Comment fonctionne un amplificateur audio auto ? – L'étage de sortie Class D
En continuant notre exploration du fonctionnement des amplificateurs audio auto, discutons du design le plus populaire aujourd'hui : les amplificateurs à étage de sortie Classe D. Dans les cercles audiophiles, les designs Classe D ont souvent mauvaise réputation. Leurs inconvénients l'emportent-ils sur leurs avantages ? Regardons !
Comment fonctionne un étage de sortie Classe D ?
Une fois l'étage d'entrée ayant géré le traitement du signal, le signal audio passe à l'étage de sortie pour augmenter en tension et permettre aux MOSFETs de fournir le courant nécessaire pour piloter nos enceintes à impédance relativement faible. Dans un ampli Classe D moderne, les MOSFETs de sortie sont pilotés par un driver IC qui gère la conversion du signal analogique en signal à modulation de largeur d'impulsion (PWM).
Qu'est-ce qu'un signal PWM (modulation de largeur d'impulsion) ?
Imaginez une ampoule à incandescence. On la branche sur une source et insère un interrupteur piloté par ordinateur en série. Interrupteur ouvert : lumière éteinte. Fermé : pleine luminosité. Mais si on ouvre/ferme très vite, et que l'interrupteur est ouvert aussi longtemps que fermé, l'ampoule brillera à moitié. Cette variation temps ouvert/fermé s'appelle cycle de travail (duty cycle). Quand temps ouvert = temps fermé, c'est 50% de duty cycle. Utiliser une onde carrée avec différents duty cycles = modulation de largeur d'impulsion (PWM).
Le driver Classe D analyse le signal audio à vitesse extrême (certains 800 kHz) et crée un signal PWM basse tension qui pilote les dispositifs de sortie. Ceux-ci commutent tout ouvert/tout fermé très vite. Comme ils passent peu de temps en état partiellement ouvert, ils présentent très peu de résistance et consomment très peu d'énergie. Les meilleurs amplis Classe D dépassent 92% d'efficacité à pleine puissance. Contraste avec Classe AB qui transforment 35-50% de l'énergie en chaleur.
Les CD utilisent une version PWM où le duty cycle de l'impulsion de sortie est stocké dans un mot numérique 16 bits : 65 536 niveaux d'amplitude possibles. Contrairement aux drivers Classe D modernes, l'audio est échantillonné à 44 100 Hz. Cela reste plus que suffisant pour reproduire tout le spectre audio.
Arrangement de circuit Classe D
Enfin, les amplis Classe D ont généralement leurs dispositifs de sortie en configuration Classe AB : l'un pilote la partie négative de l'onde, l'autre la positive. Ainsi, Classe D décrit comment les dispositifs sont utilisés, pas leur orientation électrique dans le circuit.
Inconvénients des designs Classe D
Si vous avez lu nos articles sur la distorsion, vous savez qu'un signal AC en onde carrée contient beaucoup d'harmoniques haute fréquence. Vous l'avez peut-être entendu chez vous si vous avez un variateur sur certaines lumières : le filament chante parfois selon le niveau. Comme on ne veut renvoyer qu'un signal audio au haut-parleur, les concepteurs ajoutent un réseau de filtre passif à la sortie des MOSFETs. Ce réseau inclut une inductance en série avec la charge, un condensateur et résistance en parallèle, agissant comme filtre passe-bas pour éliminer ce bruit de commutation haute fréquence.
Un inconvénient du design Classe D : ces composants de filtre interagissent avec les variations d'impédance de charge selon la fréquence, modifiant la réponse en fréquence de l'ampli. L'effet est minime, mais peut donner aux amplis Classe D un équilibre tonal différent d'un design AB. Un peu de manipulation avec un DSP (processeur signal numérique) remettra ça d'aplomb vite fait.
Autre problème : toute cette énergie haute fréquence peut créer des interférences électriques avec d'autres systèmes du véhicule. Le plus souvent, la réception radio AM/FM est brouillée ou réduite. Bien que les meilleurs fabricants fassent tout pour atténuer les interférences radiofréquences, des problèmes peuvent survenir — le meilleur plan : garder l'ampli le plus loin possible de l'antenne radio.
Pourquoi vouloir un amplificateur Classe D ?
En bref : les entreprises ont investi dans le développement Classe D pour réduire la taille physique des amplis, supposément pour faciliter le montage par les techniciens. La réalité : les radiateurs sont l'un des composants les plus chers. Si on réduit le radiateur, on réduit le coût. Les amplis 40-50 W/canal avec encombrement > 1 pied carré sont révolus grâce aux designs Classe D modernes. Maintenant, on peut obtenir > 1000 W dans le même espace.
Les amplis Classe D sont une bonne solution pour systèmes subwoofer car ils offrent une efficacité accrue vs Classe AB, et presque tous les fabricants ont au moins une série Classe D. Votre revendeur mobile spécialisé peut vous aider à choisir la solution avec la bonne puissance, nombre de canaux et fonctionnalités pour un super son.