디지털앰프의 기초 : 클래스별 특징

http://www.nsh.kr/zbxe/amp_design/13351

1. 시작에 앞서.

처음에는 디지털 암프의 기초이론에 대해 직접 작성해 볼까도 생각했습니다만 우선은 작성을

하려면 시간이 너무많이 들고, 게다가 지금은 스피커쪽에 집중을 하고 있는 상황이어서 포기
하고 설명이 비교적 잘된 디지털 앰프이론을 번역하기로 마음을 바꿔 먹었습니다. 그래서
이자료 저자료 뒤지다가 http://www.irf.com에서 디지털 앰프에 대한 자료를 발견하였는데,
괜찮은것 같아 여기에 번역하여 올립니다. 원문을 보고 싶으신분은 이싸이트로 접속하셔서
다운로드 받으시면 됩니다. 참고로 원문의 자료번호는 AN-1071입니다.

2. 클래스- D 오디오 앰프란 무엇인가? – 동작이론

클래스-D 오디오 앰프는 기본적으로 스위칭 앰프 또는 PWM 앰프이다. 클래스-D이외에도

여러 다른 클래스의 앰프들이 존재하는데, 우선 어떤 클래스의 앰프들이 존재하는지에 대해

간단히 살펴 보기로 하자.

클래스-A : 클래스-A 앰프에서 출력 장치들은 전체 싸이클동안 끊임없이 도통하는데, 다시

말하면 출력 장치에 항상 바이어스 전류가 흐른다. 클래스-A 앰프는 가장 적은 왜곡을 가지며,
가장 선형적인 특성을 가지지만, 동시에 약 20%정도의 아주 낮은 효율을 가진다.

클래스-A 앰프의 경우 高側(High Side)과 低側(Low Side)이 상호 보완적인 기능을 가지는

방식으로 설계되지 않는다.

클래스-B : 클래스-B 앰프는 클래스-A 앰프와 반대되는 방법으로 동작한다. 출력 장치들은

사인파 싸이클의 절반 동안만(하나는 양의 영역에서 도통하고, 다른 하나는 음의 영역에서 도통
한다.) 도통한다. 다시 말하면 만일 입력신호가 없다면, 출력 장치에 전류가 흐르지 않는다.
클래스-B 앰프는 클래스-A 앰프보다 효율이 좋아서 약 50% 정도가 되지만, 한쪽 장치를 끄고,
다른쪽 장치는 켜는데 시간이 소모되어 크로스오버 점에서 선형성에 문제가 발생한다.

클래스-AB : 클래스-AB 앰프는 클래스-A와 클래스-B 앰프가 혼합된 형태로서 현재 사용중인

아날로그 파워앰프는 대부분 이형태를 취한다. 클래스-AB 앰프의 경우 출력 장치들은 양쪽다

동시에 도통될수 있지만, 크로스오버 점 근처에서는 작은양의 전류만 흘리게 된다. 따라서

각 장치들은 반싸이클보다는 많지만 전체 싸이클보다는 작은 기간동안 도통을 하므로,
클래스-A 보다는 효율이 좋으며, 클래스-B의 문제점이었던 비선형성을 극복할수 있다.

클래스-AB의 효율은 약 50% 정도이다.

클래스-D : 위에서 언급한바와 같이 클래스-D 앰프는 스위칭 혹은 PWM 증폭기이다.

클래스-D 앰프의 경우 스위치들은 완전히 도통되거나, 완전히 꺼지기 때문에, 출력 장치에서의
전력손실을 상당히 줄일수 있다. 90-95% 정도의 효율을 갖는 것이 가능하다. 오디오 신호는
고주파수인 PWM 캐리어 주파수를 제거하기 위해 최종단에 저역통과 필터를 사용하는
출력 장치들을 구동하는 역할을 담당하는 PWM 캐리어 신호를 변조시키는데 사용된다.

이상 살펴본 앰프의 분류에서 클래스 A,B,AB는 모두 선형증폭기에 속하는데, 선형증폭기와

클래스-D 증폭기간의 차이에 대해서는 다음에 자세히 설명하게 될것이다. 선형증폭기의 블록도를

그림0 에 그려보았는데, 선형증폭기에서 신호는 항상 아날로그 영역에 남아있게 되며, 출력

트랜지스터는 출력 전압을 변조시키는 역할을 담당하는 선형 레귤레이터로서 동작한다. 따라서

출력 장치들을 통과하면서 전압강하가 생기기 때문에 효율이 떨어진다.

그림 0 선형 증폭기의 블록도

클래스-D 앰프는 여러가지 형태를 취하는데, 어떤것들은 디지털 입력을 가지며, 어떤것들은

아날로그 입력을 갖는다. 여기서는 아날로그 입력을 가지는 형태에 초점을 맞추기로 하자.

그림1에서는 하프 브리지(Half Bridge) 클래스-D 앰프에 대한 기본적인 블록도와 각 단에서의

파형을 보여주고 있다. 이 회로에서는 버스 전압의 변동을 보상해 주기 위하여 하프-브리지의

출력으로부터 입력으로 피드백을 사용하였다.

그림1 클래스-D 앰프의 블럭도