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Explication et fonctionnement CLASSE D


 
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jonathan
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MessagePosté le: Jeu 4 Oct - 20:43 (2007)    Sujet du message: Explication et fonctionnement CLASSE D Répondre en citant

AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE CLASSE D  
Ph Dondon © Copyright  2000  
 
 
L'intérêt principal de l'amplification classe D est son excellent rendement (jusqu'à 95%). On trouve maintenant des amplificateur intégrés (Philips etc ) pour des applications audio. 1) Rappel des différentes classes d'amplificateurs
 

classes 
A 
B ou AB 
C 
D 
Avantages  
un seul transistor  
distorsion quasi nulle 
2 transistors rendement compris entre 0,6 et 0,7  
un seul transistor  
rendement >0,7 
2 ou 4 transistors fonctionnant en tout ou rien, rendement élevé>0,9 
Inconvénients 
rendement très faible consommation permanente 
montage push pull avec distorsion et point de repos difficile à stabiliser 
utilisation bande étroite 
nécessite un filtre de sortie passif élaboré  
distorsion non optimale 
Applications 
ampli de faible puissance (<1W) 
ampli audio, étage de sortie d'AOP 
ampli sélectif multiplieur de fréq 
ampli audio, pilotage moteur 

2) Principes de l'amplificateur classe D
2.1) Schéma
Le schéma de principe du système est donné en figure 1. Le schéma électronique complet est donné à la fin du texte du TP.


Figure 1 
Le signal audio est comparé à un signal triangulaire de haute fréquence. On obtient ainsi un signal intermédiaire, rectangulaire, modulé en largeur d'impulsion (PWM), au rythme du signal audio. Ce train attaque, au travers de drivers, des transistor MOS de puissance( complémentaires ou non) travaillant en "ON/OFF" et alimentés par une tension d'alimentation élevée (> à 30V) permettant d'obtenir un gain en courant important. Cet étage peut être constitué d'un demi-pont ou d'un pont en H complet. Un filtre de sortie, placé entre l'étage MOS et la charge (Haut parleur), permet de restituer la composante BF (audio).Le réseau de contre réaction fixe le gain en tension du montage et sera plus complexe dans le cas d'un pont en H complet. 2.2) Modulation PWM
La modulation PWM consiste à coder un signal analogique sous forme d'un train numérique dont la largeur des impulsions dépend de l'amplitude du signal modulé. La réalisation électronique de cette fonction est donnée en figure 2.

Figure 2 
Le taux de modulation m, est exprimé par le rapport de l'amplitude Vbfe du signal audio d'entrée à celle du signal triangulaire Vtri. m = Vbfe/Vtri avec 0<m<1
Si wbf est la pulsation du signal audio et Ttri la période du signal triangulaire la durée t de l'impulsion sur la sortie modulée peut s 'exprimer par :
t = to (1+m sin (wbf t) ) avec to =Ttri /2
Le "gain équivalent" basse fréquence du modulateur ( rapport de l'amplitude de la composante BF du signal modulé à l'amplitude de l'entrée Vbfe ) est constant. Il s'exprime en première approximation et après décomposition de Fourier du signal PWM par :
Gpwm = Vd/(2.Vtri ) où Vd = amplitude du signal PWM
3) Calcul des principaux éléments de l'amplificateur
3.1) Analyse spectrale du signal traité
Soit Ftri la fréquence du signal triangulaire et Fbf la fréquence du signal à moduler, considéré ici comme sinusoidal pur à 10KHz. La décomposition fréquentielle du signal modulé est présentée figure 3 pour deux taux de modulation de 5% et 99%. Le calcul analytique du spectre étant quasiment impossible, seule une simulation numérique peut en donner les caractéristiques rapidement. 

 
Figure 3 
On retrouve une raie à la fréquence bf (celle qui nous intéresse) puis des raies à n.Ftri ± k.Fbf dont le "dosage" dépend du taux de modulation : plus le taux de modulation est faible, plus le signal de sortie est pauvre en niveau BF et riche en raies HF et inversement. Mais l'amplitude de la raie BF ne pourra pas jamais dépasser Vbf max= 0,5.Vd (Vd = amplitude du signal PWM et m = 99%, cf § III.2). D'où l'importance du choix des amplitudes et fréquences relatives des signaux BF et triangulaire.
Par ailleurs, le filtre BF de sortie permettant de transmettre le signal audio au haut parleur, devra également être calculer en conséquence.
En pratique, l'on prendra Ftri au moins supérieure ou égale à 10 Fbf max pour en faciliter sa mise en oeuvre.
3.2) Dimensionnement de l'amplificateur
A partir de la puissance maximale à fournir à la charge R, "supposée résistive dans la bande audio" (Haut parleur 8 ou 4 W), on détermine premièrement l'amplitude de la raie BF utile du spectre modulé par P=Vbfs2/R. En négligeant l'atténuation du filtre BF de sortie, la chute de tension dans les transistors MOS à l'état passant et en partant du spectre correspondant au taux maximum de modulation d'un signal sinusoïdal pur, on en déduit la tension minimum d'alimentation Va du pont MOS (par Vbfs max = 0,5.Vd.(2Va/Vd) = Va ). Connaissant le niveau BF audio normalisé à l'entrée de l'amplificateur, l'on en déduit le gain en tension à réaliser.
Le courant instantané maximum (Va/R)traversant les transistors de puissance MOS et la nécessité d' un R"on" faible (minimisation des pertes en conduction) permet le choix de ceux-ci.
Le rendement de l'amplificateur dépend essentiellement des pertes en conduction et en commutation des transistors MOS et des pertes du filtre de sortie. Il sera maximum pour un taux de modulation maximum et sera donc calculé dans ce cas.

4) Analyse du schéma complet
Le schéma "simplifié" de l'amplificateur utilisé est le suivant :


Figure 4 
4.1) Etage driverLe driver, intercalé en étage tampon entre le modulateur PWM basse tension et le pont, permet d'assurer la commutation des transistors NMOS dans les meilleures conditions :
- Il fournit les courants nécessaires à la charge et décharge des capacités de grilles (plusieurs centaines de pF !) des transistors MOS aux instants de commutation.
- Il génère un temps mort pour éviter la mise en conduction simultanée de deux transistors de la même branche au moment de la commutation.
- Il pilote les transistors NMOS du "haut" grâce à circuit de décalage de niveau (bootstrap).
- Il gère la protection sur-intensité dans le pont.
Les caractéristiques du circuit utilisé HIP4080 sont données en annexe.
4.2) MOS de puissance, montage bootstrap
Le montage en pont complet permet de gagner un facteur deux sur la tension disponible en sortie par rapport à un montage en demi pont.
La commande des transistors NMOS du "haut" dont la source est à un potentiel flottant, est assurée par un montage "bootstrap" à diode et capacité similaire à un circuit de redressement. (cf schéma en annexe). La valeur des condensateurs doit être suffisamment grande pour maintenir, pendant la durée maximale d'une impulsion de commande, la tension grille source nécessaire à conserver le transistor ON. (Vgs"on ~ 12 à 15V pour un transistor MOS de puissance)
Les diodes anti parallèles intrinsèques aux transistors (non représentées sur le schéma) limitent les surtensions sur ceux ci aux instants de commutations.
4.3) Circuits de protection
Le circuit de protection sur intensité est constitué d 'un shunt, d'un comparateur à seuil, d'un système de visualisation d'alarme et d'une inhibition du driver. En cas de dépassement, un réarmement manuel de l'amplificateur est nécessaire.



figure 5 
4.4 ) Générateur de triangleLe générateur de triangle MAX 038 est constitué d'un circuit à charge et décharge de condensateur. L'amplitude du signal est de ± 1V. Un décalage de tension de +6V est effectué pour attaquer correctement le driver (alimenté en 0 -12V). Sa fréquence doit être supérieure à 200KHz. Un défaut de linéarité se répercute directement sur la qualité de la modulation et donc sur la distorsion .
4.5 ) réseau de contre réaction
Le schéma exact du réseau est donné en figure 6 :



Figure 6 
Sa fonction de transfert s'écrit :


Son gain dans la bande passante audio est : 
Il s'agit donc d'un filtre actif du premier ordre dont le choix et le positionnement sera justifié plus loin.

5) Analyse du système en boucle fermé
5.1 ) Modélisation en fréquence Audio et gain en tension
D'un point de vue strictement fréquence audio, le modulateur PWM (cf § III.2) et le pont peuvent se modéliser par un simple gain K, proportionnel à Gpwm et au rapport de la tension d'alimentation du pont Va (multipliée par deux pour une structure en H), à celle du modulateur Vd.
K = Gpwm .2Va/Vd Soit K = Va/Vtri 
Par ailleurs, le réseau de contre réaction est (pour ces fréquences) équivalent à un gain réel pur. On peut donc modéliser le circuit comme indiqué en figure 7. Ce qui permet de faire une approche traditionnelle petit signaux du montage.




Figure 7 
Puis par simplification :



Figure 8 
On se ramène donc ainsi à un schéma équivalent aux basses fréquences qui permet de dimensionner les composant utilisés à partir de la fonction de transfert en boucle fermée :
B(p) = (V1-V2)/Ve 
qui s'exprime par :


5.1.1) Calcul des composants de la chaine
D'un point de vue dynamique, on déduit les valeurs de résistances et capacités voulue à partir de la fonction de transfert écrite ci avant, du gain en tension Gv souhaité, de la bande passante audio BP et du gain K estimé :



D 'un point de vue continu, on s'assurera que la composante moyenne est nulle aux bornes du haut parleur.
5.1.2 ) stabilité
La contre réaction devrait être prise juste avant le haut parleur pour une réduction optimale de l'incidence de la chaine directe et une minimisation du taux de distorsion. En fait, elle est prise avant le filtre de sortie pour limiter les problèmes de stabilité. Le filtre de sortie apporte en effet une rotation de phase qui serait difficile à compenser.
Remarque importante : la sortie différentielle V1 - V2 du pont en H est appliquée à l'entrée du réseau de contre réaction. Or, le schéma de la figure 8 du § VI.1) n 'est valable que si K est positif. Dans le cas contraire l' amplificateur serait réactionné et non contre réactionné. Il est donc important de s 'assurer lors de la conception, que l'on applique V1-V2 et non V2-V1 sur le réseau.
5.1.3) influence de la tension d'alimentation du pont
Toutes choses étant égales par ailleurs :
- si la tension d'alimentation augmente alors le gain K de la chaine directe augmente; le signal à l'entrée du modulateur PWM diminue, le taux de modulation diminue, les raies HF augmentent. La distorsion HF et la "bande passante BF" en boucle fermée (avant filtre de sortie) augmente : le "souffle" augmente et par suite le rapport signal/bruit se dégrade et le rendement se détériore.
- si la tension d'alimentation diminue , le taux de modulation augmente. Au pire, le signal BF peut être quasiment toujours supérieur en amplitude au signal triangulaire. On a alors la modulation ci-dessous :

Figure 9 
L'amplificateur sature et le signal de sortie est alors pratiquement un signal carré de fréquence fondamentale Fbf. Les harmoniques 3, 5, 7 passent dans le filtre de sortie apportant une distorsion audio importante.


Figure 10 
La tension d'alimentation du pont doit donc être choisie rigoureusement. 6) Filtre de sortie
Il s'agit d'un filtre passif du deuxième ordre de fréquence de coupure 20KHz. Le choix de l'ordre résulte d'un compromis complexité - efficacité de filtrage des raies Ftri. D'ailleurs, le HP et l'oreille humaine étant des filtres passe-bas, il n'est nul besoin de recourir à un filtre plus sophistiqué.


Figure 11 
La résistance 3,9W et le condensateur de 0,47mF sont choisis en fonction des caractéristiques du haut parleur et compensent son aspect inductif. 7) Imperfection des composants
Le comparateur effectuant la PWM doit avoir un temps de montée le plus petit possible et en tout cas petit devant la plus petite largeur d'impulsion réalisable. Par ailleurs le filtre de sortie, s'il est mal adapté au haut parleur, engendrera pertes et réponse non "plate" dans la bande passante. Il est donc fondamental de caractériser le Haut parleur.
Cool Une nouvelle jeunesse pour le classe D
Bien longtemps le classe D esr resté dans les tiroirs à cause de sa complexité et sa difficulté d'intégration. Depuis 1999, grâce aux progrès technologiques qui permettent maintenant d'intégrer sur un même substrat des composants de puissance, de la logique et des circuits de commande basse tension, Philips et National semi conducteur proposent des ampli classe D jusqu'à 50W dans le commerce pour des applications grand public auto radio par exemple...






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MessagePosté le: Jeu 4 Oct - 20:43 (2007)    Sujet du message: Publicité

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jonathan
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MessagePosté le: Mar 9 Sep - 19:27 (2008)    Sujet du message: Explication et fonctionnement CLASSE D Répondre en citant

et voila un autre cours

sur les fonctionnement complet des amplificateurs et leur classe

http://fr.wikipedia.org/wiki/Classes_de_fonctionnement_d'un_amplificateur_é…

tres interressant

salutation

jonathan
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