Brevet FR2646031A1 — publié le 19901019

La présente invention concerne les procédés et les dis- positifs pour traiter les signaux audio. Plus précisément, la présente invention concerne un amplificateur à commuta- tion à rendement élevé pouvant être avantageusement utilisé dans un appareil portatif fonctionnant sur pile. Les amplificateurs à commutation à rendement élevé utili- sés pour amplifier des signaux à des fréquences audio sont bien connus. Un tel système amplificateur est par exemple décrit dans le US-A-3 185 768 au nom de Cudahy, et intitulé Amplifier Circuit. Les systèmes amplificateurs à commutation connus produi- sent un signal de commutation modulé en largeur d'impulsions en réponse au signal audio d'entrée appliqué. Le signal mo- dulé contient des composantes qui reproduisent le signal audio d'entrée. Il contient en outre des composantes à haute fréquence associées à la fréquence du signal de commutation et de ses harmoniques. Le signal de commutation modulé peut être utilisé pour produire des signaux d'entrée pour des commutateurs à l'état solide. Les commutateurs à l'état solide produisent un si- gnal de sortie sur une charge. Lorsque la charge présente une composante inductive, ou que l'on a un filtre inductif en série avec la charge, les composantes du courant de charge présentant les fréquences les plus élevées seront atténuées. Du fait des limitations imposées à la valeur maximale et à la qualité des composants inductifs, il peut se faire que l'on ait encore un passage de courant appréciable associé aux composantes de fréquences les plus élevées du signal de sortie. Ce passage de courant est particulièrement apparent pour les faibles amplitudes du signal audio d'entrée. L'utilisation d'un filtre inductif n'est pas souhaitable car celui-ci augmente les dimensions et le poids de l'ampli- ficateur. Il en grève également le coût. En outre, en l'absence de signal d'entrée audio modulant, le signal de commutation apparaît souvent sur la charge sous forme d'une onde carrée. Cette onde carrée a une amplitude correspondant aux valeurs limites de crête en sortie de l'amplificateur à la fréquence de la forme d'onde de commutation. La tendance est d'utiliser de tels éléments dans les dis- positifs portatifs alimentés par pile. Il en résulte qu'il est particulièrement souhaitable de minimiser les dimensions et le poids, ainsi que les pertes énergétiques par la pile, en particulier lorsque le signal audio d'entrée a une ampli- tude pratiquement nulle. Conformément à la présente invention, un amplificateur à commutation à rendement élevé produit une représentation amplifiée d'un signal d'entrée sur une charge. L'amplifica- teur comprend des circuits permettant de produire une forme d'onde d'horloge haute fréquence choisie. La forme d'onde à haute fréquence est reliée à un premier et à un second modu- lateur de largeur d'impulsion. Le signal d'entrée à ampli- fier est également appliqué aux deux modulateurs. L'une des entrées de l'un des deux modulateurs est inversée. Chaque modulateur produit une forme d'onde de commutation modulée en largeur d'impulsion en réponse aux valeurs instantanées du signal d'entrée. Un circuit de commutation de sortie push-pull en pont est relié à la sortie de chacun des circuits modulateurs. La charge est montée entre une première et une seconde borne du pont de sortie. Une représentation amplifiée du.signal d'entrée à la fré- quence audio apparait entre la première et la seconde borne de sortie de l'étage de sortie push-pull en pont, et elle est délivrée à la charge. Si la charge est inductive, le courant dû aux composantes à haute fréquence des signaux de commutation modulés en largeur d'impulsions sera atténué, procurant ainsi un rendement élevé. Un avantage particulier de l'amplificateur de la présente invention est que, si le signal d'entrée a une valeur prati- quement égale à zéro, la représentation amplifiée délivrée à la charge présente également une valeur pratiquement égale à zéro. Aucun signal impulsionnel ou de commutation n'est dé- livré à la-charge dans ce cas. Les modulateurs de largeur d'impulsion comprennent cha- cun, dans un premier mode de réalisation, un comparateur permettant de comparer l'amplitude du signal d'entrée à l'amplitude de la forme d'onde d'horloge à haute fréquence. L'entrée de l'un des modulateurs est un représentation inversée du signal électrique d'entrée. La forme d'onde d'horloge peut être une forme d'onde à laquelle on donne une forme triangulaire. En variante, la forme d'onde d'horloge peut être une dent de scie. Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, au lieu d'inverser le signal électrique d'entrée on peut inverser le signal d'horloge à haute fréquence appliqué en entrée de l'un des comparateurs. L'étage de sortie push-pull en pont de l'amplificateur comprend quatre éléments de commutation tels que des tran- sistors à effet de champ. La charge est montée entre la pre- mière et la seconde borne de sortie du pont. Du fait de la commutation alternée des diverses paires d'éléments de commutation du pont, on peut appliquer à la charge un signal de sortie à trois niveaux même si l'on n'utilise qu'une unique source d'énergie électrique pour alimenter l'amplifi- cateur. Dans encore un autre mode de réalisation, les modulateurs peuvent comprendre chacun un générateur de largeur d'impul- sion commandé par une tension ou par un courant. Le signal d'horloge à haute fréquence peut être appliqué à une entrée d'horloge de chaque générateur. Le signal d'entrée peut être appliqué à l'entrée de largeur d'impulsion de l'un des générateurs. On peut appliquer un signal d'entrée inversé à l'entrée de commande de largeur d'impulsions du second géné- rateur. La séquence de sortie modulée en largeur d'impul- sions produite par chacun des deux générateurs peut être appliquée à une entrée respective de l'étage de sortie en pont. Dans encore un autre mode de réalisation de la présente invention, un système de traitement d'un signal acoustique comprend des circuits pour capter le signal acoustique et pour produire un signal électrique en réponse à celui-ci. Le signal électrique est amplifié dans un amplificateur à commutation comprenant un premier et un second circuit modulateur interconnectés de la manière décrite plus haut. La sortie de l'amplificateur à commutation est reliée à un transducteur permettant de convertir les signaux électriques amplifiés en un signal acoustique de sortie. De nombreux autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de l'invention et de certains modes de réalisation de celle-ci, faite en réfé- rence aux dessins annexes. La figure 1 est un schéma par blocs illustrant un ampli- ficateur à commutation selon la présente invention. Les figures 2A à 2C sont des séries de chronogrammes illustrant les formes d'onde présentes dans l'amplificateur à commutation de la figure 1. La figure 3 est un schéma détaillé d'un amplificateur à commutation selon la présente invention. La figure 4 est un schéma par blocs d'un prothèse auditi- ve et unité de traitement audio selon la présente invention. La figure 5 est un schéma par blocs partiel d'une vari- ante de configuration du modulateur, utilisable dans un amplificateur à commutation selon la présente invention. La figure 6 est un schéma par bloc partiel d'encore un autre système de modulation, utilisable dans un amplifica- teur à commutation selon la présente invention. La figure 7 est une variante d'étage de sortie, utili- sable avec l'un quelconque des modulateurs précités. Bien que la présente invention soit susceptible de nombreuses formes différentes de réalisation, on en a donné dans la présente description et sur les dessins annexés qu'un mode de réalisation particulier, étant bien entendu que cette description ne doit être considérée qu'à titre d'illustration des principes de la présente invention, sans aucun caractère limitatif pour celle-ci. La figure 1 illustre un schéma par blocs d'un système amplificateur à commutation 10 à rendement élevé selon la présente invention. Le système 10 comprend une source 12 de signaux à haute fréquence d'horloge ou de comparaison. La source 12 comporte un oscillateur 14 qui délivre un train d'impulsions de signaux électriques à un générateur de forme d'onde triangulaire 16. Le générateur 16, en combi- naison avec l1oscillateur d'horloge 14, génère une forme d'onde de forme triangulaire ayant une fréquence de l'ordre de 100 kHz. Le système 10 comprend un premier et un second com- parateur 20 et 22. Le signal en sortie du générateur de forme d'onde triangulaire 16, présent sur une ligne 24, est appliqué à une entrée positive de chacun des comparateurs 20 et 22. Le système 10 comprend également un circuit inverseur 28. Le circuit inverseur 28 peut être réalisé sous forme d'un amplificateur opérationnel configuré de manière à présenter un gain de -1. On applique au système 10, sur un port d'entrée 30, un signal d'entrée électrique à amplifier. Le port d'entrée 30 est, quant à lui, relié à une entrée négative du comparateur 20 et à l'entrée de l'inverseur 28. La sortie de l'inverseur 28 est reliée à une entrée négative du comparateur 22. Comme on peut le voir sur le schéma de la figure 1, les comparateurs 20 et 22 reçoivent la même forme d'onde de comparaison du générateur 16. Cependant, du fait de l'inverseur 28, les signaux modulants appliqués, respecti- vement, aux comparateurs 20 et 22 sont déphasés. Le signal de sortie du comparateur 20, qui est un train d'impulsions modulé en largeur d'impulsions Si, présent sur une ligne 34, est quant à lui appliqué à un premier élément de commutation 36. Le signal de sortie du comparateur 22, qui est un train d'impulsions modulé en largeur d'impulsions S2, et qui est présent sur une ligne 38, est appliqué à un second élément de commutation 40. Les éléments 36 et 40 forment un pont de sortie push-pull à quatre éléments. Du fait qu'un étage de sortie en pont est incorporé à l'amplificateur 10, on n'a besoin que d'une seule source d'énergie électrique (B+) pour produire un si- gnal de sortie sur trois niveaux. L'élément de commutation 36 comprend un inverseur 42 avec une ligne de sortie reliée à un premier commutateur à tran- sistor 44. Le signal de sortie du comparateur 34 est relié à un second commutateur à transistor 46 au sein de l'élément 1O de commutation 36. L'élément de commutation 40 est identique à l'élément de commutation 36. Des organes conducteurs de sortie 50 et 52 sont, chacun, reliés au commutateur à transistor d'un élément de commuta- tion respectif 36 ou 40. Par exemple, 1'é organet conducteur 50 est relié aux commutateurs à semiconducteurs 44 et 46. La même source de tension, qui peut être une pile au mercure à base tension de l'ordre de 1,3 V, ou une pile de tension plus élevée de 3 V, est reliée à chacun des éléments de com- mutation 36 et 40. Un signal de sortie est produit aux bornes des organes conducteurs 50 et 52. Une charge L peut être montée entre ces derniers. Comme on le décrira par la suite, une repré- sentation amplifiée du signal électrique appliqué au port d'entrée 30 apparaît aux bornes des organes conducteurs 50 et 52, et est donc appliquée à la charge L. Le système amplificateur à commutation 10 de la figure 1 est particulièrement avantageux par le fait que ses circuits réduisent notablement l'amplitude des composantes de commu- tation à haute fréquence du signal de sortie apparaissant aux bornes des organes conducteurs 50 et 52. Il en résulte que l'on n'a besoin d'aucun filtre inductif distinct si la charge L présente une impédance par elle-même inductive. Ceci est habituellement le cas pour les récepteurs de pro- thèses acoustiques destinés à produire une réponse en fré- quence acoustique située dans la plage d'audition normale qui est de l'ordre de 100 Hz à 10000 Hz. La figure 2 illustre, pour diverses conditions de modu- lation, certaines des formes d'onde associées au système 10 et présentes sur les lignes 50 et 52. Les éléments de commutation 36 et 40, configurés de la manière illustrée figure 1 et pilotés par les comparateurs 20 et 22, combinent les signaux électriques se trouvant sur la ligne 34 et sur la ligne 38 par soustraction l'un de l'autre à l'endroit des organes conducteurs 50 et 52. La figure 2A illustre les signaux 'de sortie sur les lignes 50 et 52 lorsque le signal électrique d'entrée sur le port d'entrée 30 produit une situation de modulation posi- tive à 60 %. Le chronogramme de sortie des lignes 50 et 52 est le signal de sortie push-pull appliqué à la charge L. Il correspond à la différence entre les signaux présent sur les lignes 50 et 52. La figure 2B illustre les signaux de sortie sur les lignes 50 et 52 lorsque le signal électrique d'entrée sur le port d'entrée 30 présente une valeur instantanée nulle, pro- duisant alors une condition de non-modulation sur la charge L. Comme on peut le voir d'après la figure 2B, les signaux de sortie sur les lignes 50 et 52 sont identiques. Dès lors, la différence entre les lignes 50 et 52 produit un signal, délivré à la charge L, dont l'amplitude est de valeur essentiellement nulle. Ce signal d'amplitude nulle est particulièrement avantageux du fait qu'aucun signal de commutation n'est appliqué à la charge lorsque la tension d'entrée présente une valeur de zéro volt. Les formes d'onde de la figure 2C illustrent les signaux de sortie sur les lignes 50 et 52 lorsque le signal élec- trique d'entrée produit une situation de modulation négative à 60 %. Le chronogramme de sortie des lignes 50 et 50 et 52 est le signal de sortie push-pull appliqué à la charge L. La figure 3 est un diagramme schématique d'un circuit ré- alisé à partir du système 10 de la figure 1. Les éléments du système amplificateur 10 de la figure 3 correspondant aux mêmes éléments que sur la figure 1 sont référencés par des valeurs numériques identiques. Sur le schéma de la figure 3, l'oscillateur d'horloge 14 a été réalisé sous la forme d'une paire d'inverseurs montés en série. Le générateur de forme d'onde triangulaire 16 a été réalisé avec une flip-flop D combinée à une résistance et un condensateur. Le pont de sortie, constitué des éléments de commutation 36 et 40, a été représenté sur la figure 3 réalisé sous la forme d'un élément CMOS de type 74HCU04, disponible dans le commerce. Les éléments comparateurs 20 et 22 illustrés sur la figure 3 sont des composants de sortie à collecteur ou- vert qui nécessitent des résistances de charge de sortie 21 et 23. En variante, on pourrait utiliser des comparateurs avec des sorties à forçage vers le haut ou forçage vers le bas (montage "totem pole"), afin d'avoir une moindre dissi- pation de puissance. La figure 4 est un schéma par blocs général d'une prothèse auditive ou d'un système de traitement acoustique 60. Le système de traitement acoustique 60 comporte un mi- crophone d'entrée 62. Le microphone d'entrée 62 convertit un signal acoustique d'entrée PE en un signal électrique cor- respondant. Le signal électrique produit par le microphone 62 peut être amplifié dans un préamplificateur 64. Le signal de sortie produit par le préamplificateur 64 sur la ligne 30 correspond au signal d'entrée de l'amplificateur à commu- tation 10. On peut appliquer à un récepteur 66 le signal de sortie produit par l'amplificateur à commutation 10 sur les lignes et 52. Le récepteur 66 convertit les signaux électriques sur les lignes 50 et 52 en un signal acoustique de sortie Ps. Le système amplificateur 10 présente plusieurs avantages notables par rapport à un amplificateur à commutation clas- sique du type amplificateur en classe D. L'un des avantages du système 10 est que les composantes à haute fréquence du signal de commutation et leurs harmoniques qui sont présen- tes dans la tension de sortie de charge sur les lignes 50 et 52 sont notablement plus faibles que dans le cas d'un amplificateur à commutation classique en classe D. En outre, lorsque la tension de sortie sur la borne d'entrée 30 du système 10 est de l'ordre de zéro volt, il n'y a prati- quement aucun signal de commutation appliqué aux bornes des conducteurs de sortie 50 et 52, comme cela serait le cas avec un amplificateur à commutation standard en classe D. En outre, pour des signaux d'entrée à bas niveau, le système 10 aura besoin d'un courant plus faible qu'avec un amplifica- teur classique en classe D. Enfin, en ce qui concerne la réalisation détaillée du système illustré figure 3, des variations de la tension de référence appliquée à une ligne 28a de l'inverseur 28 ne provoquent pas le passage dans la charge L d'un courant continu net. Les variations de la tension de référence VR n'apparaissent que sous la forme d'un décalage en mode commun en sortie sur chacune des lignes 50 et 52. Dans un amplificateur classe D classique, de telles variations de la valeur du point de fonctionnement au repos produiraient le passage d'un courant continu dans la charge L. On a illustré figure 5 une variante du système modulateur , utilisable avec l'amplificateur 10. Le système modula- teur 70 comprend les comparateurs 20 et 22, qui sont tous deux reliés au port d'entrée 30. Le système modulateur 70 comporte également le générateur de forme d'onde triangulai- re 16 et l'amplificateur opérationnel inverseur 28. Cepen- dant, dans le système modulateur 70, on inverse la sortie du générateur de forme d'onde triangulaire 16 avant de l'appliquer au comparateur 22. Les sorties des comparateurs et 22, qui sont les signaux Sl et S2 sur les lignes 34 et 38, peuvent être appliqués à l'étage de sortie push-pull en pont 36, 40 illustré sur la figure 1. La figure 6 illustre un autre système modulateur 74. Le système modulateur 74 comporte une source d'impulsions d'horloge à haute fréquence 76. Les impulsions de sortie de la source 76 sont appliquées à des entrées d'horloge de circuit générateur à largeur d'impulsion variable 78 et 80. Les circuits à largeur d'impulsion variable 78 et 80 peuvent être, par exemple, réalisés au moyen de multivibrateurs monostable. Comme illustré figure 6, l'entrée de commande de largeur d'impulsions de chacun des générateurs 78 et 80 est reliée, respectivement, au signal d'entrée et au signal d'entrée inversé. Les deux formes d'onde modulées en largeur d'impul- sions Si et S2 produites sur les lignes 82 et 84 peuvent, quant à elles, être reliées à l'étage de sortie push-pull en pont 36, 40 de la figure 1 de manière à piloter la charge. La figure 7 illustre une variante, à une seule sortie, de l'étage de sortie 90. L'étage de sortie 90 utilise une source négative et une source positive coopérant avec trois éléments commutateurs non inverseurs à semiconducteurs 92, 94 et 96. Les signaux d'entrée des éléments commutateurs 92, 94 et 96 sont délivrés via des signaux d'entrée codés sur les lignes 92a, 94a et 96a. Les entrées codées sont obtenues à partir des formes d'onde de sortie modulées en largeur d'im- pulsions Si et S2 et peuvent être produites en utilisant l'un quelconque des systèmes modulateurs décrits plus haut, combiné à une logique numérique classique. Les sorties des éléments de commutation 92, 94 et 96 sont reliées ensemble en un noeud de sortie 98, lui-même relié à la charge. Comme c'était le cas avec l'étage de sortie push- pull 36, 40 décrit plus haut, l'étage de sortie 90 produit sur la charge une sortie à trois niveaux. Lorsque la valeur instantanée du signal électrique d'entrée est de pratique- ment zéro volt, l'étage de sortie 90 délivre pratiquement zéro volt à la charge. On comprendra que le système amplificateur de la présente invention peut être utilisé non seulement en vue d'amplifier des signaux à fréquence audio mais également pour amplifier d'autres signaux. Parmi les autres applications possibles, on peut citer par exemple les signaux de commande tels que ceux qui peuvent être utilisés pour commander la vitesse d'un arbre tournant d'un moteur. On comprendra en outre que l'amplificateur de la présente invention peut être avan- tageusement utilisé chaque fois que l'on a besoin d'un appa- reil portatif à rendement élevé fonctionnant sur piles. REVENDICATIONS 1. Un amplificateur à commutation à rendement élevé, conçu pour amplifier un signal électrique d'entrée qui lui est appliqué, caractérisé en ce qu'il comprend: - un premier moyen générateur (20), pour produire une première séquence d'impulsions (Sl) présentant des largeurs d'impulsion modulées en réponse au signal d'entrée appliqué, - un second moyen générateur (22), pour produire une seconde séquence d'impulsions (S2) présentant des largeurs d'impulsion modulées en réponse à une représentation inver- sée du signal d'entrée appliqué, et - un moyen combineur (36, 40), pour combiner ladite pre- mière et ladite seconde séquence d'impulsions. 2.. L'amplificateur de la revendication 1, comprenant un moyen (28) pour inverser le signal d'entrée appliqué. 3. L'amplificateur de la revendication 1 comprenant un moyen (14, 16), relié auxdits moyens générateurs, pour pro- duire une forme d'onde prédéterminée de fréquence choisie. 4. L'amplificateur de la revendication 3, conçu pour délivrer à une charge (L) une représentation amplifiée du signal d'entrée qui lui est appliqué, dans lequel: - le premier moyen générateur (20) comprend un premier modulateur, pour moduler ladite forme d'onde par le signal d'entrée, - le second moyen générateur (22) comprend un second modulateur, pour moduler ladite forme d'onde avec déphasage par rapport au premier modulateur, et le moyen combineur (36, 40) comporte un étage de sortie à commutation, relié au premier et au second modulateur, pour délivrer à la charge une représentation amplifiée du signal d'entrée. 5. L'amplificateur de la revendication 1, comprenant un inverseur (28), situé entre le signal d'entrée et le second modulateur. 6. L'amplificateur de la revendication 4, dans lequel ledit étage de sortie comporte un pont de commutation à quatre éléments (44, 44, 46, 46). 7. Une prothèse auditive, caractérisée en ce qu'elle comporte: - un amplificateur à commutation à rendement élevé (10) selon la revendication 1, - un boîtier, - un moyen (62), supporté par ce boîtier, pour capter un signal acoustique d'entrée à amplifier et pour produire un signal électrique correspondant à celui-ci, lesdits moyens générateurs et ledit moyen combineur étant supportés par le boîtier, ledit signal électrique étant appliqué aux moyens générateurs pour produire une représen- tation amplifiée du signal électrique sur au moins un premier organe conducteur de sortie (50, 52) comprenant un moyen pour supprimer les transitoires de commutation en l'absence de ce signal électrique, et - un moyen transducteur de sortie (66), relié à cet organe conducteur de sortie, pour produire un signal acous- tique correspondant au signal électrique. 8. Le prothèse auditive de la revendication 7, comprenant en outre: - un moyen pour former une forme d'onde périodique d'am- plitude et de fréquence choisies. 9. Un procédé de traitement d'une forme d'onde acoustique, caractérisé en ce qu'il utilise un amplificateur à commutation selon la revendication 1 et en ce qu'il com- prend les étapes consistant à: - capter la forme d'onde acoustique à traiter, - produire un signal électrique d'entrée correspondant à la forme d'onde captée, - produire un premier signal modulé en largeur d'impul- sions en réponse au signal électrique d'entrée, - produire un second signal modulé en largeur d'impul- sions en opposition de phase par rapport à la modulation du premier signal, - retrancher le second signal de commutation du premier, donnant un signal électrique de sortie, et - convertir ce signal électrique de sortie en une forme d'onde acoustique de sortie. 10. Le procédé de traitement d'une forme d'onde acous- tique de la revendication 9, comprenant en outre l'étape consistant à: - inverser le signal électrique d'entrée produit.