A class-D audio amplifier for a digital hearing aid is described. The class-D amplifier operates with a pulse-code modulated (PCM) digital input and consists of an interpolation filter, a digital sigma-delta modulator (SDM), and an analog SDM, along with an H-bridge power switch. The noise of the power switch is suppressed by feeding it back to the input of the analog SDM. The interpolation filter removes the unwanted image tones of the PCM input, improving the linearity and power efficiency. The class-D amplifier is implemented in a 0.13-${\mu}m$ CMOS process. The maximum output power delivered to the receiver (speaker) is 1.19 mW. The measured total harmonic distortion plus noise is 0.015%, and the dynamic range is 86.0 dB. The class-D amplifier consumes 304 ${\mu}W$ from a 1.2-V power supply.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.13
no.4
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pp.385-391
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2007
A class D digital audio amplifier with small size, low cost, and high quality is positively necessary in the multimedia era. Since the digital audio amplifier is based on the PWM signal processing, it is improper to analyze the principle of signal generation using linear system theories. In this paper, a class D digital audio amplifier based ADSM (Advanced Delta-Sigma Modulation) is considered. We first model the digital audio amplifier and then explain the operation principle using variable structure control algorithm. Moreover, the ripple signal generated by the hysteresis in the comparator has a significant effect on the system performance. Thus, we present a method to find the magnitude and the frequency of the ripple signal using describing function. Finally, simulations and experiments are provided to show the validity of the proposed methods.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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v.14
no.1
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pp.109-116
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2014
This paper presents a high-efficiency digital class-D audio amplifier using a composite interpolation filter for portable audio devices. The proposed audio amplifier is composed of an interpolation filter, a delta-sigma modulator, and a class-D output stage. To reduce power consumption, the designed interpolation filter has an optimized composite structure that uses a direct-form symmetric and Lagrange FIR filters. Compared to the filters with homogeneous structures, the hardware cost and complexity are reduced by about half by the optimization. The coefficients of the digital delta-sigma modulator are also optimized for low power consumption. The class-D output stage has gate driver circuits to reduce shoot-through current. The implemented class-D audio amplifier exhibited a high efficiency of 87.8 % with an output power of 57 mW at a load impedance of $16{\Omega}$ and a power supply voltage of 1.8 V. An outstanding signal-to-noise ratio of 90 dB and a total harmonic distortion plus noise of 0.03 % are achieved for a single-tone input signal with a frequency of 1 kHz.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea TC
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v.44
no.3
s.357
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pp.92-97
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2007
Switching mode amplifiers have been studied widely for use at microwave frequency range, and the class E amplifier which is a type of switching mode amplifier offers very high efficiency approaching 100%. In this paper, 2.4GHz microwave class E amplifier with 66% power added efficiency (PAE) and 17.6dBm output has been linearized for use at wireless LAN transmitter, and digital predistortion technique with look up table is applied. With -3dBm input power of wireless LAN, measured output spectrum can meet the required IEEE 802.11g standard spectrum mask, and the digital predistortion output spectrum has been improved by 5dB of ACPR at 20MHz offset from center frequency.
Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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v.49
no.11
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pp.149-156
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2012
A digital input class-D audio amplifier is presented for digital hearing aid. The class-D audio amplifier is composed of digital and analog circuits. The analog circuit converts a digital input to a analog audio signal (DAC) with noise suppression in the audio band. An interpolated digital delta-sigma modulator is used to convert data types between digital signal processor (DSP) and digital-to-analog converter (DAC). An 16-bit, 25-kbps pulse code modulated (PCM) input is interpolated to 16-bit, 50-kbps by a digital filter. The output signal of interpolation filter is noise-shaped by a third-order digital sigma-delta modulator (SDM). As a result, 1.5-bit, 3.2-Mbps signal is applied to simple digital to analog converter.
Park, Jun-Chul;Kim, Dong-Su;Yoo, Chan-Sei;Lee, Woo-Sung;Yook, Jong-Gwan;Chun, Sang-Hyun;Kim, Jong-Heon;Hahn, Cheol-Koo
Journal of electromagnetic engineering and science
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v.11
no.1
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pp.16-26
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2011
This paper presents high power and high efficiency Doherty amplifiers for 2.345 GHz wireless broadband (WiBro) applications that use a Nitronex 125-W ($P_{3dB}$) GaN high electron mobility transistor (HEMT). Two- and three-way Doherty amplifiers and a saturated Doherty amplifier using Class-F circuitry are implemented. The measured result for a center frequency of 2.345 GHz shows that the two-way Doherty amplifier attains a high $P_{3dB}$ of 51.5 dBm, a gain of 12.5 dB, and a power-added efficiency (PAE) improvement of about 16 % compared to a single class AB amplifier at 6-dB back-off power region from $P_{3dB}$. For a WiBro OFDMA signal, the Doherty amplifier provides an adjacent channel leakage ratio (ACLR) at 4.77 MHz offset that is -33 dBc at an output power of 42 dBm, which is a 9.5 dB back-off power region from $P_{3dB}$. By employing a digital pre-distortion (DPD) technique, the ACLR of the Doherty amplifier is improved from -33 dBc to -48 dBc. The measured result for the same frequency shows that the three-way Doherty amplifier, which has a $P_{3dB}$ of 53.16 dBm and a gain of 10.3 dB, and the saturated Doherty amplifier, which has a $P_{3dB}$ of 51.1 dBm and a gain of 10.3 dB, provide a PAE improvement of 11 % at the 9-dB back-off power region and 7.5 % at the 6-dB back-off region, respectively, compared to the two-way Doherty amplifier.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.40
no.1
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pp.9-15
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2015
A CMOS band-pass delta-sigma modulator(BPDSM) and cascode class-E power amplifier have been developed CMOS for Class-S power amplifier applications. The BPDSM is operating at 1-GHz sampling frequency, which converts a 250-MHz sinusoidal signal to a pulse-width modulated digital signal without the quantization noise. The BPDSM shows a 25-dB SQNR(Signal to Quantization Noise Ratio) and consumes a power of 24 mW at an 1.2-V supply voltage. The class-E power amplifier exhibits an 18.1 dBm of the maximum output power with a 25% drain efficiency at a 3.3-V supply voltage. The BPDSM and class-E PA were fabricated in the Dongbu's 110-nm CMOS process.
A class D digital audio amplifier with small size, low cost, and high quality is positively necessary in the multimedia era made of home theater system and the digital audio broadcasting (DAB). It is impossible to analyze the stability of the digital audio amplifier, which is based on the PWM signal processing. To solve this problem, the digital audio amplifier is analyzed using variable structure control theory which is one of nonlinear system theories. Moreover, the magnitude and the frequency of ripple signal, which generated by hysteresis in the comparator, is obtained using describing function which is useful to represent the input-output relation of nonlinear system.
Jo, Jun-Gi;Noh, Jin-Ho;Jeong, Tae-Seong;Yoo, Chang-Sik
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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v.47
no.11
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pp.6-12
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2010
A sigma-delta modulator based class-D audio amplifier is presented. Parallel digital input is serialized to two-bit output by a fourth-order digital sigma-delta noise shaper. The output of the digital sigma-delta noise shaper is applied to a fourth-order analog sigma-delta modulator whose three-level output drives power switches. The pulse density modulated (PDM) output of the power switches is low-pass filtered by an LC-filter. The PDM output of the power switches is fed back to the input of the analog sigma-delta modulator. The first integrator of the analog sigma-delta modulator is a hybrid of continuous-time (CT) and switched-capacitor (SC) integrator. While the sampled input is applied to SC path, the continuous-time feedback signal is applied to CT path to suppress the noise of the PDM output. The class-D audio amplifier is fabricated in a standard $0.13-{\mu}m$ CMOS process and operates for the signal bandwidth from 100-Hz to 20-kHz. With 4-${\Omega}$ load, the maximum output power is 18.3-mW. The total harmonic distortion plus noise and dynamic range are 0.035-% and 80-dB, respectively. The modulator consumes 457-uW from 1.2-V power supply.
A new controller for switching audio power amplifier with digital PWM input is proposed- Bi-directional Saw-tooth Error Correction (BSEC). This control method for high quality switching amplifier is based on a pulsed edge correction approach using PWM audio signal input as a reference of power switching digital to analog converter. The proposed controller has excellent features such as wide error correction range and no limitation on the modulation index. The controller is implemented in the half-bridge class D amplifier and the performance is verified through hardware experiments. It delivers 100W into 4${\Omega}$ load with less than 0.2% of total harmonic distortion (THD) all over operating range and an maximum efficiency of 82%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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