Two kinds of low distortion switching power amplifiers are presented in this thesis. In the first power amplifier, we use feedback and low voltage low power circuits to improve the distortion and power efficiency. In the second power amplifier, we use ring oscillator and Noise shaping to construct the circuit and filters are added in the feedback loop to reduce the quantization noise. HSPICE simulations and experimental results verify the proposed circuits. Experimental results show that the THDs of both circuits are all lower than 0.27% at 1.5V supply voltage. This result shows that the proposed power amplifiers have superior performance in THD, and these circuits are applicable to low-distortion, high-efficiency, and low-voltage applications, such as the hearing instruments.

Operational Transconductance Amplifiers (OTAs) with high linearity and wide input range characteristics have become a focus of interest for analog continuous-time circuits. In this research, we intend to develop a low distortion, wide swing CMOS OTA. The supply voltage is 5V. Simulation results show that the OTA is linear, tunable and wide swing. The transconductance can be tuned from 23£gA/V to 37£gA/V. When a 3VPP input signal with 1MHz is applied, THD of the OTA is 51dB. The OTA is used to realize a 1-MHz 7th-order Butterworth lowpass filter. When a 1VPP input signal with 100KHz is applied, THD of the lowpass filter is 50dB. All the circuits are designed based on the UMC 0.5£gm 2p2m CMOS process technology.

En esta Tesis se estudian las etapas que componen un amplificador de audio conmutado o clase D. El enfoque abarca desde el acondicionamiento y procesamiento digital de la señal hasta el transductor pasando por la etapa de potencia. La investigacion se centra en el analisis y/o compensación de la distorsión generada en las diferentes etapas que atra-viesa la señal. El desarrollo es teórico-práctico. Varios esque-mas de modulación por ancho de pulso son estudiados en el dominio frecuencial. Se analiza además el efecto de los tiempos muertos necesarios entre el encendido y el apagado de los semiconductores de potencia en el contenido espectral de la señal. Se muestra que establecen un límite en la distor-sión que no puede reducirse incrementando la frecuencia de la portadora, o cambiando la técnica de modulación. Se estudian e implementan una serie de algoritmos de procesamiento digital de señales para la reducción de la distorsion generada por la modulación y por la etapa digital debido a la utilización de un procesador de punto fijo. Se ensayan técnicas de sobremues-treo, decimación, interpolación, moldeo del ruido de cuantiza-ción y esquemas de modulación digital por ancho de pulso, y se reportan resultados experimentales medidos con un anali-zador dinámico de espectros. Estas herramientas se aplican en el diseno de un amplificador conmutado a lazo cerrado que mantenga una presión acústica constante en un determi-nado rango de frecuencias. Se discuten distintos modelos del parlante que vinculan las variables acústicas con las eléctricas, y se diseña el lazo de realimentación lineal discreto tomando como variable de salida la aceleración del cono del parlante. / In this thesis a study of the stages comprising a class D or switching amplifier is made. The approach ranges from the signal conditioning and digital signal processing stages up to the transducer, also covering the power stage. The research focuses on the analysis and compensation of the distortion generated in the different stages through which the signal passes. The development is theoretical/practical. Various pulse width modulation (PWM) schemes are studied in the frequency domain. The effects on the spectral content of the PWM signal with dead times, necessary between the on and off states of the power semiconductor devices, are analysed. A bound in the total harmonic distortion, that cannot be reduced by increasing the carrier frequency or changing the modulation technique, is shown. Some digital signal processing algorithms for the reduction of distortion, generated by the modulation and the digital stage due to the use of a fixed point processor, are studied. Oversampling, decimation, inter-polation, cuantization noise shaping and digital pulse width modulation schemes are investigated and experimental results obtained with a dynamic signal analizer are reported. These tools are applied to the design of a closed loop switching amplifier that holds the acoustic pressure constant in a determined frequency range. Different models of the louds-peaker which link the electric and acoustic variables are discussed. Finally a linear, digital control, feedback loop that uses the acceleration of the speaker cone as ouput is designed.

Dans cette thèse, les recherches ont été menées à des niveaux d'abstraction différents pour optimiser le fonctionnement du modulateur ΣΔ passe-haut (PH). Une approche « top-down » est adoptée pour atteindre cet objectif. Au niveau de l'architecture du récepteur RF, le nouvellement créé récepteur Fs/2 est sélectionné pour sa grande compatibilité avec modulateur ΣΔ PH comparé aux architectures de réception: zéro-IF et faible-IF. Après avoir défini la topologie du récepteur, l'architecture du modulateur ΣΔ est adressée. Nous proposons une nouvelle architecture du deuxième ordre dont la fonction de transfert du signal est unitaire. Elle est plus avantageuse que d'autres topologies en termes de complexité et de performance. Puisque le modulateur de second ordre est incapable de fournir les performances requises, les structures en cascade ou MASH pour l'opération PH sont explorées. La topologie GMSCL (Generalized Multi-Stage Closed Loop) est choisie et une technique récemment proposée est appliquée pour linéariser le CNA de retour. En plus, cette technique augmente la plage dynamique du convertisseur. Ensuite, après une analyse comparative approfondie, le meilleur filtre HP est choisie pour ce modulateur. Il a les avantages d'avoir une basse consommation, une superficie réduite et un bruit moins important. Enfin, l'architecture GMSCL PH proposée est validée en CMOS 65nm. Les applications visées sont l'UMTS avec 3.84MHz bande de conversion à 80 dB de la plage dynamique et WiMAX avec 25MHz de bande passante à 52dB de dynamique.

This thesis demonstrates that the composite cascode differential stage, operating in the subthreshold region, can form the basis of a high gain (113 dB) and low-power op amp (28.1 µW). The circuit can be fabricated without adding a compensation capacitance. The advantages of this architecture include high voltage gain, low bandwidth, low harmonic distortion, low quiescent current and power, and small chip area. These advantages suggest that this design might be well-suited for biomedical applications where low power, low noise bio-signal amplifiers capable of amplifying signals in the millihertz-to-kilohertz range is required.

No description available.