Classes d'amplificateurs: Comprendre les amplis Classe AB et Classe D
Les amplificateurs ont un travail très difficile. Ils doivent prendre un signal de très basse tension et l'augmenter en amplitude pour qu'il puisse piloter un haut-parleur. Dans cette transformation, nous attendons que le signal reste pur – pas de distorsion ni de bruit ajouté. Nous voulons aussi des quantités significatives de puissance pour piloter nos haut-parleurs, même si nous n'alimentons nos amplificateurs qu'avec un misérable 12 à 14 volts d'électricité. Les lois de la physique semblent vouloir jouer contre nous à chaque tournant – mais nous l'emportons ! Les amplificateurs audio auto modernes sont des exploits incroyables d'ingénierie et de conception. Cet article examine les deux principaux types de classes d'amplificateurs utilisés dans l'industrie de l'audio auto et les avantages et inconvénients de chacun. Bienvenue dans Classe AB vs Classe D.
Les mathématiques derrière la façon dont les amplificateurs font de la puissance
Peu importe comment nous configurons les composants à l'intérieur d'un amplificateur, l'objectif est le même : Augmenter la tension du signal audio préampli pour qu'il puisse piloter un haut-parleur. Parce que les haut-parleurs que nous utilisons sont faibles en impédance (2 ou 4 ohms pour la plupart des médiums), nous devons être capables de fournir une quantité significative de courant au haut-parleur aussi. Cette livraison de courant au haut-parleur est la seconde tâche qu'un amplificateur doit entreprendre.
Par quelques calculs rapides, si un haut-parleur de 4 ohms reçoit un signal de 12V RMS, nous pouvons faire quelques calculs. Pour calculer le courant traversant le haut-parleur, nous divisons la tension fournie par l'impédance du haut-parleur. Dans cet exemple, nous avons 12 divisé par 4, donc 3 ampères de courant traversent les fils du haut-parleur et la bobine mobile. Une façon facile de calculer la puissance allant au haut-parleur est de multiplier la tension fournie par le courant fourni. Le produit de 12 fois 3 est 36. Ce haut-parleur reçoit 36 watts de puissance.
Regardons le même exemple comme s'il s'agissait d'un amplificateur de subwoofer. Dans ce second exemple, nous supposerons que nous avons un subwoofer à double bobine mobile de 2 ohms avec les deux bobines câblées en parallèle pour produire une charge de 1 ohm. Si nous alimentons ce haut-parleur avec 12 Vrms de signal, alors 12 ampères de courant traversent le fil du haut-parleur et le subwoofer. Pour calculer la puissance, nous multiplions 12 fois 12 pour obtenir 144 watts. 144 watts c'est beaucoup plus de puissance et de courant pour la même quantité de tension.
Aperçu général de la fonction d'un amplificateur
La plupart des amplificateurs sont composés de trois ou quatre sections clés (ou étages), selon leur conception et complexité. L'étage d'entrée est la partie de l'ampli où le signal audio préampli de bas niveau entre dans l'ampli et reçoit tout traitement sous forme d'égalisation ou de filtrage.
Un amplificateur a une alimentation. L'alimentation convertit les 12 à 14 V de courant continu fournis en tensions de rail positives et négatives. Disons, par exemple, qu'un amplificateur théorique a des rails de +25 et -25V, par rapport à notre référence de masse. Selon la taille de l'ampli, il y aura un étage driver. L'étage driver est responsable d'augmenter le signal audio de bas niveau à une tension plus élevée. Combien l'étage driver augmente la tension dépend de combien de puissance l'ampli fera.
Finalement, nous avons l'étage de sortie. L'étage de sortie est relativement simple – il n'altère pas significativement le signal venant de l'étage driver, mais les dispositifs (MOSFETs ou transistors) utilisés fournissent le signal de sortie avec le courant que la charge nécessite. L'alimentation et l'étage de sortie sont les deux parties de l'ampli qui font le plus de « travail dur ». C'est-à-dire, ce sont les étages qui font passer beaucoup de courant.
Dans presque tous les amplis sur le marché, nous utilisons des dispositifs dédiés pour la moitié positive de la forme d'onde et des dispositifs séparés pour la moitié négative. Pour clarifier, si nous mesurons le signal de sortie de l'amplificateur par rapport à la masse du véhicule, nous verrons qu'il oscille d'avant en arrière au-dessus et en dessous de 0V. Repensez à nos rails d'alimentation +25 V et -25 V. Les haut-parleurs ne se soucient pas de la valeur du signal qui leur est envoyé ; tout ce qui les intéresse est la différence de tension d'une extrémité de la bobine mobile à l'autre.
Amplificateurs Classe AB
Pour cet article, nous allons généraliser les amplis Classe AB en un modèle d'amplificateur analogique. Dans notre amplificateur analogique, nous avons de gros transistors dans l'étage de sortie de l'ampli. Quand nous voulons la moitié de la tension du rail positif à la sortie, nous envoyons la moitié de la tension au dispositif de sortie positif. Quand le signal devient négatif, nous éteignons le dispositif positif et commençons à utiliser seulement le dispositif négatif. Vu différemment, le signal audio de l'étage driver contrôle la résistance des dispositifs de sortie et, subséquemment, combien de courant peut couler vers le haut-parleur.
Dans un amplificateur analogique, les dispositifs de sortie peuvent être « allumés » en quantités variables autour du signal audio. Cela signifie que les dispositifs de sortie agissent souvent comme des résistances. La puissance est gaspillée en chaleur quand on fait passer du courant à travers une résistance. Gardez cela en tête comme partie de notre comparaison plus tard dans l'article.
Amplificateurs Classe D
Dans un ampli Classe D, les dispositifs de sortie reçoivent un contrôle d'un Circuit Intégré Contrôleur (IC). Ce contrôleur envoie une onde carrée à cycle de travail variable. L'amplitude de l'onde carrée est assez haute pour allumer les dispositifs de sortie complètement allumés ou éteints. Les dispositifs de sortie passent très peu de temps à fonctionner comme des résistances et agissent plus comme des interrupteurs.
La question logique est : comment diantre obtient-on de la musique à partir d'une onde carrée ? Si vous avez pensé ça, bravo ! La fréquence de l'onde carrée est bien plus haute que la fréquence maximale de notre musique. En fait, certains amplificateurs Classe D modernes commutent les dispositifs de sortie à des fréquences aussi hautes que 600 kHz.
Pour recréer la musique, le contrôleur Classe D envoie un signal qui est à Modulation de Largeur d'Impulsion (PWM). La quantité de temps « allumé » par rapport au temps « éteint » détermine le niveau de sortie du signal. Comme analogie très générale, si les dispositifs de sortie positifs recevaient une onde carrée avec un cycle de travail de 50 % (allumé pendant autant de temps qu'il était éteint), alors la moyenne de la sortie serait 50 % de la tension du rail positif. Si l'onde carrée est allumée 75 % du temps, puis éteinte 25 %, alors nous obtiendrions 75 % de la tension du rail à la sortie.
Comme vous pouvez l'imaginer, le signal du contrôleur Classe D est assez complexe. Il doit moduler le cycle de travail de l'onde carrée allant aux dispositifs positifs et négatifs assez vite pour recréer précisément le signal audio. Il doit aussi contrôler les dispositifs de sortie positifs et négatifs séparément.
Avantages et inconvénients des amplificateurs analogiques
Parce que le signal audio dans un amplificateur analogique n'est jamais haché en minuscules morceaux, les amplificateurs analogiques peuvent rester fidèles au signal original. Les amplificateurs qui sonnent le mieux dans l'industrie de l'électronique mobile sont analogiques. Les amplificateurs analogiques ont, historiquement, une réputation pour une réponse en haute fréquence précise.
L'inconvénient d'un amplificateur analogique est son efficacité. L'efficacité décrit combien d'énergie est gaspillée en chaleur comparée à l'énergie envoyée au haut-parleur. À cause des dispositifs de sortie dans un amplificateur analogique qui fonctionnent comme des résistances variables, ils chauffent. Les amplificateurs analogiques typiques opèrent dans la gamme de 70-80 % d'efficacité concernant l'efficacité totale, en fonctionnant à pleine puissance. Ces 20-30 % manquants sont libérés en chaleur. À des niveaux de sortie plus bas, l'efficacité chute encore plus.
Avantages et inconvénients des amplificateurs numériques
Les amplificateurs numériques modernes commutent à des fréquences extrêmement hautes. Nous voyons des amplis capables de réponse en fréquence audio au-delà de 50 kHz, et certains qui dépassent 70 kHz. Cette performance est loin des premiers amplis Classe D qui étaient seulement pour les subwoofers et luttaient pour produire de l'audio au-dessus de 5 kHz. Cela dit, parce que les amplificateurs numériques requièrent des réseaux de filtre à la fin de l'étage de sortie, ils ne peuvent toujours pas tout à fait égaler la performance d'un ampli analogique premium. Avec cette information en tête, considérez qu'il y a de bons amplificateurs numériques qui sonnent mieux que de nombreux amplificateurs analogiques mal conçus.
Parce que les dispositifs de sortie d'un amplificateur numérique fonctionnent rarement dans leur gamme résistive, ces amplificateurs peuvent être très efficaces. Un ampli Classe D bien conçu peut avoir une efficacité autour de 92 %.
Un autre problème avec les amplificateurs Classe D est le bruit. Parce que les dispositifs de sortie sont pilotés par une onde carrée, il y a beaucoup d'énergie haute fréquence dans le signal de sortie. Le réseau de filtre dont nous avons parlé enlève une grande partie de cela du signal de sortie, mais cette énergie peut encore avoir des effets néfastes sur d'autres systèmes dans le véhicule. Un trait malheureusement commun pour de nombreux amplis Classe D est qu'ils causent des interférences avec la réception radio quand ils sont en fonctionnement.
Choisir entre les classes d'amplificateurs
Ce serait bien si nous pouvions formuler un ensemble de règles strictes pour choisir le bon amplificateur pour votre système. Avec tant de variations sur chaque type d'ampli à tant de prix différents, c'est vraiment impossible. Nous suggérons fortement que la seule façon de choisir un ampli est de comparer l'un à l'autre sous conditions contrôlées : Utilisez la même musique et les mêmes haut-parleurs, et écoutez au même volume. Vous entendrez des différences en réponse en fréquence et des différences dramatiques en capacités d'imagerie et de mise en scène.
Un type d'ampli est-il meilleur que l'autre ? Pour une installation dédiée purement à la qualité sonore, le choix est clair. Pour une installation où la livraison de puissance est limitée ou où d'énormes quantités de puissance sont requises, le choix est clair là aussi. Au milieu, cela dépend de votre application et budget.
Passez chez votre détaillant spécialisé en électronique mobile local pour découvrir les derniers amplificateurs sur le marché. Ils seront heureux de vous aider à en choisir un qui répond à votre application et fonctionne avec votre budget.