Amplificador conmutado con modulación click

Abstract

La amplificación de señales encuentra diversas aplicaciones en dispositivos de audio, video, instrumentación, entre otras. Existen distintos parámetros que cuantifican el desempeño de un amplificador, aunque la eficiencia en la conversión de potencia es muy importante tanto en dispositivos portátiles como en aplicaciones de alta potencia. Los amplificadores conmutados (clase D) tienen una eficiencia máxima teórica del 100% y es principalmente por esto que encuentran cada vez más aplicaciones. Para poder utilizar etapas conmutadas es necesario modular las señales antes del proceso de amplificación propiamente dicho. El esquema de modulación define no sólo la calidad de la señal resultante, sino también parámetros ligados a la etapa de potencia como por ejemplo la velocidad de conmutación y la complejidad del circuito demodulador. La modulación por ancho de pulsos es de fácil implementación y la más usada en los últimos años, sin embargo no es posible obtener señales libres de distorsión en una banda específica. Además la implementación digital introduce importantes productos de distorsión en la banda de interés lo que complica considerablemente el esquema de modulación original para obtener resultados razonables. Una alternativa a la modulación por ancho de pulsos es la denominada modulación click. Este esquema permite obtener señales binarias, aptas para manejar etapas conmutadas, con alta pureza espectral y libres de distorsión. Sin embargo esta técnica fue desarrollada enteramente para señales de tiempo continuo y tiene problemas difíciles de resolver en su versión de tiempo discreto que, sumados a su alta complejidad, han postergado su uso comercial. Esta Tesis se centra en el desarrollo de un modulador enteramente discreto. La arquitectura aquí presentada permite obtener señales binarias con banda base separada y libres de distorsión partiendo de señales muestreadas. Aunque la técnica se basa principalmente en el esquema del modulador click de tiempo continuo, se introducen numerosos cambios y mejoras que permiten el desarrollo de una estructura de cálculo íntegramente digital, haciendo que la modulación de señales en tiempo discreto y sin distorsión se convierta en un objetivo alcanzable.

Signal amplification has a wide variety of applications ranging from audio, video and even instrumentation devices. Many parameters are used to define the performance of an amplifier, although one of the most important is the efficiency in the energy conversion process for both mobile and high-power devices. Switching amplifiers (class-D) are perfect for this task because of their high efficiency, 100 % theoretically, and that is the main reason that have increased their widespread use over the last years. The signal has to be modulated to drive a switching-mode amplification stage. The modulation process not only dictates the achievable quality of the modulated signal, it also sets some parameters of the power stage such as the switching rate and the complexity of the demodulation circuit. Pulse width modulation is one of the most widely used modulation techniques because it is very simple to implement, however it is impossible to completely avoid distortion problems on a given frequency band. Moreover, its digital counterpart suffers from intermodulation products in the baseband that are difficult to remove unless additional processing capabilities are added. Click modulation is an interesting alternative to pulse width modulation. Using this method it is possible to generate binary signals without any distortion components on a user-defined frequency band. Despite its obvious advantage, click modulation was designed to work with continuous-time signals. Its discrete-time version suffers from aliasing and distortion if it is not properly implemented which, added to the fact that it is a complex and computationally-intensive algorithm, has postponed its widespread used over other modulation techniques. This Thesis focuses on the development of an entirely digital click modulator. The proposed architecture allows obtaining binary signals with separated baseband and free of distortion, using discrete-time signals and transforms. Although it is based in the continuous-time click modulator, many changes and improvements are added and as a result an entirely digital modulator is presented which makes discrete-time, distortion-free signal modulation an achievable objective.