KR20030066847A

KR20030066847A - Ｐｗｍ 부궤환에 의한 디지털 ｐｗｍ 입력 ｄ급 음향 증폭기

Info

Publication number: KR20030066847A
Application number: KR1020020006417A
Authority: KR
Inventors: 정재훈; 조국춘; 조보형; 김창균; 박종후
Original assignee: 주식회사 디지털앤아날로그
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2003-08-14
Also published as: US6952131B2; JP2005517337A; US20050012546A1; CN1618168A; AU2002332357A1; CN100468959C; JP3899074B2; WO2003067753A1; KR100435182B1

Abstract

본 발명은 PWM 부궤환에 의한 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기에 관한 것으로서 특히 입력 오디오의 PCM 신호를 PWM 신호로 변조하는 디지털 변조부와, 디지털 변조부의 PWM 신호 및 부궤환된 출력 신호의 차이와 PWM 램프 신호를 비교하여 PWM 스위칭 신호를 생성하는 펄스폭 생성 및 보정부와, 펄스폭 생성 및 보정부의 PWM 스위칭 신호에 응답하여 증폭된 출력 오디오 신호를 발생하는 출력부와, 출력부의 신호를 부궤환하고 고조파 성분을 감소시켜 펄스폭 생성 및 보정부에 제공하는 전압 부궤환 루프를 구비한다. 상세하게 본 발명의 펄스폭 생성 및 보정부는 필터를 통과한 PWM 신호와 전압 부궤환 루프의 신호를 입력받아 그 차를 증폭하는 전압 증폭부와, PWM 신호를 입력받아 PWM 램프 신호를 생성하는 PWM-램프 변환부와, 전압 증폭부의 출력 신호와 PWM 램프 신호를 비교하여 PWM 스위칭 신호를 생성하는 비교부로 구성된다. 그러므로, 본 발명은 PWM 출력 신호의 부궤환 신호와 +/- 톱니파 PWM 램프 신호와 비교하여 출력부의 스위칭 트랜지스터의 온/오프 시간을 조정하여 PWM 펄스 폭을 보정함으로써 출력 PWM의 선형성을 높일 수 있다.

Description

ＰＷＭ 부궤환에 의한 디지털 ＰＷＭ 입력 Ｄ급 음향 증폭기{ DIGITAL PWM INPUT D CLASS AMPLIFIER BY PWM NEGATIVE FEEDBACK}

본 발명은 디지털 방식의 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: 이하 PWM)로 스위칭되는 D급 음향 증폭기에 관한 것으로서, 특히 디지털 PWM을 입력으로 하여 증폭된 출력 신호의 펄스 에지의 연속적인 지연에 대해 PWM 램프(ramp) 신호로 스위칭 신호의 펄스 폭을 보정하는 PWM 부궤환에 의한 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기에 관한 것이다.

일반적인 증폭기의 회로에는 A급, B급, AB급 등이 있는데, 지금 사용하는 거의 대부분의 음향 증폭기들이 이들 방식을 채택하고 있다. 그런데, A급, B급, AB급 등의 음향 증폭기는 선형성이 우수하지만 대출력 증폭기로 구현할 경우 막대한 전력 손실이 발생하기 때문에 방열판이 필요하므로 부피가 커지고 효율이 나쁜 단점이 있다.

이러한 한계로 인하여 음향 증폭기는 선형동작이 아닌 스위칭(switching) 동작에 의하여 증폭하는 PWM 방식을 채택한 디지털 증폭기가 연구되고 있는 추세이다.

D급 음향 증폭기는 대략 90% 전후의 효율을 기대할 수 있어 증폭기의 열 방출이 줄어 방열판 크기를 줄여 제품 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 기본적인 D급 음향증폭기를 나타낸 회로 블록도이다.

도 1을 참조하면, D급 음향 증폭기는 일정 주기의 신호를 얻기 위한 고조파 구형파 발진기(11)와, 고조파 발진기의 출력신호인 구형파를 삼각파로 만들어 주는 적분기(12)와, 오디오 입력신호와 부궤환 신호를 증폭하는 차동 증폭기(13)와, 차동 증폭기(13)의 출력신호와 적분기(12)의 출력신호의 차를 증폭하는 가산 증폭기(14)와, 스위칭 트랜지스터들(Q1, Q2)을 상보적으로 구동시키는 슈미트 트리거 구동부(15)와, 스위칭 트랜지스터들(Q1, Q2)의 출력 신호를 필터링하는 필터(16)와, 스피커(17)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 종래 기술의 D급 음향 증폭기(10)는 차동 증폭기(13)에 출력 신호를 부궤환한 신호를 입력하여 PWM 신호를 생성하고 이 PWM 신호로 스위칭해서 신호 증폭을 하기 때문에 높은 선형성을 얻게 된다.

하지만, 종래 기술의 D급 음향 증폭기는 출력필터(16)의 아날로그 출력 신호를 부궤환함으로써 아날로그 입력 D급 증폭기에 사용할 수 있으나 디지털 입력(PCM신호)을 받는 증폭기에는 적용할 수가 없어 성능이 나쁘다. 이에 디지털 입력신호를 받는 D급 증폭기의 성능향상을 위한 연구/개발이 요구되는 실정이다.

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은 디지털 변조 스위칭 방식의 D급 증폭기를 이용한 음향 증폭기에 디지털 PWM 입력을 이용하고 부궤환 루프를 제작하여 완전 디지털 개념을 도입한 PWM 부궤환에 의한 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 PWM 스위칭을 이용한 부궤환 D급 음향증폭기에 있어서, 입력 오디오의 PCM 신호를 PWM 신호로 변조하는 디지털 변조부와, 디지털 변조부의 PWM 신호 및 부궤환된 출력 신호의 차이와 PWM 램프 신호를 비교하여 PWM 스위칭 신호를 생성하는 펄스폭 생성 및 보정부와, 펄스폭 생성 및 보정부의 PWM 스위칭 신호에 응답하여 증폭된 출력 오디오 신호를 발생하는 출력부와, 출력부의 신호를 부궤환하고 고조파 성분을 감소시켜 펄스폭 생성 및 보정부에 제공하는 전압 부궤환 루프를 구비한다.

도 1은 기본적인 D급 음향증폭기를 나타낸 회로 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 PWM 부궤환에 의한 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기를 나타낸 회로 블록도,

도 3은 도 2의 필터, 전압 증폭부, 및 전압 부궤환 루프를 상세하게 나타낸 일 실시예의 회로도,

도 4는 도 2의 PWM-램프 변환부를 상세하게 나타낸 일 실시예의 회로도,

도 5는 도 4의 디지털 변조부, PWM-램프 변환부 및 비교부의 각 신호 파형을 나타낸 파형도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >

110 : 디지털 변조부 120 : 펄스폭 생성 및 보정부

122 : 저역통과필터 124 : 전압 증폭부

126 : PWM-램프 변환부 128 : 비교부

130 : 출력부 132 : 게이트 드라이버

134(Q10, Q20) : 스위칭 트랜지스터들

136 : LC 필터 140 : 스피커

150 : 전압 부궤환 루프

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 PWM 부궤환에 의한 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기를 나타낸 회로 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 D급 음향 증폭기는 디지털 변조부(110)와, 펄스폭 생성 및 보정부(120)와, 출력부(130)와, 스피커(140)와, 전압 부궤환 루프(150)로 구성된다.

여기서, 디지털 변조부(110)는 입력 오디오의 PCM 신호(Vi)를 PWM 신호(Vr)로 변조하여 펄스폭 생성 및 보정부(120)에 제공한다.

그리고 펄스폭 생성 및 보정부(120)는 디지털 변조부(110)의 PWM 신호(Vr)에서 고조파 성분을 억제하면서 전체 시스템의 주파수 특성을 조정하는 저역통과필터(122)와, 저역통과필터(122)를 통과한 PWM 신호와 전압 부궤환 루프(150)의 신호(Vp1)를 입력받아 그 차를 증폭하는 전압 증폭부(124)와, 디지털 변조부(110)의 PWM 신호(Vr)를 입력받아 PWM 램프 신호(Vm)를 생성하는 PWM-램프변환부(126)와, 전압 증폭부(124)의 출력 신호(Vp2)와 PWM-램프 변환부(126)의 PWM 램프 신호를 비교하여 PWM 스위칭 신호(Vc)를 생성하는 비교부(128)로 구성된다.

그리고 출력부(130)는 펄스폭 생성 및 보정부(120)의 PWM 스위칭 신호(Vc)를 증폭하는 게이트 드라이버(132)와, 게이트 드라이버(132)의 신호에 의해 스위칭하는 MOSFET의 스위칭 트랜지스터(134)(Q10, Q20)와, 스위칭 트랜지스터(134)의 신호(Vp)를 출력 오디오 신호로 복조하여 출력하는 LC필터(136)와, LC필터(136)의 출력 오디오 신호(Vo)를 외부에 출력하는 스피커(140)로 구성된다. 이때 LC 필터(136)는 저역통과필터인데 본 발명에서는 디지털-아날로그 변환기로 작동한다.

또한 본 발명은 D급 음향 증폭기는 출력부(130)의 스위칭 트랜지스터(134)의 증폭 신호(Vp)를 부궤환하고 고조파 성분을 감소시켜 전압 증폭부(124)에 제공하는 전압 부궤환 루프(150)를 더 포함한다.

도 3은 도 2의 필터, 전압 증폭부, 및 전압 부궤환 루프를 상세하게 나타낸 일 실시예의 회로도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 펄스폭 생성 및 보정부(120)내 필터(122)는 저항(R1) 및 캐패시터(C1)로 이루어진 저역통과필터로서 디지털 변조부(110)에서 변조된 PWM 신호(Vr)를 전압 증폭부(124)에 전달한다.

전압 증폭부(124)는 전압궤환(voltage feedback)을 수행하는 OP 증폭기(1240)를 포함하는데, 그의 (-)단자에는 필터(122)의 신호가 제공되고 (+)단자에는 전압 부궤환 루프(150)의 신호(Vp1)가 제공되어 이들 신호차를 증폭해서 출력(Vp2)한다. 전압 부궤환 루프(150)의 신호(Vp1)는 출력 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)에서 출력된 구형파 신호이기 때문에 필터(122)의 출력인 PWM 신호(Vr)와 동일한 펄스 형태를 나타내며, 단지 그 크기가 증폭되어 위상이 수°정도 지연된 신호 파형을 갖는다.

전압 증폭부(124)의 OP 증폭기(1240) (-)단자에는 저항(R2)이 연결되며 저항(R2)와 증폭기의 출력단자 사이에는 저항(R3) 및 캐패시터(C3)가 병렬 연결된다. 여기서 저항(R2, R3)은 증폭기(1240)의 이득(R3/R2)을 결정해 주고, 증폭기 출력을 부궤환하는 병렬 연결된 저항(R3)과 캐패시터(C3)는 전압 부궤환 루프 내에 극점을 삽입하여 위상 마진 확보와 증폭기(1240)로 입력되는 주파수의 리플을 제거함으로써, 증폭기(1240)의 가청 대역의 성능과 직류 안정도를 향상시킨다. 바람직하게는 저항(R3)과 캐패시터(C3)의 코너 주파수는 수 KHz∼수십 KHz내에서 설정된다. 그리고 증폭기(1240)의 출력 단에는 다이오드들(D1,D2)과 저항들(R7,R8)이 연결되어 있는데, 이들 소자는 전압 증폭부(1240)의 출력 신호(Vp2)가 ±수 V의 한계를 넘지 않도록 제한하는 역할을 한다.

전압 부궤환 루프(150)는 저항들(R4,R5,R6)과 캐패시터(C4)로 이루어진다. 저항 R5와 R6은 스위칭 트랜지스터(134)의 출력(Vp)을 필터(122)의 신호와 비슷한 레벨이 되도록 전압 강하시키는 역할을 한다. 이때의 이득은 ""으로 결정되고, 이 값이 ""의 비율이 되도록 결정한다. 그리고 캐패시터(C4)와 저항 R4는 부궤환 내에 극점을 삽입하는 역할을 함으로써, 이극점 보상기(compensator)가 되도록 한다. 이렇게 함으로써, 전압 증폭부(124)의 출력 전압(Vp2)의 고조파 성분을 감쇄한다. 여기서 저항(R4)과 캐패시터(C4)의 시정수는 20kHz내에서 필터(122)의 시정수보다 약간 크게 설정한다.

도 4는 도 2의 PWM-램프 변환부를 상세하게 나타낸 일 실시예의 회로도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 PWM-램프 변환부(126)는 +/-의 톱니파 램프 신호를 생성하는데, 그 상세한 구성은 인버터(INV)와, 정전류원(1260)과, 제 1 및 제 2캐패시터(C5,C6)와, 상보적으로 스위칭되어 제 1 및 제 2캐패시터(C5,C6)에 각각 충전 및 방전하는 MOSFET의 제 1 및 제 2스위칭 트랜지스터(Q3,Q4)와, 제 1 및 제 2스위칭 트랜지스터(Q3,Q4)를 통해 출력된 각 신호를 차동 증폭하여 PWM-램프 신호(Vm)를 생성하는 차동 증폭부(1262)를 포함한다.

여기서, 디지털 변조부(110)에서 변조된 PWM 신호(Vr)는 제 2스위칭 트랜지스터(Q4)의 게이트에 전달되고 인버터(INV)를 통해 반전된 PWM 신호(Vr)는 제 1스위칭 트랜지스터(Q3)의 게이트에 전달된다.

그리고 정전류원(1260)은 I1 및 I2로 구성되었으며 각 출력은 트랜지스터(Q5,Q6)의 드레인과 커패시터(C5,C6)에 연결되어있으며 이 노드들은 각각 저항(R17,R18)을 거쳐 차동 증폭부(1262)의 (-),(+) 단자에 연결된다.

여기서, PWM-램프 변환부(126)는 회로의 이득은 +/- 톱니파 램프 신호(Vm)의 기울기 K에 의한 이득 1/K에 비례하는데, 만약 K값을 작게 할 경우 충분히 차동 증폭기(1262)의 이득을 손쉽게 조절할 수 있다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기에 대한 작동 과정을 설명한다.

우선, 입력 오디오의 PCM 신호(Vi)가 디지털 변조부(110)에 의해서 PWM 신호(Vr)로 변환된다.

그리고 PWM 신호(Vr)와 전압 부궤환 루프(150)를 통해 부궤환된 신호(Vp1)는 펄스폭 생성 및 보정부(120)로 입력되어 이 회로내의 필터(122)와, 전압 증폭부(124)와, PWM-램프 변환부(126)와, 비교부(128)를 통해 펄스폭 변조된 PWM 스위칭 신호(Vc)를 생성하는데 상세한 처리 과정은 다음과 같다.

먼저 PWM 신호(Vr)는 필터(122)를 통해서 고조파 성분이 필터링되고 주파수 특성을 시스템에 맞게 변환된다. 필터링된 PWM 신호(Vr)는 전압 증폭부(124)에 제공된다. 전압 증폭부(124)는 OP 증폭기(1240)를 통해 PWM 신호(Vr)와 전압 부궤환 루프(150)의 신호(Vp1)의 차를 증폭해서 출력(Vp2)한다.

PWM-램프 변환부(126)는 PWM 신호(Vr)를 입력받아 PWM 펄스 폭에 비례하여 0을 기준으로 +방향으로, -방향으로 증가하는 톱니파 램프 신호(Vm)를 생성한다. 이때, +/- 톱니파 신호는 PWM 신호(Vr)에 상보적으로 스위칭되는 트랜지스터(Q3, Q4)로 정전류원(1260)을 캐패시터에 전하를 충, 방전함으로써 생성된 신호를 차동 증폭기(1262)에서 증폭하여 + 및 -의 양 방향 톱니파 램프 신호(Vm)를 생성하는 것이다.

비교부(128)는 PWM-램프 변환기(126)에서 생성된 +/- 톱니파 램프 신호(Vm)와 전압 증폭부(124)내 증폭기(1240)의 출력신호(Vp2)를 비교하여 PWM 스위칭 신호(Vc)를 생성한다. 즉 비교부(128)는 +/- 톱니파 램프 신호(Vm)보다 증폭기(1240)의 출력신호(Vp2)가 크면, 하이 레벨로, 그 반대의 경우에는 로우 레벨의 PWM 스위칭 신호(Vc)를 출력함으로써, 결국 PWM 스위칭 신호(Vc)는 펄스폭 변조된 구형파 형태를 갖는다.

그리고 비교부(128)에서 생성된 PWM 스위칭 신호(Vc)는 출력부(130)를 통해서 스피커(140)로 출력되는데 이의 상세한 처리 과정은 다음과 같다.

스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)를 스위칭하기에 미약한 신호이므로 게이트 드라이버(132)에 의해 증폭된 후에 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 게이트에 제공된다. 만약 게이트 드라이버(132)의 출력이 로우 레벨인 경우 Q1이 온되어 Q1을 통해서 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 출력단에 하이 레벨의 신호가 출력되고 이와 반대로 게이트 드라이버(132)의 출력이 하이 레벨인 경우 Q2가 온되어 Q2를 통해서 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 출력단에 로우 레벨의 신호가 출력된다. 여기서 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 스위칭 주파수는 수백 KHz이며, 이에 따라 얻어진 출력인 구형파 신호는 입력 Vc와 동일한 폭을 갖고 크기만 큰 PWM 파형을 갖는다. 이렇게 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)를 통해 생성된 PWM 신호는 디지털-아날로그 변환기로 작동하는 LC필터(136)에 입력된다. 트랜지스터(Q1, Q2)에 의해 증폭된 PWM 신호에는 증폭을 하고자 하는 오디오 신호와 오디오 신호보다 10배 이상의 고주파의 스위칭 신호가 섞여 있는데, LC 필터(136)에서는 PWM 신호에서 오디오 신호를 통과시키고 스위칭 신호를 필터링시킨다. 이에 따라 LC 필터(136)를 통해서 결국 증폭된 출력 오디오 신호(Vo)를 얻게된다.

이와 같이 작은 크기를 갖는 최초의 입력 오디오인 PCM 신호(Vi)는 본 발명에 따른 펄스폭 변조 및 스위칭 방식으로 통해서 큰 신호로 증폭되어 스피커(140)를 통해 오디오 신호(Vo)를 출력하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기에서는 펄스폭 생성 및 보정부(120)를 통해서 출력 신호를 부궤환해서 보정할 수도 있는데 이에 대한 설명은 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 도 4의 디지털 변조부, PWM-램프 변환부 및 비교부의 각 신호 파형을 나타낸 파형도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 디지털 변조부(110)는 소정의 펄스폭(Tw)을 갖는 PWM 신호(Vr)를 생성한다. 그리고 PWM-램프 변환부(126)는 PWM 신호(Vr)가 하이 레벨일 동안 - 경사(K)의 톱니파 램프 신호(Vm)를 발생하는 반면에 로우 레벨일 동안 + 경사(K)의 톱니파 램프 신호(Vm)를 발생한다. 이때 +/- 톱니파 램프 신호(Vm)는 PWM 신호(Vr)과 동일한 펄스폭(Tw)을 갖는다.

도 4를 참조하면, Vr 신호가 하이레벨로 입력되면, 제 2스위칭 트랜지스터(Q4)는 온(On)되어 제 2캐패시터(C6)를 방전시킴과 동시에 제 1스위칭 트랜지스터(Q3)는 인버터(INV)를 통해 반전된 Vr의 로우레벨에 의해 오프(Off)되고 정전류원(I1)에 의해서 제 1캐패시터(C5)에 전하를 충전한다. 커패시터(C5)에 충전된 전압은 거의 선형적인 상승 직선을 이룬다. 이에 따라 차동 증폭기(1262)의 출력(Vm)은 선형적으로 증가하다가, PWM 신호(Vr)가 하이레벨에서 로우레벨로 천이될 경우 제 1스위칭 트랜지스터(Q3)가 온되면서 제 1캐패시터(C5)에 충전된 전하를 방전시킨다. 따라서 차동 증폭기(1262)의 출력(Vm)이 순간적으로 0V으로 떨어지게 되어 PWM-램프 변조부(126)를 통해 + 톱니파 램프 신호가 얻어진다.

그리고 PWM 신호(Vr)가 로우레벨일 동안 인버터(INV)를 통해 반전된 Vr의 하이레벨에 의해 제 1스위칭 트랜지스터(Q3)는 온되어 제 1캐패시터(C5)를 방전시킴과 동시에 제 2스위칭 트랜지스터(Q4)는 오프되고 정전류원(I2)에 의해서 제 2캐패시터(C6)에 전하를 충전한다. 이에 따라 차동 증폭기(1262)의 출력(Vm)은 + 경사 방향으로 선형적으로 증가하다가, PWM 신호(Vr)가 로우레벨에서 하이레벨로 천이될 경우 제 2스위칭 트랜지스터(Q4)가 오프되면서 제 1캐패시터(C6)에 충전된 전하를 방전시킨다. 따라서 차동 증폭기(1262)의 출력(Vm)이 순간적으로 0V로 떨어지게 되어 결국 PWM-램프 변조부(126)를 통해 - 톱니파 램프 신호가 얻어진다.

이러한 제 1 및 제 2스위칭 소자(Q3, Q4)의 드레인 전압은 차동 증폭기(1262)의 (+) 및 (-) 단자 입력으로 각각 들어가게 되는데, 이 증폭기(1262)의 회로 저항이 균형, 즉 "R20/R17＝R19/R18"이면, 증폭기의 출력은 두 전압의 차가 "R20/R17"의 이득으로 증폭되어 출력(Vm)이 나타난다.

이와 같은 동작을 PWM 신호(Vr)의 매 주기마다 반복함으로써, PWM-램프 변환부(126)에서는 +/- 톱니파 램프 신호(Vm)를 생성한다. 이러한 램프 신호(Vm)는 비교부(128)로 입력되어 비교부(128)를 통해 전압 증폭부(124)의 신호(Vp2)와 비교하여 기준 PWM 전압(Ve)에 대한 천이 시간(transition time)만큼 지연된 펄스폭(Ta)을 갖는 PWM 스위칭 신호(Vc)를 생성한다. 이로 인해 게이트 드라이버(132)의 입력 펄스폭이 가변적으로 변경되고 결국 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 온/오프 시간이 변화되어서 출력 오디오 신호(Vo)의 에러를 보정할 수 있다. 그리고 입력 오디오 신호(Vi)의 펄스폭과 상관없이 PWM-램프 변환부(126)에서는 항상 톱니파 램프신호가 만들어지므로 변조 인덱스에 제한이 없으며, 보정된 PWM 스위칭 신호(Vc)의 펄스 폭도 영에서 스위칭 전체 주기까지 가변적이므로 출력 오디오 신호(Vo)의 에러를 보정하는 펄스폭 크기에 제한이 없기 때문에 전압 부궤환에 의한 출력 보상을 정밀하게 제어할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 디지털 PWM 입력 부궤환 D급 음향증폭기는 입력 오디오를 펄스 변조한 PWM 신호 자체를 이용하여 신호 증폭 및 출력 신호의 보정을 함께 처리함으로써 D/A 회로의 필요성을 제거하면서 기존 다양한 아날로그 회로 기능의 디지털화하였다.

본 발명은 종래 D급 음향 증폭기에서 사용되었던 임의의 펄스폭 변조 캐리어 삼각파 발생기 대신에 PWM 신호를 이용한 램프 생성부로 대체함으로써, 회로의 복잡도를 단순화하고 가격을 절감하면서, 높은 스위칭 주파수 동작시 선형성 확보에도 유리하다. 즉, 종래 캐리어 삼각파 발생기를 사용하는 경우에는 높은 주파수로 스위칭하기 위해서 캐리어의 주파수도 함께 높여야 하기 때문에 캐리어 삼각 파형의 선형성을 구현하는데 어려움이 있었다. 하지만, 본 발명에서는 미리 높은 주파수의 PWM을 입력으로 받아서 낮은 기울기를 갖는 램프 파형을 구현하는 것이기 때문에 선형성을 유지하는 것이 상대적으로 쉽다.

그리고, 본 발명은 보정회로의 이득을 증가시켜 루프게인을 증대시킨 후 부궤환를 적용하면 기존의 아날로그 증폭기에 필적하는 성능을 얻을 수 있다.

또한 본 발명의 D급 증폭기의 출력신호는 펄스폭 변조로 동작함으로 출력소자의 상태는 도통 혹은 단선의 상태를 갖게 되므로 에너지 손실이 거의 없게 된다. 실질적으로 D급 증폭기의 출력 단자에서는 도통에서 단선, 단선에서 도통으로 변환할 때 스위칭 손실이 발생하고, 도통 상태일 때 출력소자의 내부 저항에 의한 도통 손실이 있어 실제 효율은 90%이상의 고효율을 갖는다.

또한 본 발명은 에너지 절감 효과가 있다. 일반적으로 D급 음향 증폭기가 효율이 우수하지만 성능이 열악하다는 한계가 있지만, 본 발명은 출력 신호의 부궤환 보정 처리 프로세스를 디지털화함으로써 단일칩 제작이 용이하여 기존의 모든 아날로그 증폭기를 D급 증폭기로 전환할 경우 동급이상의 성능을 확보하고 에너지를 절약할 수 있다. 더불어 방열판의 크기와 전원장치의 용량이 기존 아날로그 증폭기에 비하여 30% ∼ 40% 작아도 동일한 출력을 얻을 수 있는 장점이 있어 전체적으로 소형화 및 제조가격의 인하 효과를 얻을 수 있다.

Claims

PWM 스위칭을 이용한 부궤환 D급 음향증폭기에 있어서,

입력 오디오의 PCM 신호를 PWM 신호로 변조하는 디지털 변조부;

상기 디지털 변조부의 PWM 신호와 부궤환된 출력 신호의 차이와 PWM 램프(ramp) 신호를 비교하여 PWM 스위칭 신호를 생성하는 펄스폭 생성 및 보정부;

상기 펄스폭 생성 및 보정부의 PWM 스위칭 신호에 응답하여 증폭된 출력 오디오 신호를 발생하는 출력부; 및

상기 출력부의 신호를 부궤환하고 출력신호의 고조파 성분을 감소시켜 상기 펄스폭 생성 및 보정부에 제공하는 전압 부궤환 루프를 구비한 것을 특징으로 하는 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기.
제 1항에 있어서, 상기 펄스폭 생성 및 보정부는 상기 디지털 변조부의 PWM 신호와 상기 부궤환된 출력 신호와의 차를 증폭하는 전압 증폭부와, 상기 디지털 변조부의 PWM 신호를 입력받아 PWM 램프(ramp) 신호를 생성하는 PWM-램프 변환부와, 상기 전압 증폭부의 출력 신호와 상기 PWM-램프 변환부의 PWM 램프 신호를 비교하여 PWM 스위칭 신호를 생성하는 비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기.
제 2항에 있어서, 상기 펄스폭 생성 및 보정부는 상기 디지털 변조부의 PWM신호를 저역통과대역에서 필터링하여 상기 전압 증폭부에 전달하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기.
제 2항에 있어서, 상기 PWM-램프 변환부는 +/-의 톱니파 램프 신호를 생성하고 정전류원과, 제 1 및 제 2캐패시터와, 상보적으로 스위칭되어 제 1 및 제 2캐패시터에 각각 충전 및 방전하는 제 1 및 제 2스위칭 트랜지스터와, 상기 제 1 및 제 2스위칭 트랜지스터를 통해 출력된 각 신호를 차동 증폭하는 차동 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기.
제 1항 및 제 2항에 있어서, 상기 출력부는 상기 비교부의 PWM 스위칭 신호에 의해 스위치 구동 신호를 생성하고 이를 증폭하는 게이트 드라이버와, 상기 게이트 드라이버의 신호에 스위칭되는 스위칭 트랜지스터와, 상기 스위칭 트랜지스터의 신호를 출력 오디오 신호로 복조하여 출력하는 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 PWM 입력 D급 음향 증폭기.