC 기능에 영향을 미친다. 물론, 디지털 해결 방법은 무리 없이 축적된다.

결국, 낮은 비용은 오디오 볼륨 제어 회로를 위해 바람직하다. 단일 또는 이중 편성 전위차계는 값싸다. 동심성 슬립-클러치 전위차계는 더 값비싸며, 먼지에대비하여 밀봉되고 양호한 중간-포츠 트랙킹을 갖는 포츠 결합체는 더 비싸다. 서보 작동 메카니즘이 부가될 때, 그 비용이 엄청나게 증가된다. VGA들은 특히 비싸지 않지만, 유사 성능률의 오피 앰프(op amp)들보다 더 비싸다, 왜냐하면 그것들은 더 적은 수량으로 판매되기 때문이다. 디지털 볼륨 제어 실행부는 그것과 관련하여 단지 적은 비용 증가를 갖는데, 왜냐하면 디지털 오디오 ASIC의 일반적인 복잡성에 관하여 알맞은 수의 게이트만을 포함하기 때문이다.

오디오 시스템에서 볼륨 제어를 실행시키는 현행 이용 가능한 각각의 기술들은 볼륨 제어 회로의 적어도 바람직한 몇몇 특성에 관하여 그 단점을 갖는다는 것은 상기 논의로부터 명백해 진다. 따라서, 상기 논의된 기술보다 더 양호한 모든 이 특성들을 제시하는 볼륨 제어 기술을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 신호 레벨을 제어하는 기술에 관한 것이다. 더 상세하게, 본 발명은 오디오 신호 레벨을 제어하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 R-2R 네트워크 토폴로지를 기초로한 디지털-아날로그 컨버터(DAC)의개략도.

도 2는 본 발명의 특정 실시예에 따라 설계된 레벨 제어 회로의 개략도.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 설계된 레벨 제어 회로의 개략도.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 설계된 레벨 제어 회로의 개략도.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 설계된 레벨 제어 회로의 개략도.

본 발명에 따르면, 레벨 제어 회로는 상술된 기술과 적어도 비슷하거나 또는 더 나은 상술된 모든 필요 조건을 만족시키는 것이다. 본 발명은 인입되는 아날로그 오디오 신호를 어떤 수의 채널에 대해서도 6㏈로 정밀하게 감쇄시키는 R-2R 저항 네트워크 토폴로지로서 공지된 대수 특성의 이점을 취한다. 상기 2R은 그라운드와 작동 증폭기 다음의 R-2R 네트워크의 입력으로서 표시된 실제 그라운드 사이에서 선택적으로 스위칭된다. 왜냐하면 네트워크의 작동은 네트워크의 베이스 저항값에 본질적으로 독립적이기 때문이며, R은 낮게 유지되어 저항 열잡음으로 인한 시스템 잡음에 기여를 최소화시킨다. 또한, R-2R 네트워크를 작동 증폭기로 선택적으로 커플링시키는(그리고 오디오 신호를 통과시키는) 스위치들은 그 터미널에서 어떠한 전압 편차도 격지 않으며, 그러한 편차로 인한 왜곡도 실제적으로 제거된다. 일 실시예에 따라면, 가변 이득 증폭기는 6㏈ 스텝사이에서 1㏈의 증가로 중간 이득 선택부를 제공하도록 R-2R 네트워크에 직렬로 포함되어 있다. 다른 실시예에 따라면, 2개의 R-2R 네트워크는 다른 작동 증폭기 사이에 개재되어 있다. 본 발명의 레벨 제어 회로는, 예를 들어 오디오 증폭기와 같은 오디오 컴포넌트

의 출력 레벨을 제어하도록 사용될 것이다.

따라서, 본 발명은 다수의 저항 노드를 갖는 R-2R 저항 사다리형(resistor ladder)을 포함하는 회로를 제공하는 것이다. 다수의 스위치는 다수의 저항 노드 각각을 다수의 로우 임피던스 노드중 하나에 연결시키기 위한 다수의 저항 노드에 커플링 되어 있다.

특정 실시예에 따르면, 제어 회로는 신호 레벨을 제어하고 상기 신호를 증폭기로 전송하기 위해 제공되어 있다. 상기 제어 회로는 다수의 저항 노드를 갖는 R-2R 저항 네트워크를 기초로 한다. 다수의 스위치는 다수의 저항 노드 각각을 다수의 로우 임피던스중 하나에 교번적으로 연결시키고 로우 임피던스 입력 노드는 증폭기와 결합되어 있다. 스위치 제어 회로는 상기 신호를 로우 임피던스 입력 노드로 전송시키도록 다수의 스위치들을 선택적으로 제어한다.

본 발명의 특성 및 이점의 자세한 이해는 상세한 설명 및 도면의 나머지 부분을 참조하여 현실화될 것이다.

도 1은 잘 공지된 R-2R 저항 네트워크 토폴로지를 기초로한 현행 DAC(100)를 도시한다. 본 발명의 레벨 제어 회로는 이 토폴로지를 기초로한다. 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 선택 사항은 완전한 디지털 해결 방법에 관련된 동적 대역 문제를 회피하고 오늘날 다수 오디오 소스가 아날로그라는 사실을 조절하기 위해 아날로그 구조를 사용하도록 이루어 졌다. 또한, 저항들은 VGA들 대신에 이득 설정 요소로서 선택되었는데, 왜냐하면 그것들은 낮은 잡음과 왜곡을 가지며(낮은 값으로 유지됨), 집적될 때 아주 잘 정합될 수 있기 때문이다. 대수 이득 제어 전송 함수를 이루기 위해서, 이진 DAC 토폴로지, 즉 R-2R 저항 네트워크를 기초 구조 블럭으로 선택하였다. DAC를 구성하는 이진 요소의 가중은 당연히 서로 대수 관계를 갖는다. 즉, 도 1에서 DAC의 전류 싱크(current sink)는 1.0, 0.5, 0.25, 0.125 등으로서 가중된다. 이 가중은 본질적으로 6㏈ 스텝을 제공한다. 본 발명은 오디오 전압을 상기 네트워크에 적용하고 동시에 1개의 전류 싱크만을 사용함으로서 R-2R 토폴로지를 경유하여 오디오 신호를 통과시킴으로서, 대수 볼륨 제어부를 6㏈ 스텝으로서 달성한다. 물론, 6㏈ 스텝은 일반적으로 디지털로 제어된 볼륨 제어부가 1㏈를갖기에는 너무 크다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 6㏈ 스텝 사이의 중간 이득 선택은 다양한 기술로서 근접될 것이다.

현행 DAC(100)의 "R-2R" 토폴로지는 매우 큰 값의 저항의 필요 없이 매우 작은 값으로 되는 대수적으로 관련된 전류를 생성시키기 위한 매우 효율적인 구조를 설명한다. 만일, 예를 들어 8개의 2R 에미터 생성 저항들이 V-에 직접 결합되고(즉, 모든 "R" 저항을 와이어로 대체시킴) 이진 가중이 바람직하다면, 8개의 2R 저항의 값들은 R, 2R, 4R, 8R, 16R, 32R, 64R, 및 128R로 교체될 필요가 있다. 매우 큰 값의 저항이 가장 우측 위치에 있을 필요가 있다는 것은 쉽게 알 수 있다. 실리콘으로 집적될 때, 이들 높은 값의 저항들은 또한 물리적으로 매우 크다. 또한, 그러한 저항의 병렬은 더 큰 값을 생성시키도록 편성되어 있지만, 상기 저항들이 단일 저항으로 구성되지 않는다면, 그러한 분산값들을 정확하게 타깃으로 하는 것이 어렵다. 게다가, 상기 DAC 전송 함수의 단조성은 트리밍과 함께 9-10비트, 또는 12비트로 제한될 것이다. 결국, 그러한 기본적인 저항들은 또한 그 값들에 대한 다이 그래디언트 효과(die gradient effect)를 최소화시키도록 공통의 중심 방향에 신중하게 구성되어야 한다.

이와 대조적으로, R-2R 토폴로지에 있어서, 전류 싱크를 경유하는 전류들은 저항 사이즈의 어떠한 증가 없이 좌측에서 우측으로 2개중 정확한 요소에 의해 감소된다. 따라서, 대역와 정합 판단을 위해서, 설계에서 단지 R과 2R의 저항을 지닌 이진 가중 태스크(task)를 다루는 것이 더 쉽다. R-2R 구조의 다른 이점은 저항값 R이 상대적으로 낮게 유지되므로, 그 열잡음 부담을 최소화시킨다. 또한, 각 하위 비트는 이전 비트를 기초로하므로 단조성은 R-2R 사다리형으로 납득된다. 진술된 모든 이점이 주어지지만, 본 발명에 대한 기초로서 R-2R 토폴로지를 선택하였다.

도 2는 2개의 차동 작동 증폭기(Amp1 과 Amp2) 사이에 개재된 R-2R 저항 사다리형을 포함하는 본 발명의 특정 실시예에 따라 설계된 레벨 제어 회로(200)를 나타낸다. 간략화하기 위해서, 그라운드 와이어를 경유하는 수평선을 그리고 기본 분석을 위해 설계도의 하반부를 무시할 수 있다. 즉, 회로 작동은 단일 목적 실시예를 참조하여 기술될 것이다.

R-2R 사다리형의 상반부 노드상에 기입된 "㏈" 값을 주의하여야 한다. 상술된 바와 같이, R-2R 토폴로지는 본질적으로 정확히 -6㏈(50% 감쇄) 스텝을 생성시키며 0㏈ 노드에서 시작하고 사다리형의 말단부, 이 경우에 -114㏈(20 스텝)으로 연장한다. Amp2 작동 증폭기 입력은 가상 그라운드 노드를 형성하므로, 각 2R 레지스터는 그 관련 스위치(SnA 또는 SnB)의 위치에 상관없이 제로-임피던스 노드로 종결된다. 특정 실시예에 따르면, 도 2의 회로 그라운드는 차동 신호의 가상 그라운드 효과를 사용하여 제거될 것이다, 즉 각 스위치쌍(SnA 및 SnB)의 그라운드 노드는 함께 결합될 것이다.

특정 실시예에 따르면, 스위치 작동 구조는 다음과 같다: 한쌍의 수직 스위치(예를 들어, S1A 및 S1B)는 일정 시간에 Amp2 입력부에 스위칭된다: 모든 다른 스위치들은 그라운드에 스위칭된다. 상기 S1A/B 쌍이 Amp2 위치에 있고 모든 다른 스위치들이 그라운드 위치에 있을 때, S1A/B 위치의 2R 저항은 Amp2에 대해 입력저항(Rin)으로서 역할을 한다. Amp2 피드백 저항(Rf)은 또한 2R이므로, Amp1의 출력부로부터 Amp2의 출력부로의 이득은 균일하다. S2A/B가 Amp1 입력부 위치에 있고 모든 다른 스위치들이 그라운드 위치에 있을 때, Amp1 대 Amp2로의 처리량 이득은 -6㏈이다. 이 스위치 제어의 동일한 시퀀스는 모든 가능한 20개의 이득 선택에 대하여 사다리형의 길이를 경유하여 적용된다. Amp2가 이 실시예에서 균일한 이득을 위해 구성되어 있지만, 넓은 이득 대역, 파서티브 및 네거티브는 본 발명의 대역로부터 이탈하는 것 없이 사용될 수 있음이 이해될 것이다.

이 구성은 많은 중요한 특성을 갖는다. 첫째, Amp2의 Rin이 2R이면, 0㏈에서 또는 거의 0㏈를 제외하고, Amp2에 의해 보여진 입력 저항은 3R에서 상수로 유지된다. 일 실시예에 따르면, Amp1의 출력부에서 직렬 저항 2R의 대체는 Amp2에 대하여 전혀 불변인 Rin=3R을 초래한다. 이것은 Amp2의 잡음 이득, 즉 Rf/Rin으로 곱해진 입력 관련 잡음이 모든 이득 설정에 대해 본질적으로 상수로 유지됨을 의미한다.

둘째, 상기 설계의 작동은 본질적으로 R 값의 선택에 독립적이어서, R 값을 낮게 유지시키므로 저항 열잡음에서 나오는 시스템 잡음에 부담을 최소화시킨다.

셋째, 상기 스위치들은, 특정 실시예에 따르면 MOSFET이므로 오디오 신호를 통과시킬 때 그 터미널에서 어떠한 전압 편차를 겪지 않는데, 왜냐하면 그것들은 항상 실제 그라운드 또는 가상 그라운드에 접지되어 있기 때문이다. 이것은 MOSFET에서의 어떠한 왜곡도 제거시키지만, 그렇지 않다면 소스-벌크 또는 드레인 벌크 다이오드 전압에서의 편차에 의해, 또는 게이트-벌크 전위에 대한 편차에 의해 도입될 수 있다. 이들 비선형성의 부존재는 상기 장치들이 상대적으로 작은 크기의규모로 가능하게 한다. 예를 들어, 시스템에서 R=13㏀, 150㎛/0.5㎛ PMOS와 NMOS 쌍의 전송 게이트는 -120㏈ 이하의 전체 고조파 왜곡을 초래하여 그 이득은 0㏈에서 -6㏈로 감소된다.

넷째, -6㏈ 스텝은 무기한 연장 가능하다. 즉, 사다리형은 각 6㏈ 스텝에 대한 복잡성과 사이즈에서 약간의 증가로 인하여 임의로 길어질 수 있다. 사다리형 길이가 증가하지만, 잡음 및 왜곡은 또한 상대적으로 상수로 유지된다.

다섯째, 저항들은 매우 정밀한 이득 스텝 값에 대하여 상대적으로 쉽게 정합된다. 이와 달리, 존재하는 집적된 볼륨 제어 IC들은 절대 이득 정밀도를 상실하여 감쇄가 증가된다. 이와 대조적으로, 본 발명에 따라 설계된 회로들은 모든 설정에 걸쳐 이득 변동, 및 특히 단조성에 대해 정밀도를 유지시킨다.

결국, Amp1의 출력에 의해 보여진 임피던스는 결코 변동되지 않는다. 이것은 서로 다르게 스위칭된 전류 출력 1-비트 DAC와 같은 전류 출력 장치에 의해 상기 사다리형이 양자 택일로 구동되도록 한다.

스위치(SnA 및 SnB)의 제어는 다양한 기술에 따라 실행될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 스위치 제어 회로는 바람직한 이득을 나타내는 디지털 입력 워드를 사다리형을 따라 각 개개의 스위치를 제어하는 온/오프 논리 리드(logic lead)로 적절히 바꾸는 논리 게이트의 구성을 포함할 수 있다. 이들 스위치를 제어하도록 사용될 수 있는 다양한 기술 때문에, 상기 스위치 제어 회로는 도 2에서 스위치 제어부(202)로서 표시되었다.

6㏈에서 나온 스텝 사이즈를 감소시키는 의문점이 논의될 것이다. 본 발명의특정 실시예에 따르면, 6㏈ 스텝들간의 1㏈ 중간 이득 선택은 가중 탭(tap)을 적절하게 선택한 조합 선택에 의해 근접된다; 즉, 이득 설정 스위치의 조합은 한개의 더 높은 6㏈ 증분 스텝의 이득보다도 대략 1㏈ 이득을 이루기 위해 오디오를 전송하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 대략 -1㏈ 시스템 이득을 이루기 위해서, -6㏈, -12㏈, -18㏈, 및 -36㏈ 스위치가 -0.972㏈의 전체 처리량 이득을 초래하는 것을 가능케 한다. 이것은 1㏈에 흡족하게 근접하지만, Amp2에 의해 보여진 것 처럼 3R에서 0.75R로 Rin을 감소시키는 단점을 갖고 있으므로, Amp2 잡음 이득을 12㏈정도로 증가시킨다.

중간 이득 선택부를 제공하기 위한 다른 기술이 도 3의 레벨 제어 회로(300)로 표시되어 있는데, 입력 오피 앰프(Amp1)는 이득 선택을 허용하는 뱅크의 피드백 저항을 지닌 가변 이득 증폭기로 구성되어 있다. 스위치(SnA 및 SnB)용 제어 회로는 간략화를 위해 도시되지 않았다. 알맞은 구성은 상부 및 하부 피드백 레그(leg) 당 증폭기가 0㏈에서 -5㏈까지 1㏈ 스텝으로 스텝 가능하게 적절하게 선택된 값을 지닌 6개의 피드백 저항 한 세트를 포함한다. 전송 게이트 스위치가 오피 앰프 입력부의 가상 그라운드 노드에 위치되어 상술된 것과 동일한 낮은 왜곡을 야기함을 유의해야 한다. 이 1.0㏈ 스텝들은 사다리형의 더 커다란 6㏈ 스텝 사이에 중간 이득 스텝으로 제공될 것이다. 어떻게 이 실시예가 감소되는 이득 시퀀스에 작용하더라도, Amp1 이득은 사다리형으로 이루어진 -6㏈ 스텝에서 각 시간에 0㏈에서 -5㏈로 시퀀스 되고 그리고 -5㏈에서 0㏈로 점프되어, 사다리형의 전체 대역에 걸쳐 연속 1.0㏈/스텝 종합 동작을 형성한다. 이득이 증가된다면, 역 시퀀스 또한 실행될것이다.

도 3의 구조에서 다른 변화는 가변 이득 증폭기로서 Amp1 보다도 Amp2를 사용한다는 것이다. 그러나, 어떤 변조 결과물 및 그 이득 변동과 관련된 잡음은 가장 높은 볼륨 설정을 제외한 모든 곳에서 사다리형에 의해 감쇄되므로, Amp1은 양호한 선택일 것이다. 이와 대조적으로, Amp2가 가변 이득 증폭기로서 사용된다면, 이것은 그러한 경우가 아닐 것이다.

이와 달리, R-2R 사다리형이, 예를 들어 1 비트 전류 출력 DAC와 같은 전류 출력 장치로서 사용된다면, 그 전류는 중간 이득 스텝을 제공하도록 변동될 것이다. 1.0㏈와 다른 이득 스텝 사이즈 이외의 다양한 가변 이득 기술이 중간 이득 스텝 함수를 실행시키도록 사용될 수 있음이 이해될 것이다.

R-2R 래더에서 나온 독립적인 출력의 수 또한 확장 가능하다. 도 4의 제어 회로(400)는 사다리형을 따라 분리되어 짝지어진 탭의 세트로서 사용되는 세번째 오피 앰프(Amp3)를 도시한다. 스위치(SnA 및 SnB)용 제어 회로는 간략화를 위해 도시되지 않았다. 어떤 쌍의 스위치들은 Amp2에 공급할 수 있지만 다른 쌍의 스위치들은, 나머지 모든 스위치가 접지 되고 Amp2 및 Amp3가 동일한 탭 쌍을 공유하지 않는 한 Amp3에 공급한다. 이 구성에서, 탭 선택부가 인접하다면, Amp2에서 Amp3으로 입력 관련 잡음이 약간 도입될 수 있으며, 그 역또한 같다. 그러나, Amp2 및 Amp3가 유사한 입력 관련 잡음을 갖는다고 가정하면, 분포는 2㏈보다 적다. 탭 선택부가 적어도 하나의 시간을 두고 접지 된 탭이라면, 할당 잡음은 사다리형 고유의 감쇄 특성으로 인하여 무시 가능하다.

또한, Amp2에서 피드백 네트워크는 도 5의 제어 회로(500)에 도시된 것처럼 S21A 및 S21B를 포함하는 보다 큰 선형성을 위해 향상될 수 있다. 모든 입력 및 피드백 스위치들이 실체상 동일한 것이라면, 심지어 상기 스위치들이 어느 정도의 비-선형 동작을 제시한다면, 이들 부가적인 스위치를 포함함에 따라, 피드백 임피던스(즉, 2R + Z(S21A) 및 2R + Z(S21B))는 입력 임피던스(즉, 2R + Z(S1A), 2R + Z(S1B),... 2R + Z(S20A), 및 2R + Z(S20B))와 동일한 것으로 보여질 수 있다. 이것은 다음 구성의 오피 앰프에 대한 이득 방정식으로부터 쉽게 명백해 진다:

도 2-5를 참조하여 상술된 본 발명의 실시예들은 다양한 방식으로 실행될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 개별 요소들이 사용될 수 있다. 이와 달리, 각 실시예들은, 예를 들어 CMOS 및 BiCMOS 공정을 포함하는 폭 넓게 다양한 IC 제조 공정을 사용하여 집적 회로에서 실행될 수 있다.

본 발명은 그 특정 실시예들을 참조하여 상세히 도시되고 기술되었지만, 기술된 실시예들의 형태 및 상세한 설명에서의 변형이 본 발명의 사상 및 대역로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있음은 당기술의 당업자에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 상기된 실시예들은 집적 회로 이외에 개별 회로 요소를 사용하여 실행될 수 있다. 게다가, 본 발명의 실시예들은 폭 넓게 다양한 신호 형태의 레벨을 제어하도록 사용될 수 있으며 오디오 신호 레벨만을 제어하도록 제한되지 않는다. 또한 상술된 바와 같이, 본 발명은 서로 다르며 단일-목적 구성에서 실행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항을 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (17)

1. 신호 레벨을 제어하고 상기 신호를 제 1 증폭기로 전송하기 위한 제어 회로에 있어서,

   신호를 수신하며, 다수의 제 1 저항 노드를 갖는 제 1 R-2R 저항 네트워크;

   상기 다수의 제 1 저항 노드 각각을 다수의 로우 임피던스 노드중 하나와 상기 제 1 증폭기와 관련된 제 1 로우 임피던스 입력 노드에 교호적으로 연결시키는 다수의 제 1 저항 노드에 커플링된 다수의 제 1 스위치; 및

   상기 신호를 제 1 로우 임피던스 입력 노드에 전송하도록 다수의 제 1 스위치를 선택적으로 제어하기 위한 스위치 제어 회로

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 회로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 R-2R 저항 네트워크에 커플링 되어, 상기 제 1 저항 네트워크 단독과 비교했을 때 신호 레벨의 보다 큰 분석 제어를 제공하는 가변 이득 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 회로.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 R-2R 저항 네트워크는 상기 신호 레벨을 대략 6㏈ 증분으로 제어하며, 상기 가변 이득 증폭기는 각 6㏈ 증분 내에서 대략 1㏈증분으로 상기 신호 레벨을 제어하는것을 특징으로 하는 제어 회로.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 증폭기는 제 1 R-2R 저항 네트워크 단독과 비교했을 때 신호 레벨의 보다 큰 분석 제어를 제공하는 가변 이득을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 회로.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 R-2R 저항 네트워크는 상기 신호 레벨을 대략 6㏈ 증분으로 제어하며, 상기 가변 이득 증폭기는 각 6㏈ 증분 내에서 대략 1㏈ 증분으로 상기 신호 레벨을 제어하는것을 특징으로 하는 제어 회로.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 로우 임피던스 노드는 그라운드에 커플링되는 것을 특징으로 하는 제어 회로.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 로우 임피던스 노드중 첫번째 것은 그라운드에 커플링되고 상기 다수의 로우 임피던스 노드중 두번째 것은 제 2 증폭기와 관련된 제 2 로우 임피던스 입력 노드에 커플링되는 것을 특징으로 하는 제어 회로.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 증폭기는 그것과 관련된 제 2 로우 임피던스 입력 노드를 갖는 서로 다른 증폭기이며, 상기 신호는 서로 다른 신호이고, 상기 제어회로는 :

   상기 서로 다른 신호의 일부분을 수신하며, 다수의 제 2 저항 노드를 갖는 제 2 R-2R 저항 네트워크; 및

   상기 다수의 제 2 저항 노드 각각을 다수의 로우 임피던스 노드중 하나와 제 2 로우 임피던스 입력 노드에 교호적으로 연결시키는 다수의 제 2 저항 노드에 커플링된 다수의 제 2 스위치를 포함하고 ;

   스위치 제어 회로는 서로 다른 신호의 일부를 제 2로우 임피던스 입력노드에 전송하도록 다수의 제 2드위치를 제어하는 것을 즉징으로 하는 제어 회로.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치 제어 회로가 상기 신호를 제 1 로우 임피던스 입력 노드로 전송시키도록 다수의 제 1 스위치를 구성할 때, 상기 제 1 증폭기는 단일 이득을 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 회로.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 R-2R 저항 네트워크는 그것과 관련된 입력 임피던스를 갖는데, 상기 입력 임피던스는 다수의 제 1 저항 노드가 제 1 로우 임피던스 입력 노드에 연결되는 것에 관계없이 상수로 유지되는 것을 특징으로 하는 제어 회로.
11. 다수의 저항 노드를 갖는 R-2R 저항 네트워크; 및

    상기 다수의 저항 노드를 다수의 로우 임피던스 노드에 연결하도록 상기 다수의 저항 노드에 커플링된 다수의 스위치

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
12. 신호 레벨을 제어하고 상기 신호를 증폭기로 전송하는 방법에 있어서,

    다수의 저항 노드를 갖는 R-2R 저항 네트워크를 포함하며, 상기 다수의 저항 노드를 다수의 로우 임피던스 노드중 하나와 상기 증폭기와 관련된 로우 임피던스 입력 노드에 교호적으로 연결시키는 다수의 저항 노드에 커플링된 다수의 스위치를 갖는 제어 회로에 상기 신호를 도입하는 단계; 및

    다수의 저항 노드중 적어도 하나를 로우 임피던스 입력 노드에 연결하도록 다수의 스위치를 선택적으로 제어함으로서 상기 신호 레벨을 제어하고 상기 신호를 상기 증폭기로 전송하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 오디오 신호 레벨을 제어하고 상기 신호를 증폭기로 전송하는 볼륨 제어 회로를 포함하는 오디오 컴포넌트에 있어서,

    상기 오디오 신호를 수신하며, 다수의 저항 노드를 갖는 R-2R 저항 네트워크;

    상기 다수의 저항 노드 각각을 다수의 로우 임피던스 노드와 증폭기와 관련된 로우 임피던스 입력 노드중 하나에 교호적으로 연결시키는 다수의 저항 노드에 커플링된 다수의 스위치; 및

    상기 오디오 신호를 로우 임피던스 입력 노드로 전송시키도록 다수의 스위치를 선택적으로 제어하는 스위치 제어 회로

    로 이루어진 볼륨 제어 회로를 포함하는 오디오 컴포넌트.
14. 차동 오디오 신호 레벨을 제어하는 집적 회로에 있어서,

    상기 차동 오디오 신호를 수신하며, 제 1 및 제 2 차동 출력 터미널을 갖는 제 1 차동 증폭기;

    상기 제 1 차동 출력 터미널에 커플링되며, 다수의 제 1 저항 노드를 갖는 제 1 R-2R 저항 네트워크;

    상기 다수의 제 1 저항 노드 각각을 다수의 로우 임피던스중 하나와 제 1 로우 임피던스 입력 노드에 교호적으로 연결시키는 다수의 제 1 저항 노드에 커플링된 다수의 제 1 스위치;

    상기 제 2 차동 출력 터미널에 커플링되며, 다수의 제 2 저항 노드를 갖는 제 2 R-2R 저항 노드;

    상기 다수의 제 2 저항 노드 각각을 다수의 로우 임피던스 노드중 하나와 제 2 로우 임피던스 입력 노드에 교호적으로 연결시키는 다수의 제 2 저항 노드에 커플링된 제 2 R-2R 저항 네트워크;

    다수의 제 1 및 제 2 스위치를 선택적으로 제어하는 스위치 제어 회로; 및

    상기 제 1 및 제 2 로우 임피던스 입력 노드에 커플링된 제 1 및 제 2 차동 입력 터미널을 갖는 제 2 차동 증폭기

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 차동 증폭기는 가변 이득 증폭기로서 구성되는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 제 2 차동 증폭기는 가변 이득 증폭기로서 구성되는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
17. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 차동 증폭기, 제 1 및 제 2 R-2R 저항 네트워크, 다수의 제 1 및 제 2 스위치, 및 스위치 제어 회로는 CMOS 제조 공정을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 집적 회로.