Couverture ElectroniqueS n°127

Occupant un espace de plus en plus étriqué sur la carte, l'amplificateur audio s'attache à satisfaire à la contrainte de facteur de forme des systèmes portables. Son évolution vers un mode de fonctionnement en classe D à fort rendement va quant à lui dans le sens d'une durée de vie accrue de la batterie. La prolifération des appareils portables de toute nature (radiotéléphones, PC bloc-notes, PDA, baladeurs et lecteurs CD/DVD, consoles de jeux…) a naturellement suscité un fort engouement pour les amplificateurs audio. Les niveaux de puissance demandés restent ici relativement modestes, dans la mesure où ils s'étagent entre quelques milliwatts et plusieurs watts, selon la nature du transducteur placé en fin de chaîne.Comme dans bien des domaines, le marché de la téléphonie mobile s'est affirmé comme un vecteur d'innovation important. Le fait est qu'un radiotéléphone se voit de plus en plus souvent doté de fonctions multimédias, afin de faire également office de lecteur MP3/vidéo et de récepteur FM. De telle sorte que la qualité audio n'est aujourd'hui plus secondaire, et le temps désormais révolu où la seule attribution du haut-parleur consistait à restituer la parole et la tonalité d'une sonnerie.Les fortes contraintes de consommation et de facteur de forme, propres aux appareils nomades en général, sont ici poussées à leur paroxysme. Elles condamnent les fabricants à rivaliser d'ingéniosité, afin de gagner en consommation et à confiner la partie audio sur une surface de carte de plus en plus étriquée.Si les amplificateurs en classe AB représentent l'essentiel des architectures discrètes, la tendance actuelle donne la prédilection à leurs alter ego en classe D. La raison principale en est le rendement bien plus intéressant offert par ces derniers, et ce malgré une difficulté de conception supérieure. Le gain réalisé va logiquement dans le sens d'une autonomie accrue de l'appareil alimenté sur batterie et d'une simplification de la gestion thermique.Ces amplificateurs classe D sont le plus souvent « filterless » ou « filter-free », selon les qualificatifs propres à chacun. Pour des raisons de coût et toujours d'encombrement, ils font en effet l'impasse sur le filtrage LC, normalement exigé par un fonctionnement en mode à découpage fondamentalement non linéaire. Et ce en dépit des problèmes d'émissions électromagnétiques attenants.Dans le domaine de l'encapsulation, l'innovation va également bon train. Les circuits se sont mis à la mode du boîtier-puce et à la technique flip-chip (à puce retournée), se traduisant par une empreinte quasi dérisoire sur la carte.Par ailleurs, l'offre en solutions à haut niveau d'intégration s'est fortement développée afin de réunir sur la puce la quasi-intégralité du sous-système audio. Les circuits incluent alors plusieurs sections d'amplification (haut-parleur, casque/écouteur, microphone) et un multiplexeur. La commande de volume s'effectue à partir du processeur central via une interface I2C ou SPI. Quant à l'image stéréo, elle peut être embellie par l'ajout d'effets sonores 3D. Dans les circuits à signaux mixtes les plus évolués, le CNA/codec est également interne et, avec la présence d'un bloc DSP, la part belle est faite au numérique.Les amplificateurs classe D montent au créneauUn amplificateur audio pour applications portables fonctionne soit en mode linéaire (classe AB), soit en mode à découpage (classe D). En classe AB, le courant de polarisation est suffisant pour éviter la distorsion de croisement. Théoriquement de 78 %, le rendement maximal est plutôt voisin de 65 % à fort niveau. A des volumes d'écoute normaux, il peut aisément chuter entre 20 et 30 %. Un amplificateur classe D présente un rendement non seulement supérieur à son homologue en classe AB, mais aussi moins fluctuant avec la dynamique du signal. Les meilleurs amplificateurs audio classe D affichent des rendements compris entre 85 et 90 %.Toutefois, lorsqu'il est question d'un amplificateur audio de faible puissance (casque/écouteur), la classe AB reste compétitive. En effet, dans le bilan énergétique global, la consommation de la circuiterie de génération et de modulation de la porteuse n'est alors plus négligeable.Rappelons que dans une topologie classe D conventionnelle, l'onde analogique est convertie en un signal modulé en largeur d'impulsion (PWM). En pratique, le signal d'entrée est comparé à une rampe délivrée par un oscillateur de référence, dont la fréquence est au moins égale à dix fois la plus haute fréquence contenue dans le spectre du signal utile, soit 200 kHz et plus. Il en résulte un train d'impulsions dont le rapport cyclique est proportionnel à l'amplitude du signal audio.Cette technique PWM est classique pour un amplificateur fonctionnant en classe D. Il en existe d'autres, telle celle mettant en &oelig;uvre une modulation de densité d'impulsions (PDM), dont la modulation sigma-delta est une forme. Dans un tel scénario, dans une fenêtre temporelle donnée, le nombre d'impulsions est proportionnel à la valeur moyenne du signal audio d'entrée.Quant à l'étage de puissance, il fonctionne en commutation, soit avec des pertes limitées. L'information originelle est ensuite extraite par filtrage passe-bas avant de parvenir au transducteur.La présence de ce filtre est essentiellement justifiée par deux raisons. D'une part, il s'agit d'éviter qu'une énergie HF trop importante ne soit dissipée dans le haut-parleur. D'autre part, afin que les questions d'IEM conduites et rayonnées ne se posent avec trop d'acuité. Ces interférences sont liées à la fréquence de découpage, mais aussi aux temps de montée/descente brefs des signaux, afin de limiter les pertes de commutation. Leur impact est fortement tributaire de l'implantation et de la longueur des câbles.Eu égard à la place disponible, ce filtre n'est pas souhaitable dans une application portable. Dans une structure en pont, il faut effectivement disposer une cellule de type LC en sortie de chacun des accès. De plus, les inductances doivent être dimensionnées pour supporter le courant de sortie. Par ailleurs, les non-linéarités affectant les composants du filtre peuvent se traduire par une détérioration du taux de distorsion. Enfin, dans les applications de fort volume, le filtre peut se révéler plus onéreux que le circuit intégré lui-même.Pour faire l'impasse sur un tel filtrage, les fabricants misent sur la courte distance séparant l'amplificateur du haut-parleur et sur la nature inductive de ce dernier. Ce qui en fait un filtre passe-bas naturel. De surcroît, le schéma de modulation PWM classique est, soit remplacé (au profit de la modulation sigma-delta par exemple), soit modifié. Chacune des branches du pont est alors commandée de façon indépendante afin de contrôler le déphasage des signaux. Cela permet notamment d'éviter la génération en sortie d'une onde de rapport cyclique 50 %, en l'absence de signal à l'entrée.Enfin, afin de prendre en haute considération ces questions d'IEM et se conformer aux normes en vigueur, la technique d'étalement de spectre a récemment investi les amplificateurs audio classe D. La fréquence de commutation évolue alors de façon aléatoire autour d'une valeur centrale, afin d'éviter une concentration d'énergie aux multiples de la fréquence de découpage.

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