Capitolo 7

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Conclusioni Capitolo 7 ____________________________________________________________________

Capitolo 7

Conclusioni e sviluppi futuri

In questa tesi abbiamo preso in esame quattro diverse architetture per l’amplificazione diretta di segnali audio digitali; le abbiamo chiamate AD, AD1, AD2 e AD3.

Queste architetture si differenziavano sia per il tipo di modulazione usata, sia per la presenza o meno di un controllo reazionato.

Nome Tecnologia PWM Dead Time Reazione

AD digitale 2 livelli si -

AD1 mista 2 livelli no PEDEC analogico

AD2 digitale 2 livelli si DTC

AD3 digitale 3 livelli si -

Tabella 7.1: Caratteristiche delle architetture prese in esame

La parte dedicata all’elaborazione del segnale PCM inizialmente comprendeva un blocco di sovracampionamento, un semplice blocco di predistorsione, un Noise Shaper, un modulatore e (tranne che per AD1) un generatore di Dead Time.

I modelli Simulink dei quattro amplificatori sono stati simulati con MATLAB e ottimizzati. Il primo risultato ottenuto è stato che il “δCPWM process”[4], che avevamo implementato per effettuare la predistorsione del segnale PCM, si è rivelato un fallimento se applicato a segnali sovracampionati. Non volendo aumentare

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eccessivamente il costo d’implementazione delle diverse architetture utilizzando tecniche di predistorsione più elaborate, abbiamo deciso non utilizzarne nessuna.

Sono state fatte numerose simulazioni, sia al variare dell’ampiezza del segnale di ingresso (e quindi della potenza disponibile sul carico), che al variare della frequenza.

Con valori di rendimento maggiori del 90% su tutta la banda e un rendimento massimo del 98%, l’amplificatore con PWM tri-state (AD3) si è rivelato essere il più efficiente. Inoltre in assenza del segnale audio di ingresso la “Damped Ternary Modulation” permetteva all’amplificatore di assorbire una potenza praticamente nulla se paragonata alle centinaia di mW degli altri. Anche dal punto di vista della distorsione del segnale di uscita AD3 si è dimostrato molto valido, introducendo (con Pout pari al 70% della massima potenza ottenibile) una THD% minima dello 0.33% alla frequenza di 1 kHz. D’altra parte AD3 è risultato essere molto più sensibile degli altri amplificatori (anche di AD, non reazionato) alle variazioni di alcuni parametri dello stadio di potenza (resistenza di conduzione dei MOSFET, impedenza di uscita del circuito di alimentazione, carico); questo fa supporre ci sia un legame tra l’entità del peggioramento delle prestazioni rilevato in tali occasioni ed il tipo di modulazione utilizzata.

Per quanto riguarda le altre architetture, quella meno efficiente è stata AD1 e questo è sicuramente legato alla mancanza di un generatore di Dead Time che impedisse il cortocircuito dell’alimentazione negli istanti di commutazione dei transistori. Al tempo stesso però AD1 ha dimostrato non solo una grande linearità (introducendo una distorsione minima dello 0.32%), ma anche una bassa sensibilità alle variazioni parametriche dello stadio di potenza.

Sicuramente l’architettura AD si è rivelata essere la peggiore, ma ce l’aspettavamo dato che era priva di reazione e che non godeva dei benefici che ha dimostrato avere la PWM tri-state. L’introduzione di un semplice controllo reazionato su AD (vedi AD2 appunto) ne ha migliorato notevolmente le prestazioni, non abbastanza da raggiungere l’efficienza e la linearità di AD1 e AD3, ma pur sempre di molto se consideriamo la semplicità del metodo di controllo adoperato. A questo proposito sarebbe interessante provare ad introdurre la reazione digitale di AD2 nell’amplificatore tri-state a catena diretta, il quale così sarebbe forse in grado anche di sopportare notevoli variazioni parametriche dello stadio di uscita.

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I risultati della sintesi su FPGA e in tecnologia CMOS hanno confermato quanto ci aspettavamo, ossia che la parte digitale degli amplificatori audio studiati aveva praticamente la stessa complessità indipendentemente dal tipo di modulazione adoperata, a due o tre livelli; inoltre la potenza assorbita era trascurabile se paragonata a quella dissipata nello stadio di amplificazione.

Confrontando le prestazioni complessive delle architetture proposte, la soluzione progettuale migliore sembra essere quella con modulazione tri-state, che oltre ad essere molto efficiente, con uno stadio di potenza di buona qualità è in grado di introdurre un livello di distorsione veramente basso, anche in assenza di un circuito di predistorsione a monte del Noise Shaper. Se teniamo conto poi dei risultati di precedenti studi [2],[3] e supponiamo ragionevolmente che il livello di distorsione armonica del segnale di uscita diminuisca almeno di un fattore 10 con un ottimo cross-point deriver, si riuscirebbe a raggiungere la qualità audio di un amplificatore in classe A o A/B, ma rendimenti di gran lunga maggiori e dimensioni e costi estremamente ridotti, anche grazie al mancato utilizzo di un convertitore D/A e quindi di una tecnologia mista.

Interessanti sviluppi futuri potrebbero essere l’introduzione di una reazione digitale (vedi quella proposta per AD2 ad esempio) nell’architettura tri-state, l’ottimizzazione dei filtri digitali (per sovracampionamento e Noise Shaper) e lo studio di un blocco di predistorsione a basso costo ma efficace anche per segnali sovracampionati.

Progettando in modo opportuno un amplificatore digitale c’è comunque realmente la speranza di riuscire a realizzare un sistema con rendimenti del 98%, in grado di amplificare fino a 60 W introducendo una distorsione dell’ordine di frazioni di decimi percentuale e di dissipare pochissimi mW in assenza di segnale in ingresso.

I risultati di questa tesi e le ottime prestazioni di alcuni amplificatori in commercio sono la dimostrazione del fatto che con la tecnologia digitale oggi a disposizione raggiungere un compromesso tra efficienza ed elevata qualità audio non è più necessario.