In this thesis, an audio amplifier and a single-inductor multiple output DC-DC buck converter are introduced. A fast switching charge dump amplifier and a PLL-based multiple output bang-bang control are applied to a Class D audio amplifier and a DC-DC buck converter, respectively.
Firstly, a new $Class-K^{\ast}$ audio amplifier with high power efficiency and high fidelity is integrated in a $0.35- \mu m$ CMOS process. It proposes a new topology connected Class-D amplifier with Fast-Switching Charge-Dump (FSCD) amplifier in parallel. The integration of the amplifier requires neither analog buffer amplifier nor a complex compensation circuit needed in hybrid audio amplifier (Class K). The FSCD amplifier composed of comparators and switches works at a high switching frequency in order to absorb the distortion caused by Class-D amplifier switching. Thus, this assists the audio amplifier to have good linearity under switching operation. With the proposed topology, the audio amplifier has a flat frequency response with -3dB bandwidth of 60 KHz, and is capable of delivering up to 257 mW into $4.1-\Omega$ load with maximum efficiency of 81%. A typical total harmonic distortion plus noise (THD+N) is less than 0.1% at the power level over 25 mW within the audio frequency range ($20 Hz \sim 20 kHz$), and the minimum THD+N is 0.025% with the audio input frequency of 1 kHz at the output power of 114 mW.
Secondly, a single-inductor multiple output DC-DC buck converter employing $\It{PLL}$-based Multiple-output Bang-bang (PMB) control is presented. The DC-DC converter can operate at a fixed high frequency by adjusting current-information in the $\It{PLL}$-loop. The distinctive feature of PMB control comparing with other conventional current mode PWM controls is that it is free from stability problem and shows fast and accurate regulation against arbitrary load-current change as well as input voltage change because the DC-DC converter is basically controlled on the basis of the bang-bang mode. Although this topology actually operates on bang-bang control with simple compensation, it looks like a PWM controlled buck converter with a fixed switching frequency in appearance. We used a mixture of comparator control and bang-bang control for regulating the multiple output channels inside a $\It{PLL}$-loop. The fabricated chip occupies $2.5 \times 3 mm^2$ in a 0.35-mm CMOS process with a switching frequency of 2 MHz. The 6-channel output $\It{V_{o1}}$, $\It{V_{o2}}$, $\It{V_{o3}}$, $\It{V_{o4}$, $V_{o5}$ and $\It{V_{o6}}$ are regulated to 1V, 1.3 V, 1.6 V, 2 V, 1.9 V and 3 V, respectively, with the voltage ripple less than 25 mV.
최근에 배터리가 장착된 휴대용 멀티 미디어 기기에 대한 수요가 증가하면서, 이에 발 맞추어 원가를 절감하면서 기존의 성능보다 우수한 기능을 요구하는 제품에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히, 대부분의 휴대용 기기들은 배터리를 통하여 공급된 전원을 통하여 기기 내부에 있는 각각의 칩들을 구동하는데 이를 위해 전력을 제어하여 각각의 내부 블록들이 필요한 안정적인 전원을 공급해 주기 위한 Power-Management IC (PMIC) 칩이 필요하다. 그리고 기기 내부에서 처리된 음원을 사람이 들을 수 있도록 재생하기 위한 음향 증폭기가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 Power IC와 관련하여 고속 스위칭 증폭기가 결합된 고성능$Class-K^{\ast}$음향증폭기와 단일 인덕터 다출력 (Single Inductor Multiple Output; SIMO) 직류/직류 변환기를 제안하고 검증하였다.
첫 번째 주제인 $Class-K^{\ast}$ 음향증폭기는 기존에 발표된 Class K 증폭기에서 출력단의 버퍼 증폭기의 설계가 어렵고 부하의 조건에 따라서 안정도를 확보하는 문제를 해결하기 위해서 고속 스위칭을 하는 증폭기와 Class-D 증폭기가 병렬로 결합된 새로운 형태의 증폭기이다. 고속 스위칭 하는 증폭기는 스위치와 비교기를 가지고 쉽게 구현할 수 있고, Class-D 증폭기에서 발생되는 고조파 잡음을 흡수 할 수 있기 때문에 Class K 증폭기에서 아날로그 증폭기의 버퍼 증폭기를 대체할 수 있다. 따라서 이를 통하여 시스템의 선형성이 개선된다. 그리고 제어 루프가 주종관계로 제어되는 Class K 증폭기와는 달리 독립적으로 제어 되기 때문에 전체 시스템의 안정도를 확보하기 쉬운 장점이 있다. 제안된 증폭기는 $0.35-\mum$ CMOS 공정을 이용하여 제작되었고 실험을 통하여 검증되었다.
두 번째 주제인 SIMO 직류/직류 변환기는 마지막 채널을 제외한 나머지 채널들은 비교기를 통해서 제어가 되고 마지막 채널은 위상동기 루프를 통한 bang-bang제어를 통하여 제어가 된다. 특히 단일 인덕터를 이용하여 여러 개의 출력전압을 만들기 때문에 기존의 PMIC 제품들 보다 가격이나 면적 면에서 현저히 우세하다.
기존의 bang-bang제어는 입출력 변화나 부하변동에 관계없이 항상 안정적으로 동작하는 장점이 있는 반면에 스위칭 주파수가 동작조건에 의해 가변 되는 단점이 있다. 이에 본 논문에서 제안된 직류/직류 변환기는 bang-bang제어를 통해서 제어가 되지만, 가변 되는 스위칭 주파수는 위상동기루프를 통해서 원하는 스위칭 주파수를 갖도록 제어가 되기 때문에 일정한 스위칭 주파수에서 동작하는 장점이 있다. 스위칭 주파수는 위상동기루프를 통하여 일정한 스위칭 주파수에서 동작하도록 제어된다. 따라서 본 논문에서 제안된 구조의 직류/직류 변환기는 bang-bang제어의 장점인 안정성과 빠른 동적 특성을 갖고 일정한 스위칭 주파수에서 동작한다. 제안된 직류/직류 변환기는 $0.35- \mu m$ CMOS 공정을 이용하여 제작되었고 실험을 통하여 검증되었다.
제안된 $Class-K^{\ast}$ 음향 증폭기는 간단한 구조로 구현할 수 있기 때문에 쉽게 집적화를 할 수 있어서 향후 고음질을 요구하는 휴대용 멀티 미디어 기기를 위한 해결책을 제시할 수 있다. 그리고 직류/직류 변환기는 사용된 인덕터의 개수를 줄이고 면적을 줄이면서 외부 요건에 관계없이 항상 안정적으로 동작하기 때문에 향후 PMIC부분을 대체할 수 있으리라고 기대된다.
