Classes d'amplificateurs :donner du sens aux amplis de classe AB et de 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 nous attendons à ce que le signal reste pur - aucune distorsion ou aucun bruit ne doit être ajouté. Nous voulons également des quantités importantes de puissance pour alimenter nos haut-parleurs, même si nous n'alimentons nos amplificateurs qu'avec un maigre 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 de voiture modernes sont des prouesses incroyables d'ingénierie et de conception. Cet article examine les deux principaux types de classes d'amplificateurs utilisés dans l'industrie audio automobile et les avantages et les inconvénients de chacun. Bienvenue dans la classe AB contre la classe D.
Les mathématiques derrière la façon dont les amplificateurs produisent de l'énergie
Quelle que soit la manière dont nous configurons les composants à l'intérieur d'un amplificateur, l'objectif est le même :augmenter la tension du signal audio du préampli afin qu'il puisse piloter un haut-parleur. Étant donné que les haut-parleurs que nous utilisons ont une faible impédance (2 ou 4 ohms pour la plupart des haut-parleurs de milieu de gamme), nous devons également être en mesure de fournir une quantité importante de courant au haut-parleur. Cette livraison de courant au haut-parleur est la deuxième tâche qu'un amplificateur doit entreprendre.
En guise de calcul rapide, si un haut-parleur de 4 ohms reçoit un signal de 12 V RMS, nous pouvons effectuer quelques calculs. Pour calculer le courant traversant le haut-parleur, on divise la tension fournie par l'impédance du haut-parleur. Dans cet exemple, nous avons 12 divisé par 4, donc 3 ampères de courant circulent à travers les fils du haut-parleur et la bobine acoustique. Un moyen simple de calculer la puissance allant au haut-parleur consiste à 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 subwoofer. Dans ce deuxième exemple, nous supposerons que nous avons un subwoofer à double bobine acoustique 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, on multiplie 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 des fonctions de l'amplificateur
La plupart des amplificateurs sont composés de trois ou quatre sections (ou étages) clés, selon leur conception et leur complexité. L'étage d'entrée est la partie de l'ampli où le signal audio de 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 +25 et -25V, par rapport à notre référence de masse. Selon la taille de l'ampli, il y aura un étage driver. L'étage pilote est chargé d'augmenter le signal audio de bas niveau à une tension plus élevée. L'augmentation de la tension par l'étage du pilote dépend de la puissance que l'ampli produira.
Enfin, nous avons l'étage de sortie. L'étage de sortie est relativement simple - il ne modifie pas de manière significative le signal provenant de l'étage pilote, mais les dispositifs (MOSFET ou transistors) utilisés pour fournir au signal de sortie le courant requis par la charge. 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 que ce sont les étages qui passent beaucoup de courant.
Dans presque tous les amplis du marché, nous utilisons des appareils dédiés pour la moitié positive de la forme d'onde et des appareils séparés pour la moitié négative de la forme d'onde. Pour clarifier, si nous mesurons le signal de sortie de l'amplificateur autour de la masse du véhicule, nous verrons qu'il oscille d'avant en arrière au-dessus et en dessous de 0V. Pensez à nos rails d'alimentation +25 V et -25 V. Les orateurs ne se soucient pas de la valeur du signal qui leur est envoyé ; tout ce qui les intéresse, c'est la différence de tension d'une extrémité à l'autre de la bobine acoustique.
Amplificateurs de classe AB
Pour cet article, nous allons généraliser les amplis de classe AB dans un modèle d'amplificateur analogique. Dans notre amplificateur analogique, nous avons de gros transistors dans l'étage de sortie de l'ampli. Lorsque nous voulons la moitié de la tension positive du rail à la sortie, nous alimentons la moitié de la tension vers le dispositif de sortie positif. Lorsque le signal devient négatif, nous éteignons l'appareil positif et commençons à n'utiliser que l'appareil négatif. Vu sous un autre angle, le signal audio de l'étage pilote contrôle la résistance des périphériques de sortie et, par la suite, la quantité de courant pouvant circuler vers le haut-parleur.
Dans un amplificateur analogique, les périphériques de sortie peuvent être « activés » à des degrés divers autour du signal audio. Cela signifie que les périphériques de sortie agissent souvent comme des résistances. L'énergie est gaspillée sous forme de chaleur lorsque nous passons du courant à travers une résistance. Gardez cela à l'esprit dans le cadre de notre comparaison plus loin dans l'article.
Amplificateurs de classe D
Dans un ampli de classe D, les dispositifs de sortie reçoivent une commande d'un circuit intégré de contrôleur (CI). Ce contrôleur envoie une onde carrée à rapport cyclique variable. L'amplitude de l'onde carrée est suffisamment élevée pour allumer ou éteindre complètement les périphériques de sortie. Les périphériques de sortie passent très peu de temps à fonctionner comme des résistances et agissent davantage comme des commutateurs.
La question logique est la suivante :comment pouvons-nous obtenir de la musique à partir d'une onde carrée ? Si vous pensiez cela, tant mieux pour vous ! La fréquence de l'onde carrée est bien supérieure à la fréquence maximale de notre musique. En fait, certains amplificateurs de classe D modernes commutent les périphériques de sortie à des fréquences aussi élevées que 600 kHz.
Pour recréer de la musique, le contrôleur de classe D envoie un signal modulé en largeur d'impulsion. La quantité de temps "on" autour du temps "off" détermine le niveau de sortie du signal. Par analogie très générale, si les dispositifs de sortie positifs recevaient une onde carrée avec un rapport cyclique de 50 % (allumé aussi longtemps qu'il était éteint), la moyenne de la sortie serait de 50 % de la tension positive du rail. Si l'onde carrée est allumée 75 % du temps, puis éteinte 25 %, nous obtiendrons 75 % de la tension du rail à la sortie.
Comme vous pouvez l'imaginer, le signal du contrôleur de classe D est assez complexe. Il doit moduler le rapport cyclique de l'onde carrée allant aux appareils positifs et négatifs assez rapidement pour recréer avec précision le signal audio. Il doit également contrôler séparément les périphériques de sortie positifs et négatifs.
Avantages et inconvénients des amplificateurs analogiques
Étant donné que le signal audio d'un amplificateur analogique n'est jamais découpé en petits morceaux, les amplificateurs analogiques peuvent rester fidèles au signal d'origine. Les amplificateurs les plus performants de l'industrie de l'électronique mobile sont analogiques. Historiquement, les amplificateurs analogiques sont réputés pour leur réponse précise dans les hautes fréquences.
L'inconvénient d'un amplificateur analogique est son efficacité. L'efficacité décrit la quantité d'énergie gaspillée sous forme de chaleur par rapport à l'énergie envoyée au haut-parleur. Comme les dispositifs de sortie d'un amplificateur analogique fonctionnent comme des résistances variables, ils chauffent. Les amplificateurs analogiques typiques fonctionnent dans la plage d'efficacité de 70 à 80 % en ce qui concerne l'efficacité totale, tout en fonctionnant à pleine puissance. Les 20 à 30 % manquants sont libérés sous forme de chaleur. À un niveau de sortie inférieur, l'efficacité chute encore plus.
Avantages et inconvénients des amplificateurs numériques
Les amplificateurs numériques modernes commutent à des fréquences extrêmement élevées. Nous voyons des amplis capables d'une réponse en fréquence audio au-delà de 50 kHz, et certains dépassant 70 kHz. Cette performance est loin des premiers amplis de classe D qui n'étaient que pour les subwoofers et qui peinaient à produire de l'audio au-dessus de 5 kHz. Cela dit, comme les amplificateurs numériques nécessitent des réseaux de filtres à la fin de l'étage de sortie, ils ne peuvent toujours pas égaler les performances d'un ampli analogique haut de gamme. Avec ces informations à l'esprit, considérez qu'il existe de bons amplificateurs numériques qui sonnent mieux que de nombreux amplificateurs analogiques mal conçus.
Étant donné que les dispositifs de sortie d'un amplificateur numérique fonctionnent rarement dans leur plage résistive, ces amplificateurs peuvent être très efficaces. Un ampli de classe D bien conçu peut avoir un rendement d'environ 92 %.
Un autre problème avec les amplificateurs de classe D est le bruit. Étant donné que les périphériques de sortie sont pilotés par une onde carrée, il y a beaucoup d'énergie haute fréquence dans le signal de sortie. Le réseau de filtres dont nous avons parlé enlève une grande partie de cela du signal de sortie, mais cette énergie peut toujours avoir des effets néfastes sur d'autres systèmes du véhicule. Un trait malheureusement commun à de nombreux amplis de classe D est qu'ils provoquent des interférences avec la réception radio lorsqu'ils sont en fonctionnement.
Choix 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 autant 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 le comparer dans des conditions contrôlées :utilisez la même musique et les mêmes haut-parleurs, et écoutez au même volume. Vous entendrez des différences dans la réponse en fréquence et des différences spectaculaires dans les capacités d'imagerie et de mise en scène.
Est-ce qu'un type d'ampli est meilleur qu'un autre ? Pour une installation dédiée uniquement à la qualité sonore, le choix est clair. Pour une installation où la fourniture d'énergie est limitée ou où des quantités massives d'énergie sont nécessaires, le choix est également clair. Au milieu, cela dépend de votre application et de votre budget.
Rendez-vous chez votre détaillant spécialisé en électronique mobile local pour découvrir les derniers amplificateurs du marché. Ils se feront un plaisir de vous aider à choisir celui qui correspond à votre application et à votre budget.