Fonctionnement et applications des amplificateurs de classe D

Essayez Notre Instrument Pour Éliminer Les Problèmes





Dans ce monde moderne, l'objectif principal de l'amplification audio dans un système audio est de reproduire et d'amplifier avec précision les signaux d'entrée donnés. Et l'un des plus grands défis est d'avoir une puissance de sortie élevée avec le moins de perte de puissance possible. La technologie d'amplification de classe D a un impact croissant sur le monde du son en direct en offrant une puissance élevée avec une dissipation de puissance nulle et moins de poids que jamais. De nos jours, les appareils de musique portables sont de plus en plus populaires avec la demande croissante de sons externes dans les appareils de musique portables.

L'amplification audio est parfois réalisée avec la technologie des amplificateurs à tubes, mais ceux-ci sont volumineux et ne conviennent pas aux systèmes de sonorisation électroniques portables. Pour la plupart des besoins d'amplification audio, les ingénieurs choisissent d'utiliser des transistors en mode linéaire pour créer une sortie mise à l'échelle basée sur une petite entrée. Ce n'est pas la meilleure conception pour les amplificateurs audio car les transistors en fonctionnement linéaire conduiront en continu, généreront de la chaleur et consommeront de l'énergie. Cette perte de chaleur est la principale raison pour laquelle le mode linéaire n'est pas optimal pour les applications audio portables fonctionnant sur batterie. Il y a de nombreuses classes d'amplificateurs audio A, B, AB, C, D, E et F. Ils sont classés en deux modes de fonctionnement différents, linéaire et de commutation.




Amplificateur de classe D

Amplificateur de classe D

Amplificateurs de puissance en mode linéaire - Classe A, B, AB et la classe C sont tous les amplificateurs en mode linéaire qui ont une sortie proportionnelle à leur entrée. Les amplificateurs en mode linéaire ne saturent pas, ne s'allument pas complètement ou ne s'éteignent pas complètement. Puisque les transistors sont toujours conducteurs, de la chaleur est générée et consomme continuellement de l'énergie. C'est la raison pour laquelle les amplificateurs linéaires ont une efficacité inférieure par rapport aux amplificateurs à commutation. Les amplificateurs à commutation de classe D, E et F sont des amplificateurs à commutation. Ils ont une efficacité supérieure, qui devrait théoriquement être de 100%. C'est parce qu'il n'y a pas de perte d'énergie pour la dissipation thermique.



Qu'est-ce qu'un amplificateur de classe D?

L'amplificateur de classe D est un amplificateur de commutation et lorsqu'il est à l'état «ON», il conduira le courant mais aura une tension presque nulle entre les commutateurs, donc aucune chaleur n'est dissipée en raison de la consommation d'énergie. Lorsqu'il est en mode «OFF», la tension d'alimentation passe les MOSFET , mais en raison de l'absence de courant, le commutateur ne consomme aucune énergie. L'amplificateur ne consommera de l'énergie pendant les transitions marche / arrêt que si les courants de fuite ne sont pas pris en compte. Amplificateur de classe D composé des étages suivants:

  • Modulateur PMW
  • Circuit de commutation
  • Filtre passe-bas de sortie
Schéma fonctionnel de l

Schéma fonctionnel de l'amplificateur de classe D

Modulateur PMW

Nous avons besoin d'un bloc de construction de circuit appelé comparateur. Un comparateur a deux entrées, à savoir l'entrée A et l'entrée B. Lorsque l'entrée A est plus haute en tension que l'entrée B, la sortie du comparateur ira à sa tension positive maximale (+ Vcc). Lorsque l'entrée A est inférieure en tension à l'entrée B, la sortie du comparateur atteindra sa tension négative maximale (-Vcc). La figure ci-dessous montre comment fonctionne le comparateur dans un amplificateur de classe D. Une entrée (que ce soit la borne d'entrée A) est fournie avec le signal à amplifier. L'autre entrée (entrée B) est fournie avec une onde triangulaire générée avec précision. Lorsque le niveau du signal est instantanément plus élevé que l'onde triangulaire, la sortie devient positive. Lorsque le niveau du signal est instantanément inférieur à celui de l'onde triangulaire, la sortie devient négative. Le résultat est une chaîne d'impulsions où la largeur d'impulsion est proportionnelle au niveau de signal instantané. Ceci est connu comme «Modulation de largeur d’impulsion», ou PWM .

Modulateur PMW

Modulateur PMW

Circuit de commutation

Même si la sortie du comparateur est une représentation numérique du signal audio d’entrée, il n’a pas la puissance nécessaire pour entraîner la charge (haut-parleur). La tâche de ce circuit de commutation est de fournir un gain de puissance suffisant, ce qui est essentiel pour un amplificateur. Le circuit de commutation est généralement conçu en utilisant des MOSFET. Il est très important de concevoir que les circuits de commutation produisent des signaux qui ne se chevauchent pas, sinon vous rencontrez le problème de court-circuiter votre alimentation directement à la terre ou si vous utilisez une alimentation divisée court-circuitant les alimentations. Ceci est connu comme un passage à travers, mais cela peut être évité en introduisant des signaux de porte sans chevauchement dans les MOSFET. Le temps sans chevauchement est appelé temps mort. Lors de la conception de ces signaux, nous devons maintenir le temps mort aussi court que possible pour maintenir un signal de sortie précis à faible distorsion, mais il doit être suffisamment long pour empêcher les deux MOSFET de conduire en même temps. Le temps pendant lequel les MOSFET sont en mode linéaire doit également être réduit, ce qui aidera à assurer que les MOSFET fonctionnent de manière synchrone plutôt que les deux conduisent en même temps.


Pour cette application, des MOSFET de puissance doivent être utilisés en raison du gain de puissance dans la conception. Les amplificateurs de classe D sont utilisés pour leur rendement élevé, mais les MOSFET ont une diode de corps intégrée qui est parasite et permettra au courant de continuer à tourner en roue libre pendant les temps morts. Une diode Schottky peut être ajoutée en parallèle au drain et à la source du MOSFET pour réduire les pertes à travers le MOSFET. Cela réduit ses pertes car la diode Schottky est plus rapide que la diode de corps du MOSFET assurant que la diode de corps ne conduit pas pendant le temps mort. Pour réduire les pertes dues à la haute fréquence, une diode Schottky en parallèle avec le MOSFET est pratique et nécessaire. Ce Schottky garantit que la tension aux bornes des MOSFET avant de s'éteindre. Le fonctionnement global des MOSFET et de l'étage de sortie est analogue au fonctionnement d'un synchrone convertisseur Buck . Les formes d'onde d'entrée et de sortie du circuit de commutation sont illustrées dans la figure ci-dessous.

Circuit de commutation

Circuit de commutation

Filtre passe-bas de sortie

Le dernier étage d'un amplificateur de classe D est le filtre de sortie qui atténue et supprime les harmoniques de la fréquence du signal de commutation. Cela peut être fait avec un agencement de filtre passe-bas courant, mais le plus courant est une combinaison d'inductance et de condensateur. Un second filtre de commande est souhaité pour que nous ayons un roll-off de -40 dB / Décennie. La gamme des fréquences de coupure est comprise entre 20 kHz et environ 50 kHz en raison du fait que les humains ne peuvent rien entendre au-dessus de 20 kHz. La figure ci-dessous montre le filtre Butterworth de second ordre. La principale raison pour laquelle nous choisissons un filtre Butterworth est qu'il nécessite le moins de composants et a une réponse plate avec une fréquence de coupure nette.

Filtre passe-bas de sortie

Filtre passe-bas de sortie

Applications de l'amplificateur de classe D

Il convient mieux aux appareils portables car il ne contient aucun dispositif de dissipateur thermique supplémentaire. Tellement facile à transporter. L'amplificateur de classe D haute puissance est devenu la norme dans de nombreuses applications électroniques grand public telles que

  • Téléviseurs et systèmes de cinéma maison.
  • Électronique grand public grand volume
  • Amplificateurs casque
  • Technologie mobile
  • Automobile

Il s'agit donc du fonctionnement et des applications des amplificateurs de classe D. Nous espérons que vous avez une meilleure compréhension de ce concept. En outre, toute question concernant ce concept ou pour mettre en œuvre projets électriques et électroniques , veuillez donner votre avis en commentant dans la section des commentaires ci-dessous. Voici une question pour vous, Quelles sont les applications de l'amplificateur de classe D?