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

Principes fondamentaux des amplificateurs de puissance

Les amplificateurs de puissance audio font quelque chose d'une simplicité trompeuse : ils captent un signal de niveau de ligne faible (généralement autour de 1 Vrms, soit 0 dBV si vous comptez le score) et alimentent une charge de haut-parleur, généralement de 4 à 8 Ω — suffisamment fort pour réellement déplacer l'air. La vraie astuce consiste à faire passer des dizaines, voire des centaines de watts à travers ces bobines vocales tout en maintenant une faible distorsion et en ne transformant pas votre amplificateur en appareil de chauffage d'appoint.

La plupart des ingénieurs sous-estiment la quantité de courant dont vous avez besoin pour circuler à l'étage de sortie. Il ne s'agit pas uniquement d'une question de variation de tension.

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Calculs de puissance de sortie

Parlons chiffres. Pour un amplificateur de classe AB, la puissance de sortie maximale suit la relation suivante :

Dans la pratique, vous ne pouvez pas réellement basculer rail à rail. Les modèles de classe AB se situent généralement à environ 10 % des rails d'alimentation, donc le $V_{peak} \approx 0.9 V_{supply}$ est une estimation raisonnable. Poussez plus fort et vous commencerez à couper mal.

Voici un exemple concret avec une alimentation de ± 18 V (soit 36 V au total sur les deux rails) entraînant une charge 8Ω  :

Pas une tonne d'énergie, mais suffisante pour les moniteurs à champ proche ou pour une installation dans une chambre à coucher. Si vous avez besoin de déterminer où votre ampli commence à s'écrêter ou quelle est la variation réelle de votre tension de crête, le Calculateur d'écrêtage de l'amplificateur vous permettra d'économiser quelques calculs d'algèbre.

Le gain de tension dans les amplis de puissance se situe généralement entre 26 et 34 dB, ce qui est suffisant pour transmettre un signal de niveau ligne aux niveaux de commande des haut-parleurs sans bruit excessif. Vérifiez votre budget de gain à l'aide du Calculateur de gain d'amplificateur de puissance avant de vous engager sur les valeurs de résistance.

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Adaptation de l'impédance des haut-parleurs

Les amplificateurs sont classés en fonction de charges spécifiques, ce qui est plus important que la plupart des gens ne le pensent. Diminuez l'impédance et vous demandez à l'étage de sortie de fournir plus de courant pour la même variation de tension :

Supposons que vous ayez un ampli d'une puissance nominale de 100 W en 8Ω. , ce qui signifie qu'il oscille entre $V_{peak} = \sqrt{2 \times 100 \times 8} = 40V$ et crête. Connectez maintenant une enceinte 4Ω . Même variation de tension, mais la puissance double pour atteindre 200 W car le courant double également. Vous obtenez maintenant une crête de 10 A à travers ces transistors de sortie.

Vos transistors doivent gérer ce courant, sinon ils laisseront échapper la fumée magique. Consultez les courbes de zone de sécurité (SOA) de la fiche technique. J'ai vu trop d'étages de sortie grillés parce que quelqu'un a supposé « tout ira probablement bien ».

La sensibilité des hautparleurs est l'autre moitié de l'équation du volume. Il est généralement spécifié en dB/W/m, c'est-à-dire le volume émis par le haut-parleur à un mètre avec un watt d'entrée. Le SPL à votre position d'écoute correspond à :

où $S$ est cette note de sensibilité. Un haut-parleur typique de 90 dB/W/m alimenté à 100 W atteindra 110 dB SPL à un mètre. C'est assez fort pour endommager l'audition assez rapidement, d'ailleurs.

Vous voulez prédire le niveau sonore réel de votre installation ? Entrez vos chiffres dans le Calculateur de sensibilité des haut-parleurs et ajustez votre distance d'écoute réelle.

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Classes d'amplificateurs comparées

Les différentes topologies d'amplificateurs impliquent des compromis différents. Voici comment ils se classent :

Classe AB : la norme

La classe AB est le cheval de bataille de l'amplification audio. Vous polarisez les transistors de sortie avec un faible courant de repos, généralement de 10 à 50 mA par appareil, juste assez pour éliminer la distorsion croisée que vous obtiendriez avec une classe B pure. Le résultat est un rendement bien supérieur à celui de la classe A (qui gaspille de l'énergie comme si c'était démodé) tout en maintenant la distorsion à un niveau relativement bas.

Voici quelque chose qui fait sursauter les gens : la dissipation de puissance en classe AB est en fait inférieur à la puissance maximale qu'à des niveaux modérés. Dans le pire des cas, la dissipation se produit autour du $V_{out} = 0.64 V_{supply}$, et non à pleine puissance. Dimensionnez vos dissipateurs thermiques en fonction de cette condition, et non en fonction de la puissance maximale.

Classe D : le choix moderne

Les amplificateurs de classe D utilisent la modulation de largeur d'impulsion pour activer ou désactiver les transistors de sortie. Pas de zone linéaire, pas de dissipation massive. L'efficacité typique se situe entre 85 et 95 %, c'est pourquoi chaque haut-parleur Bluetooth portable et système audio de voiture utilise désormais la classe D.

Le Calculateur d'efficacité de classe D estimera votre efficacité en fonction du MOSFET RDS (activé) et du courant de repos. Les pertes de commutation sont également importantes, mais pour la plupart des conceptions inférieures à une fréquence de commutation de 500 kHz, les pertes de conduction dominent.

Le hic : vous avez besoin d'un filtre LC de sortie pour reconstruire le son à partir du signal PWM. Ce filtre ajoute des coûts, de l'espace sur la carte et un peu de complexité à la conception. Vous générez également un hachage RF à la fréquence de commutation, ce qui implique une disposition soignée des circuits imprimés et parfois un filtrage EMI supplémentaire.

Les puces de classe D intégrées, telles que le TPA3116 ou le MAX9744, s'occupent de la plupart de ces tâches pour vous : elles incluent le filtre de sortie et ont été optimisées pour les interférences électromagnétiques. À moins que vous ne créiez quelque chose de vraiment spécialisé, commencez par une solution intégrée.

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Amplificateurs pour casque

Les amplificateurs pour casques sont confrontés à un défi de conception complètement différent. Vous pilotez des charges à haute impédance (du 32Ω pour les canettes grand public au 600Ω pour les moniteurs de studio) à partir de tensions d'alimentation relativement faibles. La bonne nouvelle, c'est que vous avez besoin de beaucoup moins d'énergie. La mauvaise nouvelle, c'est que l'impédance de sortie et le bruit deviennent beaucoup plus critiques.

Examinons un exemple. Supposons que vous souhaitiez 110 dB SPL avec un casque 300Ω doté d'une sensibilité de 100 dB/mW. Puissance requise :

Ce n'est pas beaucoup de puissance, mais la variation de tension est importante :

Vous pouvez calculer cela pour votre casque spécifique à l'aide du Calculateur de puissance du casque. Il vous indiquera les exigences en matière de tension et de courant.

L'impédance de sortie est très importante ici. Règle classique : maintenez l'impédance de sortie de votre amplificateur en dessous de 1/8 de l'impédance du casque pour éviter les écarts de réponse en fréquence par rapport à l'interaction de la courbe d'impédance. Pour les écouteurs 32Ω , cela signifie $Z_{out} < 4\Omega$. La plupart des étages de sortie des amplificateurs opérationnels vous permettent d'y parvenir facilement, mais les conceptions discrètes nécessitent une attention particulière à cet égard.

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Bruit de fond et SNR

Le seuil de bruit définit le plafond de votre plage dynamique. Le rapport signal/bruit est simple :

Un très bon système audio atteint un SNR de 120 dB. C'est la pointe de la technologie : cela signifie que votre bruit représente littéralement un millionième de l'amplitude de votre signal à pleine échelle. La plupart des équipements grand public se situent entre 90 et 100 dB, ce qui reste parfaitement acceptable pour la plupart des applications.

Sources de bruit

Trois sources de bruit principales peuvent vous mordre :

Le bruit Johnson provient de chaque résistance de votre circuit. C'est de la physique fondamentale :

où $k$ est la constante de Boltzmann, $T$ est la température en Kelvin, $R$ est la résistance et $B$ est la bande passante. Une résistance plus élevée signifie plus de bruit. Maintenez vos impédances à un niveau faible pendant les phases sensibles.

Le bruit d'entrée de l'amplificateur op apparaît à la fois sous forme de bruit de tension (spécifié au nV/√Hz) ) et de bruit de courant (au pA/√Hz). Le bruit de tension s'ajoute directement à votre signal). Le bruit de courant traverse l'impédance de votre source et crée un terme de bruit de tension proportionnel à cette impédance. Les impédances de source élevées aggravent le bruit actuel. Le bruit de l'alimentation sera couplé à la trajectoire de votre signal si vous ne faites pas attention. Utilisez un filtrage LC approprié sur les rails d'alimentation et ajoutez des condensateurs de dérivation locaux : un électrolytique 10 μF en parallèle avec une céramique de 100 nF fonctionne pour la plupart des applications. La céramique gère les transitoires à haute fréquence tandis que l'électrolytique fournit une capacité apparente.

Le Calculateur SNR audio analysera les chiffres si vous connaissez vos niveaux de signal et de bruit.

Sélection d'amplificateurs opérationnels pour l'audio

Pour les étages de préampli à faible bruit, voici les suspects habituels :

Le NE5532 est le choix classique. Il existe depuis toujours, ne coûte presque rien et produit un bruit d'entrée de 5 nV/√Hz . L'étage d'entrée bipolaire signifie que vous verrez un courant de polarisation d'entrée, mais il est très performant.

L' OPA2134 utilise des entrées JFET pour un courant d'entrée extrêmement faible et une très faible distorsion. Le bruit d'entrée est de 8 nV/√Hz — un peu plus élevé que le NE5532, mais les entrées JFET ne génèrent pratiquement aucun bruit de courant. Idéal pour les sources à haute impédance.

Le LM4562 est le champion du faible bruit avec 2,7 nV/√Hz. Il est plus cher, mais si vous avez besoin de chaque dB de SNR, c'est là qu'il vous faut. Je les ai utilisés dans des préamplis de mesure de précision où le bruit est vraiment important.

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Circuits de protection

Chaque amplificateur de puissance destiné à être utilisé dans le monde réel doit être protégé. Voici ce que vous ne pouvez pas ignorer :

La protection contre les offset DC n'est pas négociable. Si votre étage de sortie développe un décalage en courant continu, peut-être à cause d'un transistor défaillant ou d'un transitoire de mise sous tension, vous pomperez du courant continu directement à travers la bobine acoustique du haut-parleur. Cela le grillera ou au moins modifiera la position du cône et provoquera une distorsion. Utilisez un relais qui surveille la sortie et déconnecte le haut-parleur si le décalage DC dépasse environ 50 à 100 mV. Le relais reste ouvert pendant une seconde ou deux à la mise sous tension pour laisser les choses se régler. La protection thermique vous empêche de cuire vos appareils de sortie. Montez une thermistance ou un capteur de température sur le dissipateur thermique. Si la température dépasse environ 80 °C, réduisez le gain ou arrêtez complètement jusqu'à ce que les choses se refroidissent. J'ai vu des amplificateurs sans celui-ci se dessouder littéralement de la carte. La protection contre les courts-circuits vous permet d'éviter que quelqu'un branche un câble défectueux ou qu'un fil d'enceinte touche le châssis. Implémentez une limitation de courant dans l'étage de sortie : si le courant de sortie dépasse votre limite de sécurité, réduisez le variateur ou arrêtez-le. Certains modèles utilisent simplement des fusibles à soufflage rapide à la sortie, ce qui fonctionne mais signifie que vous devez remplacer les fusibles après chaque défaut. La protection du tweeter est spécifique aux systèmes de haut-parleurs multivoies. Placez un condensateur en série en ligne avec le tweeter pour créer un filtre passe-haut de premier ordre. Cela bloque les basses fréquences qui pourraient endommager le tweeter ou provoquer une excursion excessive. Dimensionnez le capuchon en fonction de l'impédance de votre tweeter et de la fréquence de croisement souhaitée.

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Liste de contrôle de conception pratique

Avant de vous engager dans un design ou des tableaux de commande, parcourez les étapes suivantes :

• [] Calculez la puissance de sortie maximale à partir de votre tension d'alimentation et de votre impédance de charge — soyez réaliste en ce qui concerne les variations de tension
• [] Vérifiez que vos transistors ou circuits intégrés peuvent gérer le courant de pointe avec une marge d'au moins 1,5 fois
• [] Réglez votre gain de tension (généralement de 26 à 34 dB pour les amplis de puissance) et choisissez des valeurs de résistance qui n'ajouteront pas de bruit excessif
• [] Vérifiez la vitesse de balayage : vous avez besoin d'une bande passante suffisante pour obtenir la pleine puissance à 20 kHz sans écrêtage
• [] Dimensionnez votre dissipateur thermique pour obtenir la meilleure dissipation possible, ce qui, pour la classe AB, se produit à environ un tiers de la puissance maximale, et non à la puissance maximale
• [] Calculez votre bruit de fond et vérifiez que le SNR dépasse 90 dB (soit −90 dBV)
• [] Ajoutez une protection contre les décalages DC avec un relais et un circuit de surveillance
• [] Découplez vos rails d'alimentation localement : 10 μF bulk plus 100 nF céramique à chaque circuit intégré et à courant élevé

Si vous manquez l'un de ces éléments, vous allez soit faire exploser quelque chose, soit passer des heures à déboguer les raisons pour lesquelles votre ampli sonne si mal.