This thesis presents a 1W analog / switching mixed-mode audio amplifier (MMA) for mobile application. The analog amplifier shows a good linearity. The switching amplifier shows a good efficiency. For mobile application good efficiency is necessary to save a battery life. And good linearity is also necessary in audio amplifier. To achieve these characteristics analog / switching mixed-mode amplifier is presented.
For mobile application MMA is integrated using 0.35um CMOS process. On-chip power MOSFET is used for few external devices. It operates at single 3.3V power supply. The bandwidth of the analog amplifier is about 12MHz and the frequency response is flat to the 500 kHz. The -3dB frequency of the MMA is about 300 kHz at 1/8W output power. The full power bandwidth at 4 Ω bridge connection is about 32 kHz. Maximum phase delay of the output signal is below 1.5 ˚. Maximum output power is about 1W at 4 Ω bridge connection. At this output power maximum efficiency about 87% is obtained. It shows a 0.1% THD at 1 kHz, 1/8W and 4Ω load.
The reverse recovery current free gate control method is also presented in this thesis. This control method is suitable for audio amplifier integrated circuit. The reliability of the chip is dependent on the on-chip power MOSFET. The reverse recovery current due to the conduction of the anti-parallel body diode gives a current stress to the power MOSFET. Moreover short and large reverse recovery current can also induce an EMI problem. The reverse recovery current free gate control can reduce the revere recovery current by the turn-off of the anti-parallel body diode during the dead-time.
본 논문은 저전력 오디오 증폭기 설계에 관한 것이다. 최대 출력은 브리지구조에서 최대 1W 이고 이동 기기에 적합한 것이다. 일반적인 아날로그 증폭기는 선형성은 좋으나 효율이 나빠서 열이 많이 나고 배터리의 소모가 심하게 된다. 그런 반면 스위칭 증폭기는 선형성은 나쁘지만 효율이 좋아서 전력 소모가 낮고 그로 인해 배터리 소모가 작다. 이동 기기용 오디오 제품들이 최근 증가 추세에 있고 출력이 점점 커지고 음질 향상이 요구 되고 있다. 이러한 요구에 적합하게 하기 위해선 아날로그의 장점인 고선형성과 스위칭의 장점인 고효율을 같이 얻을 수 있는 혼합형 구조가 적합하고 외부 소자 특히 전력 MOSFET을 칩 내에 직접화함으로써 응용이 용이해진다.
0.35um CMOS 공정을 사용하여 설계 제작 하였으며 100-pin MQFP로 패키지 되어 있다. 전원 전압은 3.3V 단전원에서 동작한다. 브리지 구조로 4옴 부하를 구동 할 때 최대 1W의 출력이 나온다. 이 때 효율은 87% 정도이다. 브리지 구조에서 아날로그 증폭기에서 대략 50mW를 소모하고 스위칭 증폭기에서 60mW를 소모하고 그 외의 부분과 합쳐 150mW 정도이다. 무 입력에서의 스위칭 주파수는 15uH 인덕터를 사용할 때 대략 3.3MHz이다. 주파수 응답은 아날로그 증폭기는 500kHz 이상의 대역폭을 보이고 혼합형 증폭기는 최대 출력의 1/8 정도가 출력으로 나갈 때 300kHz에서 -3dB의 감쇄 특성을 보인다. 최대 출력 대역폭(Full Power Bandwidth)는 대략 30kHz 정도이다. 일반적으로 선형성을 측정할 때는 최대 출력에서 1/8 출력이 되는 지점에서 측정하는데 출력 전력이 140mW 정도에서 1kHz Sine 입력에 대해 대략 0.1% 정도의 선형성을 보인다.
칩 내에 전력 MOSFET이 내장 되었기 때문에 MOSFET의 신뢰성은 칩의 신뢰성에 직결 된다고 볼 수 있다. 칩의 신뢰성을 높이기 위해선 MOSFET의 신뢰성을 높여야 하는데 본 논문에서 MOSFET에 가해지는 전류 스트레스 중 역회복 전류 스트레스를 없애는 게이트 제어 방법도 제안하였다. 역회복 전류는 일반적으로 관통 전류를 제거 하기 위해 사용하는 Dead-time 제어 방법을 이용한다. 이러한 제어에서는 두 MOSFET이 꺼지는 구간이 존재하고 MOSFET의 역병렬 다이오드를 통해 전류가 흐르기 때문에 필히 다이오드를 끄기 위한 역회복 전류가 흘러야 한다. 이 전류는 시간은 짧지만 큰 전류가 흘러서 MOSFET에 스트레스로써 작용한다. 이러한 전류를 없애기 위해선 역병렬 다이오드가 켜지지 않게 해야 한다. 즉 동작 시 MOSFET을 통해 흐르는 전류를 감지하여 전류원에 저장하여 두 MOSFET가 꺼지는 구간 동안만 동작시킴으로써 역병렬 다이오드의 도통을 막을 수 있다. 이러한 방법으로 역회복 전류를 제거하면 스파이크성의 전류가 감소함으로써 EMI 문제가 줄어들며 MOSFET의 전류 스트레스가 줄어들어 칩의 신뢰성이 증가한다.
