Amplificateurs audio fréquence Classe A, AB et D

Résumé
Compte tenu de la capacité limitée des piles et batteries, les systèmes audio portables (PC et téléphones portables, lecteurs MP3, jouets électroniques...) nécessitent des amplificateurs de puissance avec de forts rendements. Les amplificateurs classe D où les transistors fonctionnent en commutation offrent en pratique des rendements de l'ordre de 90%, bien supérieurs aux rendements des classiques classes A et AB et avec des taux de distorsion de l'ordre de 0,1 à 0,01%. Les amplificateurs classe D traditionnels utilisant un signal MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion, en anglais PWM pour Pulse Width Modulation) requièrent un filtre passe bas pour limiter le rayonnement. Pour remédier au fait que les inductances des filtres coûtent chers et sont encombrantes, on utilise de plus en plus les techniques d'étalement de spectre pour réduire le rayonnement. Ainsi sont apparus depuis quelques années déjà les amplificateurs classe D sans filtre (Filterless Class D Audio Power Amplifier).

Cet article est rédigé sous forme d'un exercice dirigé, avec une correction type. On se propose d'expliquer la classe D traditionnelle avec un signal de commande PWM, s'ensuit une discussion sur les techniques d'étalement de spectre visant à réduire le rayonnement et éliminer le filtre passe-bas. Dans une première partie on revisite les rendements des amplificateurs en classe A et AB en utilisant des caractéristiques très simplifiées des composants afin de dégager les ordres de grandeur. La deuxième partie est un préliminaire à l'amplificateur en classe D, on y construit un amplificateur à fort rendement mais avec un taux de distorsion non négligeable. La dernière partie est dédiée à l'étude d'un amplificateur classe D, on calcule dans un cas particulier le spectre approché d'un signal PWM et le taux de distorsion associé. L'article se termine par une discussion sur les amplificateurs en classe D sans filtre et une présentation des principales caractéristiques de quelques circuits intégrés disponibles sur le marché.