La modulación digital por ancho de pulso (PWM por sus siglas en inglés) utilizada en amplificadores conmutados convierte las muestras de una se˜nal discreta en una señal binaria compuesta por pulsos de ancho variable que posee intrínsecamente altos niveles de distorsión en banda base. En esta tesis se estudian y proponen técnicas de modulación digital de tiempo real que presentan muy baja distorsión incluso cuando se utilizan frecuencias de conmutación de apenas el doble de la máxima frecuencia de la señal moduladora. Se obtiene un modelo discreto no lineal de la modulaci´on PWM que captura en forma precisa el comportamiento de la modulación en banda base, desde frecuencia cero hasta la mitad de la frecuencia de conmutación. El modelo se extiende para modelar también otros fenómenos prácticos como variaciones en la amplitud de los pulsos y corrimientos en los flancos ascendentes y descendentes de la señal PWM. Una serie de simplificaciones permite obtener modelos basados en estructuras tipo Hammerstein generalizadas conformadas por la conexión paralela de potencias y filtros lineales que modelan la din´amica del modulador. Utilizando estos modelos se desarrollan algoritmos digitales que permiten determinar los ciclos de trabajo de la señal PWM a partir de las muestras de la señal de entrada garantizando distorsión nula de la señal PWM en banda base. Un modulador basado en el método iterativo de Newton permite obtener una estructura sencilla capaz de ser implementada en tiempo real en procesadores digitales de señales. Este modulador se extiende para compensar variaciones en las amplitudes de los pulsos. Se presenta también otro método de modulación basado en una estructura de predistorsión adaptiva conocida como arquitectura de aprendizaje indirecto que estima la inversa del modelo de la modulación PWM utilizando un algoritmo de cuadrados mínimos recursivo. Estos métodos de modulación junto con otro método basado en una inversa de Volterra se comparan en diferentes condiciones de operaci´on mediante simulaciones y mediciones experimentales a partir de implementaciones en tiempo real y utilizando procesadores digitales de señales. / Digital pulse width modulation (PWM) used in switched amplifiers converts samples of a discrete-time signal into a binary signal composed of pulses of variable width, introducing high levels of baseband distortion. In this thesis real-time digital PWM modulators having very low distortion even when the switching frequency is just twice the maximum frequency of the modulating signal are presented. A nonlinear discrete-time model capturing in detail the baseband behavior (from zero Hertz to half the switching frequency) of the PWM modulator is developed. The model is extended to model other practical phenomena such as variations in the amplitude of the pulses and shifts in the switching times (rising and falling edges of the PWM signal). A number of simplifications allows to obtain a generalized Hammerstein structure composed of the parallel connection of power and linear filters which models the dynamics of the system. Using this model, modulation algorithms to determine the duty cycle of the PWM signal from the samples of the input signal ensuring zero baseband distortion are developed. A modulator based on the Newton iterative method, enables a simple structure that can be implemented in real time on digital signal processors. This modulator is extended to compensate for variations in the amplitudes of the pulses. Another modulation method based on an structure known as indirect learning architecture that estimates an inverse model of PWM modulator using a recursive least squares algorithm is also presented. These modulation algorithms and another method based on Volterra inverse are compared in different operating conditions through simulations and experimental measurements from a real-time implementation using digital signal processors.

Los amplificadores conmutados han tenido un excelente aaceptación en los últimos años, debido fundamentalmente a la eficiencia energética con la que trabajan. Sin embargo existen aún aplicaciones en las cuales no han logrado el desempeño equivalente al de un amplificador lineal en lo que respecta a distorsión armónica de la señal. Este trabajo trata acerca del desarrollo de un circuito integrado específico para la implementación práctica de un método de compensación aplicable en amplificadores conmutados de potencia, con objeto de disminuir las alinealidades que en ellos se producen durante el proceso de reconstrucción de las señales a repro-ducir, ya sea como parte de un amplificador de audio conmu-tado, un dispositivo de control de velocidad de un motor de inducción, o una aplicación de un sistema de energía inin-terrumpida (UPS). En todos estos casos, el resultado obtenido producto de la aplicación directa del esquema de modulación ideal en la etapa inversora, puede arrojar un resultado insa-tisfactorio, ya sea por no poder calificar como de alta fideli-dad en e caso del amplificador de audio, o bien generar una circulación de corrientes armónicas no deseadas por la carga en los casos restantes. De allí surge la necesidad de contar conun esquema de compensación para aquellas situaciones donde se requiera una alta calidad de reproducción de seña-les. En lo que respecta a la organización del trabajo, se realiza en principio una introducción básica a los amplificado-res conmutados, su principio de funcionamiento y esquemas de modulación típicos, como así también la identificación de los puntos en los cuales se generan las alinealidades que conllevan a la distorsión de la señal reproducida. Luego se abordan diferentes metodologías propuestas por diversos autores con objeto de mejorar esta problemática, haciendo hincapié en aquella técnica adoptada para su implementación en el presente trabajo. Seguidamente se describe la implemen-tación en sí, realizando un profundo análisis en torno al diseño del circuito integrado a medida, que fue construído específica-mente para esta aplicación particular; y por último se exponen los resultados experimentales obtenidos, como así también las conclusiones surgidas a lo largo del desarrollo de esta tarea y futuras mejoras a incorporar. / Switch-mode power amplifiers have been widely used in last years, mainly due to the high efficiency they achieve. Howoever, there are still several applications in which they have not yet reached the equivalent perfomance to a linear amplifier, especially regarding to the harmonic distortion in the output signal. This thesis work is about the development of a custom integrated circuit (IC) to be applied in a practical imp0leentation of a compensatiion method to reduce the harmonic distortion in switch-mode power amplifiers. Distortion of the output signal in this class of amplifiers appears because of nonlinearities in the inverter stage, such as dead time insertion and volta-ge drops in free-wheel diodes and semiconductor switches. Typical applications are class-D audio ampli-fiers, varia-ble frequency drives (VFD), and uninterrupted power supplies (UPS). Commanding the inverter stage according to the classical pulse width modulation (PWM) scheme, may lead to unsatisfactory results, such as low fidelity performance in the audio amplifier example, or harmonic currents presene in the load for the remaining cases. The need for a compensation method is hence mandatory for such applications requering a very high quality ouput signal. Regarding the organi-zation of this book, a basic explana-tion about switch-mode amplifiers firstly introduced. Working principles, modulation schemes, nonlinearities and harmonic distortion sources are also presented in this chapter. Then, diffe-rent compensation methods are deeply analyzed, including a method locally developed that was the one implemented into the custom IC. The next chapter shows the IC design from schematics to layout, and finally the practical implemen-tation es described, as well as measurements and results of laboratory tests. Future further improvements are also presented, together with an annex section where some particular tpics are explained, and source codes are listed.