Couverture ElectroniqueS n°127

Le filtre de sortie d'un amplificateur audio fonctionnant en commutation présente un encombrement non négligeable pour un appareil portable, sans parler du surcoût induit. Plusieurs sociétés offrent aujourd'hui des circuits dispensés de toute cellule de filtrage. Dans une chaîne d'amplification audio analogique en classe D, le signal d'entrée est comparé avec une onde de référence de forme triangulaire dont la fréquence est usuellement de plusieurs centaines de kilohertz. Le train d'impulsions de rapport cyclique variable qui en résulte attaque ensuite un étage de puissance, le plus souvent en pont afin de délivrer un niveau de puissance suffisant. Bien que l'oreille et le haut-parleur soient par nature des éléments sélectifs, plusieurs raisons expliquent la présence d'un filtre en sortie d'un tel amplificateur. La première est en rapport avec la forte ondulation du courant de commutation dans la charge, source de pertes et d'un rendement amoindri. Dans une configuration traditionnelle, avec deux amplificateurs dont les sorties sont déphasées de 180°, la charge perçoit un signal dont l'amplitude crête-à-crête est égale à deux fois la tension d'alimentation. Au repos, le signal différentiel est de rapport cyclique 50 % et de valeur moyenne nulle, tandis que le courant de commutation dans la charge voit son amplitude fortement évoluer. Un filtre LC a pour effet salutaire de limiter l'énergie normalement dissipée dans la composante résistive de la charge. La seconde raison concerne les IEM, le filtre ayant un effet de lissage bienvenu des signaux riches en harmoniques. Ces problèmes d'IEM se posent avec d'autant plus d'acuité lorsque la charge et l'amplificateur sont distants l'un de l'autre. En général, avec une structure pontée, deux cellules LC sont conseillées par voie. En mode stéréo, ce chiffre est naturellement à doubler. Dans les applications portables, tous ces composants passifs représentent un encombrement et un coût non négligeables. Grâce à quelques astuces techniques, quelques sociétés mettent à disposition des circuits d'amplification audio fonctionnant en commutation, pour lesquels aucun filtrage n'est préconisé. Architecture différentielle de rigueur Nouveau membre de la famille « Boomer », le LM4667 de National Semiconductor est un amplificateur mono visant les mêmes applications que les modèles de Texas Instruments et Maxim, soit les téléphones cellulaires et les appareils portables grand public. L'architecture est, là également, à entrées différentielles afin de gagner environ 6 dB en rapport signal à bruit vis-à-vis d'une topologie asymétrique. Tout comme pour le LM4663 de précédente génération, NS met en &oelig;uvre un principe de modulation delta-sigma qualifié de « novateur » afin d'éliminer le filtre LC en sortie. Le couplage à l'entrée peut s'effectuer en continu afin de faire l'économie de deux condensateurs. Dans le but de réduire encore plus le nombre de composants externes, le gain de l'ampli est fixé en interne à l'une des deux valeurs au choix, 6 ou 12 dB, selon le niveau logique appliqué sur la broche de sélection. La tension de fonctionnement du LM4667 s'étage entre 2,7 et 5,5 V. La puissance délivrée est de 1,3 W sous 5 V et sur charge de 8 O, pour un THD+N de 10 % à 1 000 Hz (1,1 W à 1 % de distorsion). Sous 3 V, il est apte à fournir 450 mW à un haut-parleur d'impédance 8 O avec un taux de distorsion inférieur à 1 %. Dans un tel scénario, le rendement typique se situera aux alentours de 84 %, soit bien au-delà des performances obtenues avec un amplificateur en classe AB. Le LM4667 consomme 3,5 mA au repos et seulement 10 nA à l'arrêt. Son rapport signal à bruit pondéré est de 83 dB à 400 mW sous 3 V. Quant au taux de réjection d'alimentation, il est au pire de 55 dB lorsqu'un signal de 217 Hz et d'amplitude 100 mV est appliqué sur le rail. Le produit est présenté en boîtier BGA µSMD de 1,5 x 1,5 x 0,6 mm et est proposé à 0,48 $ par 1 000 pièces. Enfin, ON Semiconductor échantillonne ce mois, pour une mise en production en septembre, son premier amplificateur classe D en boîtier flip-chip CSP 9 broches de 1,45 x 1,45 mm. L'absence de bonding a pour effet de limiter les rayonnements dus au boîtier. Le produit, estampillé NCP2820, met en &oelig;uvre un schéma de modulation PWM similaire à celui retenu par Texas Instruments. A savoir que chacune des sorties commute entre la masse et la tension d'alimentation, et ces sorties sont en phase lorsqu'aucun signal n'est appliqué à l'entrée (figure). La puissance de sortie envisagée est de 1,6 W sous 4 O avec un taux de distorsion de 0,2 % à 1 000 Hz. Si dans la plupart des cas nul filtre ne sera requis, l'utilisation de simples ferrites de filtrage sur chaque sortie est recommandée lorsque l'électronique environnante est sensible au rayonnement électromagnétique. Une modulation PWM à faibles pertes Sans signal à l'entrée, les sorties + et - de l'amplificateur sont en phase, ce qui se traduit par une tension différentielle quasi nulle aux bornes de la charge. En fonctionnement, la tension aux bornes de la charge est le plus souvent à 0 pendant une période de commutation, ce qui réduit d'autant l'intensité du courant commuté, et incidemment les pertes résistives (sources Texas Instruments et ON Semiconductor). Une modulation brevetée à étalement de spectre est mise en oeuvre dans le MAX9712 de Maxim, afin de réduire de 5dB au moins le niveau des rayonnements électromagnétiques par les pistes ou les câbles.

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