CONFRONTO TRA MODULAZIONE PWM E SIGMA-DELTA NEGLI AMPLIFICATORI IN CLASSE D

Class D amplifiers currently represent the reference solution for high-efficiency audio amplification, finding application across a wide range of devices, from portable electronics to professional amplification systems, owing to their ability to combine low power losses with high-quality audio performance. In this context, the choice of modulation strategy plays a central role, as it determines the trade-off between efficiency, circuit complexity, and fidelity of the reproduced signal. The present thesis addresses the design and comparison, by means of circuit simulation, of a full-bridge Class D audio amplifier driven according to two distinct modulation strategies: natural double-edge PWM modulation and Sigma-Delta modulation. The power stage, shared between the two configurations, was sized according to well-established circuit design criteria, including the driving of the half-bridges, protection against the shoot-through phenomenon through a suitable dead-time interval, and an output filter devoted to recovering the audio signal from the switching carrier. The definition of the design required an iterative process of verification and refinement of both the circuit and the corresponding simulation measurements, reflecting the inherent complexity of designing a reliable and numerically stable power stage. The core of the investigation concerns the comparison between the two modulation techniques under equivalent operating conditions, defined on the basis of the average switching frequency, in order to isolate the effect of the modulation strategy alone on system performance in terms of efficiency and quality of the reproduced signal. The work thus aims to provide a methodological contribution to the comparison between modulation techniques, offering design and evaluation criteria useful both in a simulation context and in view of a future hardware implementation.

Gli amplificatori in classe D rappresentano oggi la soluzione di riferimento per l'amplificazione audio ad alta efficienza, trovando impiego in un'ampia gamma di applicazioni, dai dispositivi portatili ai sistemi di amplificazione professionale, grazie alla capacità di coniugare basse perdite energetiche con prestazioni audio di qualità. In questo contesto, la scelta della strategia di modulazione riveste un ruolo centrale, poiché determina il compromesso tra efficienza, complessità circuitale e fedeltà del segnale riprodotto. Il presente lavoro di tesi ha per oggetto la progettazione e il confronto, mediante simulazione circuitale, di un amplificatore audio in classe D a ponte intero, pilotato secondo due distinte strategie di modulazione: la modulazione PWM naturale a doppio fronte e la modulazione Sigma-Delta. Lo stadio di potenza, condiviso tra le due configurazioni, è stato dimensionato secondo criteri circuitali consolidati, comprendenti il pilotaggio dei semiponti, la protezione dal fenomeno dello shoot-through mediante un opportuno intervallo di dead-time, e un filtro d'uscita deputato al recupero del segnale audio dalla portante di commutazione. La definizione del progetto ha richiesto un processo di verifica e affinamento iterativo del circuito e delle relative misure in simulazione, a testimonianza della complessità insita nella progettazione di uno stadio di potenza affidabile e numericamente stabile. Il nucleo dell'indagine riguarda il confronto tra le due tecniche di modulazione a parità di condizioni operative, individuate sulla base della frequenza media di commutazione, al fine di isolare l'effetto della sola strategia di modulazione sulle prestazioni del sistema in termini di rendimento e qualità del segnale riprodotto. Il lavoro svolto intende così fornire un contributo metodologico al confronto tra tecniche di modulazione, offrendo criteri di progettazione e di valutazione utili sia in ambito simulativo sia in prospettiva di una futura realizzazione hardware.