KR20110119173A - Digital audio amplifiers with a negative feedback of speaker current - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A digital audio amplifier for generating negative current feedback in a speaker is provided to have a large equivalent output resistance, thereby reducing speaker damping with respect to the vibrations of a speaker body. CONSTITUTION: The detected voltage difference between sound source(1) voltage and a negative feedback current detector(4) is inputted to a digital amplifier(2). The output of the digital amplifier is provided to a speaker(3). The current flowing in the speaker is detected by the current detector. The detected voltage is negatively feedbacked to the digital amplifier. An output low-pass filter is connected between the digital amplifier and speaker in series. A signal low-pass filter is connected between an output terminal of the current detector and a negative feedback input terminal of the digital amplifier. The current detector includes detection resistor Rs.

Description

스피커 전류 부궤환이 있는 디지털 오디오 앰프 {Digital audio amplifiers with a negative feedback of speaker current}Digital audio amplifiers with a negative feedback of speaker current}

본 발명은 디지털 앰프의 출력 음색을 개선하기 위한 스피커 전류 부궤환이 있는 디지털 오디오 앰프에 관한 것이다.The present invention relates to a digital audio amplifier with speaker current negative feedback for improving the output tone of the digital amplifier.

오디오 전력 앰프는 아날로그 회로보다 전기적 효율이 좋은 디지털 앰프가 주로 사용된다. 아날로그 A급, B급 전력 증폭기는 많은 전기적 손실 및 결합 콘덴서 사용으로 인한 음질저하, 큰 방열판 등의 문제로 대부분의 TV, 오디오 장치에는 D급 디지털 앰프를 채용하고 있다. 결합 콘덴서를 사용하지 않는 D급 디지털 앰프는 선형성이 우수한 증폭 특성이 있지만, 출력저항이 영인 이상적인 전압원 특성으로 인해 높은 댐핑값과 인간의 음향 인지능력을 고려하지 못한 구동으로 스피커 재생음이 단조로운 단점이 있다. 음향 인식에 대한 연구 결과의 오디오 장치에의 응용이 어렵고, 음색을 결정하는 디지털 앰프의 설계기술은 아직 확립되지 못하고 있다. Audio power amplifiers are mainly used for digital amplifiers, which are more electrical efficient than analog circuits. Analog Class A and B power amplifiers adopt Class D digital amplifiers for most TVs and audio devices due to many electrical losses, poor sound quality due to coupling capacitors, and large heat sinks. Class D digital amplifiers without coupling capacitors have excellent linearity amplification characteristics, but due to the ideal voltage source characteristics of zero output resistance, high damping values and human acoustic perception are not considered, resulting in monotonous speaker reproduction. . The application of research results on acoustic recognition to audio devices is difficult, and the design technology of digital amplifiers for determining the tone has not yet been established.

디지털 앰프는 전기적 효율이 우수한 장치이지만 스피커에서 만들어진 음색이 단조롭고 정위감이 부족하다. 종래 디지털 앰프는 입력 전압 파형을 선형적으로 증폭하여 입력과 동일한 모양의 전압 파형을 스피커에 공급한다. 디지털 앰프에서 스피커 전류를 검출하고 앰프 입력으로 부궤환하는 회로를 추가하여 스테레오 정위감있는 재생음 특성을 얻도록 함을 목적으로 한다. Digital amplifiers are high-efficiency devices, but the sound produced by the speakers is monotonous and lacks a sense of stereotype. Conventional digital amplifiers linearly amplify the input voltage waveform to supply a voltage waveform of the same shape as the input to the speaker. It aims to obtain stereo stereo reproduction sound characteristics by adding circuit that detects speaker current in digital amplifier and negative feedback to amplifier input.

일정한 전압 증폭도가 주어지는 디지털 앰프에서 출력에 접속되는 스피커의 전류를 전류검출기로 검출하고, 검출 전압의 크기에 적절한 이득으로 조정된 신호를 다시, 디지털 앰프의 입력 신호에 (-)로 인가하여 부궤환 회로를 형성시킨다. 스피커 단자에 직렬로 접속된 검출저항, 또는 전류변성기를 이용하여 전류검출기를 구성한다. In a digital amplifier given a constant voltage amplification degree, a current detector detects the current of the speaker connected to the output, and applies a negative signal to the input signal of the digital amplifier as a negative signal to the input signal of the digital amplifier. Form a circuit. A current detector is constructed by using a detection resistor or a current transformer connected in series to the speaker terminal.

디지털 앰프의 스피커 전류 신호를 적절한 이득의 부궤환 회로를 형성시켜 디지털 앰프의 등가 출력저항을 매우 크게 만든다. 큰 등가 출력저항은 스피커의 임피이던스 변화에 따라 재생음의 크기를 변화시킨다. 일반적 스피커는 100[Hz] 부근 저역과 수 [kHz] 중역에서 임피이던스가 상승하므로 큰 등가 출력저항이 존재하는 앰프는 풍부한 저역과 맑은 중역대의 소리를 재생하게 된다. 전자회로 이퀄라이저는 반드시 시간지연이 발생하여 스테레오 신호의 정위감이 손상되지만, 스피커 전류 부궤환에 의한 방법은 출력음의 시간지연이 발생하지 않는다. 또한, 큰 등가 출력저항은 스피커 통의 울림에 대해 스피커 댐핑이 작게 되고 자연스러운 감쇄 진동을 발생시킨다.The equivalent current resistance of the digital amplifier is made very large by forming a negative feedback circuit with an appropriate gain of the speaker current signal of the digital amplifier. The large equivalent output resistance changes the loudness of the reproduction sound according to the speaker impedance change. In general, loudspeakers have a high equivalent output resistance, so the impedance increases in the low range and the high frequency range near 100 [Hz], so that the amplifier reproduces the rich low and clear mid range sound. Although the electronic circuit equalizer must be time delayed to impair the sense of stereo signals, the method by the speaker current negative feedback does not cause the time delay of the output sound. In addition, a large equivalent output resistance results in less speaker damping and natural attenuation vibrations for ringing of the speaker barrel.

도1은 본 발명의 디지털 앰프와 전류검출기를 사용한 기본 구성도.
도2는 오디오 스피커의 주파수에 대한 임피이던스 특성도.
도3은 도1 기본 구성도의 전달함수 블럭도.
도4는 일반 전압 증폭기의 전기 등가회로.
도5는 전류검출기의 구성에 검출저항을 사용한 도면.
도6은 전류검출기의 구성에 전류변성기를 사용한 도면.
도7은 디지털 앰프의 출력에 출력저역필터가 포함된 구성도면.
도8은 전류검출기의 출력에 신호저역필터를 포함한 구성도면.
도9는 출력저역필터와 신호저역필터를 포함한 구성도면.1 is a basic configuration using a digital amplifier and a current detector of the present invention.
2 is an impedance characteristic diagram of a frequency of an audio speaker.
3 is a transfer function block diagram of the basic configuration diagram of FIG. 1;
4 is an electric equivalent circuit of a general voltage amplifier.
5 is a diagram showing the use of a detection resistor in the configuration of a current detector.
6 is a diagram using a current transformer in the configuration of a current detector.
7 is a block diagram of an output low pass filter included in an output of a digital amplifier.
8 is a block diagram of a signal low pass filter included in an output of a current detector;
9 is a block diagram of an output low pass filter and a signal low pass filter.

도1은 본 발명에 의한 디지털 앰프와 스피커 전류를 부궤환하는 기본 블럭 구성도를 나타낸 것으로, 음원(1)과 스피커 전류검출기(4) 및 이들의 전압차이 (Vp-Vn)를 증폭하는 디지털 앰프(2)와 디지털 앰프출력에 접속되는 스피커(3)로 구성된다. 1 shows a basic block diagram of negative feedback of a digital amplifier and a speaker current according to the present invention. The digital amplifier amplifies the sound source 1 and the speaker current detector 4 and their voltage difference (Vp-Vn). And a speaker 3 connected to the digital amplifier output.

도2는 일반적 오디오 스피커의 주파수에 따른 임피이던스 Zs(7)를 나타낸 것으로, 저역을 담당하는 우퍼(5)와 고역을 담당하는 트위터(6)으로 구성된다. 스피커는 우퍼(5)와 트위터(6)를 LC 네트워크로 연결하여 주파수를 분리하고 구동한다. 우퍼(5)의 임피이던스는 저역공진점 부근에서 매우 크게되고 최소점을 지나면서 주파수 증가에 따라 상승하게 된다. 트위터(6)는 대체적으로 안정된 임피이던스 특성을 보인다. 우퍼(5)와 트위터(6)로 구성된 스피커의 임피이던스는 주로 우퍼(5)에 의해 전체 임피이던스 변화가 결정된다. Fig. 2 shows an impedance Zs 7 according to the frequency of a general audio speaker, and is composed of a woofer 5 for low frequencies and a tweeter 6 for high frequencies. The speaker connects the woofer 5 and the tweeter 6 to the LC network to separate and drive frequencies. The impedance of the woofer 5 becomes very large near the low resonant point and rises with increasing frequency as it passes through the minimum point. The tweeter 6 shows a generally stable impedance characteristic. The impedance of the speaker composed of the woofer 5 and the tweeter 6 is mainly determined by the woofer 5 in the overall impedance change.

도3의 입력 Vp과 출력전압 Vo의 비인 전달함수는 수학식1과 같다.The transfer function, which is the ratio of the input Vp and the output voltage Vo of FIG. 3, is represented by Equation 1.

Figure pat00001
Figure pat00001

도4는 일반 전압 증폭기의 전기 등가회로이다. 이것은 전압증폭도 K1의 종속전압원(8), 등가 출력저항 Ro(9) 및 스피커 부하 Zs(3)가 접속된 형태를 나타낸다. 도4에서 입력 Vp와 출력 Vo의 전달함수는 수학식2와 같다.4 is an electric equivalent circuit of a general voltage amplifier. This shows the form in which the slave voltage source 8, the equivalent output resistance Ro 9 and the speaker load Zs 3 of the voltage amplification degree K 1 are connected. In Fig. 4, the transfer function of the input Vp and the output Vo is shown in Equation 2.

Figure pat00002
Figure pat00002

그러므로 수학식1과 수학식2는 동일한 전기적 성질을 가지며, 스피커 전류의 부궤환이 디지털 앰프의 등가 출력저항 Ro(9)의 형태로 나타남을 알 수 있다. 수학식1 및 수학식2에서, 등가 출력저항 Ro(9)는 수학식3과 같이 얻어진다. Therefore, Equations 1 and 2 have the same electrical properties, and it can be seen that the negative feedback of the speaker current is represented in the form of the equivalent output resistance Ro (9) of the digital amplifier. In equations (1) and (2), the equivalent output resistance Ro (9) is obtained as in equation (3).

Figure pat00003
Figure pat00003

전류검출기(4)의 이득 K2를 조정하여 원하는 등가 출력저항 Ro(9)의 크기를 결정할 수 있다. 도2의 스피커 임피이던스 Zs(7)는 일반적으로 중역대에서 상승하며 이때 약 +3[dB] 이상의 음량 증가를 얻기 위한 등가 출력저항 Ro(9) 값을 얻고, 디지털 앰프(2)의 이득 K1을 이용하여 수학식3으로 전류검출기(4)의 이득 K2를 결정한다. The gain K 2 of the current detector 4 can be adjusted to determine the desired equivalent output resistance Ro (9). The speaker impedance Zs (7) of Fig. 2 generally rises in the mid range, at which time the equivalent output resistance Ro (9) is obtained to obtain a volume increase of about +3 [dB] or more, and the gain K 1 of the digital amplifier 2 is obtained. Using the equation (3) to determine the gain K 2 of the current detector (4).

도5는 전류검출기(4) 구현의 예로, 검출저항 Rs(4a)를 이용한다. 스피커(3)의 단자에 직렬로 연결한 검출저항 Rs(4a)와 이득변환부로 구성된다. 도6은 전류변성기(4b)를 이용한 전류검출기(4)의 구성이며 전류변성기(4b)의 주파수 특성이 본 발명의 디지털 오디오 앰프 주파수 특성에 직접적인 영향을 미치게 된다. Fig. 5 uses a detection resistor Rs 4a as an example of the implementation of the current detector 4. It consists of a detection resistor Rs (4a) connected in series to the terminals of the speaker 3 and a gain converter. 6 is a configuration of the current detector 4 using the current transformer 4b, and the frequency characteristics of the current transformer 4b directly affect the digital audio amplifier frequency characteristics of the present invention.

도7은 디지털 앰프(2)의 출력과 스피커(3) 사이에 출력저역필터(10)을 삽입하여 디지털 앰프(2)의 스위칭 전압을 감소시키는 구성이다. 일반적으로 디지털 앰프(2)에 이용하는 출력저역필터(10)는 오디오 출력의 고역 응답을 작게 하는 단점을 가진다. 그러나, 본 발명의 전류검출기(4)의 부궤환 작용으로 고역 응답 특성을 개선시킬 수 있다. FIG. 7 is a configuration in which the output low pass filter 10 is inserted between the output of the digital amplifier 2 and the speaker 3 to reduce the switching voltage of the digital amplifier 2. In general, the output low pass filter 10 used for the digital amplifier 2 has a disadvantage of reducing the high frequency response of the audio output. However, the high-frequency response characteristic can be improved by the negative feedback action of the current detector 4 of the present invention.

도8은 전류검출기(4)의 출력에 신호저역필터(11)을 삽입하고, 신호저역필터(11)의 출력을 부궤환시키는 방법으로 과도한 디지털 스위칭 잡음이 존재하는 경우에 효과적인 방법이다. 도9는 출력저역필터(10)와 신호저역필터(11) 모두를 설치한 구성으로, 적절한 필터의 특성을 유지하여 전체 디지털 오디오 앰프의 필요한 주파수 특성을 얻을 수 있다. Fig. 8 is a method of inserting the signal low pass filter 11 into the output of the current detector 4 and negatively feedbacking the output of the signal low pass filter 11, which is an effective method when there is excessive digital switching noise. 9 is a configuration in which both the output low pass filter 10 and the signal low pass filter 11 are provided, so that the required frequency characteristics of the entire digital audio amplifier can be obtained by maintaining the characteristics of the appropriate filter.

도1, 도7, 도8 및 도9의 구성에서 스피커(3)를 제외한 구성 요소들은 디지털 신호처리장치(DSP)와 AD변환기 등을 이용하여 하나의 실리콘 칩으로 구현할 수 있으며 서라운드 등의 다른 음향효과와 동시에 사용될 수도 있다.. 1, 7, 8, and 9, components except for the speaker 3 may be implemented as a single silicon chip using a digital signal processing device (DSP) and an AD converter, and other sound such as surround. Can be used simultaneously with the effect.

Claims (6)

음원(1) 전압과 부궤환 전류검출기(4) 검출전압의 차를 디지털 앰프(2)로 입력하고, 디지털 앰프(2) 출력을 스피커(3)에 공급하고, 스피커(3)에 흐르는 전류를 전류검출기(4)로 검출하고, 이 검출전압을 다시 디지털 앰프(3)에 부궤환하는 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.The difference between the sound source (1) voltage and the negative feedback current detector (4) detected voltage is input to the digital amplifier (2), the output of the digital amplifier (2) is supplied to the speaker (3), and the current flowing through the speaker (3) A digital audio amplifier, which is detected by the current detector (4) and negatively fed back to the digital amplifier (3). 제1항에 있어서, 출력저역필터(10)가 디지털 앰프(2)와 스피커(3) 사이에 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.The digital audio amplifier according to claim 1, wherein the output low pass filter (10) is connected in series between the digital amplifier (2) and the speaker (3). 제1항에 있어서, 신호저역필터(11)가 전류검출기(4)의 출력과 디지털 앰프(2)의 부궤환 입력 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.The digital audio amplifier according to claim 1, wherein a signal low pass filter (11) is connected between the output of the current detector (4) and the negative feedback input of the digital amplifier (2). 제1항에 있어서, 출력저역필터(10)가 디지털 앰프(2)와 스피커(3) 사이에 직렬로 연결되고, 신호저역필터(11)가 전류검출기(4)의 출력과 디지털 앰프(2)의 부궤환 입력 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.An output low pass filter (10) is connected in series between the digital amplifier (2) and the speaker (3), and the signal low pass filter (11) is connected to the output of the current detector (4) and the digital amplifier (2). A digital audio amplifier, characterized in that connected between the negative feedback input of. 제1항에 있어서, 전류검출기(4)의 구성에 검출저항 Rs(4a)를 사용 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.The digital audio amplifier according to claim 1, wherein a detection resistor Rs (4a) is used for the configuration of the current detector (4). 제1항에 있어서, 전류검출기(4)의 구성에 전류변성기(4b)를 사용 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 앰프.The digital audio amplifier according to claim 1, wherein a current transformer (4b) is used for the configuration of the current detector (4).
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