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Les amplificateurs numériques existent-ils?

Message » 24 Mar 2006 20:02

Bonjour à tous les participants du forum. Je me présente, Sigma.

Mon attention a été attirée par les sujets abordés sur ce forum concernant les amplificateurs "numériques" ou plutôt, devrions-nous dire, amplificateurs à "commutation" et je me permet de soulever ici quelques questions à propos de cette nuance d'appellation.

Un amplificateur dit "numérique" devrait disposer d'une entrée numérique, d'un traîtement numérique, et une sortie numérique, n'est-ce pas?

Mais, en sachant que l'enceinte accoustique est un élément analogique et doit être connectée à la sortie de l'amplificateurt, un filtre passe bas jouant le rôle de convertisseur numérique / analogique doit être utilisé.

Par conséquence, la sortie d'un amplificateur ne peut pas être numérique.

Mais soyons large d'esprit, et assumons qu' un amplificateur comportant une entrée numérique, un traitement numérique et une sortie analogique puisse être appelé "amplificateur numérique".

En ce qui concerne l'entrée numérique, il n'y a aucun problème, plusieurs fondeurs proposent des solutions d'interfaçage SPDIF faciles à mettre en oeuvre.

En ce qui concerne le traîtement, c'est tout autre chose, car le principe de tout amplificateur "numérique" exploite le rapport du temps d'ouverture (Ton) au temps de fermeture (Toff) des transistors qui composent l'étage de puissance, comme le montre la relation suivante:

Tension de sortie = Ton / ( Ton + Toff ) x Tension d'alimentation

En respectant le théorème de Nyquist et en appliquant un coefficiant de 10, on peut estimer à 500 kHz la fréquence d'échantillonnage minimum nécessaire au traitement de la bande audio.

Pour que le traîtement puisse être dit "numérique", il faut que les temps de fermeture et d'ouverture des transistors aient des valeurs finies (65535 valeurs possibles pour un système à 16 bits).

Sachant qu'à 500 kHz la période est de 2 µs, la fréquence d'horloge nécessaire au cadencement d'un tel système serait de:

65535 / 0,000002 c'est à dire 33 Giga Hertz !!!! 10 fois la fréquence du Pentium 4 !


Des composants électroniques numériques fonctionnant à de telle fréquences dans ce domaine d'application n'existent pas encore !

Donc, si vous avez suivi, (heu ... vous avez suivi ?) pas de sortie numérique, pas de traîtement numérique.

Que reste t-il aux blondes ?

L'entrée numérique, dont le rôle ne serait autre que de convertir les mots de 16 bits en grandeur analogique afin d''être exploitable pour le traîtement.

Celà revient à peu près au même que d'utiliser la sortie analogique de la source en considérant que le convertisseur numérique / analogique n'est plus dans l'amplificateur mais dans la source elle-même, ce qui nous amène à l'amplificateur numérique avec une entrée analogique, un traîtement anlogique et une sortie analogique!

Les amplificateurs numériques existent-ils ?

L'article de Sciences et vie concernant les modules Gemincore n'est pas très explicite, l'auteur ayant confondu quelque peu un DSP avec un CPLD, ce qui n'est pas la même chose.

Les circuits logiques programmés dand le CPLD servent à générer les signaux et horloges nécessaires au cadencement du système d'échantillonnage, et n'éffectuent pas de traîtement du signal.


Sigma. :roll:
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Message par Google » 24 Mar 2006 20:02

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Message » 24 Mar 2006 20:23

Paaaaas du tout!
Un amplificateur numérique est celui qui sort directement en 16/24 bits.
En d'autres termes, qui a un convertisseur numérique/analogique de puissance.

L'amplificateur de classe D est bien un amplificateur analogique.
La classe de fonctionnement D est un mode de fonctionnement, tout comme la classe A, AB1 et AB2.

Le calcul qui donne 500 kHz, est celui qui donne la fréquence de hachage du signal analogique, donc en AUCUN cas il ne faut la multiplier par le nombre de valeurs des nombres de 16 bits, cela n'a absolument rien à voir. C'est comme demander deux litres de patates à son épicier.

Pour un calcul de bande passante en liaison série, en informatique, oui, on multiplie la fréquence par le nombre de bits, mais jamais, on ne multiplie quoi que ce soit par le nombre de valeurs possible d'une grandeur binaire.

En tout cas, sur la conclusion a propos de l'article de Science et vie, le sujet a dejà été abordé a la page 2 de ce meme sujet.
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Message » 24 Mar 2006 21:33

salut,

je sais pas d'ailleurs d'ou vient cette appellation "amplificateur numérique" à la classeD :o

Est ce qu'on dit d'une alim a decoupage que c'est une alim numérique :lol:

maintenant, le propre d'un amplificateur est d'amplifier d'un rapport défini ( le gain) une " variable " analogique.

Dans la mesure ou la sortie est analogique, je vois pas comment ou pourrait qualifier un amplificateur, d'ampli numérique. D'ailleurs, quel serait le role d'un ampli numerique, et qu'amplifierait il ? ( amha, sans de multiples conversion AD et DA, il ne pourrait pas faire grand chose, un 0 sera toujours un 0 et un 1 un 1 :lol: )

Quand a la frequence de decoupage, elle est souvent située autour de 500kHz, un forumeur qui a testé un zappulse a essayé de passer cette frequence à 1 Mhz, et a priori il trouvait le resultat positif, surtout dans les aigus.

Sans doute les limitations sont elles dues aux MOS et plus particulièrement aux temps de commutations.

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Message » 24 Mar 2006 21:41

Tiens, à ce propos, je trouve des MOSFET (HexFET) à 32/16ns, pour donner une idée des temps de commutation.
Le ton étant quasi toujours plus grand que le toff
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Message » 25 Mar 2006 4:07

Salut,

La relation que j'ai exposée avant est homogène et parfaitement correcte dans le cadre d'un traitement numérique car le modulateur doit présenter des intervales de temps finis, et pour celà on doit bien diviser la période par le nombre de pas possibles, c'est à dire 65535, pour obtenir la fréquence d'horloge minimum du modulateur.

C'est pour cette raison (entre autres) que les vrais amplis numériques ne peuvent exister et que tous les amplis en classe à commutation ( ou classe D ) sont forcément analogiques...

Les amplis qui se connectent à la sortie numérique de la source effectuent tout de suite une conversion numérique / analogique, ils permettentt uniquement de s'interfacer numériquement.
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Message » 25 Mar 2006 9:19

Ben si tu le dis... :roll:

Tiens, pour en rajouter, les Ton et Toff sont les temps de mise en conduction des transistors de puissance, PAS les durées de plateau... RIEN a voir avec le découpage PWM et le rapport cyclique qui est à la base de la classe D.
Il est utile pour estimer le rendement de tels ampli car c'est pendant ces temps qu'une perte se fait.

Sans vouloir vexer, il manque certaines bases. Mais c'est plus simple a expliquer sur des chronogramme et je n'en ai pas le temps. Mais pour faire simple, la classe D est un mode PWM, la fréquence est fixe, MAIS le rapport cyclique varie de façon continue. Rien à voir avec le mode de fonctionnement que tu sembles intuiter.
Pour résumer, l'entrée est un comparateur entre le signal d'entrée, et une référence qui est un signal triangulaire de la plus grande précision et linéarité possible. Le résultat est un signal carré en PWM, et c'est celui-ci qui commande les transistors de sortie qui travaillent toujours en commutation. A la sortie, le signal carré PWM de forte ampliture est filtré pour ne laisser que l'enveloppe et couper la fréquence de hachage, avec la meilleure réjection possible.

Tiens, j'ai trouvé une image qui montre le hachage :
Image

PS : on est bien tous d'accord pour dire que ce sont des modules analogiques...
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Message » 25 Mar 2006 10:30

Ah ca marche comme ca ! :o
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Message » 25 Mar 2006 10:32

lol, ben oui! :)
C'est hyper sioux, je trouve!
Et c'est pour cela que le rendement monte à plus de 95% (97% pour le Gemincorre).
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Message » 25 Mar 2006 18:12

Bien sur que ça marche comme ça! Mais le chronogramme montre un PWM analogique à rampe!

En ce qui concerne les Toff et Ton, tout est une question de contexte: dans le datasheet d'un mosfet, c'est effectivement le temps de mise en conduction, mais dans le cas d'un modulateur PWM, ils expriment la durée des "plateaux".
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Message » 25 Mar 2006 18:19

Pour en rajouter à mon tour, ce n'est pas pendant le Ton ou Toff des mosfets que les pertes on lieu, mais pendant le Tr (rise time) et le Tf (fall time).
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Message » 25 Mar 2006 19:26

Sigma a écrit:Pour en rajouter à mon tour, ce n'est pas pendant le Ton ou Toff des mosfets que les pertes on lieu, mais pendant le Tr (rise time) et le Tf (fall time).


C'est clair que les pertes peuvent difficilement avoir lieu lorsque le MOS est ouvert, par contre la majeure partie des pertes à lieu durant le Ton. Si le MOS etait parfait la Ron serait Nulle, Dans notre cas on a une paire de MOS qui doit avoir une Ron de quelques milliohms à quelques dizaine de millihoms, et cette resistance traversée par un courant qui peut typiquement aller jusqu'a 19 A créée une perte en chaleur qui représente les 2 à 3 % de perte de rendement. ( sachant en plus qu'il y a 2 MOS qui conduisent en même temps).

@++

Seb
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Message » 25 Mar 2006 19:53

Oui bien sur Seb, mais tu fais allusion aux pertes statiques, alors que les pertes durant le Tr ou le Tf représentent les pertes par commutation, ce qui est totalement différent.

Les pertes totales dans les mosfets sont la somme des pertes statiques et des pertes par commutation.
Sigma
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Message » 26 Mar 2006 12:11

Sigma a écrit:Oui bien sur Seb, mais tu fais allusion aux pertes statiques, alors que les pertes durant le Tr ou le Tf représentent les pertes par commutation, ce qui est totalement différent.

Les pertes totales dans les mosfets sont la somme des pertes statiques et des pertes par commutation.


Tu as dis plus haut: " Pour en rajouter à mon tour, ce n'est pas pendant le Ton ou Toff des mosfets que les pertes on lieu, mais pendant le Tr (rise time) et le Tf (fall time). "

Et je t'ai répondu: " par contre la majeure partie des pertes à lieu durant le Ton "

J'ai dit: la " MAJEURE" partie des pertes se fait par effet joule du à la Ron... les pertes dues à la charge Miller et autre est pour moi bien inférieur à la dissipation du MOS lorsqu'il conduit. :lol:

Je n'ai fait que rectifier ton propos erroné sur le fait que les pertes ne se font pas pendant le Ton...

@+
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Message » 26 Mar 2006 18:02

Mon propos n'était pas erroné car je faisait allusion aux pertes par commutation.
Et le fait que les pertes statiques soient plus ou moins importantes que les pertes par commutation dépend totalement du choix des mosfets et de l'architecture de la cellule de commutation.

Dans les modules Gemincore par exemple, les pertes par commutation sont sensiblement égales aux pertes statiques et valent à peu près 1,5 Watt RMS pour une puissance de sortie approximative de 120 Watts RMS sous 8 Ohms.

Quant aux amplis à commutation concurrents, ils souffrent d'un problème lié à la conduction simultanée qui engendre de forts pics de courant de croisement et donc des pertes par commutation qui sont bien supérieures à celles due à la RDSon des mosfets!

Le brevet de la cellule de commutation des modules Gemincore repose principalement sur l'absence de conduction simultanée.

++
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Message » 26 Mar 2006 18:04

Excusez moi pour la petite faute de frappe dans mon annonce précédente.
++
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