Over the last several decades, there have been studied many amplifiers for the consumer electronics which are so familiar with human''s life. Amplifiers in electronics are used in a wide variety of applications in the areas of audio, TV, personal computer application and so on. A conventional analog amplifiers such as class A, class B and class AB based on the linear circuit technology, have very excellent distortion characteristics, but show considerably poor power efficiency and bulky volume for cooling. On the other hand, the class D digital switching amplifier, which adopts a pulse width modulation (PWM) technology, has high efficiency and small volume but relatively bad fidelity.
This thesis presents analog / digital switching mixed mode amplifiers (MMA) and their applications for audio, regulator and TV. The proposed amplifier named MMA, more simply class k amplifier, simultaneously has only the advantages of conventional amplifiers, which are high fidelity (or low total harmonic distortion: THD) and high efficiency. It is composed of two amplifier circuits: one is analog amplifier and the other is digital amplifier. Analog amplifier plays a role of independent voltage source, which is responsible for high fidelity. On the other hand, digital amplifier works as a dependent current source, which is in charge of high efficiency. Digital amplifier supplies almost all the current needed in load, but analog amplifier merely supplies the rest of current, i.e., ripple current to compensate the distortion caused by the digital amplifier. In order to verify the operation principle as well as usefulness of MMA in commercial applications, the four kinds of prototypes, i.e., two kinds of audio power amplifiers, one regulator and one vertical deflection amplifier are implemented for the practical commercial applications.
A novel mixed mode amplifier for high fidelity and high efficiency audio application is presented. To confirm the operation for audio application, a typical 50 W (max. 100 W) prototype of MMA is simulated with PSpice and implemented on one printed circuit board. The external supply voltage is set to ±22Vdc. The 4Ω speaker is used as a load. The prototype has demonstrated that the proposed MMA has excellent fidelity comparable to the commercial high fidelity audio amplifier as well as high efficiency. The THDs at 0.5 W through 50 W are around 0.01 %. The efficiency is as high as 90 % at 50 W output, and thus is especially good for high-power audio application. Moreover, since the proposed MMA is approximately first-order system, it shows no stability problems. In frequency response, the magnitude response is maximally flat in the audio range of 20 Hz through 20 kHz and 3dB bandwidth is located at around 40 kHz.
Another audio application of MMA having simple sensing scheme is presented to provide a low cost audio that is commercially useful. More particularly, the proposed MMA has a $V_{BE}$ sensing scheme, where the current sense is conducted between the base and emitter of the transistor of analog amplifier. Therefore, the proposed MMA provides the amplifier with low output resistance, wide output swing and cost effectiveness. A typical 50W prototype shows that the proposed amplifier has prominent THDs of around 0.01% and high efficiency of about 90% at 50W output.
For DC/DC converter application, a regulator using MMA, which is called mixed mode regulator (MMR) by us, is proposed to simultaneously overcome the well-known problems of the conventional regulator such as linear, switching regulator and/or resonant converter. The latent problems such as poor efficiency of linear regulator, bad transient regulation of switching regulator and complex circuit of resonant converter no longer exist in proposed MMR. The proposed MMR like as MMA is implemented by combining linear regulator with switching regulator. In order to estimate the performances in terms of ripple, dynamic regulation and power efficiency, +12Vdc-to-+5Vdc MMR prototype realized with discrete devices, is investigated by using simulation and experiment. Also, in order to replace the conventional 78xx-series regulator with proposed MMR, a 4- terminal integrated circuit, which has class AB output stage is presented. The prototype having class B stage, which can easily be implemented with discrete devices, shows prominent advantages such as no ripple, excellent dynamic regulation and high efficiency. The voltage ripple of output is less than about ±10 mV. The power efficiency is as high as 87% at 25W output.
Finally, an application of MMA for TV / monitor vertical deflection circuit is presented. Experimental test for a prototype is carried out to confirm the validity. A prototype for 14" monitor shows that the proposed vertical deflection amplifier can reduce the power consumption by 20% than the conventional vertical deflection amplifier that is implemented with analog technology.'
인간의 생활과 가장 밀접한 관계가 있는 가전용 제품을 위하여 최근 수 십년 동안 많은 증폭기가 연구 되어왔다. 증폭기는 오디오, TV 및 컴퓨터 등의 제품에 다양하게 응용되고 있으며, 그 기술은 전원장치에도 활용이 되고 있다. 기존의 증폭기는 아날로그 증폭기와 디지털 증폭기로 대별된다. 선형회로 기술에 기초를 두고 있는 아날로그 증폭기로는 class A, class B 및 class AB 등을 들 수 있는데, 이들 증폭기는 우수한 선형성 (낮은 고조파 왜율, 높은 충실도)을 가지고 있는 반면에 낮은 효율을 보인다. 한편, 펄스폭 변조 방식의 스위칭 기술을 이용한 class D 디지털 증폭기는 효율은 좋지만, 왜율이 나쁘다는 문제가 있다.
본 논문은 아날로그 증폭기의 장점인 고선형성과 디지털 증폭기의 장점인 고효율만을 동시에 취한 새로운 개념의 혼합형 증폭기(Mixed Mode Amplifier: MMA)와 그 응용을 제안한다. Class K 증폭기로 간단히 명명된 혼합형 증폭기는 아날로그 증폭기와 디지털 증폭기를 상호 접속하여 구성한다. 아날로그 증폭기는 독립전압원으로 동작하며, 디지털 증폭기는 종속전류원 역할을 한다. 디지털 증폭기는 부하가 필요로 하는 전류의 대부분의 전류를 공급하고 아날로그 증폭기는 디지털 증폭기에 의해서 야기된 왜곡을 보상하기 위한 리플 전류만을 공급한다. 따라서, 고효율은 디지털 증폭기에 의하여 보장되며, 고선형성은 아날로그 증폭기가 보장한다. 혼합형 증폭기의 동작원리와 유용성을 검증하기 위하여, 오디오용 음향증폭기 시제품 2종, 직류전원 장치용 레귤레이터 시제품 1종 및 TV/monitor용 수직편향 증폭기 시제품 1종이 제작평가된다.
고충실 고효율 오디오 응용을 위하여 정격 50W (최대 100W)의 시제품이 제작되었다. 외부전압은 ±22Vdc를 인가하고, 부하는 4Ω을 적용하였다. 실험결과, 제안된 혼합형 증폭기는 높은 충실도와 우수한 효율을 보였다. 0.5W~50W 출력의 경우, 고조파 왜율(THD)은 약 0.01%를 보였다. 효율을 50W 출력시, 약 90%를 나타냈다. 안정도에 문제가 없었으며, 크기응답(magnitude response)은 20Hz에서 20kHz를 통하여 평탄함을 보였고, 3dB 주파수는 약 40kHz에 위치하였다.
저가 보급형 오디오 응용을 위하여 전류감지 방법이 극히 간단한 또 다른 새로운 형태의 정격 50W급 음향증폭기 시제품이 제작되었다. $V_{BE}$ 감지 방법으로 명명된 본 방식의 시제품에서는 전류감지가 아날로그 증폭기의 출력 트랜지스터의 베이스와 에미터에서 직접 수행된다. 제안된 혼합형 증폭기는 낮 은 출력저항, 넓은 출력스윙 및 저가격 제작을 제공한다. 외부전압 ±22Vdc를 인가하고, 부하 4Ω을 적용한 시제품에 대한 평가 결과, 고조파 왜율은 약 0.01%을 보이고, 출력 50W에서 효율은 약 90%로 나타났다. 혼합형 증폭기를 이용한 레귤레이터(혹은 DC/DC converter) 응용을 위하여 혼합형 레귤레이터 (Mixed Mode Regulator: MMR) 시제품이 제작되었다. 제안된 MMR은 MMA에서와 마찬가지로 리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터를 결합하여 구성되었다. 제안된 MMR에서는 리니어 레귤레이터의 저효율 및 스위칭 레귤레이터의 나쁜 부하 동특성(dynamic regulation)이 해소되었다. 개별소자를 이용한 MMR과 기존의 78xx계열의 시리즈 레귤레이터를 대체하기 위한 class AB로 구현된 4단자 혼합형 레귤레이터 IC가 제안되었다. 동작의 타당성을 쉽게 검증하기 위하여 아날로그 출력단이 class B로 구현된 +12Vdc-to- +5Vdc 시제품을 제작 후, 평가하였다. 실험결과, 출력 리플은 ±10mV이고, 효율은 출력 25W에서 87%인 것으로 나타났다. 마지막으로, 혼합형 증폭기를 응용한 TV/모니터용 수직편향 증폭기가 제안 되었다. 타당성 검증을 위하여, 14" monitor용 수직편향 증폭기의 시제품에 대 한 평가를 수행했다. 실험결과, 제안된 혼합형 증폭기를 응용한 수직편향 증폭기는 기존의 아날로그 증폭기에 비하여 약 20%의 전력절감이 가능한 것으로 판명되었다.
