Conception de l'amplificateur audio : puissance, impédance et bruit

Principes fondamentaux des amplificateurs de puissance

Un amplificateur de puissance audio prend un signal de ligne de faible niveau (généralement 1 Vrms, 0 dBV) et commande un haut-parleur (4 à 8 Ω) pour produire une sortie acoustique. Le principal défi consiste à fournir des dizaines à des centaines de watts tout en maintenant une faible distorsion et un rendement élevé.

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Calculs de puissance de sortie

Puissance de sortie maximale pour un amplificateur de classe AB :

« MATHBLOCK_0 »

où « MATHINLINE_7 » (la classe AB oscille généralement à moins de 10 % des rails).

Pour une alimentation de ± 18 V (double 36 V) sous 8 Ω : « MATHBLOCK_1 »

Utilisez le [Calculateur d'écrêtage de l'amplificateur] (/calculators/audio/amplifier-clipping) pour trouver la tension de crête et la puissance d'écrêtage.

Utilisez le [Calculateur de gain d'amplificateur de puissance] (/calculators/audio/power-amplifier-gain) pour vérifier le gain de tension (généralement de 26 à 34 dB pour les amplis de puissance).

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Adaptation de l'impédance des haut-parleurs

Les amplificateurs sont classés en fonction de charges spécifiques. Le fonctionnement à une impédance plus faible consomme plus de courant :

« MATHBLOCK_2 »

Un amplificateur de 100 W/8 Ω produit un pic « MATHINLINE_8 ». Dans 4 Ω à la même tension, la puissance double pour atteindre 200 W, mais le courant double également pour atteindre une crête de 10 A. Les transistors de sortie doivent gérer cela.

La sensibilité du hautparleur détermine le volume qu'il émettra pour une puissance donnée :

« MATHBLOCK_3 »

où « MATHINLINE_9 » est la sensibilité en dB/W/m. Un haut-parleur de 90 dB/W/m à 100 W produit 110 dB SPL à 1 m.

Utilisez le [Calculateur de sensibilité des haut-parleurs] (/calculators/audio/speaker-sensitivity) pour prédire le SPL à distance d'écoute.

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Classes d'amplificateurs comparées

Classe AB : la norme

La classe AB fonctionne avec un faible courant de repos pour éliminer la distorsion croisée, tout en offrant une efficacité supérieure à celle des transistors de sortie de classe A. Les transistors de sortie sont inactifs entre 10 et 50 mA chacun.

La dissipation de puissance à la sortie maximale est en fait inférieure à celle à la moitié de la puissance (contre-intuitif). Dans le pire des cas, la dissipation se produit à « MATHINLINE_10 ».

Classe D : le choix moderne

La classe D utilise le PWM pour activer ou désactiver complètement les transistors de sortie. Efficacité typique : 85 à 95 %.

Utilisez le [Calculateur d'efficacité de classe D] (/calculators/audio/class-d-efficiency) pour estimer l'efficacité du MOSFET RDS (activé) et du courant de repos.

Compromis : Nécessite un filtre LC de sortie (augmente le coût et la taille), les interférences électromagnétiques dues à la fréquence de commutation, peuvent nécessiter une disposition minutieuse. Les circuits intégrés de classe D (TPA3116, MAX9744) incluent le filtre et gèrent la majeure partie de la complexité.

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Amplificateurs pour casque

Les amplificateurs pour casque sont confrontés à un problème de conception différent : piloter des charges à haute impédance (32 à 600 Ω) à partir d'une faible tension d'alimentation.

Puissance requise pour 110 dB SPL à partir d'un casque 300 Ω/100 dB/mW : « MATHBLOCK_4 » « MATHBLOCK_5 »

Utilisez le [Calculateur d'alimentation du casque] (/calculators/audio/headphone-power) pour calculer la tension et le courant requis à partir des spécifications de votre casque.

L'impédance de sortie est importante : pour un écart de réponse en fréquence minimal, l'impédance de sortie de l'amplificateur doit être inférieure à 1/8 de l'impédance du casque. Pour les boîtes de 32 Ω, conservez « MATHINLINE_11 ».

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Bruit de fond et SNR

Le bruit de fond détermine la plage dynamique de l'amplificateur. Pour un système audio :

« MATHBLOCK_6 »

Un SNR de 120 dB (état de l'art) signifie que le bruit est 1 million de fois inférieur à celui du signal à pleine échelle.

Sources de bruit

1. Bruit Johnson dans les résistances : « MATHINLINE_12 » 2. Bruit d'entrée de l'amplificateur op : spécifié comme bruit de tension nV/√ Hz + bruit de courant Pa/√ Hz 3. Bruit d'alimentation : doit être bien filtré ; utiliser un filtre LC + un condensateur local

Utilisez le [Calculateur SNR audio] (/calculators/audio/audio-snr) pour calculer le SNR à partir des niveaux de signal et de bruit.

Sélection d'amplificateurs opérationnels pour l'audio

Pour les préamplificateurs audio :

• NE5532 : classique, faible bruit (5 nV/√ Hz), peu coûteux
• OPA2134 : entrée JFET, très faible distorsion, 8 nV/√ Hz
• LM4562 : 2,7 nV/√ Hz, excellent pour les étages de précision

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Circuits de protection

Chaque amplificateur de puissance a besoin de :

1. Protection contre le décalage CC : relais qui déconnecte l'enceinte si le décalage DC dépasse environ 50 à 100 mV. Protège le haut-parleur du courant continu.

2. Protection thermique : thermistance sur le dissipateur thermique qui réduit le gain ou se déconnecte si la température dépasse 80 °C.

3. Protection contre les courts-circuits : limitation du courant (réduisez le lecteur si « MATHINLINE_13 ») ou fusibles à la sortie.

4. Condensateur de protection du tweeter : filtre passe-haut de premier ordre pour bloquer les basses fréquences du tweeter.

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Liste de contrôle de conception pratique

• [] Calculez la puissance de sortie maximale à partir de la tension d'alimentation et de l'impédance de charge
• [] Vérifiez le courant nominal du transistor/circuit intégré (1,5 × pic)
• [] Calculez le gain (généralement de 26 à 34 dB, défini par le rapport de résistance)
• [] Vérifiez la fréquence de balayage pour une bande passante à pleine puissance ≥ 20 kHz
• [] Taille du dissipateur thermique : P_dissipation à 1/3 de pleine puissance (pire des cas pour AB)
• [] Vérifiez le SNR > 90 dB (bruit de fond < −90 dBV)

[-] Ajouter un relais de protection DC

• [] Découplez les rails d'alimentation localement (céramique 10 μF + 100 nF)