Class D audio amplifiers

This thesis aims at documenting the evolution of Class D audio amplifiers and comparing them with the main topologies that are commercially employed in everyday products. E ciency and output distortion are the two main evaluation parameters on which this text focuses for each configuration, combined with practical circuit implementations schematic examples from real world products. Classes A, B, AB, G and H are presented in the first chapter to give the reader a comprehensive resume on the chain of improvement that analog amplifiers went through the years in the quest for better quality and efficiency. Class D has its own dedicated chapter, going into greater depth on the many ways that it can be implemented and designed. The third chapter presents a complete design example using post-filter feedback, with applied state of the art control loop strategies. The fourth chapter takes this work a step further, with the making and testing of a prototype using equivalent chips that were available in the lab, to also show that there are many alternative paths to get similar and consistent results. Finally, ideas and considerations to improve the design are presented, to show that this Class D amplifier topology is very flexible both in terms of configuration and power output.

Questa tesi si propone di documentare l'evoluzione degli amplificatori audio in Classe D e di confrontarli con le principali topologie impiegate commercialmente nei prodotti di uso quotidiano. Efficienza e distorsione di uscita sono i due principali parametri di valutazione su cui questo testo si concentra per ciascuna configurazione, combinati con esempi di implementazioni circuitali pratiche tratte da prodotti reali. Le Classi A, B, AB, G e H sono presentate nel primo capitolo per offrire al lettore un riepilogo completo della catena di miglioramenti che gli amplificatori analogici hanno attraversato nel corso degli anni alla ricerca di una migliore qualità ed efficienza. La Classe D ha un capitolo dedicato, che approfondisce i numerosi modi in cui può essere implementata e progettata. Il terzo capitolo presenta un esempio di progetto completo che utilizza la retroazione post-filtro, con strategie di controllo all'avanguardia. Il quarto capitolo porta questo lavoro più in su di un gradino, con la costruzione e il collaudo di un prototipo utilizzando circuiti integrati immediatamente disponibili in lab- oratorio ed equivalenti a quelli del progetto, per dimostrare come si possano ottenere risultati simili e consistenti con diverse configurazioni. Infine, vengono presentate idee e considerazioni per migliorare il progetto, mostrando come questa topologia di amplificatore in classe D sia estremamente flessibile, sia in termini di configurabilità, che nella potenza di uscita erogabile.