Study and design of a digital audio class D amplifier

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