L’amplificateur de Classe D

In Amps, Gears on January 18, 2011 at 11:21 am

Les amplificateurs de classe D sont couramment utilisés pour le contrôle des moteurs électriques (on parle alors de hacheur ou d’onduleur). Ils sont aussi utilisés comme amplificateurs audio.

C’ est un amplificateur dont tous les composants de puissance sont utilisés comme des interrupteurs : les composants amplificateurs sont soit bloqués (aucun courant ne les traverse) soit saturés (la tension à leurs bornes est quasi nulle). Les premiers amplificateurs de classe D datent du début des années 1950.

De tels étages de sortie sont utilisés, par exemple, dans les générateurs d’impulsions. Cependant, la plupart du temps, ce terme s’applique à des amplificateurs qui doivent reproduire des signaux dont la bande passante est plus faible que la fréquence de commutation. C’est cette obligation d’utiliser une fréquence de commutation élevée afin d’obtenir un taux de distorsion acceptable qui a bloqué le développement des amplificateurs de classe D pendant plus de vingt ans. Leur développement s’est fait en deux étapes : une première à la fin des années 1960 avec l’apparition des transistors de puissance à effet de champ puis une seconde dans les années 1980 avec l’introduction sur le marché de circuits intégrés dédiés à la réalisation d’amplificateurs de classe D.

Les amplificateurs de classe D utilisent la modulation de largeur d’impulsion, la modulation de densité d’impulsions ou des formes plus avancées de modulation comme la modulation Sigma delta. Le signal d’entrée est converti en une série d’impulsions dont la valeur moyenne est directement proportionnelle à l’amplitude du signal à l’instant considéré.

Afin de respecter le théorème de Shannon, la fréquence théorique minimum des impulsions est de deux fois la plus haute fréquence que l’on veut reproduire. En pratique, afin de diminuer le taux de distorsion ou les harmoniques de courants, la fréquence de découpage fait plus du double de la plus haute fréquence que l’on veut reproduire. Par exemple, dans les amplificateurs audio, la fréquence utilisée se situe entre 50 kHzet 1 MHz suivant les amplificateurs. Le spectre de la sortie d’un amplificateur de classe D contient des fréquences non désirées (par exemple, la fréquence de découpage et ses harmoniques) qui doivent être éliminées par filtrage. Ce filtrage peut être réalisé soit par la charge elle-même, soit par un filtre passe-bas passif. Le choix de la fréquence de découpage est un compromis : son augmentation permet de simplifier le filtrage des harmoniques dus au découpage en les éloignant de la fréquence maximum que l’on veut restituer. Par contre, l’augmentation de la fréquence de découpage augmente aussi les pertes par commutations qui ont lieu à chaque changement d’état des composants utilisés comme interrupteurs diminuant ainsi le rendement de l’amplificateur.

Schéma de principe d’un amplificateur audio de classe D. Tension de sortie « sinusoïdale » non filtrée d’un onduleur à trois niveaux. Influence de l’amplitude sur la sortie pour un amplificateur de classe D à trois niveaux.
Cliquer pour voir l’animation.

Le principal avantage des amplificateurs de classe D est leur rendement. Les impulsions de sortie étant d’amplitude constante, les composants amplificateurs sont utilisés comme des interrupteurs : ils travaillent en mode bloqué (aucun courant ne les traverse) ou saturé (la tension à leurs bornes est quasi nulle) plutôt qu’en mode linéaire. La puissance instantanée dissipée dans un transistor étant le produit du courant par la tension, elle est quasiment nulle lors de ces états. Le peu de pertes engendrées par ce type d’amplificateur permet d’utiliser des dissipateurs et des alimentations plus petits ou d’augmenter la puissance de sortie à dissipateurs et alimentations constants. À l’instar des autres classes de fonctionnement le rendement d’un amplificateur de classe D augmente avec la puissance demandée en sortie. Par contre, le rendement d’un amplificateur de classe D augmente rapidement avec la puissance demandée en sortie pour atteindre 80-90 % sur une large plage de puissance.

Note : La lettreest utilisée pour désigner ce type d’amplificateur car c’est la lettre qui vient après C, cela n’est pas une abréviation de « digital ». Les amplificateurs de classeetsont parfois qualifiés, à tort, de numériques. Cette confusion vient de la forme d’onde de la sortie qui ressemble à un train d’impulsions numériques. En fait, ces amplificateurs fonctionnent sur le principe de la modulation de largeur d’impulsion. Un signal de sortie numérique serait en modulation d’impulsion codée.

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