KR20050119687A - 디지털 증폭기, 리플 억제 회로 및 리플 억제 방법 - Google Patents

디지털 증폭기, 리플 억제 회로 및 리플 억제 방법 Download PDF

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KR20050119687A
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토마스 두바움
이아인 모셀리
마티아스 벤트
에프 자비에르 에스구에빌라스
게오르그 사우에르란데르
데르 브로에크 헤인즈 반
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

최근, 클래스-D 오디오 증폭기의 사용은 점점 광범위해져 가고 있다. 일반적으로 사용되는 클래스-AB 선형 증폭 기술과는 대조적으로, 클래스-D는 개선된 효율성을 제공한다. 그러나, 클래스-D 원리는 그의 저조한 왜곡 특성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 본 발명에 따르면, 오디오 신호를 전력 출력으로 변환하는 디지털 증폭기(18)가 제공되며, 이 증폭기는 적어도 한 쌍의 스위치를 구비한 브릿지 회로(6)에 공급되는 공급 전압에서의 전압 리플을 억제하는 리플 억제 회로(16)를 포함한다. 이 리플 억제 회로(16)는 브릿지 회로(6)에서의 스위치에 공급된 공급 전압에서의 리플을 억제하는데, 이 리플은 디지털 증폭기(18)의 출력 신호에 대부분의 왜곡을 약하는 것으로 알려져 있다.

Description

디지털 증폭기, 리플 억제 회로 및 리플 억제 방법{DIGITAL AMPLIFIER}
본 발명은 디지털 신호를 전력 출력으로 직접 변환하는 디지털 증폭기에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 리플(ripple)과 노이즈를 갖는 전력 공급 장치에 의해 전력을 공급받는 디지털 증폭기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 오디오 신호를 전력 출력으로 변환하는 디지털 증폭기, 리플 억제 회로 및 리플 억제 방법에 관한 것이다.
전력-증폭기 출력 단에 대한 몇몇 유형이 개발되어 왔다. 종래에는, 이들 증폭기는 A 클래스 증폭기, B 클래스 증폭기 및 C 클래스 증폭기와 같이 라벨이 부여되었다. 최근에는, D 클래스 증폭기가 등장하였다. 클래스(A, B, AB 및 D)는 저주파 오디오 설계에서 일반적이고 서보-모터 구동 및 RF 증폭과 같은 다른 영역에서의 몇몇 애플리케이션을 갖는다. C 클래스, E 및 F 클래스 유형은 보통 RF 애플리케이션에서만 사용된다.
최근에는, 특히 D 클래스 증폭기가 점점 인기를 얻어가고 있는데, 그 이유는 이 증폭기는 일반적으로 사용되는 AB 클래스의 선형 증폭 기술에 비해 효율이 상당히 개선되었기 때문이다. D 클래스 증폭기는 일반적으로 Carsten Nielsen, "High Fidelity PWM based Amplifier Concept for Active Speaker System with a very low Energy Consumption", (100th AES Convention, Copenhangen, May 1996, pre-print 4259)에 개시되어 있으며, 이는 참조로서 인용된다.
D 클래스 증폭기의 개발은 증폭기 효율을 향상시키기 위한 노력을 나타낸다. 스위칭 레귤레이터에 대한 기법에서와 유사하게, D 클래스 증폭기는 오디오-입력 신호를 보다 높은 주파수의 구형파로 펄스폭 변조를 하여 오디오 신호 정보는 변조 신호의 펄스폭에서의 변화가 된다. 이 변조 신호는 보통 H-브릿지로 지칭되는 반 브릿지 스위치 세트에 공급되며, 각 H-브릿지는 두 개의 전력 MOSFET로 구성된다. A 또는 B 클래스 구조와는 달리, 증폭기 부하 또는 확성기가 출력에서 접지로 배치되는 대신에 브릿지의 레그(leg)에 걸쳐 배치된다. 이러한 구성을 통해 증폭기는 바이폴라 전력 공급 장치를 필요로 하지 않고 또는 출력에서 DC 오프셋을 적용하지 않고서 20 Hz 만큼 낮은 저주파수 신호를 재생성할 수 있다.
점점 더 인기를 얻어 가고 있음에도 불구하고, D 클래스 오디오 증폭기는 그들의 저조한 왜곡 특성에 대해 알려져 있다. 변조된 출력을 고주파 신호를 제거하도록 필터링하고 증폭된 입력 신호를 복원하려는 시도가 있어 왔다. 2-극 버터워스 필터(two-pole Butterworth filter), 2-극 체비쉐프 또는 2-극 베셀 필터와 같은 필터 구성은 만족하는 결과를 제공하지 않거나 또는 상당한 노력 및 비용을 야기하는 것으로 알려져 있다.
도 1은 본 발명에 따라 오디오 신호를 전력 출력으로 변환하는 디지털 증폭기의 제 1 예시적인 실시예의 개략도,
도 2는 본 발명에 따라 오디오 신호를 전력 출력으로 변환하는 디지털 증폭기의 제 2 예시적인 실시예의 개략도,
도 3은 본 발명에 따라 오디오 신호를 전력 출력으로 변환하는 디지털 증폭기의 제 3 예시적인 실시예의 개략도,
도 4는 도 3의 디지털 증폭기의 간략화된 회로도,
도 5는 본 발명에 따라 오디오 신호를 전력 출력으로 변환하는 디지털 증폭기의 제 4 예시적인 실시예의 개략도,
도 6은 도 5의 디지털 증폭기의 간략화된 회로도,
도 7은 도 4의 디지털 증폭기의 타이밍을 도시하는 타이밍도.
본 발명의 목적은 디지털 증폭기에서의 왜곡을 감소시키는 것이다.
본 명세서에서 사용되는 경우, "디지털 증폭기"라는 용어는 전력 출력으로 직접 변환하는 증폭기에 적용된다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 위의 문제점은 오디오 신호를 전력 출력으로 변환하는 디지털 증폭기를 통해 해결될 수 있는데, 이 디지털 증폭기는 전력 공급 포트와, 적어도 한 쌍의 스위치를 갖는 브릿지 회로 및 리플 억제 회로를 포함한다. 이 리플 억제 회로는 전압 공급 포트를 경유하여 적어도 하나의 스위치 쌍을 이용하여 브릿지 회로에 공급되는 공급 전압에서의 전압 리플을 억제하도록 구성 및 적응된다. 리플 억제 회로는 전력 공급 포트 및 브릿지 회로 사이에 정렬된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 디지털 증폭기의 왜곡 중 상당한 부분은 디지털 증폭기의 공급 전압에서의 리플에 의해 야기된다는 것을 알게 되었다. 이 관점에서는, 이 애플리케이션에 관련하여, "리플"이라는 용어는 100Hz 리플 등에 제한되지 않지만, 출력 신호의 20kHz 대역폭 내에서의 교란, 원치 않는 파동 및 리플을 언급한다라는 것을 숙지해야 한다. 또한, '억제'라는 용어는 임의의 보상 또는 균등화를 포함한다. 특히, D 클래스 증폭기의 경우에, 순방향 공급 D 클래스 증폭기에서의 중요한 왜곡 원인 중 하나는 부하 전류 변경에 따른 전압 강하에 의해 야기되는 D 클래스 증폭기의 전 브릿지(full bridge)에서의 공급 전압 리플이다.
따라서, 본 발명에 따른 리플 억제 회로를 통해, 디지털 증폭기에서의 왜곡은 상당히 감소될 수 있다. 이것으로 인해, 본 발명의 위의 예시적인 실시예에 따른 디지털 증폭기는 총체적인 고조파 왜곡 형상을 개선시키면서 임의의 피드백없는 전 디지털 오디오 증폭기로 사용될 수 있다. 달리 말하면, 본 발명에 따른 디지털 증폭기를 사용하면, 감소된 왜곡을 보이면서 개방 루프를 가질 수 있는 디지털 스위칭 증폭기가 제공된다.
청구항 2 항에 설명된 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 리플 억제 회로는 출력 전압 변화를 허용하는 선형 제어 전압 제어기를 포함한다. 바람직하게, 이러한 선형 제어는 최소 리플을 갖는 공급 전압을 보장하며 따라서 왜곡이 감소된 출력 신호를 보장한다. 바람직하게, 선형 제어 전압 제어기를 통해, 가변적인 전압 공급(VVs)은 추가적인 비용을 들이지 않고 구현될 수 있다. 가변 전압 공급은 스위칭 증폭기에서 유휴 손실의 상당한 감소를 허용할 수 있다. 또한, 바람직하게, 정상적인 동작 동안 전자기 방해(EMI)가 감소될 수 있다.
청구항 3에 설명된 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 거친 공급 전압 설정부(coarse supply voltage setting)가 제어 전압 제어기의 앞에 적용되는 디지털 증폭기를 제공한다. 거친 공급 전압 조정으로 인해, 증폭기 출력부에서 감소된 왜곡을 달성하면서 저비용이고 부정확한 전력 공급 장치가 디지털 증폭기와 조합하여 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 배터리가 전력 공급 장치로서 사용될 수 있다.
청구항 4에 설명된 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 리플 억제 회로가 예를 들어 D 클래스 증폭기의 한 쌍의 트랜지스터 중 하나의 트랜지스터를 이 트랜지스터의 선형 영역에서 구동하도록 구성되는 디지털 증폭기를 제공한다. 바람직하게, 본 발명의 이러한 예시적인 실시예에 따르면, 전력 단(power stage) 내의 전압 강하는 구리 트랙 및 반도체 패키지 내의 손실을 포함하는 가능한 모든 전압 강하를 고려함으로써 보상된다. 바람직하게, 본 발명의 이 예시적인 실시예에 따르면, 약한 전력 공급 제어 또는 작은 출력 캐패시턴스로 인한 전압 강하도 또한 보상될 것이다. 또한, 바람직하게, 출력 전압 안정성과 관련한 전력 공급 요건의 감소로 인해, 상당한 비용 절감 기회가 달성된다.
청구항 5,6 및 7은 바람직하게 저비용을 유지하면서 디지털 증폭기의 전력 공급 전압에서의 리플을 감소시키거나 또는 완전히 보상함으로써 디지털 증폭기의 출력 신호에서의 왜곡을 감소시킬 수 있는 본 발명이 또 다른 예시적인 실시예를 제공한다.
청구항 8에 설명된 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 디지털 증폭기 시스템은 모듈 또는 집적 회로 내로 통합된다. 이것은 바람직하게 감소된 왜곡을 보이면서 최소의 크기를 갖는 디지털 증폭기를 제공할 수 있다. 또한, 바람직하게, 이것은 하나의 칩 상에 증폭 단 및 보상 회로를 제공한다.
청구항 10에 설명된 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 디지털 증폭기는 바람직하게 H-브릿지를 갖는 D 클래스 증폭기이며, 리플 억제 회로의 보상 마진은 증폭기의 출력 전력에 적응된다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 청구항 10에 설명되어 있고, 전력 공급 장치와 D 클래스 증폭기 사이의 접속을 위한 리플 억제 회로를 제공하며, 이 회로는 전력 공급 장치와 D 클래스 증폭기의 H-브릿지 사이에 접속될 수 있는 선형 제어형 전압 제어기를 포함한다. 바람직하게, 전력 공급 장치의 비용을 줄이는 전력 공급 장치의 출력 전압의 전압 안정성에 대한 요건을 줄이면서, 본 발명의 이러한 예시적인 실시예에 따른 리플 억제 회로는 D 클래스 증폭기의 출력 신호에서의 왜곡을 감소시킬 수 있다.
청구항 11에 설명된 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 D 클래스 증폭기의 적어도 한 쌍의 트랜지스터 중 하나의 트랜지스터가 이 트랜지스터의 선형 영역에서 동작하는 리플 억제 회로를 제공하여, 증폭기의 출력 신호에서의 왜곡을 감소시킬 수 있다.
청구항 12 및 13은 D 클래스 증폭기의 공급 전력에서의 리플을 억제함으로써, 왜곡이 감소된 D 클래스 증폭기의 동작을 허용할 수 있는 방법에 대한 예시적인 실시예를 제공한다.
디지털 증폭기에 대한 공급 전압 상의 리플이 보상되어 이들 디지털 증폭기의 출력 신호에서의 왜곡을 감소시키는 것이 본 발명의 예시적인 실시예의 요지임을 알 수 있다. 특히, 디지털 증폭기, 특히 예를 들어 D 클래스 증폭기의 H-브릿지에 대한 공급 라인에 리플 소거 모듈 또는 선형 레귤레이터를 제공함으로써, 증폭기 출력 신호에서의 왜곡을 줄일 수 있다. 또한, 스위칭 반-브릿지의 트랜지스터의 제어를 선형적으로 제어하면 출력 신호를 개선할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 측면은 이하에서 설명되는 실시예 및 후속하는 도면을 참조하여 설명될 것이다.
후속하는 설명에서, 본 발명의 예시적인 실시예는 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도 1,2,3,4,5 및 6에 도시된 디지털 증폭기는 보통 H-브릿지로서 지칭되는 전 브릿지(full bridge)를 구비한 D 클래스 증폭기이다. 본 발명이 D 클래스 증폭기이 예시적인 실시예를 참조하여 설명될 것이지만, 당업자라면, 본 발명은 D 클래스 증폭기에 제한되지 않고, 전력 공급 전압에서의 리플이 증폭기의 출력 신호에서의 왜곡과 같은 문제를 야기하는 임의의 종류의 디지털 증폭기에 적용될 수 있다는 것을 알 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 오디오 신호를 전력 출력으로 변환하는 디지털 증폭기의 제 1 예시적인 실시예에 대한 간략화된 블록도를 도시한다. 도 1에서의 참조 번호(2)는 오디오 신호를 변조기(4)에 출력하는 오디오 소스를 나타낸다. 변조기(4)는 오디오 신호를 보다 낮은 주파수의 구형파로 펄스폭 변조하여 변조기(4)의 출력부에서 출력된 신호가 변조된 신호의 펄스폭의 변화로서의 오디오-신호 정보를 포함한다. 이 변조된 신호는 보통 H-브릿지(6)로 지칭되는 반 브릿지 스위치 세트에 공급된다. 보통, 각 H-브릿지는 두 개의 전력 MOSFET로 구성된다. 브릿지(6)의 출력은 출력 신호가 확성기(10)에 인가되기 전에 신호를 필터링하는 필터에 공급된다. 클래스(A 또는 B) 구조와는 달리, 증폭기 부하, 즉 확성기(10)는 출력부에서 접지로 연결되는 대신 브릿지(6)의 레그 양단에 접속된다. 본 발명은 D 클래스 반 브릿지 아키텍쳐에서 구현될 수 있음을 숙지해야 한다. 본 발명이 D 클래스 반 브릿지 아키텍쳐에 적용되는 경우, 스피커는 직렬 캐패시턴스를 통해 반 공급장치(half supply)에 접속된다.
참조 번호(12)는 스위칭 전력 공급 장치 또는 배터리와 같은 전력 공급 장치를 나타낸다. 전력 공급 장치(12)는 전력 공급 포트(14)를 경유하여 전력 공급 전압을 브릿지(6)의 스위치에 공급한다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전력 공급 포트(14)와 브릿지(6) 사이의 전력 공급 라인에 리플 억제 회로(16)가 존재한다. 이 리플 억제 회로(16)는 브릿지 회로(6)에 공급되는 공급 전압에서의 전압 리플을 억제하도록 구성된다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 변조기(4), 전 브릿지(6) 및 리플 억제 회로(16)는 하나의 모듈 또는 집적 회로(18) 내로 구성될 수 있다. 이러한 집적 회로(IC) 또는 모듈은 보통 디지털 증폭기를 구성한다.
본 발명의 이러한 예시적인 실시예에 따르면, 브릿지(6)의 출력, 즉 디지털 증폭기의 출력에서의 왜곡에 대한 상당한 부분은 공급 리플 거부의 강화를 통해 감소될 수 있다는 새롭고 혁신적인 발견이 사용된다. 본 발명에 따른 리플 억제 회로(16)를 통해, 바람직하게, 출력 리플과 관련된 전력 공급 요건의 감소가 이루어질 수 있고, 이에 따라 상당한 비용 절감 기회를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 본질적으로 왜곡이 없는 디지털 개방 루프 스위칭 증폭기를 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예의 간략화된 개략적인 블록도이다. 도 2에서의 참조 번호(20)는 디지털 증폭기의 전력 공급 포트(22)에 접속된 스위칭 전력 공급 장치(SMPS)와 같은 전력 공급 장치를 나타낸다. 본 발명의 이러한 예시적인 실시예에 따르면, 각 채널(Ch1,Ch2,Ch3,Chi 및 Chn)마다, 리플 소거 모듈(RC1, RC2, RC3, RCi, RCn)이 제공된다. 이 리플 소거 모듈은 참조 번호(24)로 표시된다. 본 발명의 이 제 2의 예시적인 실시예의 변형에 따르면, 이들 리플 소거 모듈(24)은 전압 억제 회로를 통해 구성될 수 있다. 이들 전압 억제 회로는 두 개의 작업을 수행한다. 먼저, 이들 회로는 증폭기의 스위치에 공급되는 공급 전압에서 전압 파동의 필요한 억제를 보장한다. 두 번째로, 이들 회로는 개개의 오디오 채널(Ch1 내지 Chn)을 결합해제한다. 전압 억제 회로(24)는 인가되는 전류에 따라 표준일 수도 있고 또는 낮은 강하 선형 제어(low drop linear controls) 또는 레귤레이터일 수 있는 선형 제어기 또는 선형 레귤레이터를 통해 구현될 수 있다. 그러나, 본 발명의 이러한 예시적인 실시예의 변형에 따라 SMPS(20)를 통해 공급 전압의 DC 값이 제어되므로 실제로는 공급 전압에 대해 제어 또는 조정이 필요하지 않기 때문에, 리플 소거 모듈(24)은 또한 다양한 저항을 통해 구현될 수 있는데, 이 저항의 저항값은 단지 몇 mΩ이도록 하향 제어될 수 있다. 이러한 가변적인 저항은 인가되는 부하에 따라 달라지는 기생 공급 라인에서의 전압 강하를 균등하게 할 수 있다. 또한, 바람직하게, 이들 가변 저항은 SMPS에서의 스위칭으로 인한 파동 또는 리플 및 부하 변동으로 인한 일시적인 전압 파동 또는 지터를 감소 또는 균등화할 수 있다. 달리 말해, 리플 소거 모듈(24)에서 가변적인 저항을 통해 공급 라인에서 저항값을 변조하게 되면 스위치에 공급되는 공급 전압에서 부하에 따라 달라지는 전압 강하를 피할 수 있다.
이러한 가변 저항은 적절한 게이트 드라이브를 갖는 MOSFET를 통해 구현될 수 있다. 바람직하게, 낮은 저항의 MOSFET의 경우, 전체적인 디지털 증폭기의 시스템 유효성은 거의 변경되지 않은 채 유지된다.
바람직하게, 도 2에 도시된 본 발명의 이러한 예시적인 실시예는 하나의 전력 공급 장치가 사용되더라도 전 디지털 오디오 증폭기의 경우에서 개선된 음향 품질 및 매우 양호한 채널 분리를 허용한다. 또한, 바람직하게, 전력 공급 장치의 출력을 필터링 노력은 상당히 줄어들 수 있는데, 그 이유는 전압 파동의 실제 억제는 리플 소거 모듈(24)이 담당하기 때문이다.
도 3은 본 발명에 따른 디지털 증폭기의 제 3의 예시적인 실시예에 대한 간략화된 블록도이다. 도 3에서, 도 1에서와 같이 동일한 참조 번호가 사용되어 동일한 또는 대응하는 소자를 나타낸다. 참조 번호(30)는 출력 전압, 즉 공급 전압이 브릿지(6)에 공급되는 매우 거친 전압 제어를 포함하고, 리플을 포함하며 불안정한 거친 공급을 나타낸다. 이러한 거친 공급 전압은 디지털 증폭기(34)의 전력 공급 포트(14)를 거쳐 디지털 증폭기(34)에 입력된다. 참조 번호(35)는 전력 공급 포트(14)와 브릿지(6)의 스위치 사이에 배열되는 선형 제어를 나타낸다. 선형 제어부(35)가 브릿지(6)에 접속되는 장소 및 방법에 대한 상세한 설명은 도 4를 참조하여 설명될 것이다. 참조 번호(32)는 디지털 증폭기를 조작하는 조작자가 확성기(10)에 의해 출력되는 오디오 신호의 볼륨, 즉 브릿지(6)의 스위치에 의해 출력되는 신호 레벨를 설정할 수 있는 볼륨 설정부를 나타낸다. 다중 채널 증폭기 시스템에서, 선형 제어부는 본 발명의 측면에 따라 각 채널 또는 채널 클러스터마다 별개로 구현될 수 있다. 바람직하게는, 이를 통해 사용자는 채널간의 차이, 예를 들어 좌-우 균형의 제어 또는 백-포워드 제어를 볼률 설정부(32)에 의한 선형 제어부(35)의 조정을 통해 수행할 수 있다.
앞서 설명한 실시예에서와 같이, 도 3에 도시된 제 3의 예시적인 실시예는 디지털 증폭기(34)의 공급 리플 거부를 개선함으로써, 디지털 증폭기(34)의 왜곡 특성이 향상될 수 있다는 새롭고 혁신적인 발견을 사용한다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 선형 레귤레이터를 통해 또한 구현될 수 있는 선형 제어부(35)가 제공될 수 있다. 선형 제어부(35)는 브릿지(6)의 스위치에 공급되는 전압이 제공될 수 있도록 출력 전압 변화를 허용한다. 이 선형 제어부(35)는 바람직하게 최소 리플만을 갖는 결점이 없는 공급 전압을 허용한다. 선형 제어부(35)로 인해, 가변 공급 전압(VSS)은 부가적인 비용을 들이지 않고 사용될 수 있다. 가변적인 전압 공급은 스위칭 증폭기에서 유휴 손실의 상당한 감소를 제공한다. 또한, 정상적인 동작 동안의 전자기 방해(EMI)는 상당히 감소될 수 있다. 가장 높은 출력 전압 설정에서의 선형 제어부(35)의 제어 마진은 0(손실을 최소로 감소시킴)일 수 있는데, 그 이유는 첨두 전력에서의 왜곡 요건은 오디오 애플리케이션에서 보통 보다 덜 엄격하기 때문이다. 바람직하게, 선형 제어부(35)는 출력 레벨이 증폭기 출력 전력을 제어(볼륨 제어)하기 위해 광범위한 범위에서 변경될 수 있는 선형 제어부(35)와 같이 선형 출력 전압 레귤레이터를 통해 구현된다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 선형 제어부(35), 변조기(4) 및 전 브릿지(6)는 하나의 모듈러 또는 집적 회로 내로 통합될 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 선형 제어부(35) 및 브릿지(6)에 대한 간략화된 회로도이다. 본 발명의 일 측면에 따라 프레임(40)으로 도시되어 있는 바와 같이, 선형 레귤레이터 및 브릿지(6)는 하나의 모듈 또는 집적 회로 내에서 함께 통합될 수 있다. H-브릿지(6)는 H-구성을 갖는 네 개의 스위치(트랜지스터)(42,44,46 및 48)를 포함한다. 보통, 두 개의 상위 스위치(42 및 44)는 상측 스위치로 지칭되는 반면, 스위치(46 및 48)는 하측 스위치로서 지칭된다. 또한, 스위치(46)의 게이트에 제공되는 입력 신호 "입력 1"를 갖는 라인과 스위치(42)의 게이트 사이에 배열된 제 1 드라이버(50)가 제공된다. 또한, 입력 신호가 신호 "입력 2"이고 출력은 스위치(44)의 게이트에 제공되는 제 2 드라이버(52)가 제공된다. 또한, 신호 "입력 2"는 스위치(48)의 게이트에 제공된다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 출력 신호(출력 1 및 출력 2)는 브릿지의 레그 사이에서 취하여진다. H-브릿지의 일반적인 구성 및 동작은 당업계에 알려져 있고 따라서 본 명세서에서는 설명하지 않을 것이다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 선형 제어부(35)는 선형 레귤레이터(54) 및 비교기 또는 차동 증폭기(56)를 포함한다. 비교기 또는 차동 증폭기(56)의 하나의 입력은 선형 제어부(35)의 출력과 브릿지(6)의 입력 사이의 선형 제어부(35)의 출력 라인에 접속된다. 달리 말해, 이 입력은 브릿지(6)의 구동 전압(Udrive)에 접속된다. 또한, 비교기 또는 차동 증폭기(56)의 이 입력은 캐패시터(58)를 거쳐 브릿지(6)의 접지 기준에 접속된다. 비교기 또는 차동 증폭기(56)의 이 입력에서의 전압 신호는 Usense로서 지칭된다. 비교기 또는 차동 증폭기(56)의 다른 입력은 참조 전압을 수신한다. 차동 증폭기 또는 비교기(56)의 출력은 공급 전압 입력을 또한 수신하는 선형 레귤레이터(54)에 입력된다.
선형 제어부(35)는 H-브릿지(6)에 대한 공급 전압을 모니터링하고 참조 전압과 비교해 임의의 차이를 교정한다. 참조 전압 신호는 H-브릿지의 공급 전압을 제어하는 수단이다. 따라서, 입력 신호(입력 1 및 입력 2)에서의 고정된 변조 깊이에 대해, 이 참조 신호는 출력 신호(출력 1 및 출력 2)의 출력 전력을 제어할 수 있다. 바람직하게, 감지 신호(Usense)는 H-브릿지의 스위치(42 및 44)에 가능한 가깝게 접속되어야 하며, 전압(Ubridge)은 잘 제어될 필요가 있다.
선형 제어부(35)의 동작 동안, 선형 레귤레이터(54)에 걸쳐 전압 강하가 발생한다. 이 선형 레귤레이터(54)의 이 전압 강하는 손실을 발생시킨다. 이들 손실은 부하 전류에 따라 선형적으로 달라진다. 달리 말해, 브릿지 전압이 저전압인 한, 부하 전류는 저전류이고 따라서 레귤레이터에서의 손실도 또한 적다. 이러한 상관관계로 인하여, 바람직하게, 높은 출력 볼륨에서의 손실은 레귤레이터를 통해 높은 전류에서 발생하는 반면, 낮은 전압 강하가 존재한다. 낮은 볼륨에서, 높은 전압 강하가 있을 수 있지만, 낮은 전류만이 존재한다.
바람직하게, 본 발명의 일 측면에 따르면, 출력 전력 신호(출력 1 및 출력 2)에서의 높은 출력 전력에 대한 제어 마진은 최소이도록 선택되어야 한다. 이렇게 함으로써, 매우 높은 효율성이 달성될 수 있다. 이것은 극단적인 경우에, 선형 레귤레이터(54)는 가장 높은 출력 전력 설정에서 공급 리플에 대해 보상이 없도록 배열된다. 달리 말해, 높은 전력에서, 총체적인 고조파 특성은 감소된 출력 전력에 비교해 악화될 것이다. 그러나, 이것은 종래의 증폭기의 행동에 완벽하게 일치하며, 과도한 출력 전력에서 왜곡은 상승한다. 따라서, 바람직하게, 이것은 오디오 애플리케이션에 대해 어떠한 영향도 미치지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 볼륨 제어에 의해 제어되는 거친 전압 설정은 볼륨 설정에 따른 단계에서 입력 전압을 조정하는데 사용될 수 있다. 달리 말해, 두 단계의 제어가 구현될 수 있다. 이것은 선형 레귤레이터(54)에서의 손실을 더 줄여준다.
본 발명의 이 예시적인 실시예의 또 다른 측면에 따르면, 간단한 SMPS는 선형 레귤레이터(54) 이전의 단계에서 거친 스위치형 모드 레귤레이터로서 사용될 수 있으며, 그것은 그의 토폴로지 때문에 입력 전압 변화의 보상만을 허용할 뿐 부하 변화에 대한 보상은 허용하지 않는다. 바람직하게, 선형 제어부(35)에 앞서 이러한 거친 스위치형 모드 레귤레이터를 제공하기 때문에, 제어 마진은 최소로 유지될 수 있고 따라서 매우 높은 효율성이 달성될 수 있다.
바람직하게, 선형 제어부(35)는 멀티-채널 애플리케이션에서 둘 이상의 채널에 대해 사용될 수 있고, 예를 들어 선형 제어부(35)는 스테레오 증폭기에서 좌측 및 우측용으로 사용될 수 있다. 그러나, 채널의 최소 결합을 달성하기 위해, 별개의 레귤레이터가 바람직할 수 있으며, 또한 과도한 전력에 대해, 채널마다의 선형 제어부는 보다 양호한 손실 및 열 분포를 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 디지털 증폭기의 제 4의 예시적인 실시예의 간략화된 블록도이다. 도 5의 실시예에서, 도 1에서와 동일한 참조 번호를 사용하여 동일한 또는 대응하는 소자를 나타낸다. 도 5의 참조 번호(60)는 전력 공급 장치(12)와 브릿지(6) 사이에 접속된 공급 리플 모니터 회로를 나타낸다. 이 공급 리플 모니터 회로(60)는 전력 공급 장치(12)에 의해 공급되는 공급 전압을 측정하고 선형 영역에서 브릿지(6)의 스위칭 중 하나를 제어하도록 배열된다. 바람직하게, 공급 리플 모니터 회로(60)는 선형 영역에서 하측 스위치(예를 들어 도 4의 스위치(46 또는 48)) 중 하나를 제어한다. 바람직하게, 본 발명에 따른 이러한 제어를 통해, 부하 전류 변경으로 인해 전력 공급 장치(12)에 의해 공급되는 공급 전압의 전압 강하는 전력 단 내에서 보상된다. 바람직하게, 이것은 구리 트랙 및 반도체 패키지에서의 손실을 포함하여, 모든 가능한 전압 강하를 고려할 수 있다. 물론, 약한 전력 공급 제어 또는 작은 출력 캐패시터로 인한 전압 강하도 보상될 수 있다. 바람직하게, 이것은 방대한 출력 캐패시터 및 광범위한 구리 트랙을 갖는 공급 권선이 필요한 공지의 솔루션에 비교해 적은 왜곡을 갖는 매우 저가의 디지털 증폭기를 가능하게 한다. 보다 비용 효율적인 것은 별문제로 하면, 본 발명에 따른 공급 리플 모니터 회로(60)를 통한 보상은 권선에서의 전압 강하의 보상을 또한 허용한다.
도 6은 하나의 반 브릿지에 대해 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 공급 리플 모니터 회로(60)의 구성을 도시하는 간략화된 회로도이다.
참조 번호(70)는 참조 전압에 대한 공급 전압의 전압 리플을 측정하고 또 다른 차동 증폭기(72)에 출력되는 신호(Uripple)를 생성하는 K1의 이득을 갖는 차동 증폭기를 나타낸다. 공급 전압에 대한 전압 리플이 보상 마진보다 작은 한, 신호(Uripple)는 양이다.
참조 번호(74)는 하측 스위치(76)의 전압 강하를 측정하는 K1의 이득(차분 증폭기(70)와 동일한 이득)을 갖는 또 다른 차동 증폭기를 나타낸다. 차동 증폭기(74)의 출력 신호는 Udrop로 지칭된다. 이 전압(Udrop)은 차동 증폭기(72)에 의해 전압 신호(Uripple)에 비교된다. Uriple와 Udrop의 비교에 기초하는 차동 증폭기(72)의 출력 신호는 에러 신호(UError)로 지칭된다. 이 에러 신호(UError)는 하측 게이트 드라이버(78)에 제공되어 에러 신호(UError)에 기초하여 하측 스위치(76)의 게이트 전압을 제어한다.
참조 번호(80)는 상측 스위치(82)의 게이트 전압을 구동하는 상측 게이트 드라이버를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따라 공급 리플 모니터 회로(60)가 도 4의 브릿지(6)와 같은 H-브릿지에 적용되는 경우 디지털 증폭기에서의 신호를 나타내는 타이밍도이다. 도 7에 사용되는 신호명은 도 4 내지 도 6에 사용되는 신호명과 동일하다.
도 7의 제 1 차트는 아날로그 오디오 소스(2)에 의해 변조기(4)에 출력된 오디오 신호를 도시한다.
뒤이은 두 개의 타이밍 차트는 변조기(4)에 의해 브릿지(6)로 입력된 제각기의 입력 신호(입력 신호 1 및 입력 신호 2)를 도시한다.
그 다음의 차트는 공급 전압을 도시하는데, 수평 라인은 시간에 따른 이상적인 전압을 도시하고, 라인(90)은 리플을 포함하는 실제 공급 전압을 도시한다.
그 뒤를 잇는 두 개의 차트는 브릿지(6)로부터 출력된 출력 신호(출력 신호 1 및 출력 신호 2)를 도시한다. 도 7에 도시된 것이 과장되었을지라도, 출력 신호 1 및 출력 신호 2는 공급 전압 상의 리플에 의해 영향을 받는다. 특히, 입력 신호 1에 대한 출력 신호 1와 입력 신호 2에 대한 출력 신호 2의 비교는 출력 신호가 왜곡을 보인다는 것을 도시한다. 그러나, 본 발명에 따른 차동 증폭기(70)를 통해 측정된 공급 변화를 보상하기 위해 선형 영역에서 하측 스위치를 제어하기 때문에, 출력 신호 1 및 출력 신호 2 상에 도시된 왜곡은, 양 출력 신호, 즉 출력 신호 1 및 출력 신호 2가 확성기(10)에 제공되는 하나의 출력 신호에 결합되는 경우, 왜곡은 제거되거나 또는 서로 보상하는 형태를 갖는다. 따라서, 출력 전압을 도시하는 그 다음의 차트에 도시되어 있는 바와 같이, 출력 전압은 왜곡이 없다.
본 발명의 제 4 실시예의 한 측면에 따르면, 참조-입력-신호는 공급 전압이 이 참조 전압보다 절대 더 낮지 않도록 선택된다. 본 발명에 따르면, 보상 마진의 선택은 제어 마진 및 손실의 최소화에 기초하여 이루어진다.
도 5 및 도 6에 도시된 제 4 실시예의 바람직한 측면에 따르면, 에러 신호에 대한 부가적인 필터가 사용되어 에러 다수의 스위칭 싸이클에 걸쳐 에러 정보를 평균화하여 보상 제어 루프에 대한 대역폭 요건을 축소할 수 있다. 이것은 총 고조파 왜곡(THD)에 대해 부정적인 영향을 미치지 않는데, 그 이유는 이것은 오디오 대역에서 공급 리플의 영향에 의해 좌우되기 때문이다. 여기서, 특히 저주파 리플이 중요하다. 보다 높은 리플 주파수(5 kHz 이상)의 경우, 보다 높은 고조파는 측정 대역 내에 해당하지 않고 THD에 기여하지 않는다.
도 5 및 도 6에 도시된 제 4의 예시적인 실시예에 따르면, 공급 전압은 연속적으로 모니터링되고 참조 전압과 비교된다. 그러나, 본 발명의 이 예시적인 실시예의 변형에 따르면, 공급 전압 신호에 대한 샘플 및 홀드 기능 블록을 통해 유사한 기능이 달성될 수 있다. 그런 다음, 공급 전압은 스위칭 싸이클마다 샘플링되어 싸이클 동안 부하측 스위치에 걸쳐 일정한 전압 강하를 야기한다. 스위칭 싸이클 동안 공급 전압 변화는 영향을 미치지 않는다. 바람직하게, 이것은 공급 전압 라인 상의 스위칭 노이즈에 대한 민감성의 감소를 허용한다.
또한, 본 발명의 제 4의 예시적인 실시예의 또 다른 변형에 따르면, 공급 전압의 적응적 트래킹이 사용되어 참조 전압을 자동적으로 조정할 수 있다. 바람직하게, 이것은 주어진 보상 마진에 대해, 손실이 최소가 되도록 수행된다.
이 변형예의 일 측면에 따르면, 이러한 자기 적응 시스템에는 자동 마진 설정이 제공된다. 부하 전류가 주로 공급 리플을 야기한다. 또한, 낮은 출력 전압은 낮은 출력 전류를 야기할 것이다. 낮은 부하 전류에서, 보상 마진은 높은 전류에서보다 작을 수 있다. 따라서, 본 발명의 이 측면에 따르면, 손실을 최소화하기 위해 증폭기의 출력 볼륨과 함께 마진을 제어하는 것이 바람직하다.
제 4 실시예의 또 다른 측면에 따르면, 공급 리플 모니터 회로(60)는 게이트 구동 회로의 일부분일 수 있다. 바람직하게, 공급 리플 모니터 회로(60)는 구성요소 총계를 줄이기 위해 집적 회로 내에 존재한다.
본 발명의 제 4 실시예의 또 다른 측면에 따르면, 또 다른 공급 리플 모니터 회로(60)가 상측 스위치에 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이 측면에 따르면, 하측 스위치가 포화 상태로 실행되지 않는 것을 피하는 대신, 공급 리플 모니터 회로는 상측 스위치가 포화 상태로 동작되는 것을 피하기 위해 상측 스위치에 제공될 수 있다.

Claims (13)

  1. 오디오 신호를 전력 출력으로 변환하는 디지털 증폭기에 있어서,
    전력 공급 포트와,
    적어도 한 쌍의 스위치를 구비한 브릿지 회로와,
    전압 공급 포트를 거쳐 적어도 한 쌍의 스위치를 통해 상기 브릿지 회로에 공급된 상기 전압에서의 전압 리플을 억제하는 리플 억제 회로
    를 포함하되, 상기 리플 억제 회로는 상기 전력 공급 포트와 적어도 한 쌍의 스위치를 구비한 상기 브릿지 회로 사이에 배열되는
    디지털 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리플 억제 회로는 선형 제어 전압 제어기(a linearly controlled voltage controller)를 포함하는 디지털 증폭기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 전압 제어기는 상기 증폭기의 다수의 채널용이고, 상기 적어도 한 쌍의 스위치는 H-브릿지로서 구성되며, 거친 공급 전압 설정부가 상기 제어 전압 제어기의 앞에 적용되는 디지털 증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는 트랜지스터이고, 상기 리플 억제 회로는 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터의 제 1 트랜지스터에 접속되고, 상기 리플 억제 회로는 상기 제 1 트랜지스터의 선형 영역에서 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터의 상기 제 1 트랜지스터를 구동하도록 구성되는 디지털 증폭기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 리플 억제 회로는 상기 전력 공급 포트에서의 전압과 참조 전압의 비교값과 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터의 제 2 트랜지스터에서의 전압 강하에 기초하여 에러 신호를 생성하고 또한 상기 에러 신호에 기초하여 상기 제 1 트랜지스터의 게이트 전압을 제어하여 상기 선형 영역에서 상기 제 1 트랜지스터를 구동하도록 구성되는 디지털 증폭기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 리플 억제 회로는 제어 루프에 대한 요건을 축소하기 위해 상기 리플 억제 회로의 대역폭을 제한하는 대역 통과 필터를 포함하고, 상기 리플 억제 회로는 듀티 싸이클에서 상기 전력 공급 포트에서의 전압을 샘플링하는 샘플 및 홀드 회로를 더 포함하는 디지털 증폭기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    필요한 보상 마진을 보장하기 위해 상기 전력 공급 포트에서의 전압에 기초하여 상기 참조 전압을 생성하는 참조 전압원을 더 포함하는 디지털 증폭기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    적어도 한 쌍의 스위치는 전력 트랜지스터를 포함하고 상기 전력 트랜지스터 및 상기 리플 억제 회로는 하나의 모듈 또는 집적 회로에 통합되는 디지털 증폭기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 리플 억제 회로의 보상 마진은 상기 증폭기의 높은 출력 전력에서는 낮도록 상기 증폭기의 전력 전력에 적응되며, 상기 디지털 증폭기는 D 클래스 증폭기인 디지털 증폭기.
  10. 전력 공급 장치와 D 클래스 증폭기 사이의 접속을 위한 리플 억제 회로에 있어서,
    상기 리플 억제 회로는 선형 제어 전압 제어기를 포함하는 리플 억제 회로.
  11. 전력 공급 장치와 D 클래스 증폭기 사이의 접속을 위한 리플 억제 회로에 있어서,
    상기 D 클래스 증폭기는 적어도 한 쌍의 트랜지스터를 포함하고, 상기 리플 억제 회로는 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터의 제 1 트랜지스터에 접속되고, 상기 리플 억제 회로는 상기 제 1 트랜지스터의 선형 영역에서 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터의 상기 제 1 트랜지스터를 구동하도록 구성되는 리플 억제 회로.
  12. D 클래스 증폭기의 공급 전력 전압에서의 리플을 억제하는 방법에 있어서,
    상기 D 클래스 증폭기의 전력 공급 라인 상에서 상기 전력 공급 전압의 선형 전압 제어를 수행하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 적어도 한 쌍의 트랜지스터를 포함하는 D 클래스 증폭기의 공급 전력 전압에서의 리플을 억제하는 방법에 있어서,
    제 1 트랜지스터의 선형 영역에서 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터의 상기 제 1 트랜지스터를 구동하는 단계를 포함하는 방법.
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