Aplicación de técnicas de control y procesamiento de señales en amplificadores de audio de alta eficiencia y baja distorsión

Abstract

En esta Tesis se estudian las etapas que componen un amplificador de audio conmutado o clase D. El enfoque abarca desde el acondicionamiento y procesamiento digital de la señal hasta el transductor pasando por la etapa de potencia. La investigacion se centra en el analisis y/o compensación de la distorsión generada en las diferentes etapas que atra-viesa la señal. El desarrollo es teórico-práctico. Varios esque-mas de modulación por ancho de pulso son estudiados en el dominio frecuencial. Se analiza además el efecto de los tiempos muertos necesarios entre el encendido y el apagado de los semiconductores de potencia en el contenido espectral de la señal. Se muestra que establecen un límite en la distor-sión que no puede reducirse incrementando la frecuencia de la portadora, o cambiando la técnica de modulación. Se estudian e implementan una serie de algoritmos de procesamiento digital de señales para la reducción de la distorsion generada por la modulación y por la etapa digital debido a la utilización de un procesador de punto fijo. Se ensayan técnicas de sobremues-treo, decimación, interpolación, moldeo del ruido de cuantiza-ción y esquemas de modulación digital por ancho de pulso, y se reportan resultados experimentales medidos con un anali-zador dinámico de espectros. Estas herramientas se aplican en el diseno de un amplificador conmutado a lazo cerrado que mantenga una presión acústica constante en un determi-nado rango de frecuencias. Se discuten distintos modelos del parlante que vinculan las variables acústicas con las eléctricas, y se diseña el lazo de realimentación lineal discreto tomando como variable de salida la aceleración del cono del parlante.

In this thesis a study of the stages comprising a class D or switching amplifier is made. The approach ranges from the signal conditioning and digital signal processing stages up to the transducer, also covering the power stage. The research focuses on the analysis and compensation of the distortion generated in the different stages through which the signal passes. The development is theoretical/practical. Various pulse width modulation (PWM) schemes are studied in the frequency domain. The effects on the spectral content of the PWM signal with dead times, necessary between the on and off states of the power semiconductor devices, are analysed. A bound in the total harmonic distortion, that cannot be reduced by increasing the carrier frequency or changing the modulation technique, is shown. Some digital signal processing algorithms for the reduction of distortion, generated by the modulation and the digital stage due to the use of a fixed point processor, are studied. Oversampling, decimation, inter-polation, cuantization noise shaping and digital pulse width modulation schemes are investigated and experimental results obtained with a dynamic signal analizer are reported. These tools are applied to the design of a closed loop switching amplifier that holds the acoustic pressure constant in a determined frequency range. Different models of the louds-peaker which link the electric and acoustic variables are discussed. Finally a linear, digital control, feedback loop that uses the acceleration of the speaker cone as ouput is designed.