De nombreux dispositifs embarqués récents comme les téléphones portables, les GPS ou encore les consoles de jeu, possèdent un ou des haut-parleurs, chacun étant piloté par un amplificateur audio sur circuit intégré. De tels amplificateurs audio doivent répondre le mieux possible à quatre contraintes : une qualité audio satisfaisante, une immunité aux perturbations induites par le système, une faible consommation et une surface de silicium minimale. Ce travail de thèse sous contrat CIFRE a pour origine la création de l’entreprise Primachip en mai 2009 par Christian Dufaza et Hassan Ihs. Cette startup a été bâtie sur une architecture innovante d’amplificateur audio de classe D intégré. Son originalité repose sur le principe de rétroaction partielle qui s’applique à une boucle contenant un modulateur numérique Delta Sigma (ΔΣ) qui pilote l’étage de puissance et un convertisseur analogique-numérique (ADC) effectuant la rétroaction. Cela permet d’obtenir la stabilité de cette boucle tout en offrant une excellente réjection des bruits de l’étage de puissance. Un prototype sur silicium de l’architecture d’amplificateur de classe D numérique a été conçu et fabriqué. Un nouvel ADC ΔΣ temps continu a été développé pour ce prototype, afin d’obtenir des performances supérieures ou égales à l’état de l’art. Les résultats obtenus sur le circuit se sont révélés encourageants, bien que toutes les spécifications n’aient pas été atteintes. L’analyse des erreurs de ce premier circuit doit permettre la réalisation d’un amplificateur intégré exploitant au mieux cette architecture de classe D numérique. / Most current embedded devices, such as smartphones, GPS or portable consoles, feature one speaker or more, those speakers being driven by an integrated audio amplifier. This type of amplifier must meet four specifications: an adequate audio quality, to be immune to system disturbances, low power consumption and the smallest silicon area. This work takes its origin from the creation of Primachip in May 2009 by Christian Dufaza and Hassan Ihs. The aim of this startup was to develop and sell an innovative audio class-D amplifier for mobile market: the digital class-D concept. A partnership with the IM2NP laboratory was decided to propose a PhD topic under CIFRE contract (PhD in an industrial environment), in order to study and improve the amplifier architecture. Its originality is in the partial feedback concept which applies to a loop made of a digital ΔΣ modulator driving the power stage, with an analogue-to-digital converter (ADC) in the feedback path. It makes it possible to achieve stability while offering an outstanding power supply rejection. An integrated prototype of the class-D amplifier was designed, fabricated and evaluated. A new continuous-time ΔΣ ADC has been added to enable the digital class-D loop to achieve performances superior or equal to state of the art. The circuit measurement results were encouraging, although not ideal. The analysis of the prototype errors was performed. The conclusions should allow the design of an integrated audio amplifier making the best of the digital class-D architecture.

Tato diplomová práce se zabývá problematikou implementace Hands-Free komunikačních systémů v automobilovém průmyslu. První kapitola je zaměřena na teoretické aspekty zpracování řeči v embedded aplikacích, jako je potlačení šumu, potlačení akustické zpětné vazby a další faktory ovlivňující kvalitu Hands-Free systémů. Druhá kapitola obsahuje návrh kompaktního flexibilního mobilního testovacího zařízení pro bezdrátové komunikační Hands-Free moduly.

The contents of this thesis is design of audio power amplifier in Class D with fully digital control and remote control and is divided into two parts . The first part is devoted to the basic principles and theory of key elements of the entire amplifier. The second part consists of a complete description of the design and construction of a power amplifier, digital control with remote control, a spectrum analyzer, equalizer, preamp VU meters and complete power supply. Each proposal contains a detailed analysis of the solutions supported by simulations and software. For individual parts have been completely measured p arameters.

The thesis describes design and construction of vibration generator driver. The device is controlled via standard Ethernet interface and allows user to change parameters of generated function in PC application which reads and evaluates frequency and amplitude from real-time measured data while the test is running. In the introduction, vibration tests and choice of generators and power amplifiers are described. Next part is focused on every aspect of the hardware design. Last two chapters implement firmware for all three microcontrollers and software for PC application.

The master´s thesis deals with theoretical research and practical application of the principle of spreading acoustic waves through nonlinear medium. The theoretical part describes five different types of amplitude modulation and their mathematic representation, which were verified by the program Matlab. Next, the impedance characteristic of ultrasound PZT transducer was measured and the design of PWM modulator and class D amplifier was described. The practical part of the master´s thesis contains the realization of the parametric loudspeaker assembled from the class D amplifier and the PWM modulator. In conclusion, the designed parametric loudspeaker was measured and the individual types of amplitude modulation were compared with respect to the total harmonic distortion of transmitted useful signal.

La technique de haute intensité ultrasons focalisés (HIFU) est maintenant largement utilisée pour le traitement du cancer, grâce à son avantage non-invasif. Dans un système de HIFU, une matrice de transducteurs à ultrasons est pilotée en phase pour produire un faisceau focalisé d'ultrasons (1M ~ 10 MHz) dans une petite zone de l'emplacement de la cible sur le cancer dans le corps. La plupart des systèmes HIFU sont guidées par imagerie par résonance magnétique (IRM) dans de nos jours. Dans cette étude de doctorat, un amplificateur de puissance de classe D en demi-pont et un système d'accord automatique d'impédance sont proposés. Tous deux circuits proposés sont compatibles avec le système IRM. L'amplificateur de puissance proposé a été réalisé par un circuit imprimé (PCB) avec des composants discrets. Selon les résultats du test, il a rendement de conversion en puissance de 82% pour une puissance de sortie conçue de 1,25W à une fréquence de travail de 3MHz. Le système d'accord automatique d'impédance proposé a été conçu en deux versions: une version en PCB et une version en circuit intégré (IC). Contrairement aux systèmes d'accord automatique proposés dans la littérature, il n'y a pas besoin de l'unité de microcontrôleur (MCU) ou de l'ordinateur dans la conception proposée. D'ailleurs, sans l'aide de composants magnétiques volumineux, ce système d'auto-réglage est entièrement compatible avec l'équipement IRM. La version en PCB a été conçue pour vérifier le principe du système proposé, et il est également utilisé pour guider à la conception du circuit intégré. La réalisation en PCB occupe une surface de 110cm². Les résultats des tests ont confirmé la performance attendue. Le système d'auto-tuning proposé peut parfaitement annuler l'impédance imaginaire du transducteur, et il peut également compenser l'impédance de la dérive causée par les variations inévitables (variation de température, dispersion technique, etc.). La conception du système d'auto-réglage en circuit intégré a été réalisé avec une technologie CMOS (C35B4C3) fournies par Austrian Micro Systems (AMS). La surface occupée par le circuit intégré est seulement de 0,42mm². Le circuit intégré conçu est capable de fonctionner à une large gamme de fréquence tout en conservant une consommation d'énergie très faible (137 mW). D'après les résultats de la simulation, le rendement de puissance de ce circuit peut être amélioré jusqu'à 20% comparant à celui utilisant le réseau d'accord statique. / High intensity focused ultrasound (HIFU) technology is now broadly used for cancer treatment, thanks to its non-invasive property. In a HIFU system, a phased array of ultrasonic transducers is utilized to generate a focused beam of ultrasound (1M~10MHz) into a small area of the cancer target within the body. Most HIFU systems are guided by magnetic resonance imaging (MRI) in nowadays. In this PhD study, a half-bridge class D power amplifier and an automatic impedance tuning system are proposed. Both the class D power amplifier and the auto-tuning system are compatible with MRI system. The proposed power amplifier is implemented by a printed circuit board (PCB) circuit with discrete components. According to the test results, it has a power efficiency of 82% designed for an output power of 3W at 1.25 MHz working frequency. The proposed automatic impedance tuning system has been designed in two versions: a PCB version and an integrated circuit (IC) version. Unlike the typical auto-impedance tuning networks, there is no need of microprogrammed control unit (MCU) or computer in the proposed design. Besides, without using bulky magnetic components, this auto-tuning system is completely compatible with MRI equipment. The PCB version was designed to verify the principle of the proposed automatic impedance tuning system, and it is also used to help the design of the integrated circuit. The PCB realization occupies a surface of 110cm². The test results confirmed the expected performance. The proposed auto-tuning system can perfectly cancel the imaginary impedance of the transducer, and it can also compensate the impedance drifting caused by unavoidable variations (temperature variation, technical dispersion, etc.). The IC design of the auto-tuning system is realized in a CMOS process (C35B4C3) provided by Austrian Micro Systems (AMS). The die area of the integrated circuit is only 0.42mm². This circuit design can provide a wide working frequency range while keeping a very low power consumption (137 mW). According to the simulation results, the power efficiency can be improved can up to 20% by using this auto-tuning circuit compared with that using the static tuning network.

I denna rapport utreds vilka komponenter en bärbar trådlös Bluetooth-högtalarebestår av och de designparametrar som en presumtiv konstruktör bör ta hänsyntill. Egenskaperna hos sex på marknaden förekommande högtalarmodeller och dekonstruktionslösningar som används i dessa undersöktes. Designparametrarnaanalyserades för att utreda om och i sådana fall hur dessa gick att förbättra. Simuleringarav högtalarprototyper utfördes och prototyper av högtalare och förstärkardelbyggdes. Mätningar gjordes för att kunna jämföra och kontrollera prototypernasljudmässiga resultat. Ytterligare mätningar av musikstycken gjordes för att utredahur RMS-värdet i musik påverkar effektbehovet i förstärkare rent allmänt ochi aktivt delade system. I slutet av rapporten ges rekommendationer för hur en bärbarBluetooth-högtalare bör byggas tillsammans med förslag på alternativ teknologiatt undersöka för implementering i framtida Bluetooth-högtalare. / This report investigates which components a portable wireless Bluetooth speakerconsists of and the design parameters a prospective designer should take into consideration.The characteristics of six commercially available speaker models andthe design solutions used in these were examined. The design parameters wereanalyzed to investigate if and how these could be improved upon. Simulations ofspeaker prototypes were done and prototypes of speakers and an amplifier werebuilt. Measurements were made to be able to compare and verify the audio performanceof the prototypes. Moreover, measurements of music were made to investigatehow the RMS-value of music impacts the power of an amplifier in general andin active systems in particular. Design recommendations on how to build a Bluetoothspeaker are given in the end of the report together with suggestions on alternatetechnologies to look into for implementation in future Bluetooth speakers.

This paper explores the noise shaping and noise producing qualities of Delta-Sigma Modulators (DSM) and Pulse-Width Modulators (PWM). DSM has long been dominant in the Delta Sigma Analog-to-Digital Converter (DSADC) as a noise-shaped quantizer and time discretizer, while PWM, with a similar self oscillating structure, has seen use in Class D Power Amplifiers, performing a similar function. It has been shown that the PWM in Class D Amplifiers outperforms the DSM [1], but could this advantage be used in DSADC use-cases? LTSpice simulation and printed circuit board implementation and test are used to present data on four variations of these modulators: The DSM, PWM, the out-of-loop discretized PWM (OOLDP), and the cascaded modulator. A generic form of an Nth order loop filter is presented, where three orders of this generic topology are analyzed in simulation for each modulator, and two orders are used in physical testing.

No description available.

L'intégration de nombreuses fonctions complexes dans les systèmes embarqués, tels que les téléphones portables, conduit à optimiser la consommation d'énergie pour maintenir l'autonomie de fonctionnement. Concernant la chaine de reproduction sonore, la consommation a été réduite par l'utilisation d'amplificateurs de classe D analogique, mais la nature numérique de la source audio impose encore un convertisseur numérique analogique en amont. La forte consommation de ce CAN et la qualité de reproduction sonore de l'amplificateur sont actuellement les principales limitations de cette approche. Ce travail de recherche, réalisé en quatre phases, a donc pour objectifs d'apporter des améliorations et de proposer de nouvelles architectures pour réduire ces limitations. Concernant l'amplificateur de classe D analogique, une boucle d'asservissement analogique basée sur un modulateur auto-oscillant à hystérésis a été développée pour réduire la consommation et augmenter sa qualité de reproduction. Cette étude a été validée par la réalisation d'un circuit en technologie CMOS 130 nm. La possibilité de piloter l'amplificateur de classe D directement par un signal de commande numérique a ensuite été envisagée. Le train d'impulsions nécessaire à la commande de l'étage de puissance est obtenu par modulation numérique de la source audio. L'utilisation en boucle ouverte de l'étage de puissance ne permet néanmoins pas d'obtenir un signal audio de sortie insensible aux variations de l'alimentation. Un asservissement analogique local autour de l'étage de puissance est donc nécessaire. La réalisation en technologie CMOS 130 nm de cette architecture a permis la validation des études effectuées (fonctionnement, stabilité, bande passante, modélisations des éléments non linéaires,...). / The integration of many complex functions in embedded systems such as mobile phones, led to optimize energy consumption to maintain operational autonomy. Concerning the chain of sound reproduction, consumption was reduced by the use of analog Class D amplifiers, but the nature of the digital audio source requires a digital to analog converter further upstream. The high consumption of the ADC and the quality of sound reproduction of the amplifier are currently the main limitations of this approach. This research, conducted in four phases, thus aims to make improvements and propose new architectures to reduce these limitations. Regarding the Class D amplifier analog control loop an analog modulator based on a self-oscillating hysteresis has been developed to reduce consumption and increase its quality of reproduction. This study was validated by the realization of a circuit in CMOS 130 nm. The ability to control the class D amplifier directly from a digital control signal was then considered. The train of pulses needed to control the power stage is obtained by digital modulation of the audio source. The use of open-loop output stage, however, does not produce an audio signal output insensitive to variations in the diet. A local analog servo around the power stage is required. Realization in CMOS 130 nm of this architecture has allowed the validation studies (operation, stability, bandwidth, modeling non-linear elements ,...). The interface between the digital modulator and the analog part is very sensitive to disturbance. A digital control overall Class D amplifier with digital control has been studied to control the interface. A prototype of this control is in progress.