Simplifier la conception de circuits audio portables basse consommation grâce aux amplificateurs de classe D améliorés

Par Art Pini

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Cet article explique la différence entre les divers types d'amplificateurs audio, détaille la théorie de fonctionnement des amplificateurs de classe D et illustre la manière dont ils augmentent le rendement tout en réduisant les exigences de puissance et la taille.

Les circuits audio pour les combinés et les dispositifs IoT portables exigent des caractéristiques vitales de basse consommation, de format compact et de faible dissipation de chaleur. Cependant, les amplificateurs audio sont souvent des générateurs de chaleur inefficaces qui nécessitent des dissipateurs thermiques encombrants. Les amplificateurs de classe D, ou amplificateurs numériques, constituent une bonne solution pour réduire la taille et les exigences de puissance.

Ce que l'alimentation à découpage a apporté aux sources d'alimentation, l'amplificateur de classe D l'apporte à la lecture audio. Avec les amplificateurs de classe D, les entrées audio sont codées sous forme de signaux PWM (à modulation de largeur d'impulsion) qui permettent d'activer et de désactiver les dispositifs électriques, la puissance n'étant dissipée que lors des transitions.

Ces amplificateurs « numériques » augmentent considérablement le rendement des amplificateurs audio, pour une dissipation thermique et une taille physique réduites. En outre, de récents développements ont permis de modifier les schémas de modulation pour éviter d'avoir à utiliser des filtres passe-bas au niveau des sorties, pour une plus grande réduction de la taille et de la complexité.

Amplificateurs de puissance analogiques

Le développement des amplificateurs de puissance analogiques s'est concentré sur l'amélioration de la fidélité, mais aussi sur l'amélioration du rendement de l'amplificateur. Les amplificateurs sont classifiés par les lettres A, B, AB ou C, selon leur point de fonctionnement ou de polarisation et le pourcentage du cycle de signal d'entrée au cours duquel ils effectuent une conduction (Figure 1).

Schéma de la polarisation de fonctionnement et de la conduction du signal des amplificateurs analogiques de classe A, B, AB et C

Figure 1 : Polarisation de fonctionnement et conduction du signal des amplificateurs analogiques de classe A, B, AB et C. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Les amplificateurs de classe A (en haut à gauche) conduisent le signal pendant tout le cycle du signal d'entrée. Ils sont polarisés au point médian des caractéristiques de fonctionnement entrée/sortie. La fidélité du signal est excellente, mais étant donné que l'amplificateur est toujours actif, même en l'absence de signal d'entrée, le rendement a tendance à être faible.

Les amplificateurs de classe B (en bas à gauche) visent à améliorer le rendement en étant polarisés lors de la coupure. Ils conduisent le signal pendant la moitié du cycle d'entrée seulement. Normalement, le circuit présente une topologie de type push-pull afin d'amplifier à la fois les transitions d'entrée positives et négatives. En l'absence de signal, l'amplificateur n'effectue aucune conduction, ce qui permet de renforcer son rendement. Cet avantage est contrebalancé par une perte de fidélité due à la distorsion de raccordement qui peut survenir aux points de transition de la polarité d'entrée.

Ce problème de distorsion de raccordement peut se régler en remontant légèrement le point de polarisation de l'amplificateur. On obtient ainsi un amplificateur de classe AB (en haut à droite). En général, ce type d'amplificateur est également utilisé dans une configuration push-pull. L'amplificateur de classe AB est le plus fréquemment utilisé dans les applications audio.

L'amplificateur de classe C (en bas à droite) est conçu pour conduire le signal pendant une toute petite partie du cycle d'entrée. Il offre un très haut rendement, mais sa fidélité est médiocre. Ce type d'amplificateur est utilisé dans les conceptions RF où la charge de sortie est un circuit résonant qui récupère la forme d'onde correcte.

Les stratégies visant à améliorer le rendement de ces amplificateurs analogiques se concentrent sur la réduction de la phase de conduction de l'amplificateur pour qu'elle dure le moins longtemps possible, comme illustré avec l'amplificateur de classe C.

Notions de base sur la classe D

L'amplificateur de classe D adopte une approche différente : il fonctionne plutôt comme une alimentation à découpage (Figure 2).

Schéma d'un amplificateur de classe D qui convertit l'entrée analogique en forme d'onde PWM

Figure 2 : Un amplificateur de classe D convertit l'entrée analogique en forme d'onde PWM pour activer ou désactiver complètement des commutateurs FET. Le filtre passe-bas de sortie récupère la forme d'onde analogique au niveau du haut-parleur. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

L'amplificateur de classe D convertit le signal analogique d'entrée en forme d'onde à modulation de largeur d'impulsion (PWM). La forme d'onde PWM active ou désactive complètement l'étage de sortie du FET push-pull à chaque impulsion. Lorsqu'un FET est actif, le courant qui le traverse est élevé, mais la tension qui le traverse est très basse. La puissance est donc dissipée uniquement lors des courtes transitions entre les états activés et désactivés. De même, lorsqu'un FET est inactif, la tension qui le traverse est élevée, mais le courant qui le traverse est presque nul. Encore une fois, il existe une dissipation de puissance uniquement lors des transitions d'état.

La conversion de la forme d'onde analogique en forme d'onde PWM se fait en appliquant la forme d'onde analogique à l'une des entrées d'un comparateur tandis qu'une forme d'onde triangulaire ou en dent de scie, à la fréquence de commutation souhaitée, est appliquée à l'autre entrée (Figure 3). La trace du haut représente la forme d'onde d'entrée, ici une onde sinusoïdale de 10 kHz, appliquée à l'une des entrées d'un comparateur. La trace du milieu est une onde triangulaire de 250 kHz qui est appliquée à l'autre entrée du comparateur. La sortie du comparateur est la forme d'onde PWM représentée par la trace du bas. La largeur d'impulsion varie en fonction de l'amplitude du signal d'entrée.

Image de la création d'un signal PWM à partir de l'entrée analogique grâce au signal d'entrée et à une fonction triangulaire ou en dent de scie

Figure 3 : La création d'un signal PWM à partir de l'entrée analogique nécessite le signal d'entrée (en haut) et une fonction triangulaire ou en dent de scie (au milieu) Les deux sont ensuite appliqués aux entrées d'un comparateur pour produire un signal PWM avec des largeurs d'impulsion qui varient en fonction de l'amplitude du signal d'entrée (en bas). (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La sortie de l'étage de puissance push-pull du FET est également un signal PWM. Il est appliqué à un simple filtre passe-bas inductance/condensateur (L-C) pour récupérer la forme d'onde analogique amplifiée. La fréquence de l'onde triangulaire doit être beaucoup plus élevée que la fréquence de coude du filtre passe-bas.

À la place de la technologie PWM, on peut également utiliser la modulation d'impulsion-densité (PDM). La modulation PDM utilise une série d'impulsions rectangulaires courtes, dont la densité varie en fonction de l'amplitude de l'entrée analogique. Ces impulsions sont générées grâce à une modulation Sigma-Delta.

Le gain d'un amplificateur de classe D est sensible aux tensions de bus. Même s'il présente un faible taux de réjection de l'alimentation, il est corrigé grâce à l'utilisation d'une contre-réaction au niveau de l'amplificateur. Ce mode de fonctionnement est illustré dans le schéma fonctionnel de la Figure 2, où une contre-réaction est dérivée de l'entrée du filtre.

L'avantage clé d'un amplificateur de classe D est son très haut rendement, qui s'élève à environ 90 %. C'est beaucoup mieux que son plus proche rival analogique, l'amplificateur de classe AB, qui offre un rendement de 50 à 70 %.

Ce haut rendement permet une taille physique plus petite, voire l'élimination des dissipateurs thermiques et des ventilateurs. En ce qui concerne les dispositifs portables, un plus haut rendement se traduit par une durée de vie batterie plus étendue. Le rendement varie directement en fonction des niveaux de puissance de sortie et diminue avec la réduction de la puissance.

Topologies des amplificateurs de classe D

Deux topologies sont généralement utilisées pour les amplificateurs de classe D. La plus simple est le circuit en demi-pont illustré à la Figure 4.

Schéma de deux topologies fréquemment utilisées pour les amplificateurs de classe D (configuration en demi-pont et pont complet)

Figure 4 : Les deux topologies fréquemment utilisées pour les amplificateurs de classe D sont la configuration en demi-pont et la configuration en pont complet. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La topologie en pont complet, connue sous le nom de BTL, offre une puissance de sortie plus élevée pour les mêmes tensions d'alimentation que la configuration en demi-pont. Avec le demi-pont, l'entrée du filtre oscille entre les rails d'alimentation positifs ou négatifs, tandis que le circuit BTL permet d'appliquer la charge entre les rails positifs et négatifs tout en doublant la tension appliquée à la charge, ce qui multiplie par quatre la sortie de puissance. Le fonctionnement BTL permet également d'utiliser une seule alimentation unipolaire.

Amplificateurs de classe D sans filtre

Avec le système de commutation traditionnel de classe D, appelé modulation AD, le rapport cyclique module la forme d'onde rectangulaire de manière à ce que sa valeur moyenne corresponde à la tension du signal analogique d'entrée. Les sorties BTL se complètent. Il n'y a pas de contenu significatif de commutation de mode commun dans la sortie. Toutefois, il existe une tension CC de mode commun en raison de la valeur moyenne de la commutation PWM. Étant donné que ce niveau de tension CC est appliqué de chaque côté de la charge, cela n'entraîne aucune dissipation de puissance supplémentaire.

En l'absence d'entrée, l'amplificateur commute à sa fréquence PWM nominale avec un rapport cyclique de 50 % appliqué à la charge. Cela entraîne une circulation de courant et une dissipation de puissance considérables au niveau de la charge. Le filtre L-C est nécessaire pour réduire le courant à une simple « ondulation » et ainsi renforcer le rendement. Plus ce courant ondulé est faible, plus le rendement est élevé, grâce à la réduction de la dissipation au niveau de la charge et à la réduction des pertes de conduction RDS(on) au niveau des FET de sortie.

Un autre schéma de modulation, souvent appelé modulation BD ou sans filtre, utilise un système de commutation qui module le rapport cyclique de la différence des signaux de sortie pour que sa valeur moyenne corresponde au signal analogique d'entrée. En cas d'inactivité, les sorties BTL sont en phase, elles ne se complètent plus. Ainsi, il n'y a aucune différence de tension au niveau de la charge, ce qui réduit la consommation au repos sans avoir à utiliser un filtre. La modulation BD présente une grande part de contenu de monde commun dans sa sortie. Pour récupérer le signal audio, ce schéma de modulation dépend de l'inductance intrinsèque du haut-parleur et de la caractéristique de filtre passe-bande de l'oreille humaine.

Circuits intégrés d'amplificateur de classe D

Le TPA3116D2DADR de Texas Instruments est un amplificateur stéréo de classe D qui offre un rendement > 90 % et prend en charge plusieurs configurations de puissance de sortie, y compris 2 canaux à 50 W dans une charge BTL de 4 Ω à 21 V. D'autres modèles de la gamme prennent en charge 2 canaux à 30 W dans une charge de 8 Ω à 24 V, et 2 canaux à 15 W dans une charge de 8 Ω à 15 V. Seul le dispositif à la puissance la plus élevée nécessite un dissipateur thermique.

Ces dispositifs prennent en charge des fréquences de commutation jusqu'à 1,2 MHz avec évitement AM pour empêcher toute interférence. Une commande d'entrée unique permet de choisir des schémas de modulation AD ou BD. Ils incluent des circuits intégrés d'autoprotection, notamment pour la protection contre la surtension, la sous-tension, la surchauffe, la détection CC et les courts-circuits avec génération de rapports d'erreurs. Vous trouverez ci-dessous une configuration typique utilisant l'outil de simulation TINA-TI de TI (Figure 5).

Image de la simulation pour l'amplificateur stéréo de classe D TPA3116D2DADR de Texas Instruments (cliquez pour agrandir)

Figure 5 : Simulation pour l'amplificateur stéréo de classe D TPA3116D2DADR de TI montrant les formes d'ondes de sortie brute (VM3) et filtrée (VM1) pour la modulation BD. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Le circuit utilise une seule alimentation de 12 V et présente un niveau de puissance de sortie de 12,5 W dans 4 Ω. L'oscilloscope virtuel indique la sortie numérique brute (VM3) et la sortie filtrée (VM1).

Le TPA3126D2DAD de Texas Instruments constitue une mise à niveau des performances de la série TPA3116D2. Le dispositif présente un brochage compatible avec l'ancien circuit intégré et offre une amélioration majeure qui réduit le courant de repos de 70 % grâce à un schéma de modulation hybride exclusif. Ce schéma réduit le courant de repos à de faibles niveaux de puissance afin de prolonger l'autonomie de la batterie.

Un fonctionnement basse consommation nécessite une conception plus minutieuse des amplificateurs de classe D. Comme indiqué précédemment, le rendement est proportionnel au niveau de puissance, et de faibles niveaux de puissance entraînent généralement une réduction du rendement Le TPA2001D2PWPR de Texas Instruments est un amplificateur stéréo de classe D de 1 W par canal. Il s'agit de la troisième génération de conception de classe D. Il présente un courant d'alimentation plus faible, un seuil de bruit plus bas et un rendement amélioré. Conçu autour du schéma de modulation sans filtre de classe D, il ne nécessite pas de filtre de sortie, ce qui permet au concepteur de faire des économies sur certaines pièces et de gagner de l'espace sur la carte. Il peut délivrer plus de 1 W par canal dans 8 Ω avec une alimentation de 5 V.

Une conception de référence est disponible en tant que carte d'évaluation, TPA2001D2EVM, pour créer un amplificateur audio de classe D plug-and-play (Figure 6).

Schéma d'un amplificateur stéréo de 1 W par canal basé sur l'amplificateur de classe D TPA2001D2

Figure 6 : Amplificateur stéréo de 1 W par canal basé sur l'amplificateur de classe D TPA2001D2. (Source de l'image : Texas Instruments)

L'amplificateur, qui utilise la topologie BTL, est fondamentalement autonome et ne nécessite que quelques composants externes.

Conclusion

Les amplificateurs de classe D offrent de faibles pertes et un très haut rendement dans un boîtier compact pour les conceptions portables et alimentées par batterie. Les circuits intégrés prêts à l'emploi permettent d'utiliser ces amplificateurs rapidement et facilement, tandis que de récentes avancées ont réduit le recours à des filtres, pour des amplificateurs moins chers et plus compacts.

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À propos de l'auteur

Art Pini

Arthur (Art) Pini est un auteur-collaborateur chez Digi-Key Electronics. Il est titulaire d'une licence en génie électrique du City College of New York et d'un master en génie électrique de la City University of New York. Il affiche plus de 50 ans d'expérience en électronique et a occupé des postes clés en ingénierie et en marketing chez Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek et Nicolet Scientific. Il s'intéresse aux technologies de mesure et possède une vaste expérience des oscilloscopes, des analyseurs de spectre, des générateurs de formes d'ondes arbitraires, des numériseurs et des wattmètres.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key