KR20050036812A - 오디오 신호에 대한 음질 개선 회로 및 이를 이용한오디오 증폭 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 3 개 이상의 케스케이드 접속된 위상 시프트 회로를 갖는 회로를 구비하며, 상기 회로의 위상 특성은, 오디오 입력 신호의 위상이 가청 주파수의 범위에서 주파수의 대수적인 증가에 따라 점차적으로 지연되어 총 450°내지 600°범위의 위상 지연이 발생하는 방식으로 결정된다.

Description

오디오 신호에 대한 음질 개선 회로 및 이를 이용한 오디오 증폭 회로 {SOUND QUALITY ENHANCEMENT CIRCUIT FOR AUDIO SIGNALS AND AUDIO AMPLIFIER CIRCUIT USING THE SAME}

본 발명은, 오디오 신호에 대한 음질 개선 회로 및 이를 이용한 오디오 증폭 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 음의 명료도를 향상시키고 음상의 상방 정위(Upper Position of Sound Image For Sound Image Positionality)를 용이하게 실현하며 IC화가 용이하고, 특히, 소형의 풀 레인지 콘 타입 스피커(Full Range Corn Type Speaker)를 구동하는데 적절한 음질 개선 회로에 관한 것이다.

본격적인 컴포넌트 스테레오가 설치되는 음향 공간과는 달리, 카 스테레오를 포함하여 TV 기기(TV 수신기 및 TV 비디오 게임 장치 등), DVD, 미니 컴포넌트 스테레오 및 컴퓨터 오디오와 같은 오디오 기기가 설치되는 음향 공간은, 그 안에 다양한 기기와 가구 등이 설치됨으로 인해 비교적 제한되어 있다던가 차량 내의 공간과 같이 비교적 좁은 경우가 많다. 또한, 사용되는 스피커가 소형 사이즈이기 때문에, 풀 레인지 콘 타입 다이나믹 스피커(이하, '콘 타입 스피커'라 함)나 투 웨이 스피커(Two Way Speaker)의 경우조차 크로스오버 주파수(Crossover Frequency)가, 예를 들면, 5000㎐ 이상으로 높기 때문에, 실질적으로 풀 레인지 콘 타입 스피커와 트위터(Tweeter)를 결합한 풀 레인지 스피커에 의해 주로 구성된 스피커 시스템이 종종 사용된다.

여기서, 음의 재현성에 관하여 스피커에 대해 요구되는 중요한 요소로서, 음압 주파수 특성, 진폭 특성 및 과도 특성의 3 가지 특성을 들 수 있다. 이 중에서, 스피커의 과도 특성이 최근에 주목받고 있다. 콘 타입 스피커의 경우, 스피커의 입력 신호에 대한 상승(Rise Up) 진동 특성의 오프셋(Offset)은 주파수에 따라 유발된다. 그러한 오프셋은 저주파 영역(200㎐ 이하 주파수의 오디오 신호)에서 증가하, 고주파 영역(4.0㎑ 이상 주파수의 오디오 신호)으로 갈수록 감소하며 그 지연 역시 감소하게 된다.

그 이유는, 비록 콘 타입 스피커가 보이스 코일 모터에 의해 구동되는 콘의 진동을 통해 음을 생성하지만, 저주파 영역의 성분이 전체 콘의 진동을 통해 생성되고 고주파 영역의 성분이 콘의 중심부로부터 방사됨으로 인해, 진동하는 콘의 관성 차이에 의하여 고주파 성분의 상승 속도는 빠르고 저주파 성분의 상승 속도는 지연되기 때문이다. 오프셋은 소형 스피커의 사이즈 감소에 따라 증가한다.

한편, 오디오 신호를 나타내는 파워 출력 신호를 이퀄라이저와 필터 등을 통해 스피커로 인가함으로써 스피커가 구동되는 경우, 비록 파워 출력 신호는 편평한 주파수 특성을 나타내지만, 저주파 영역에 비해 고주파 영역에서 지연이 있다면, 보통 오디오 신호의 고조파 성분에 지연이 생겨 그 스피커로부터 얻은 음의 명료도가 떨어지게 된다. 떨어진 명료도를 회복하기 위해, 고주파 영역은 일반적으로 부스트되지만, 음이 딱딱하게 되는 문제가 있다.

이러한 이유로, 소형 스피커에 대해 입력 신호의 위상 보정에 의하여 소정 위상 특성을 가미하고, 또한 고주파 영역에서의 증폭도를 증가시킴으로써 음의 명료도를 향상시킨다.

상술한 바와 같은 비교적 좁은 공간에서 사용되는 음향 기기에 있어서는, 스피커의 과도 특성의 측면에서 음상(Sound Image)과 음의 명료도를 증강하기 위해, 사람에게 전달되는 음향을 나타내는 머리 관련 전달 함수(HRTF: Head Related Transfer Function)를 고려하여, 종방향의 소리에 대한 사람의 지각을 이용함으로써 낮은 위치에서 나오는 음상을 윗쪽으로 정위시켜 음의 명료도를 증가시키는 기술도 알려져 있다.

또한, 음상의 상방 정위에 있어서 지각에 관련되는 주파수 성분은 4㎑ 와 8㎑ 부근에 있는 것으로 알려져 있다. 이 4㎑ 와 8㎑ 부근의 주파수 성분을 강조함으로써 음상이 윗쪽으로 변한다. 마찬가지로, 사람 목소리의 명료도에 기여하는 주파수 성분은 2.5㎑ 부근에 있는 것으로 알려져 있다.

음질 개선 기술 중 하나인 BBE 프로세스 기술은, 기본파에 대해 지연된 고조파 성분을 기본파 앞으로 이동시켜 음의 파형을 자연계의 음에 근접시키고 고주파 성분을 부스트하는 것으로, 명료도를 증가시키기 위해 오디오 신호에 대하여 보정 프로세스를 수행한다. 이에 따른 음질 개선으로, 이퀄라이저를 사용하는 경우에 비해 부스트량은 적게 하면서 위상 보정과 고주파 영역 부스트의 시너지 효과를 통해 명료도와 관련하여 커다란 효과를 얻는다. 또, BBE 프로세스 기술의 예는 JPH 10-75138A 에 개시되어 있다. 또한, 같은 종류의 음질 개선 회로가 일본 특허 제 2,608,065 호에 개시되어 있다.

JPH 10-75138A 에 개시된 바와 같은 BBE 프로세스 기술에서, 오디오 신호는 고주파 영역, 중주파 영역 및 저주파 영역으로 분할되어 3 채널 프리 앰프(Preamplifier)에 의해 각각 처리되며, 필터링 프로세스와 오디오 신호의 위상 조정을 통해 신호에 지연이 가해진 후, 각 채널을 통해 처리된 신호는 믹싱(Mixing)에 의하여 합성된다. 이로써, 스피커에서 발생하는 음의 명료도가 향상된다. 이 기술은 레코딩 스튜디오와 방송국 등에서 이용된다.

구체적으로는, 저주파 영역에 대해서는 150㎐ 보다 낮은 주파수를 갖는 신호가 사용되고, 중주파 영역에 대해서는 150㎐ 내지 1.2㎑ 범위의 주파수를 갖는 오디오 신호가 사용되며, 고주파 영역에 대해서는 1.2㎑ 보다 높은 주파수를 갖는 오디오 신호가 사용된다. BBE 프로세스 기술에 의한 이득 및 위상 보정 특성의 예가 도 5a 및 도 5b 에 나타나 있다.

주파수에 대한 위상 특성을 나타내는 도 5b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 위상은 저주파 영역으로부터 중주파 영역, 고주파 영역으로 주파수의 대수적인 증가에 따라 선형적인 기울기를 따라서 점차적으로 지연되고, 결과적으로 가청 주파수(20㎐ 내지 20㎑)의 범위 상에서 360°만큼 위상을 지연시키는 특성이 제공된다.

도 5a 에 나타낸 이득 특성에 있어서, 600㎐ 부근에 크레스트(Crest)가 형성되어 있고, 그 양측에서, 예를 들면, 600㎐ 내지 3㎑ 의 범위에서 10㏈/dec 정도만큼 진폭이 증강되어 있다. 이로써, 2.5㎑ 부근 및 그 이상의 주파수 성분을 증강하는 특성을 얻는다.

그러나, 상기와 같은 음질 개선 처리에서, 주파수 영역이 3 개의 영역으로 분할되어야 하기 때문에, 3 개 영역의 신호가 합성되는 경우 중주파수 영역에 슬랙(Slack)이 유발되어 음 누락의 문제가 발생한다.

한편, 머리 관련 전달 함수를 고려하여 종방향으로 음상을 정위시키는 기술에 의한 이득 및 위상 보정 특성에서, 주파수에 대한 위상 및 이득 특성이 나타난 도 6 에서 볼 수 있는 바와 같이, 위상 특성에 있어서 위상 변화는 그리 크지 않고 500㎐ 부근에서 크레스트를 갖는 특성이 제공된다. 이득 특성으로는, 300㎐ 부근에서 부스트가 시작되며, 300㎐ 내지 1㎑ 의 범위에서 진폭이 9㏈/dec 만큼 증강되어 저주파 영역으로부터 중주파 영역으로의 이득 특성이 개선된다. 이로써 2.5㎑ 이후의 주파수 성분이 강조되어 음의 명료도가 향상되고, 음상이 윗쪽으로 전이된다.

한편, 소형 풀 레인지 콘 타입 스피커나 실질적으로 소형 풀 레인지 스피커로 구성된 시스템에서는, 보이스 코일의 직경이 짧게 되어 그 효율이 감소하기 때문에, BBE 프로세스 기술을 적용하더라도 음의 명료도를 상승시킬 수 없다. 또한, 이득 특성에 있어서, 부스트가 300㎐ 부근에서 시작되어 300㎐ 내지 1㎑ 범위에서 진폭이 9㏈/dec 만큼 증강됨으로써 이득 특성이 개선되면, 500㎐ 내지 1㎑ 의 보이스 영역의 음질이 변동하여 노이즈를 증가시키는 문제가 발생한다.

특히, 직경이 1.5㎝ 내지 3㎝ 인 소형 스피커를 사용하는 휴대 전화와 관련해서는, 상기 기술로 음질 개선을 기대하기 어렵다.

본 발명의 목적은, 종래 기술의 상기 문제점들을 해결하는 것으로, 음의 명료도를 향상시키고 IC화가 용이하며, 특히, 풀 레인지 스피커를 구동하는데 적절한 음질 개선 회로 및 이 회로를 이용하는 오디오 증폭 회로를 제공하는데 있다.

여기서, 본 상세한 설명 및 특허청구범위에서 언급될 풀 레인지 스피커는 실질적으로 약 5000㎐ 이상의 크로스오버 주파수를 갖는 트위터와 풀 레인지 콘 타입 스피커의 결합으로 구성된 스피커 시스템을 포함한다. 또한, 약 13㎝ 이하인 콘 부분의 직경을 갖는 스피커를 소형 스피커라고 한다.

상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 오디오 신호에 대한 음질 개선 회로 및 이 회로를 이용하는 오디오 증폭 회로는, 스피커에서 생성된 음질을 증강하기 위해 오디오 입력 신호에 대해 위상이 보정된 오디오 출력 신호를 생성하는 오디오 신호에 대한 음질 개선 회로가 케스케이드 접속된 적어도 3 개 이상의 위상 시프트 회로를 갖는 케스케이드 접속 회로를 구비하며, 상기 케스케이드 접속 회로의 위상 특성은, 오디오 입력 신호의 위상이 가청 주파수의 범위에서 주파수의 대수적인 증가에 따라 점차적으로 지연되어 가청 주파수의 범위에서 총 450°내지 600°범위의 위상 지연이 유발되도록, 결정된다.

카 스테레오 및 TV 기기, DVD, 미니 컴포넌트와 컴퓨터 오디오 등을 포함하는 오디오 기기에는 비교적 소형 스피커가 사용된다. 따라서, 본 발명은 100㎐ 내지 20㎑ 의 오디오 주파수 성분에 주목한다. 이 주파수 범위에서, 그 위상은 저주파 영역(200㎐ 보다 낮음)으로부터 중주파 영역(200㎐ 내지 4㎑), 고주파 영역(4㎑ 보다 높음)으로의 주파수의 대수적인 증가에 따라 선형적인 기울기를 따라서 점차적으로 지연되어, 총 450°정도 이상의 위상 시프트 지연(Phase Shift Delay)이 이루어진다. 그 때문에, 상술한 바와 같이, 본 발명에서는 적어도 3 단의 위상 시프트 회로를 사용하여 저주파 영역으로부터 중주파 영역 및 고주파 영역으로의 주파수의 대수적인 증가에 따라 위상을 점차적으로 지연시켜, 가청 주파수(20㎐ 내지 20㎑)의 범위 상에서 약 450°내지 600°범위의 위상 지연을 일으킴으로써, 스피커에서 발생한 음의 고주파 성분을 지연시켜 저주파 성분의 시간축과 정합시켜서 음질을 개선한다.

특히, 약 10㎝ 의 직경을 갖는 소형 콘 스피커의 상승 특성이 중형 또는 대형 콘 스피커에 비해 나쁘기 때문에, 100㎐ 내지 200㎐ 의 범위에서 150°이상의 위상 시프트 지연이 이루어진다면 음의 첨예도가 개선된다.

그 이유는, 지경이 약 10㎝ 인 소형 스피커에서 기본파는 100㎐ 내지 200㎐ 의 저주파 영역에 집중되어 있고 반대로 고조파 성분은 8㎑ 내지 15㎑ 의 고주파 성분에 집중되어 있기 때문이다. 오디오 신호의 저주파 영역으로부터 고주파 영역으로의 대수적인 주파수 증가에 따라 가청 주파수의 범위에서 540°만큼 위상이 선형적으로 위상 시프트되는 경우, 8㎑ 내지 15㎑ 범위에서의 위상 시프트 특성은 360°의 위상 차이로 100㎐ 내지 200㎐ 범위의 기본파의 위상 시프트 특성과 실질적으로 상관될 수 있다.

도 4 는 본 발명의 특징을 설명하기 위해 소형 스피커(직경이 약 10㎝)의 상승 특성을 설명하는 도면이다.

일반적으로, 스피커에서는 입력 신호에 대한 음 상승의 시간에 콘의 진동 파형(출력 파형)이 일그러지며, 콘의 진동 파형(출력 파형)이 정상 상태의 시간에 이르기 이전에 시간이 걸린다. 도 4 는 입력 신호에 대한 주파수 오프셋으로서 출력 파형의 일그러짐의 정도를 나타낸다. 종축은 주파수의 오프셋양을 나타내고 횡축은 스피커에 대한 신호 입력을 개시한 후의 시간이다. 또한, 본 실시형태에서, 주파수의 오프셋양은 스펙트럼 분석을 통해 측정된 것이다.

기호 A 는 저주파 영역으로서 사용되는 100㎐ 내지 1㎑ 신호 범위의 오디오 신호에 대한 음의 상승 시간에서 주파수의 오프셋양을 평균내어 구한 특성을 나타내며, 기호 B 는 고주파 영역으로서 사용되는 4㎑ 내지 8㎑ 신호 범위의 오디오 신호에 대한 동일한 오프셋양을 평균내어 구한 특성을 나타낸다.

볼륨은 대략 중간에 설정된다. 볼륨은 감소하기 때문에, 저주파 영역의 오프셋양은 많이 감소하지 않는다.

상기 특성으로부터, 스피커에 대한 신호 입력을 개시한 후 약 20ms 가 지날 때 저주파 영역의 오프셋양이 크게 감소하여 고주파 영역의 오프셋양에 근접하게 된다는 점을 알 수 있다.

음질을 개선하는 경우, 저주파 영역과 고주파 영역 양자에 있어서 상승 시간에서의 오프셋양 차이를 제거하는 것이 필요하다. 한편, 원음을 재생하기 위해서는 기본파와 고주파의 위상이 서로 정합되는 것이 중요한 요소이다.

고조파 성분은 주로 8㎑ 이상의 고주파로 구성된다. 도 5 에 나타낸 바와 같은 종래기술에서는 가청 주파수의 범위에 360°의 위상차가 있으나, 저주파 영역의 주파수와 고주파 영역의 주파수 사이에는 실질적으로 280°정도의 위상차가 있을 뿐이다. 선행하는 고조파 성분이 후행하는 저주파 성분에 대해 약 1㎐ 의 지연을 가지면서 정합되더라도, 100㎐ 의 고주파 성분과 기본파 간의 위상차는 360°아래로 감소함으로써, 충분한 위상 정합이 이루어질 수 없어 소형 스피커에 대한 음질 개선이 실현될 수 없다.

또한, 100㎐ 의 오디오 신호에 대해, 1㎐ 는 10ms 에 대응하며, 여기서 저주파 영역과 고주파 영역에서의 상승 시간에서의 오프셋양은 도 4 에서 특성 A 와 B 로 나타낸 바와 같이 크다. 이 때문에, 음질이 많이 개선되지 않는다.

저주파 영역과 고주파 영역의 상승 시간에서의 오프셋양이 적은 20ms 에 대하여 고주파 영역과 저주파 영역을 중첩시키기 위해, 소형 스피커의 기본파가 100㎐ 라 가정하면서 도 4 에 나타낸 바와 같은 특성을 고려하는 경우, 저주파 영역과 고주파 영역의 주파수 간에 실질적으로 720°의 위상 시프트가 제공되면, 저주파 영역과 고주파 영역의 상승 시간에서의 오프셋양이 감소되어 음질이 개선되어야 한다. 그러나, 720°이상의 위상 시프트가 제공되면, 선행하는 100㎐ 의 기본파에 대해 2㎐ 만큼 지연된 고조파 성분은 후행하는 저주파 성분과 정합되어야 한다. 결과적으로, 고주파와 기본파 간의 위상 오프셋이 확대되어 음질이 개선될 수 없다.

이 때문에, 소형 스피커에서, 100㎐ 의 기본파에 대해 고조파 성분이 1㎐ 내지 1.5㎐ 지연되어 정합되는 경우, 고주파와 기본파 간의 위상 오프셋이 감소할 뿐만 아니라 저주파 영역과 고주파 영역의 상승 시간에서의 오프셋양이 감소하며, 본 발명의 원칙인 전체적인 음질 개선이 관찰된다.

또한, 본 발명에서 상기에 더하여 음상의 상방 정위를 실시하기 위해서, 주파수 이득 종합 특성은, 500㎐ 내지 1㎑ 범위에 크레스트가 형성되고 1㎑ 부근에서 이득을 상승시키기 위해 이득 부스트가 1㎑ 에서 가해지도록 결정된다. 이러한 방법으로, 500㎐ 내지 1㎑ 의 보이스 범위에서의 음질 변화가 억제될 수 있어 그 열화가 방지된다. 또한, 500㎐ 내지 1㎑ 에서의 부스트를 피함으로써 노이즈를 감소시킬 수 있다. 이로써, 직경이 약 1.5㎝ 내지 3㎝ 인 소형 스피커를 사용하는 휴대 전화의 스피커에 대해 음질을 향상시킬 수 있다.

결과적으로, 본 발명은 음의 명료도를 증강할 수 있으며, 나아가서는 적은 수의 위상 시프트 회로로 구현 가능하여 IC 제조를 용이하게 한다. 또한, 풀 레인지 스피커를 구동하는데 적합한 음질 개선 회로 및 이를 이용한 오디오 증폭기를 실현할 수 있어, 좁은 음향 공간에 배치된 오디오 시스템의 음질을 개선할 수 있다.

도 1 에서, 참조부호 10 은 IC 내에 형성되며 프리 앰프에 설치되는 음질 개선을 위한 위상 및 이득 보정 회로로서, 하이 패스 타입 올 패스 액티브 필터(HP·APF: 1 및 2)와 로우 패스 타입 올 액티브 필터(LP·APF: 3)의 케스케이드 접속 회로로 구성된다.

HP·APF(1, 2) 및 LP·APF(3)는 OP 앰프로 각각 구성된 180°위상 시프트 회로이며, 3 단의 이들 위상 시프트 회로를 케스케이드 접속함으로써 오디오 신호에 대하여 주파수의 대수적인 증가에 따라 오디오 신호의 위상을 점차적으로 지연 및 시프트시켜, 가청 주파수(20㎐ 내지 20㎑) 범위에서 총 540°만큼 시프트시킨다. 이로써, 저주파 영역에 대하여 고주파 영역의 위상 지연이 이루어진다.

본 발명에 있어 총 위상 시프트량(Amount of Phase Shift)은 540°이지만, 본 발명이 이 양에 한정되는 것은 아니며, 가청 주파수(20㎐ 내지 20㎑) 범위 내에서 450°내지 600°정도 범위의 위상 지연을 허용한다. 그 이유는, 도 4 의 특성 A 및 B 에서 볼 수 있는 바와 같이, 주파수의 오프셋양이 30ms 에서 변화하여 감소하기 때문이다.

HP·APF(1, 2)와 LP·APF(3)는, 각각이 오디오 신호의 주파수의 대수적인 증가에 따라 오디오 신호의 위상을 점차적으로 지연시켜 180°만큼 시프트시키는 올 패스 액티브 필터의 위상 시프트 회로이며, 각각이 고주파 및 저주파 영역측에 이득 특성을 제공함으로써 구성되는 회로이다.

HP·APF(1)는, 도 2a 에 나타낸 바와 같이, 200㎐ 로부터 이득이 증가하여 20㎑ 에서 피크가 되는 이득 특성을 갖는 크레스트형 필터이며, 100㎐ 로부터 20㎑ 로의 대수적인 주파수 증가에 대하여 선형적으로 점차 지연되는 위상 특성을 가지며 180°위상 지연시키는 위상 시프트 회로이다.

HP·APF(2)는, 도 2b 에 나타낸 바와 같이, 10㎐ 로부터 이득이 증가하여 200㎐ 에서 피크에 도달하여 평탄하게 되는 이득 특성을 갖는 필터이며, 10㎐ 로부터 1㎑ 로의 대수적인 주파수 증가에 대하여 선형적으로 점차 지연되는 위상 특성을 가지며 180°위상 지연시키는 위상 시프트 회로이다.

LP·APF(3)는, 도 2c 에 나타낸 바와 같이, 100㎐ 로부터 이득이 감소하여 1㎑ 에서 평탄하게 되는 이득 특성을 갖는 필터이며, 10㎐ 로부터 5㎑ 로의 대수적인 주파수 증가에 대하여 선형적으로 점차 지연되는 위상 특성을 가지며 180°위상 지연시키는 위상 시프트 회로이다.

각각 주파수 증가에 대하여 180°위상 지연을 갖는 이들 3 개의 위상 시프트 회로를 케스케이드 접속함으로써, 음질 개선 회로(10)는 오디오 신호의 대수적인 주파수 증가에 따라 오디오 신호의 입력 신호에 대하여 가청 주파수 범위에서 총 540°의 위상 지연이 이루어진 출력 신호를 생성한다. 즉, 음질 개선 회로(10)의 입력 단말 Vin 에 입력된 오디오 신호는 20㎐ 내지 20㎑ 사이에서 540°만큼 위상 시프트된 출력 신호로서 출력 단말 Vout 으로 출력된다.

그 결과, 음질 개선 회로(10)는 도 2d 에 나타낸 바와 같은 위상 및 이득 특성을 가진다. 위상 특성에서, 위상은 위상 특성 직선(6)의 기울기를 따라 점차적으로 지연되며, 이는 가청 주파수(20㎐ 내지 20㎑) 범위 상에서 540°의 시프트를 유발한다. 또한, 이득 특성(7)에서, 100㎐ 부근에서 약 4㏈ 의 이득 크레스트가 형성되며, 1㎑ 부근에서 부스트가 이루어져 10㎑ 부근에서 약 6 내지 14㏈ 의 이득이 설정된다. 이 때문에, 상기 이득 특성을 갖는 올 패스 필터를 사용한다.

이로써, 중주파 영역(200㎐ 내지 4㎑)에서의 슬랙이 제거되고 4㎑ 와 8㎑ 의 주파수 성분이 강조될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 저주파 영역(20㎐)에 대하여 고주파 영역(20㎑)의 위상을 540°만큼 지연시킴으로써, 고주파와 저주파 영역에서 상승 오프셋양을 감소시켜 소형 스피커의 명료도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 고조파 성분을 100㎐ 의 기본파에 대하여 거의 1㎐ 내지 1.5㎐ 정도로 정합시킬 수 있다.

이제, 구체적인 회로 상수를 설명한다. HP·APF(1)는 저주파 영역에서 비반전 증폭을 수행하고 고주파 영역에서 반전 증폭을 수행하는 차동 동작의 OP 앰프(1a), 그 OP 앰프의 (-) 입력 단자에 접속된 기준 저항 Rs, (+) 입력 단자에 접속된 입력 저항 Ri, 출력 단자 Vo 와 (-) 입력 단자 사이에 삽입되어 증폭율을 결정하는 피드백 저항 Rf, 및 (+) 입력 단자와 그라운드 GND 사이에 접속되어 주파수의 증가에 따라 180°만큼 위상을 시프트시키는 필터로서 동작하는 저항 R1 과 커패시터 C1 의 직렬 접속으로 형성된 필터 회로에 의해 구성된다.

기준 저항 Rs 와 입력 저항 Ri 의 나머지 단자는 입력 단자 Vin 에 접속되고, 그 출력 단자 Vo 는 다음 단의 HP·APF(2)의 입력 단자에 접속된다. 입력 저항 Ri = 200㏀, 기준 저항 Rs = 10㏀, 피드백 저항 Rf = 200㏀, 저항 R1 = 200㏀ 이고, IC 내부에 형성되는 커패시터 C1 = 80㎊ 이다. 또, 위상 보상용 커패시터 Cs = 1O㎊ 는 피드백 저항 Rf 와 병렬 접속되어 있다. 또한, 커패시터는 IC 에 대하여 외부적으로 접속되어도 된다.

HP·APF(2)는 회로 정수가 다소 다를 뿐 회로 구성은 HP·APF(1)와 같은 위상 시프트 회로이다. 즉, HP·APF(2)는 저주파 영역에서 비반전 증폭을 수행하고 고주파 영역에서 반전 증폭을 수행하는 차동 동작의 OP 앰프(1a), 그 OP 앰프의 (-) 입력 단자에 접속된 기준 저항 Rs, (+) 입력 단자에 접속된 입력 저항 Ri, 출력 단자 Vo 와 (-) 입력 단자 사이에 삽입되어 증폭율을 결정하는 피드백 저항 Rf, 및 (+) 입력 단자와 그라운드 GND 사이에 접속되어 주파수의 증가에 따라 180°만큼 위상을 시프트시키는 필터로서 동작하는 저항 R1 과 커패시터 C1 의 직렬 접속으로 형성된 필터 회로에 의해 구성된다. 기준 저항 Rs 와 입력 저항 Ri 의 나머지 단자는 HP·APF(1)의 출력 단자 Vo 에 접속되고, HP·APF(2)의 출력 단자 Vo 는 다음 단의 LP·APF(3)의 입력 단자에 접속된다. 피드백 저항 Rf 와 병렬 접속된 위상 보상용 커패시터 Cs 는 제거되어 있고, 피드백 저항 Rf = 50㏀, 입력 저항 Ri = 10㏀ 이며, 저항 R1 = 10㏀ 이다. 커패시터 C1 은 IC 의 단자(4)를 통해 IC 에 외부적으로 접속된 커패시터이며 0.1㎌ 의 커패시턴스를 갖는다.

LP·APF(3)는 회로 정수가 다소 다를 뿐 회로 구성은 HP·APF(2)와 같은 위상 시프트 회로이다. 즉, LP·APF(3)는 저주파 영역에서 비반전 증폭을 수행하고 고주파 영역에서 반전 증폭을 수행하는 차동 동작의 OP 앰프(1a), 그 OP 앰프의 (-) 입력 단자에 접속된 기준 저항 Rs, (+) 입력 단자에 접속된 입력 저항 Ri, 출력 단자 Vo 와 (-) 입력 단자 사이에 삽입되어 증폭율을 결정하는 피드백 저항 Rf, 및 (+) 입력 단자와 그라운드 GND 사이에 접속되어 주파수의 증가에 따라 180°만큼 위상을 시프트시키는 필터로서 동작하는 커패시터 C1 으로 형성된 필터 회로에 의해 구성된다. 기준 저항 Rs 와 입력 저항 Ri 의 나머지 단자는 LP·APF(3)의 출력 단자 Vo 에 접속된다. 피드백 저항 Rf 와 병렬 접속된 위상 보상용 커패시터 Cs 및 R1 은 제거되어 있고, 피드백 저항 Rf = 2.5㏀, 입력 저항 Ri = 10㏀ 이며, 기준 저항 Rs = 10㏀ 이다. 커패시터 C1 은 IC 의 단자(5)를 통해 IC 에 외부적으로 접속된 커패시터이며 0.1㎌ 의 커패시턴스를 갖는다.

그러나, 피드백 저항 Rf 는 고정 저항이 아니라 가변 저항이며, 따라서 이득을 조정할 수 있다. 가변 저항은 데이터 설정 등에 의해 그 저항값이 외부적으로 선택될 수 있는 프로그래머블 저항이다. 예를 들면, 피드백 저항 대신, 복수 저항들의 한쪽 단자들이 공통으로 접속되어 있고 선택기가 다른 단자들 중 하나를 선택하는 피드백 회로를 프로그래머블 저항으로서 설치하고, 선택기에 의해 선택될 저항의 위치를 데이터 설정을 통해 결정한다.

도 3 은 상기 회로의 주파수에 대한 위상 및 이득 특성이다.

또한, 도 3 의 위상 특성에 있어서, 위상이 계속적인 180㎐ 와 20㎑ 부근에서 -180°로부터 +180°로 반전되어 있고, -180°로부터 +180°로 위치를 오프셋함으로써 지속적인 지연 위상이 도시되어 있다.

이 특성에 나타난 바와 같이, 위상 특성으로는, 100㎐ 내지 20㎑ 의 오디오 주파수 성분에 대하여 총 450°이상으로, 100㎐ 내지 8㎑ 의 오디오 주파수 성분에 대해 360°를 초과하는 위상 시프트 지연을 음질 개선 회로(10)가 제공한다. 위상 특성(10)은 200㎐ 이하 저주파 영역의 어떤 주파수로부터 8㎑ 이상 고주파 영역의 어떤 주파수로의 대수적인 증가에 따라 실질적으로 선형적인 기울기로 신호의 위상을 점차 지연시킨다.

그리고, 위상은 저주파 영역으로부터 중주파 영역 및 고주파 영역으로의 대수적인 주파수 증가에 따라 도 2d 에 나타낸 바와 같은 위상 특성 직선(6)의 기울기로 점차 지연되어, 가청 주파수(20㎐ 내지 20㎑)의 범위 상에서 약 540°로 된다.

이로써, 소형 스피커의 100㎐ 의 저주파 영역에 대하여 8㎑ 이상의 고주파 영역에서 약 360°이상의 위상 시프트를 얻을 수 있다. 결과적으로, 소형 스피커에 대해, 8㎑ 내지 15㎑ 의 고조파 성분은 기본파 성분(100㎐ 내지 200㎐)에 대해 거의 1㎐ 내지 1.5㎐ 정도로 정합 가능하며, 이로써, 고주파와 기본파 사이의 위상 오프셋이 감소되는 것은 물론 저주파 및 고조파 성분의 상승 오프셋양이 감소되어 음질이 전체적으로 개선된다.

또한, 800㎐ 내지 3㎑ 범위에서, 진폭은 10㏈/dec 이상으로 증강되어 중주파 영역에서의 이득 특성이 개선된다. 이득은 LP·APF(3)의 가변 저항으로서 설치된 피드백 저항 Rf(= 2.5㏀)의 저항값의 조정을 조정함으로써 최대 14㏈/dec 까지 조정 가능하게 되어 있다. 또한, 20㎑ 이상에서는 이득이 완만하게 감소한다. 이로써, 고주파 영역 노이즈가 저감된다.

이득의 조정은 LP·APF(3)에서 귀환 저항 Rf 의 저항값 2.5㏀ 을 변화시킴으로써 이루어지며, 화살표로 나타낸 바와 같이, 그 위상은 동시에 변화한다.

특히, 직경이 10㎝ 정도인 소형 타입의 콘 스피커는 중형 혹은 대형 타입의 콘 스피커에 비해 나쁜 상승 특성을 나타내기 때문에, 그 음의 첨예도가 상술한 위상 및 이득 보정을 통해 개선될 수 있다. 또한, 직경이 1.5㎝ 내지 3㎝ 인 소형 타입의 스피커를 이용하는 휴대 전화의 스피커에 대해서도 상술한 방법으로 음질을 향상시킬 수 있다.

그리고, 음상의 상방 정위에 영향을 미치는 이득의 부스트를 1㎑ 부근으로 설정해 1㎑ 부근으로부터 이득 상승을 유발하므로, 500㎐ 내지 1㎑ 의 음성 대역의 음질 변화가 억제되고 그 열화가 방지되어 노이즈가 줄게 된다.

이제, 도 1 의 실시형태에 있어서의 접속 순서는, HP·APF(1, 2)와 LP·APF(3)를 종속 접속하는 것에 한정되지 않는다. 각각의 위상 시프트 회로에는 고주파 영역과 저주파 영역에서 이득을 가지는 필터 특성과 180°의 위상 시프트를 가지고 있으므로, 이들은 제 1 단을 HP·APF(2)로 하고 제 2 단을 HP·APF(1)로 하며 최종단을 LP·APF(3)로 하여 접속 가능하며, 또는 제 1 단을 LP·APF(3)로 하고 제 2 단을 HP·APF(1)로 하며 최종단을 HP·APF(2)로 하여도 좋다. 이들 위상 시프트 회로의 접속 순서는 제한되지 않는다.

또, 본 실시형태에서는, HP·APF(1, 2)와 LP·APF(3)를 1 개의 IC 내에 집적하여 형성하고 있지만, 이들 위상 시프트 회로는 각각의 개별적인 IC 로서 형성하여 이들 3 개의 IC 를 케스케이드로 접속시킬 수 있음은 물론이다.

또한, 이들 위상 시프트 회로는 IC 로 한정되지 않으며, 개별적으로 접속된 커패시터와 OP 앰프에 의하여 구성하여도 되는 것은 물론이다.

이상 설명한 실시형태에서, OP 앰프를 이용한 180°위상 시프트 회로의 올 패스 액티브 필터 3 개로 오디오 신호의 대수적인 주파수 증가에 따라 오디오 신호의 위상을 점차적으로 지연시켜 결국 가청 주파수 범위에서 540°의 위상 시프트가 일어나도록 회로를 구성하였지만, 본 발명의 위상 시프트 회로의 수는 3 개로 한정되지 않으며, 또한 각각의 위상 특성이 고주파 영역을 저주파 영역에 대하여 180°만큼 시프트시키는 것이어야 하는 것도 아니다. 4 개의 위상 시프트 회로를 사용하는 경우에는, 이들 중 하나의 위상이 90°이상만큼 시프트된다면 괜찮다.

또한, 각각의 위상 시프트 회로가 액티브 필터를 사용할 필요는 없다. 또한, 가청 주파수 범위에서 450°내지 600°내로 총 일정 각도만큼 위상 시프트가 이루어진다면 충분하다.

본 발명에 따르면, 음의 명료도를 향상시키고 IC화가 용이하며, 특히, 풀 레인지 스피커를 구동하는데 적절한 음질 개선 회로 및 이 회로를 이용한 오디오 증폭 회로를 구현할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 오디오 신호에 대한 음질 개선 회로가 적용된 일 실시형태의 프리 앰프를 나타내는 도면.

도 2 는 도 1 의 프리 앰프에서 각 위상 시프트 회로의 주파수에 대한 위상 및 이득 특성을 설명하는 도면.

도 3 은 구체적인 회로예에서의 주파수에 대한 위상 및 이득 특성을 설명하는 도면.

도 4 는 소형 스피커의 과도 특성에서 예시적인 상승 특성을 설명하는 도면.

도 5 는 BBE 프로세스 기술에 의한 음질 개선 회로에서 주파수에 대한 이득 특성과 위상 특성을 설명하는 도면.

도 6 은 음상 정위(Sound Image Positionality)를 위한 음상(Sound Image)의 위치가 종방향 위쪽으로 이동하는 음질 개선 회로에서 주파수에 대한 이득 특성과 위상 특성을 설명하는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 2 : HP·APF(High Pass Type All Pass Filter)

3 : LP·APF(Low Pass Type All Pass Filter)

4, 5 : IC 의 단자

6 : 위상 특성 직선

7 : 이득 특성

10 : 프리 앰프

Claims (16)

1. 스피커에서 발생하는 음의 질을 개선하기 위해 오디오 입력 신호에 대하여 위상이 보정된 오디오 출력 신호를 생성하는 오디오 신호에 대한 음질 개선 회로에 있어서,

   케스케이드로 접속된 적어도 3 개의 위상 시프트 회로를 갖는 케스케이드 접속 회로를 구비하며,

   상기 케스케이드 접속 회로의 위상 특성은, 상기 오디오 입력 신호의 위상이 가청 주파수에서 주파수의 대수적인 증가에 따라 점차 지연되어 가청 주파수의 범위 내에서 총 450°내지 600°범위의 위상 지연이 발생하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 음질 개선 회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 3 개의 위상 시프트 회로 중 2 개는 각각이 하이 패스 타입 올 패스 필터로 구성된 액티브 필터 회로이고, 나머지 1 개는 로우 패스 타입 올 패스 필터로 구성된 액티브 필터이며, 상기 케스케이드 접속 회로는 200㎐ 보다 낮은 저주파 영역의 어떤 주파수로부터 8㎑ 보다 높은 고주파 영역의 어떤 주파수로의 대수적인 증가에 따라 실질적으로 선형적인 기울기로 신호의 위상을 점차 지연시키는 위상 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 음질 개선 회로.
3. 스피커에서 발생하는 음의 질을 개선하기 위해 오디오 입력 신호에 대하여 위상이 보정된 오디오 출력 신호를 생성하는 오디오 신호에 대한 음질 개선 회로에 있어서,

   적어도 순차적으로 케스케이드 접속된 제 1, 제 2 및 제 3 위상 시프트 회로를 구비하고,

   상기 제 1, 제 2 및 제 3 회로의 각 위상 특성은, 자신의 출력 신호의 위상이 가청 주파수의 범위에서 주파수의 대수적인 증가에 따라 자신의 입력 신호에 대하여 점차 지연되어 가청 주파수의 범위에서 90°이상만큼 시프트되도록 각각 결정되며,

   상기 제 1, 제 2 및 제 3 위상 시프트 회로의 종합 위상 특성은, 상기 제 1 위상 시프트 회로의 입력 회로에 대하여 가청 주파수의 범위 내에서 총 450°내지 600°범위로 상기 제 3 위상 시프트 회로로부터의 출력 신호의 위상 지연을 일으키는 것임을 특징으로 하는 음질 개선 회로.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 1, 제 2 및 제 3 위상 시프트 회로 중 2 개는 각각이 하이 패스 타입 올 패스 필터로 구성된 액티브 필터 회로이고, 나머지 1 개는 로우 패스 타입 올 패스 필터로 구성된 액티브 필터이며, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 위상 시프트 회로로 구성된 케스케이드 접속 회로는 200㎐ 보다 낮은 저주파 영역의 어떤 주파수로부터 8㎑ 보다 높은 고주파 영역의 어떤 주파수로의 대수적인 증가에 따라 실질적으로 선형적인 기울기로 신호의 위상을 점차 지연시키는 위상 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 음질 개선 회로.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 케스케이드 접속 회로의 위상 특성은, 100㎐ 의 저주파 영역에 대한 8㎑ 보다 높은 고주파 영역의 위상 차이가 360°이상이고, 100㎐ 내지 200㎐ 사이의 위상 시프트가 150°이상이며, 종합적인 주파수 및 이득 특성에는 500㎐ 내지 1㎑ 범위의 크레스트 및 1㎑ 부근에서의 상승이 제공되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 음질 개선 회로.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 케스케이드 접속 회로는 IC 내에 형성된 회로이고, 상기 종합적인 주파수 및 이득 특성에서 1㎑ 부근에서 상승하는 이득 기울기는 10㏈/dec 보다 크고, 상기 이득 기울기는 조정 가능하며, 상기 오디오 신호는 직경이 13㎝ 보다 작은 콘 타입 풀 레인지 스피커를 구동하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 음질 개선 회로.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 로우 패스 타입 올 패스 필터는 이득 조정을 위한 가변 저항을 구비하며, 상기 가변 저항은 프로그래머블 저항인 것을 특징으로 하는 음질 개선 회로.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 액티브 필터는 차동 동작의 OP 앰프로 구성되며, 상기 IC 는 프리 앰프를 구비하며, 상기 케스케이드 접속 회로는 상기 프리 앰프의 일부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 음질 개선 회로.
9. 스피커에서 발생하는 음의 질을 개선하기 위해 오디오 입력 신호에 대하여 위상이 보정된 오디오 출력 신호를 생성하는 오디오 신호에 대한 음질 개선 회로를 포함하는 오디오 증폭 회로에 있어서,

   상기 음질 개선 회로는 케스케이드로 접속된 적어도 3 개의 위상 시프트 회로를 갖는 케스케이드 접속 회로를 구비하며,

   상기 회로의 위상 특성은, 상기 오디오 입력 신호의 위상이 가청 주파수의 범위에서 주파수의 대수적인 증가에 따라 점차 지연되어 상기 가청 주파수의 범위에서 총 450°내지 600°범위의 위상 지연이 발생하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 오디오 증폭 회로.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 3 개의 위상 시프트 회로 중 2 개는 각각이 하이 패스 타입 올 패스 필터로 구성된 액티브 필터 회로이고, 나머지 1 개는 로우 패스 타입 올 패스 필터로 구성된 액티브 필터이며, 상기 케스케이드 접속 회로는 200㎐ 보다 낮은 저주파 영역의 어떤 주파수로부터 8㎑ 보다 높은 고주파 영역의 어떤 주파수로의 대수적인 증가에 따라 실질적으로 선형적인 기울기로 신호의 위상을 점차 지연시키는 위상 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 오디오 증폭 회로.
11. 스피커에서 발생하는 음의 질을 개선하기 위해 오디오 입력 신호에 대하여 위상이 보정된 오디오 출력 신호를 생성하는 오디오 신호에 대한 음질 개선 회로를 구비하는 오디오 증폭 회로에 있어서,

    상기 음질 개선 회로는 적어도 순차적으로 케스케이드 접속된 제 1, 제 2 및 제 3 위상 시프트 회로를 구비하고,

    상기 제 1, 제 2 및 제 3 회로의 각 위상 특성은, 자신의 출력 신호의 위상이 가청 주파수의 범위에서 주파수의 대수적인 증가에 따라 자신의 입력 신호에 대하여 점차 지연되어 가청 주파수의 범위에서 90°이상만큼 시프트되도록 각각 결정되며,

    상기 제 1, 제 2 및 제 3 위상 시프트 회로의 종합 위상 특성은, 상기 제 1 위상 시프트 회로의 입력 회로에 대하여 가청 주파수의 범위 내에서 총 450°내지 600°범위로 상기 제 3 위상 시프트 회로로부터의 출력 신호의 위상 지연을 일으키는 것임을 특징으로 하는 오디오 증폭 회로.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 제 1, 제 2 및 제 3 위상 시프트 회로 중 2 개는 각각이 하이 패스 타입 올 패스 필터로 구성된 액티브 필터 회로이고, 나머지 1 개는 로우 패스 타입 올 패스 필터로 구성된 액티브 필터이며, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 위상 시프트 회로로 구성된 케스케이드 접속 회로는 200㎐ 보다 낮은 저주파 영역의 어떤 주파수로부터 8㎑ 보다 높은 고주파 영역의 어떤 주파수로의 대수적인 증가에 따라 실질적으로 선형적인 기울기로 신호의 위상을 점차 지연시키는 위상 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 오디오 증폭 회로.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 케스케이드 접속 회로의 위상 특성은, 100㎐ 의 저주파 영역에 대한 8㎑ 보다 높은 고주파 영역의 위상 차이가 360°이상이고, 100㎐ 내지 200㎐ 사이의 위상 시프트가 150°이상이며, 종합적인 주파수 및 이득 특성에는 500㎐ 내지 1㎑ 범위의 크레스트 및 1㎑ 부근에서의 상승이 제공되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 오디오 증폭 회로.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 케스케이드 접속 회로는 IC 내에 형성된 회로이고, 상기 종합적인 주파수 및 이득 특성에서 1㎑ 부근에서 상승하는 이득 기울기는 10㏈/dec 보다 크고, 상기 이득 기울기는 조정 가능하며, 상기 오디오 신호는 직경이 13㎝ 보다 작은 콘 타입 풀 레인지 스피커를 구동하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 오디오 증폭 회로.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 로우 패스 타입 올 패스 필터는 이득 조정을 위한 가변 저항을 구비하며, 상기 가변 저항은 프로그래머블 저항인 것을 특징으로 하는 오디오 증폭 회로.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 액티브 필터는 차동 동작의 OP 앰프로 구성되며, 상기 IC 는 프리 앰프를 형성하며, 상기 케스케이드 접속 회로는 상기 프리 앰프의 일부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 오디오 증폭 회로.