數位放大器 (Class D Amplifier)
以開關元件進行功率放大(Switch-mode Power Amplifier)或電源供給(Switch-mode Power Supply)已經是相當普遍的技術。以往大部分的應用頻寬均不高(如馬達)，因此以簡單的脈寬調變(Pulse Width Modulation, PWM)來進行開關的切換在應用上大致沒問題。然而在近幾年嘗試運用此方法於音響擴大機(稱之為D類功率放大器，or Class D Amp)時，發現PWM的切換波型產生方式在諧波扭曲(harmonic distortion)，波型失真及電磁干擾(EMI)方面不甚理想。究其原因，主要是音響系統頻寬在22.1 KHz，就算PWM的載波為1 MHz (亦代表開關頻率)，其過採樣比例(oversampling ratio)也僅約50，這與如馬達之類的應用有幾千倍的過採樣比例，相差甚大。另外，當輸入信號為寬頻信號時，PWM會與輸入信號間產生互調變(Inter-modulation)現象，儘管PWM的切換頻率比信號頻率高很多，仍會產生頻寬內的低頻信號失真。表1列出傳統功率放大技術的優缺點。因此，基於高頻寬、低失真、低雜訊及高效率的需求，有必要研發不同的切換波型產生方式。若能成功的將其頻寬提升，其高效率的功率轉換好處將自然的淘汰低效率的傳統線性放大，對許多應用來說將是一場革命。
馬達的型態多樣，從直線動作的音圈式馬達（例如喇叭），到旋轉動作的直流無刷馬達（例如電動機車、風扇馬達），各有不同的功能與應用。據統計，在美國，各類馬達的能量消耗大約佔了美國百分之五十的總能量消耗，其中更有百分之十的能量是消耗在待機中，未做任何動作的狀態。隨著新的能源法案的提出，更有效率的驅動技術的發明，對於節約能源及環保意識抬頭的今日，顯得非常重要。 本研究將在驅動技術上做不同的嘗試以期改進效率或降低成本。目前研究方向為：
1. 以迴授量化(feedback
quantization)方法設計實作類放大器之驅動訊號，穩定性及訊號傳真度分析。
2. 以Receding Horizon Optimal Control方法設計實作類放大器之驅動訊號，穩定性及訊號傳真度分析。
3. 陣列驅動器(Array Actuator Drivers)。
本研究可以應用的範圍很廣，依產品不同而有下列幾種實現方式：
(1.) 半數位式放大器：半數位式放大器指的是輸入訊號仍採取類比方式，其市場定位為對既有的系統設計取代A/B類放大器，使客戶的導入障礙降至最低。對中、高功率的應用，其實現方式為前級晶片，負責產生控制訊號驅動後級的功率模組。對低功率的應用，則可與後級整合成單晶片。這種設計基本上屬於類比IC。
(2.) 全數位式放大器：全數位式指的是輸入訊號採用數位的格式如SPI, I2S, SPDIF, USB, 及1394等，實現方式亦可有單獨前級晶片及與功率模組整合的單晶片。本研究在此將使用數位邏輯設計。
(3.) IP智財：上述的兩種方式均可形成IP智財，與其他功能整合而成為不同應用的ASIC。
(4.) 全數位式軟體放大器：嵌入式系統應用的處理器在速度及功能上日益強大，許多都採雙核心(Dual Core)設計，包含一專職計算的DSP(數位訊號處理器)。因此可利用此計算能力來執行本研究的技術，直接透過I/O pins產生驅動訊號，只需搭配後級IC即可，以節省成本。因此本研究將以軟體模組的方式實現，就未來系統晶片(SoC)的趨勢，其應用潛力無窮。
本研究可應用的範圍及其市場潛力概述如下：
1. 音頻數位功率放大器
數位功率放大器(或稱D類功率放大器; Digital Power Amplifier, or Class D Power Amplifier)與傳統A/B類放大器比較，在同樣的功率輸出下，數位功率放大器之效率增加幾乎兩倍，尺寸縮小為約四分之一。由於聲音及音樂的撥放為人類之基本需求，且迎合數位時代的來臨，因此數位放大器及其晶片組在未來市場之潛力無窮。根據Forward Concepts Co.的調查報告(見[1])，數位功率放大器晶片組在2003年剛推出時成長超過200%而達8千4百萬美金，2004年成長68%，預估至2008年將達8億2千3百萬美金的規模。
聲音及音樂的儲存或傳送已經幾乎全部數位化。例如CD唱盤、MP3 Player、數位通訊(GSM, CDMA)、VOIP及數位錄音等。然而當需要播放時，大部份均透過數位類比轉換器(DAC，Digital to Analog Converter)，將數位訊號轉換為類比訊號，並輸入A/B類功率放大器後驅動喇叭。A/B類功率放大器除了上述的低執行效率外，較之D類功率放大器，亦有其他在實務及成本上的缺點。最重要的是，利用D類功率放大可實現一個全數位式音頻放大器，使得從音源數位採樣後到播放間的所有過程全部數位化。無怪乎IEEE Spectrum Magazine在2002年關於D類功率放大器的介紹文章(見參考文獻[2])使用 “Digital Audio’s Final Frontier” 來作為其標題。近年來由於LCD平面電視的快速發展，使得D類功率放大器的需求日益增加，其主要的原因是LCD的畫面品質與其環境溫度有相當大的關係，同時由於平面電視空間有限，使用傳統類比功率放大器時，其散熱設計上較為困難，若設計不良將產生熱點(hot spot)，使LCD顯示不平均(見參考文獻[3])。因此D類功率放大器在這方面的應用佔有絕對的優勢。
本實驗室成功開發全數位式音頻數位功率放大器 矽智財。以下為本實驗室之成果與一國際知名廠商Class-D晶片在小振幅輸入訊號(500Hz)放大至同一音量之比較圗，可以發現本實驗室的設計之訊雜比較好。
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2.低EMI之馬達驅動器(Motor Driver)
本研究使功率級切換之EMI之降低，以及減少切換次數及損失的優點可用以設計馬達驅動器。其大宗市場潛力在於光碟機或硬碟機的主軸馬達(Spindle Motor)與音圈馬達(VCM)驅動IC，筆記型電腦之變頻散熱風扇馬達，以及變頻壓縮機馬達(如車用及家用冷氣)之控制IC等。雖然此非新興市場，但其需求龐大且穩定，以本研究可降低EMI及切換損失的優勢，將有機會以技術創新切入市場應用。
3. 微機電系統(MEMS)控制
微機電系統內含運動元件的例子與日俱增，而其驅動方式亦多採高速切換，見參考文獻[4-8]。值得一提的是如參考文獻[8]的微型閥門(Micro-valve)，其原理亦如開關元件，使閥門僅有全開及全關的兩個狀態，技術上已可以達到每秒14000次的開關。若考慮需一進一出兩個閥門的應用，其開關狀態即有四種，非單純PWM可控制，因此本研究的方法將可能延伸於這類的應用，以降低開關次數，延長其壽命。又如參考文獻[5,6]的MEMS陀螺儀，使用震動質量於轉動時的變化偵測姿態，需將一質塊震動於某一頻率。而此震動控制需於質塊雙邊各使用一靜電驅動器，若使用開關式驅動，其開關狀態亦有四種。這也將可能應用本研究的方法以降低開關次數及功耗。
功率驅動及放大技術(Driver Technology)為許多電機與機械裝置或系統的根本。在開關元件日益進步下，以切換的方式取代線性放大的做法，已經逐漸的伸展到許多應用領域。甚至Motorola的研發工程師嘗試使用於RF訊號的放大(見參考文獻[9])，因目前使用A/B類放大的效率僅20%。在本世紀講求能源使用效率及環保(低電磁干擾)的趨勢下，期待本研究能對此作出貢獻，也使我國在新一代的Driver應用技術中迎頭趕上。
參考文獻
[1] http://www.fwdconcepts.com/classdamp.htm
[2] Putzeys, B., “Digital audio's final frontier,” IEEE Spectrum, Volume: 40, Issue: 3, Mar 2003, Pages: 34 – 41.
[3] Israelsohn, Joshua, “Class D, Gen 3,” EDN, April 15, 2004.
[4] Steven L. Garverick and Michael L. Nagy, “Content Addressable Control System,” US Patent 2004/0174757 A1, Sep. 9, 2004..
[5] William Platt, “Pulse Width Modulation Drive Signal for MEMS Gyroscope,” US Patent 6,718,823 B2, Apr. 13, 2004.
[6] Cenk Acar, Sebnem Eler, and Andrei M. Shkel, “Concept, Implementation, and Control of Wide Bandwidth MEMS Gyroscopes,” Proceedings of the American Control Conference, Arlington, VA June 25-27, 2001
[7] Garverick, et al., “High frequency pulse width modulation driver, particularly useful for electrostatically actuated MEMS array,” US Patent 6,543,286, April 8, 2003.
[8] John Collier, Donald Wroblewski, and Thomas Bifano, “Development of a Rapid-Response Flow-Control System Using MEMS Microvalve Arrays,” IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 13, No. 6, December 2004.
[9] Wagh, P. and Hidya, P., “High-efficiency switched-mode RF power amplifier,” IEEE 42nd Midwest Symposium on Circuits and Systems, Volume 2, Page(s):1044 – 1047, vol. 28-11, Aug. 1999.
