델타-시그마 변조기법을 이용한 고성능 D급 오디오 증폭기

Abstract

오디오 시스템의 전력 소모는 제품에서 발생하는 전체 전력 소모의 상당 부 분을 차지하기 때문에 제품 전체 전력 소모를 줄이기 위해서는 고효율의 오디오 증폭기가 요구된다. 증폭기는 트랜지스터의 동작 영역 및 동작의 양상에 따라 A 급, B급, AB급 및 D급으로 구분될 수 있다. 특히, D급은 최대 출력에서 높은 효 율을 가지며, 뛰어난 선형성을 가지므로 오디오용으로 사용된다. 이러한 D급 증 폭기는 짧은 온 시간과 긴 오프 시간을 가지는 펄스 신호를 사용하며, 디지털 신호처리 기술을 사용하여 소모 전력을 최소화하고, 효율을 극대화할 수 있다. 펄스 신호의 사용은 펄스 폭 변조방식을 사용함을 의미하며, 파워 트랜지스터가 스위칭 모드로 동작하는 것을 의미한다. 따라서, 다른 타입의 증폭기에 비해 높 은 효율을 가진다. 일반적인 펄스 폭 변조방식의 D급 증폭기는 오디오 대역에서의 노이즈와 고 조파 성분이 증가하는 단점을 가진다. 반면에 본 논문에서는 최근 각광 받고 있 는 D급 증폭기의 변조방식 중 하나인 델타-시그마 변조방식을 이용하여 고성능 D급 증폭기를 구현 하였다. 오버샘플링 기법과 노이즈 쉐이핑(noise shaping) 특성을 이용하여 기존의 D급 증폭기보다 높은 선형성을 얻을 수 있었다. 본 연구를 바탕으로 0.18-㎛ CMOS 공정으로 제작된 단일 비트 4차 델타-시 그마 변조기를 이용한 D급 증폭기는 3V의 전원과 32-ohm 의 저항 load로 77%의 효율과 0.03% 이하의 전 고조파 왜율의 높은 오디오 성능을 얻을 수 있었다. 또 한 1.62㎟의 면적을 차지하였으며, 변조기의 파워소모는 7.7㎽로 측정 되었다.; This paper proposes the design of a single-chip delta-sigma modulation-based class-D amplifier for driving headphones in portable audio applications. The proposed class-D amplifier generates pulse density modulation signals using a single-bit fourth-order high-performance delta-sigma modulator, instead of the conventional pulse width modulator. To achieve a high signal-to-noise ratio and to ensure system stability for a large input range, the locations of the modulator loop filter poles and zeros are optimized and thoroughly simulated. The test chip is fabricated using a standard 0.18-㎛ CMOS process. The active area of the chip is 1.6㎟. It operates for the signal bandwidth from 20-㎐ to 20-㎑. The measured total harmonic distortion plus noise at the 32-Ω load terminal is less than 0.03% from a single 3-V power supply. An efficiency of 77% can be achieved. The proposed circuit has a small chip area, and the modulator power consumption is smaller than that of the state-of-art class-D amplifier of delta-sigma type. The proposed circuit is expected to be useful as a headphone driver for portable audio applications.