D급 증폭기

Class-D amplifier
기본 클래스 D 앰프의 블록 다이어그램.
주의: 명확하게 하기 위해 신호 주기는 축척되지 않습니다.

클래스 D 앰프 또는 스위칭 앰프는 증폭 장치(트랜지스터, 보통 MOSFET)가 다른 증폭기처럼 선형 이득 장치로 동작하지 않는 전자 증폭기입니다.이들은 공급 레일 사이를 빠르게 왔다 갔다 하며 펄스 폭, 펄스 밀도 또는 오디오 입력을 펄스 트레인으로 인코딩하는 관련 기술을 사용하여 모듈레이터에 의해 공급됩니다.오디오는 단순한 로우패스 필터를 통과하여 라우드스피커로 들어갑니다.고주파 펄스가 차단됩니다.출력 트랜지스터 쌍은 동시에 전도하지 않기 때문에 로우패스 필터/로드스피커 이외에는 전류 흐름을 위한 다른 경로가 없습니다.따라서 효율이 90%를 초과할 수 있습니다.

역사

최초의 클래스 D 앰프는 1950년대에 영국의 과학자 알렉 리브스에 의해 발명되었고 1955년에 처음 그 이름으로 불렸습니다.최초의 상용 제품은 1964년 싱클레어 라디오닉스에 의해 출시된 X-10이라고 불리는 키트 모듈이었다.그러나 출력 전력은 2.5와트에 불과했다.1966년 싱클레어 X-20은 20와트를 생산했지만 당시 이용 가능한 게르마늄 기반 BJT(양극 접합 트랜지스터) 트랜지스터의 불일치와 한계로 어려움을 겪었다.그 결과, 이러한 초기 클래스 D 앰프는 실용적이지 않았고 성공하지 못했습니다.실용적인 D급 증폭기는 나중에 실리콘 기반 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터) 기술의 개발로 가능해졌다.1978년, 소니는 전력 MOSFET와 스위치 모드 전원 장치를 채용한 최초의 클래스 D 유닛인 TA-N88을 발표했습니다.1979년부터 1985년까지 VDMOS(Vertical DMOS) 기술이 빠르게 발전했습니다.저비용 [1]고속 스위칭 MOSFET의 가용성은 1980년대 중반에 Class-D 앰프가 성공하는 계기가 되었습니다.최초의 D급 증폭기 기반 집적회로는 1996년 트라이패스에 의해 출시되어 널리 [2]쓰이게 되었다.

기본 조작

클래스 D 앰프는 아날로그 오디오 입력 신호의 진폭 변동을 나타내는 폭과 분리 또는 단위 시간당 가변 수의 고정된 진폭의 직사각형 펄스를 생성함으로써 작동합니다.변조기 클럭은 착신 디지털 오디오 신호와 동기화할 수 있으므로 신호를 아날로그로 변환할 필요가 없습니다.그런 다음 변조기의 출력을 사용하여 출력 트랜지스터를 번갈아 켜고 끕니다.트랜지스터를 통해 공급 레일 간에 단락이 발생할 수 있으므로 한 쌍의 트랜지스터가 함께 전도되지 않도록 세심한 주의를 기울여야 합니다.트랜지스터는 완전히 켜지거나 완전히 꺼지기 때문에 선형 영역에서 보내는 시간이 매우 적고 전력 소산도 거의 없습니다.이것이 그들의 높은 효율성의 주된 이유입니다.인덕터와 캐패시터로 이루어진 간단한 로우패스 필터는 고주파 펄스를 남겨둔 채 오디오 신호의 저주파를 위한 경로를 제공합니다.비용에 민감한 애플리케이션에서는 출력 필터가 생략되는 경우가 있습니다.이 회로는 라우드스피커의 인덕턴스에 의존하여 HF 컴포넌트가 음성 코일을 가열하지 않도록 합니다.

클래스 D 전원 스테이지의 구조는 동기 정류된 벅 컨버터(SMPS의 일종)와 다소 비슷하지만 역방향으로 동작합니다.벅 컨버터는 보통 전압 조절기로 기능하여 일정한 DC 전압을 가변 부하로 전달하고 전류를 소싱할 수 있는 반면(1사분원 작동) 클래스 D 앰프는 지속적으로 변화하는 전압을 고정 부하로 전달하며, 여기서 전류와 전압이 독립적으로 신호를 변경할 수 있습니다(4사분원 작동).스위칭 앰프는 SMPS를 DC 전원으로 사용하는 리니어 앰프와 혼동해서는 안 됩니다.스위칭 앰프는 모든 유형의 전원 공급 장치(예: 자동차 배터리 또는 내부 SMPS)를 사용할 수 있지만, 정의적 특성은 증폭 프로세스 자체가 스위칭에 의해 작동한다는 것입니다.SMPS와 달리 앰프는 불필요한 아티팩트가 출력되지 않도록 하는 훨씬 더 중요한 작업을 수행합니다.피드백은 기존 아날로그 앰프와 동일한 이유로 노이즈와 왜곡을 줄이기 위해 거의 항상 사용됩니다.

D급 증폭기의 이론 전력 효율은 100%다.즉, 공급되는 모든 전력이 부하로 전달되고 열로 전환되지 않습니다.이는 "ON" 상태의 이상적인 스위치가 모든 전류를 전도하지만 전압 손실이 없기 때문에 열이 방출되지 않기 때문입니다.전원이 꺼지면 공급전압은 모두 공급되지만 누출전류가 흐르지 않고 열이 방출되지 않습니다.실제 전원 MOSFET는 이상적인 스위치는 아니지만 실제 효율은 90%가 훨씬 넘습니다.이와는 대조적으로 선형 AB급 증폭기는 항상 전류가 흐르고 전원장치 간에 전압이 정지된 상태에서 작동한다.이상적인 클래스 B 앰프는 이론적으로 최대 효율이 78%입니다.클래스 A 앰프(단말기가 항상 "켜져 있는" 순수 선형)는 이론적으로 최대 효율이 50%이며 일부 버전은 효율이 20% 미만입니다.

용어.

"클래스 D"라는 용어는 "디지털" 증폭기를 의미하는 것으로 오해될 수 있습니다.일부 클래스 D 앰프는 디지털 회로에 의해 제어되거나 디지털 신호 처리 장치를 포함할 수 있지만, 전력단은 전압과 전류를 양자화되지 않은 시간의 함수로 취급합니다.최소한의 노이즈, 타이밍 불확실성, 전압 리플 또는 기타 이상적이지 않은 경우 즉시 출력 신호가 불가역적으로 변경됩니다.디지털 시스템에서 동일한 오류가 발생하면 디지털 시스템의 오류가 너무 커서 숫자를 나타내는 신호가 인식할 수 없을 정도로 왜곡될 경우에만 잘못된 결과가 발생합니다.이 시점까지 이상적이지 않은 것은 송신 신호에 영향을 주지 않습니다.일반적으로 디지털 신호는 진폭과 파장 모두에서 양자화되며 아날로그 신호는 1개(예: PWM) 또는 (일반적으로) 어느 양으로도 양자화됩니다.

신호 변조

2-레벨 파형은 펄스 폭 변조(PWM), 펄스 밀도 변조(펄스 주파수 변조라고도 함), 슬라이딩 모드 제어(업계에서 더 일반적으로 "자체 발진 변조"[3]라고 함) 또는 델타 시그마 [4]변조와 같은 이산 시간 형식의 변조를 사용하여 도출됩니다.

PWM 신호를 생성하는 가장 기본적인 방법은 고주파 삼각파를 오디오 입력과 비교하는 고속 비교기( 블록 다이어그램의 "C")를 사용하는 것입니다.그러면 듀티 사이클이 오디오 신호의 순간 값에 정비례하는 일련의 펄스가 생성됩니다.그런 다음 비교기는 MOS 게이트 드라이버를 구동하고, MOS 게이트 드라이버는 한 쌍의 고출력 스위치(일반적으로 MOSFET)를 구동합니다.그러면 비교기의 PWM 신호의 증폭된 복제본이 생성됩니다.출력 필터는 PWM 신호의 고주파 스위칭 구성 요소를 제거하고 스피커가 사용할 수 있는 오디오 정보를 복구합니다.

디지털 오디오 신호(를 들어 SPDIF)에서 직접 PWM 신호를 생성하는 DSP 기반 증폭기는 카운터를 사용하여 펄스[5] 길이를 측정하거나 삼각형 기반 변조기와 동등한 디지털 신호를 구현합니다.어느 경우든 실제 클럭 주파수에 의해 제공되는 시간 분해능은 스위칭 주기의 수백분의 1에 불과하며, 이는 낮은 노이즈를 보증하기에 충분하지 않습니다.그 결과 펄스 길이가 양자화되어 양자화 왜곡이 발생한다.두 경우 모두 디지털 영역 내에서 음의 피드백이 적용되어 가청 주파수 범위에서 노이즈가 낮은 노이즈 셰이퍼를 형성합니다.

설계상의 과제

전환 속도

클래스 D 앰프에서 MOSFET 드라이버 회로에 대한 두 가지 중요한 설계 과제는 데드타임을 유지하는 것과 선형 모드 동작을 가능한 짧게 하는 것입니다.데드 타임은 스위칭 전환 중에 두 출력 MOSFET가 모두 차단 모드로 구동되고 둘 다 "off"인 기간입니다.정확한 저왜곡 출력 신호를 유지하기 위해서는 데드 타임이 가능한 한 짧아야 하지만 데드 타임이 너무 짧으면 켜는 MOSFET가 꺼지는 MOSFET가 도통을 정지하기 전에 도통을 시작할 수 있습니다.MOSFET는 "shoot-through"로 알려진 상태에서 자신을 통해 출력 전원 공급 장치를 효과적으로 단락시킵니다.한편, MOSFET 드라이버는, MOSFET 가 리니어 모드로 되어 있는 시간을 최소한으로 억제하기 위해서, 가능한 한 빨리 스위칭 상태간에 MOSFET 를 구동할 필요가 있습니다.즉, MOSFET 가 완전하게 온이 되어 있지 않은 상태나 완전하게 오프가 되어 있지 않은 상태, 대량의 저항을 수반해 전류를 흘려, 대량의 열을 발생시키는 모드입니다.드라이버 장애로 인해 슈트루 및/또는 너무 많은 리니어 모드가 동작하면 MOSFET의 [6]과도한 손실이 발생하거나 치명적인 장애가 발생할 수 있습니다.모듈레이터에 (고정 주파수) PWM을 사용하는 경우에도 문제가 발생합니다. (피크) 출력 전압이 공급 레일 중 하나에 가까워지면 펄스 폭이 너무 좁아져 드라이버 회로 및 MOSFET의 응답 능력에 문제가 생길 수 있습니다.이러한 펄스는 몇 나노초까지 줄어들 수 있으며, 그 결과 위의 바람직하지 않은 조건인 슈트루 모드 및/또는 선형 모드가 발생할 수 있습니다.따라서 펄스 밀도 변조와 같은 다른 변조 기법이 PWM에 비해 더 높은 효율뿐만 아니라 더 높은 피크 출력 전압을 달성할 수 있습니다.

전자파 간섭

스위칭 파워 스테이지에서는 높은 dV/dt와 dI/dt가 모두 발생하며, 이는 회로의 어떤 부분이 안테나로서 동작할 수 있을 만큼 충분히 클 때마다 방사 방출을 발생시킵니다.실제로는 연결 와이어와 케이블이 가장 효율적인 라디에이터가 되므로 대부분의 노력은 다음과 같은 고주파 신호가 도달하지 않도록 하는 데 집중해야 합니다.

  • 배선으로의 스위칭 신호로부터의 커패시티브 커플링을 피합니다.
  • 전원 스테이지의 다양한 전류 루프에서 배선으로 유도 결합을 피하십시오.
  • 콘덴서의 디커플링에 대한 공통 RF 레퍼런스를 얻기 위해 1개의 접지 플레인을 사용하여 모든 커넥터를 그룹화합니다.
  • 구성 요소를 선택하기 전에 회로 모델에 필터 캐패시터의 등가 직렬 인덕턴스와 필터 인덕터의 기생 캐패시턴스를 포함합니다.
  • 링잉이 발생할 경우 공진회로의 유도성 및 용량성 부분을 찾아 병렬 RC 또는 직렬 RL 스너버를 사용하여 공진의 Q를 줄입니다.
  • 효율 또는 왜곡 요건을 충족하기 위해 MOSFET 스위치를 필요 이상으로 빠르게 하지 마십시오.스위칭 속도를 높이는 것보다 네거티브 피드백을 사용하면 왜곡을 쉽게 줄일 수 있습니다.

전원 장치 설계

Class-D 앰프는 부하에서 돌아오는 에너지를 흡수할 수 있다는 추가 요건을 전원 장치에 부여합니다.반응성(용량성 또는 유도성) 부하는 사이클의 일부 동안 에너지를 저장하고 나중에 이 에너지의 일부를 방출합니다.선형 증폭기는 이 에너지를 소멸시키고 클래스 D 증폭기는 이를 어떻게든 저장할 수 있는 전원 공급기로 반환합니다.또한 하프 브리지 클래스 D 증폭기는 출력 전류의 부호에 따라 하나의 공급 레일(예: 양극 레일)에서 다른 공급 레일(예: 음극)로 에너지를 전달합니다.이는 부하가 저항성이 있는지 여부에 관계없이 발생합니다.공급 장치는 양쪽 레일에 충분한 용량 저장 공간을 갖거나 이 에너지를 [7]다시 전달할 수 있어야 합니다.

액티브 디바이스 선택

클래스 D 앰프 내의 액티브디바이스는 제어된 스위치로만 동작할 필요가 있으며 제어 입력에 대해 특별히 선형 응답을 할 필요는 없습니다.보통 바이폴라 트랜지스터 또는 전계효과 트랜지스터가 사용됩니다.진공관은 D급 전력 오디오 [8]앰프에서 전력 전환 장치로 사용할 수 있습니다.

에러 제어

앰프의 실제 출력은 변조된 PWM 신호의 내용에만 의존하지 않습니다.전원 공급기 전압은 출력 전압을 직접 진폭 변조하고, 데드타임 오류는 출력 임피던스를 비선형 상태로 만들고, 출력 필터는 부하 의존 주파수 응답을 강하게 합니다.오류의 출처에 관계없이 오류를 해결하는 효과적인 방법은 부정적인 피드백입니다.출력단을 포함한 피드백 루프는 간단한 적분기를 사용하여 할 수 있다.출력 필터를 포함하기 위해 PID 컨트롤러가 사용되며, 때로는 추가 통합 용어를 사용할 수도 있습니다.실제 출력 신호를 모듈레이터로 다시 공급해야 하므로 SPDIF 소스에서 직접 PWM을 생성하는 [9]매력적이지 않습니다.피드백 없이 앰프에서 동일한 문제를 완화하려면 소스에서 각각 개별적으로 대처해야 합니다.PWM을[10] 계산하기 전에 공급전압을 측정하여 신호게인을 조정함으로써 전원변조를 부분적으로 취소할 수 있으며 전환속도가 빨라져 왜곡을 줄일 수 있다.출력 임피던스는 피드백을 통해서만 제어할 수 있습니다.

이점

클래스 D 앰프의 주요 장점은 활성 장치에서 열로 방산되는 전력을 줄이면서 선형 앰프보다 더 효율적일 수 있다는 것입니다.대형 히트 싱크가 필요하지 않기 때문에 클래스 D 앰프는 클래스 A, B 또는 AB 앰프보다 훨씬 가볍습니다.이것은 휴대용 사운드 강화 시스템 장비와 베이스 앰프의 중요한 고려 사항입니다.펄스 발생기에 사용되는 출력 스테이지와 같은 출력 스테이지가 클래스 D 앰프의 예입니다.단, 이 용어는 대부분 스위칭 주파수보다 훨씬 낮은 대역폭을 가진 오디오 신호를 재생하는 것을 목적으로 하는 파워앰프에 적용됩니다.

Boss Audio 모노암페어출력 스테이지가 왼쪽 상단이고 출력 초크는 아래에 있는 노란색 토로이드 2개입니다.

사용하다

  • 박스 시스템의 홈시어터.이러한 경제적인 홈 시네마 시스템은 거의 보편적으로 클래스 D 앰프를 갖추고 있습니다.적당한 성능 요구사항과 간단한 설계를 위해 피드백 없이 디지털 오디오에서 PWM으로 직접 변환하는 것이 가장 일반적입니다.
  • 핸드폰.내부 라우드스피커는 최대 1W로 구동됩니다. 배터리 수명을 유지하기 위해 클래스 D가 사용됩니다.
  • 보청기.미니어처 라우드스피커(수신기라고도 함)는 배터리 수명을 최대화하기 위해 클래스 D 앰프에 의해 직접 구동되며 130dB 이상의 포화 수준을 제공할 수 있습니다.
  • 파워 스피커
  • 하이엔드 오디오는 일반적으로 새로운 테크놀로지의 도입에 관해서는 보수적이지만, 클래스 D 앰프가 등장하고[11] 있습니다.
  • 액티브 서브우퍼
  • 음향 보강 시스템.매우 높은 전력 증폭의 경우 AB 앰프의 전력 손실은 허용되지 않습니다.출력 전력이 수킬로와트인 앰프는 클래스 D로 사용할 수 있습니다.채널당 1500W의 정격이지만 무게는 21kg(46lb)[12] 또는 36kg(8lb)[13]에 불과한 클래스 D 파워앰프를 사용할 수 있습니다.
  • 베이스 악기 증폭
  • 무선 주파수 증폭기는 클래스 D 또는 기타 스위치모드 클래스를 사용하여 통신 시스템에서 [14]고효율 RF 전력 증폭을 제공할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Duncan, Ben (1996). High Performance Audio Power Amplifiers. Newnes. pp. 147–148. ISBN 9780750626293.
  2. ^ "Class-D Audio: The Power and the Glory". IEEE Spectrum. 30 December 2010.
  3. ^ 슬라이딩 모드 제어에 대한 일반적인 분석은 상당히 복잡합니다.2스테이트 자기발진 클래스 D 앰프의 구체적인 사례는 훨씬 직관적이며 선형성이 개선된 글로벌 변조 자기발진 앰프, 제37회 AES 컨퍼런스
  4. ^ 아날로그 디바이스 AD1990 클래스 D 오디오 파워 앰프가 그 예입니다.
  5. ^ Sandler 등, 초저왜곡 디지털 전력 증폭, 제91회 AES 컨벤션에서 발표
  6. ^ 전력 인버터의 데드타임 왜곡 해석 및 수치 해석
  7. ^ "IRAUDAMP7S, 25W-500W Scalable Output Power Class D Audio Power Amplifier Reference Design, Using the IRS2092S Protected Digital Audio Driver" (PDF). irf.com. October 28, 2009. p. 26.
  8. ^ 램핀 M., 2015.AmpDiVa 백서 - D급 파워 오디오 앰프에서의 스위칭 디바이스로서의 진공관 사용에 대하여
  9. ^ Putzeys et al. 2011-07-24 웨이백 머신에서 아카이브된 AES 120회 컨벤션에서 제시된 모든 앰프 등
  10. ^ Boudreaux, Randy, 실시간 전원 공급 피드백으로 디지털 클래스 D 앰프의 전력 변환 요건 감소
  11. ^ "Group review of "high end" class D offerings and round-table discussion with amplifier designers".
  12. ^ "Home > Products > CD 3000(r)". Crest Audio. Archived from the original on 2012-11-09. Retrieved 2013-07-16.
  13. ^ https://www.behringer.com/product.html?modelCode=P0CHW
  14. ^ 안드레이 그레베니코프, 네이단 O.Sokal, Marc J Franco, 스위치 모드 RF 파워앰프, Newnes, 2011, ISBN 0080550649, 페이지 vii

외부 링크