Comment fonctionne un amplificateur audio de voiture ? – L'étage de sortie de classe D
Alors que nous poursuivons notre examen du fonctionnement des amplificateurs audio de voiture, nous devons discuter de ce qui est devenu la conception la plus populaire sur le marché aujourd'hui :les amplificateurs qui utilisent un étage de sortie de classe D. Dans les domaines audiophiles, les conceptions de classe D ont souvent une réputation défavorable. Leurs inconvénients l'emportent-ils sur leurs avantages ? Jetons un coup d'œil !
Comment fonctionne un étage de sortie de classe D ?
Une fois que l'étage d'entrée a traité tous les besoins de traitement du signal, le signal audio est transmis à l'étage de sortie afin qu'il augmente en tension et les MOSFET peuvent fournir des quantités adéquates de courant pour piloter nos haut-parleurs à relativement faible impédance. Dans un ampli de classe D moderne, les périphériques de sortie MOSFET sont alimentés par un circuit intégré de commande qui gère la conversion du signal analogique en un signal modulé en largeur d'impulsion.
Qu'est-ce qu'un signal modulé en largeur d'impulsion ?
Imaginez, si vous voulez, une ampoule à incandescence. Nous branchons l'ampoule à une source d'alimentation et insérons un interrupteur commandé par ordinateur en série avec le circuit. Si nous laissons l'interrupteur éteint, la lumière reste éteinte. Si nous allumons l'interrupteur, la lumière s'allume à pleine luminosité. Cependant, si nous allumons et éteignons l'interrupteur très rapidement et que l'interrupteur reste allumé aussi longtemps qu'il est éteint, l'ampoule brillera à la moitié de sa luminosité possible. Cette variation du temps d'activation par rapport au temps d'arrêt est appelée rapport cyclique. Lorsque le temps marche/arrêt est égal, c'est un cycle de service de 50 %. L'utilisation d'un signal d'onde carrée avec différents rapports cycliques est appelée modulation de largeur d'impulsion (ou PWM en abrégé).
Le pilote de classe D analyse le signal audio à des vitesses extrêmement élevées (certaines aussi rapides que 800 kHz) et crée un signal PWM à tension relativement basse qui alimente les périphériques de sortie. Les périphériques de sortie s'allument et s'éteignent très rapidement. Parce que les appareils passent très peu de temps dans un état partiellement allumé, ils présentent très peu de résistance et, par conséquent, consomment très peu d'énergie. Les meilleurs amplificateurs de classe D du marché offrent des rendements globaux supérieurs à 92 % à pleine puissance. Cette excellente efficacité contraste avec les amplificateurs de classe AB qui transforment entre 35 % et 50 % de l'énergie injectée dans l'ampli en chaleur.
Les disques compacts utilisent une version de PWM où le rapport cyclique de l'impulsion de sortie est stocké dans un mot numérique de 16 bits. Cela nous donne 65 536 niveaux d'amplitude possibles. Contrairement aux pilotes de classe D modernes, notre audio est stocké à 44 100 échantillons par seconde. C'est encore plus que suffisant pour reproduire l'intégralité du spectre audio.
Disposition de circuit de classe D
Enfin, les amplificateurs de classe D ont généralement leurs dispositifs de sortie disposés dans une configuration de classe AB, où un dispositif pilote la partie négative de la forme d'onde et l'autre pilote la partie positive. En tant que telle, la classe D décrit la manière dont les périphériques de sortie sont utilisés, plutôt que leur orientation électrique dans le circuit.
Inconvénients des conceptions d'amplificateurs de classe D
Si vous avez lu les articles de BestCarAudio.com sur la distorsion, vous savez qu'un signal AC à onde carrée est composé de un grand nombre d'harmoniques à haute fréquence. Vous avez probablement entendu ce phénomène dans votre maison si vous avez un gradateur sur certaines lumières. Le filament des lumières sonnera occasionnellement, selon le niveau du gradateur. Étant donné que nous voulons uniquement renvoyer un signal audio au haut-parleur, les concepteurs d'amplificateurs ajoutent un réseau de filtres passifs à la sortie des MOSFET. Ce réseau comprend une inductance en série avec la charge ainsi qu'un condensateur et une résistance en parallèle et agit comme un filtre passe-bas pour éliminer ce bruit de commutation à haute fréquence.
One drawback of a Class D design is that these output filter components interact with the frequency-dependent variations in load impedance to alter the frequency response of the amplifier. While the effect is minute, it can give Class D amps a different overall tonal balance than you’d get from an AB design. Of course, a little manipulation with a digital signal processor (DSP) will get that back in check in a jiffy.
Another issue with all this high-frequency energy is the potential for electrical interference with other systems in the vehicle. Most commonly, AM or FM radio reception can be washed out or dramatically reduced. While the better amplifier manufacturers do everything possible to mitigate radio-frequency interference, problems can still occur — the best plan to keep the amplifier as far away as possible from the radio antenna.
Why Would You Want a Class D Amplifier?
The long and the short of it is that companies have invested in developing Class D amplifiers in an effort to shrink the physical size requirements of amplifiers, supposedly to make it easier for installation technicians to find mounting locations for them. The reality is, heatsinks for amplifiers are one of the more expensive single components in an amplifier. If the size of the heatsink can be reduced, so can the cost of the amplifier. The days of 40- and 50-watts-per-channel stereo amps with a footprint of more than a square foot are long gone, thanks to modern Class D designs. Now, you can get more than 1,000 watts of power from that same physical space.
Class D amplifiers are a good solution for subwoofer systems because they do offer increased efficiency over their Class AB counterparts, and almost all amplifier manufacturers have at least one series of Class D amplifier in their catalog. Your local specialist mobile enhancement retailer can help you choose a solution with the right power level, number of channels and features to make your car stereo sound great.