Comme nous avons suivi une piste à travers les systèmes Hi-Fi et audio de l’oreille de l’auditeur jusqu’à la source musicale, nous avons atteint l’amplificateur. Dans notre article précédent, nous avons donné une première introduction à la distorsion et à la façon dont certaines caractéristiques de l’amplificateur peuvent l’influencer, et ici nous continuerons sur cette voie et examinerons l’amplificateur lui-même. Quels types de circuits amplificateurs audio rencontrerez-vous, et quels sont leurs avantages et inconvénients relatifs ?

Quelques notions de base sur les amplificateurs

Horowitz et Hill's Transistor Man
Horowitz et Hill’s Transistor Man

Si vous savez quelque chose sur un transistor, c’est probablement qu’il s’agit d’un dispositif à trois bornes dont la broche de sortie fait partie d’un diviseur de potentiel dont l’état dépend de ce qui est présenté à sa broche d’entrée. L’art de l’électronique l’avait comme un dessin animé d’un homme debout à l’intérieur d’un transistor bipolaire et ajustant une résistance variable entre le collecteur et l’émetteur tout en regardant un ampèremètre sur la base.

Correctement polarisé dans sa plage conductrice, un transistor peut se comporter comme un dispositif linéaire, dans lequel la tension du diviseur de potentiel se déplace en réponse à l’entrée dans une relation linéaire, et donc la tension sur la sortie est une version amplifiée de la tension sur la sortie . C’est le plus simple des amplificateurs à transistors, et parce que différents types d’amplificateurs sont désignés par des classes de lettres, il est connu sous le nom d’amplificateur de classe A.

La linéarité de l’amplificateur de classe A en fait un bon choix pour le concepteur audio à la recherche d’une faible distorsion, mais il présente un inconvénient. L’action du diviseur de potentiel signifie qu’il fait toujours passer du courant quel que soit l’état dans lequel il se trouve, ainsi le transistor doit toujours être capable de dissiper cette puissance sous forme de chaleur. Cela donne à l’amplificateur de classe A une inefficacité importante, et donc un amplificateur suffisamment puissant pour alimenter un haut-parleur doit également émettre la même puissance qu’il fournit au haut-parleur, mais sous forme de chaleur. Ainsi, les amplificateurs de puissance de classe A nécessitent un refroidissement supplémentaire de peur qu’ils ne deviennent trop chauds et consomment de l’énergie inutilement. Il existe des amplificateurs de puissance audio de classe A sur le marché, mais ils restent inhabituels.

Avoir son gâteau et le manger : la classe AB

Circuit d'ampli de classe AB
Un amplificateur théorique de classe AB. Les diodes garantissent que les transistors sont dans leur région conductrice de classe A autour du point central. Fvultier, CC BY-SA 4.0.

L’inefficacité de la classe A vient de ses transistors conducteurs en continu, il est tout à fait possible de réduire la polarisation au point où les transistors sont en position off mais ne conduisent que lorsqu’un signal apparaît et les pousse en conduction. Ce type d’amplificateur est appelé amplificateur de classe B et n’amplifie généralement qu’une partie de la forme d’onde entrante. Il résout l’inefficacité de la classe A mais introduit une distorsion importante à sa sortie, c’est pourquoi vous ne le rencontrerez pas sous une forme simple en tant qu’amplificateur audio, sauf peut-être dans certaines radios à tubes très anciennes.

Étant donné qu’un circuit de classe B peut amplifier la moitié du cycle de forme d’onde sans distorsion, une progression évidente consiste à combiner deux d’entre eux ; un pour amplifier la moitié supérieure du cycle et un autre la moitié inférieure. L’idée est que la forme d’onde amplifiée complète peut être reconstruite à partir des deux amplificateurs et produire un résultat efficace et à faible distorsion.

Cela fonctionne dans une certaine mesure, mais un tel circuit conserve encore une certaine distorsion car le point auquel les deux formes d’onde se rencontrent est presque impossible à atteindre sans une sorte de rupture, et ce petit problème est connu sous le nom de distorsion de croisement. La solution à ce problème réside dans une polarisation intelligente, qui fait fonctionner les transistors en classe B sur presque toute leur plage mais leur donne suffisamment de polarisation pour fonctionner en classe A sur son point médian auquel les deux moitiés de l’amplificateur passent de l’un à l’autre. autre. Cet agencement est appelé amplificateur de classe AB, il offre une très faible distorsion aux côtés de l’efficacité énergétique primordiale et constitue la grande majorité des amplificateurs analogiques Hi-Fi.

Vous pourriez vous attendre à ce que nous passions maintenant à la lettre suivante de l’alphabet et décrivions ici l’amplificateur de classe C, mais à la place, la configuration audio finale est un amplificateur de classe D. (Les amplificateurs de classe C sont des amplificateurs à ondes carrées marche-arrêt qui ont un rendement élevé mais une distorsion énorme. Ils ne sont pas bons pour l’audio mais trouvent une utilisation dans les amplificateurs de puissance RF, où les circuits LC filtrent les harmoniques résultantes.)

Un amplificateur audio entièrement numérique : classe D

La plupart des lecteurs de Hackaday seront familiers avec l’idée de la modulation de largeur d’impulsion, l’action de faire varier l’énergie délivrée à une charge en lui envoyant des impulsions avec un rapport variable entre le temps d’activation et le temps d’arrêt. C’est ainsi que de nombreux microcontrôleurs produisent une sortie pseudo-analogique pour le contrôle linéaire de la luminosité des LED ou de la vitesse du moteur, pour ne citer que deux exemples. Étant donné une fréquence de commutation suffisamment élevée, le PWM peut être utilisé pour coder des signaux analogiques à changement rapide tels que l’audio, et ainsi un flux PWM peut être envoyé à un tampon haute puissance pour produire une sortie audio.

Un amplificateur de classe D de base.  Rohitbd, CC BY-SA 3.0.
Un amplificateur de classe D de base. Rohitbd, CC BY-SA 3.0.

Un amplificateur de classe D pratique utilise le PWM de cette manière, avec ses transistors de sortie fonctionnant simplement avec des commutateurs à grande vitesse. Il y a une similitude passagère avec un amplificateur de classe C, mais la différence est que la classe D commute plusieurs fois la fréquence du signal tandis que la classe C fonctionne à sa fréquence de signal. L’amplificateur de classe D produit un train d’impulsions PWM haute puissance, qui est converti en audio haute puissance pour piloter un haut-parleur au moyen d’un réseau de filtres passe-bas. L’avantage d’un amplificateur de classe D est qu’il peut offrir une efficacité extrême, ce qui signifie qu’il peut être construit plus petit et plus léger qu’un circuit linéaire et avec moins de besoin de gestion de la chaleur.

Il existe quelques autres classes d’amplificateurs qui méritent d’être mentionnées, les classes E et F qui sont davantage des amplificateurs RF qui reposent sur des réseaux LC à résonance pulsée avec des impulsions courtes pour dériver une sortie, et les classes G et H qui sont des variantes d’un amplificateur de classe AB. avec un bloc d’alimentation qui varie pour minimiser le courant permanent. Vous pouvez rencontrer des circuits intégrés offrant les classes G et H, mais d’un point de vue audio, ils peuvent être considérés comme des versions simplement plus efficaces d’un amplificateur de classe AB.

Nous avons examiné les topologies de circuits derrière les amplificateurs que vous trouverez dans votre système Hi-Fi, ainsi que dans chaque appareil de production audio que vous possédez. Alors, la question est : qu’est-ce qui est le mieux, la classe A, la classe AB ou la classe D ? La réponse n’est pas toute faite, car les performances d’un amplificateur ne dépendent pas nécessairement de son principe mais de la façon dont son concepteur l’a exécuté. Il est possible de créer des amplificateurs audio dans toutes les topologies ci-dessus qui sont soit vraiment horribles, soit au son exquis, il est donc peut-être préférable de ne pas trop s’y attarder. Un amplificateur de classe A vous donne le droit de vous vanter et garde votre maison au chaud, un amplificateur de classe AB est ce que vous trouverez dans la plupart des séparations Hi-Fi, et un amplificateur de classe D sera plus léger et plus frais. Amplificateurs : là, on l’a réparé !