Brevet FR2955723A1 — publié le 20110729

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Avec cette l'invention, les circuits présentés se rapportent généralement aux circuits implémentés sur une seule puce 15 (dites Embedded) de circuits mixtes (digital et analogique), dans les nouvelles technologies (nano technologies) CMOS, et dans les technologies CMOS plus anciennes (et peu coûteuses). Plus spécifiquement mais non exclusivement, la révélation actuelle se rapporte aux circuits audio sur une seule puce (dite Embedded audio), et la description qui suit fait référence à ces champs d'application pour des facilités d'illustration uniquement. Cette invention se rapporte généralement aux bruit pop des amplificateurs audio de type Class-D (Classe D). 20 Un problème particulier dans les amplificateurs audio de classe D se présente lors des événements transitoires tels que le démarrage du circuit, lors de la coupure du volume (mute), ou lors le changement de gain du système. Ces différents événements se manifestent par des bruits désagréables de type pop. La présente invention fournit une méthode pour éviter les bruits pop des amplificateurs audio de classe D, sans pénalité de temps de démarrage du circuit, ni augmentation de surface du circuit, ni de contrainte sur la 25 programmation du gain de l'amplificateur. Cette méthode est appelée par les inventeurs «zero-crossing anti pop noise solution ». ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Cette invention est dans le domaine des amplificateurs audio, et concerne plus spécifiquement les amplificateurs 30 audio de puissance de type classe D. Une nouvelle classe de circuits d'amplification est devenue populaire dans de nombreuses applications audio, à savoir les amplificateurs de type classe D. Ce type d'amplificateur produit un signal de sortie complémentaire et différentiel de nature digitale, avec une dynamique élevée de tension de sortie (de rail à rail), à un rapport cyclique qui varie avec la puissance de sortie audio. 35 Les technologies CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) sont bien adaptées pour la réalisation des amplificateurs de type classe D, car les transistors MOS sont capables de délivrer une dynamique élevée de tension de sortie (de rail à rail), à des vitesses de commutation suffisamment élevées les applications numériques, avec des rendements de puissance élevés, et des petites surfaces silicium. Ceci rend ce type d'amplificateur très attractif pour les applications portables et automobiles audio, ainsi que dans les systèmes à petit facteur de forme, et à des coûts de 40 fabrication réduits. Les amplificateurs audio de type classe D sont devenus vraiment attrayants pour les applications 2955723 -2- audio, d'autant que les niveaux de puissance désirée ont augmenté au cours des dernières années. Le rendement de puissance des amplificateurs audio de type classe D peut être supérieur à 90%, ce qui est beaucoup plus élevée que pour les amplificateurs audio analogiques classiques. Parmi les autres avantages de cette amélioration de l'efficacité, la chaleur dissipée dans le circuit est vraiment réduite, ce qui permet d'éliminer ou de réduire considérablement les dissipateurs de chaleur, et rends les circuits beaucoup plus petits et donc plus légers. Les amplificateurs audio de type classe D sont ainsi devenus très populaires pour les systèmes audio portatifs et les systèmes automobiles. Toutefois, un problème particulier dans les amplificateurs audio de classe D se présente lors des événements transitoires tels que le démarrage du circuit, lors de la coupure du volume (mute), ou lors le changement de gain du système. En effet, les amplificateurs audio de type class D avec modulation PWM (Pulse Width Modulation) a un spectre fréquentiel qui comprends la fréquence fondamentale (la porteuse) et ses harmoniques. Lors de ces événements brusques, un changement brutal du rapport cyclique du signal de sortie de l'amplificateur génère des énergies importantes dans les bandes fréquentielles latérales de la fréquence fondamentale (la porteuse) et ses harmoniques. Et même si la fréquence fondamentale est relativement élevée, ces énergies dans les bandes fréquentielles latérales sont audibles, et se manifestent par des bruits désagréables de type « click » ou « pop ». Chez les amplificateurs analogiques classiques non commutés (linéaires), les bruits clics et pops sont réduits en effectuant des changements lents de tensions et courants de polarisation. Toutefois, ces changements de polarisation doux ne peuvent pas être appliquées dans le cas des amplificateurs de type classe D, du fait des opérations de commutation des transistors de sortie. Plusieurs initiatives ont été tentées dans le but d'éliminer ces bruits de type pop. Par exemple, une technique démarre l'amplificateur très lentement (plus de trente secondes), ce qui a comme gros inconvénient de retarder le fonctionnement du circuit audio, et peut soit créer une longue période de silence pour l'auditeur, ou l'auditeur entendra un bruit pop suivi par une augmentation progressive du volume. Une autre technique limite la possibilité pour les utilisateurs d'augmenter rapidement le gain de l'amplificateur. D'autres solutions proposées se sont heurtées à d'autres limitations, telles que la limitation imposée par le nombre de broches du boîtier du composant, ainsi que les limitations dues à la surface disponible pour le circuit audio. La présente invention fournit une méthode pour éviter les bruits pop des amplificateurs audio de classe D, sans pénalité de temps de démarrage du circuit, ni augmentation de surface du circuit, ni de contrainte sur la programmation du gain de l'amplificateur. Cette méthode est appelée par les inventeurs «zero-crossing anti pop noise solution ». DESCRIPTION BREVE DE L'INVENTION Des circuits sont développés pour des applications audio commutées, dans des technologies CMOS (signifiant : Complementary Metal Oxyde Semiconductor). Dans un circuit d'amplification audio, y compris dans un amplificateur audio de type classe D, un bruit anormal appelé pop (pop-noise) se produit lors du démarrage ou de l'arrêt du circuit, ou lors de la coupure du volume (mute), ou lors du changement de gain de l'amplificateur. La présente invention fournit une méthode pour éviter les bruits pop des amplificateurs audio de classe D, lors de ces événements, sans pénalité de temps de démarrage du circuit, ni augmentation de la surface du circuit, ni de contrainte sur la programmation du gain de l'amplificateur. 2955723 -3- Cette méthode est basée sur une mesure en temps réel de la tension différentielle d'entrée, afin de contrôler les différents événements qui sont les sources de ce bruit pop. Cette méthode est appelée par les inventeurs «zerocrossing anti pop noise solution ». 5 Les éléments constituants et les avantages de ces circuits de cette invention ressortiront de la description et des figures qui suivent. Cette description comportes plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif, et ne limite ainsi pas la portée des champs d'application et d'implémentation de cette invention. Un objet principal de la présente invention est de réaliser (sur une seule puce par exemple - dit embedded) un amplificateur audio de type classe D dans une technologie CMOS, sans génération de bruit pop (pop-noise), lors du 10 démarrage ou de l'arrêt du circuit, ou lors de la coupure du volume (mute), ou lors du changement de gain de l'amplificateur. BREVE PRESENTATION DES FIGURES Les figures d'accompagnement, qui sont incorporées dans ce brevet, illustrent une ou plusieurs implémentations de 15 la présente invention et, associées avec la description détaillée, servent à expliquer les principes et les réalisations de l'invention. Dans les figures attachées: La figure 1 (FIG. 1) montre le bruit pop, lors du changement de gain de l'amplificateur Class-D sans le système anti 20 bruit pop, à différents instants, où l'entrée différentielle est non nulle (CAS 1), ou l'entrée différentielle est nulle (CAS 2). Dans le cas 1 (CAS 1), le changement de gain (GAIN) de l'amplificateur Class-D s'effectue à un instant où l'entrée différentielle (IN) est non nulle, et il se produit une discontinuité dans le signal de sortie (OUT) de l'amplificateur, ce qui se traduit par un bruit pop désagréable. La valeur de cette discontinuité OVOUT dépend de l'écart entre le nouveau gain GAIN2 et le gain précédent GAIN1, et la valeur de l'entrée différentielle au moment du 25 changement de gain : LVOUT = (GAIN2-GAIN1)*IN Dans le cas 2 (CAS 2), le changement de gain (GAIN) de l'amplificateur Class-D s'effectue à un instant où l'entrée différentielle (IN) est nulle, et il ne se produit pas de discontinuité dans le signal de sortie (OUT) de l'amplificateur, et aucun bruit pop n'est généré : 30 OVOUT = (GAIN2-GAIN 1)*IN = 0 (car IN=0) La figure 2 (FIG. 2) est un schéma électrique d'amplificateur audio Class-D, avec système anti bruit pop. La nouvelle méthode présentée permet d'effectuer le changement de gain, lorsque l'entrée différentielle est nulle, ce qui correspond un signal de sortie de puissance nulle, quelque soit le gain choisi. En conséquence, aucun bruit pop 35 n'est entendu. La figure 3 (FIG. 3) montre le bruit pop, lors du changement de gain de l'amplificateur Class-D avec le nouveau système anti bruit pop, à un instant où l'entrée différentielle est non nulle; ce qui est la condition, d'après la conclusion faite dans la figure 1 (FIG1), pour obtenir un bruit pop lors du changement de gain du class-D. Deux cas se présentent. 2955723 -4- Le premier cas (CAS 1) correspond à une entrée différentielle IN rapide, qui passe par zéro avant la fm du compteur de 25ms. Dans ce cas, le changement de gain est pris en compte (GAIN_CTRL de la figure 2) lorsque l'entrée différentielle passe par zéro (la sortie COMP du comparateur (1) en est la cause). Dans ce cas, il n'y a pas de bruit pop : OVOUT = (GAIN2-GAIN 1)*IN = 0 (car 1N=0) 5 Le second cas (CAS 2) correspond à une entrée différentielle IN lente, qui n'a pas le temps de passer par zéro avant la fm du compteur de 25ms. Dans ce cas, le changement de gain est pris en compte (GAIN_CTRL de la figure 2) 25ms après le changement de gain (GAIN de la figure 2) demandé (la sortie TIMER du compteur (2) en est la cause). Ce cas correspond généralement à un signal d'entrée très lent de faible amplitude. Et alors le bruit pop est très faible en sortie: OVOUT = (GAIN2-GAIN 1)*IN (est très faible car IN est de faible amplitude). 10 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Des circuits sont développés pour des applications audio commutées, dans des technologies CMOS (signifiant : Complementary Metal Oxyde Semiconductor). Dans un circuit d'amplification audio, y compris dans un amplificateur audio de type classe D, un bruit anormal 15 appelé pop (pop-noise) se produit lors du démarrage ou de l'arrêt du circuit, ou lors de la coupure du volume (mute), ou lors du changement de gain de l'amplificateur. La présente invention fournit une méthode pour éviter les bruits pop des amplificateurs audio de classe D, lors de ces événements, sans pénalité de temps de démarrage du circuit, ni augmentation de la surface du circuit, ni de contrainte sur la programmation du gain de l'amplificateur. 20 Cette méthode est basée sur une mesure en temps réel de la tension différentielle d'entrée, afin de contrôler les différents événements qui sont les sources de ce bruit pop. Ceux qui ont de la compétence dans ce domaine à l'état de l'art se rendront compte que la description détaillée qui suit de la présente invention est d'illustration seulement et n'est pas limitative de quelque façon. D'autres modes de réalisation de la présente invention se suggéreront aisément à de telles personnes bénéficiant des avantages de cette 25 invention. Les références détaillent des réalisations de la présente invention, comme illustré dans les schémas joints. Le cas échéant, les mêmes indicateurs de référence seront employés dans tous les schémas et dans la description détaillée qui suit, pour se rapporter à la même chose ou aux pièces semblables. Dans un intérêt de clarté, tous les dispositifs courants des réalisations décrites ci-dessus ne sont pas montrés et décrits. Bien entendu, dans le développement de telles implémentations, de nombreuses décisions spécifiques devront être 30 prise selon l'application et les contraintes liées au marché, étant donné que ces buts spécifiques varieront d'une exécution à l'autre et d'un réalisateur à l'autre. D'ailleurs, un tel effort de développement pourrait être complexe et long, mais néanmoins serait une entreprise courante de ceux qui ont de la compétence dans ce domaine à l'état de l'art. En se tournant maintenant vers les figures : 35 • La figure 2 (FIG. 2) est un schéma électrique d'amplificateur audio Class-D, avec système anti bruit pop. La nouvelle méthode présentée permet d'effectuer le changement de gain, lorsque l'entrée différentielle est nulle, ce qui correspond un signal de sortie de puissance nulle, quelque soit le gain choisi. En conséquence, aucun bruit pop n'est entendu. 40 Le circuit est constitué d'un amplificateur Class-D classique qui comprends deux étages de puissance (5), et un circuit de contrôle (4). Ce circuit dénommé "control" (4) est la partie contrôleur de l'amplificateur class-D, qui -5- dépend de l'architecture du class-D, et peut inclure par exemple et entres autres, un générateur de signal en forme de rampe (pour les architectures de type PWM), des intégrateurs (continus, ou de type capacités commutés pour les architectures de type sigma delta), des comparateurs, et un contrôle digital. L'élément nommé "speaker" (6) est la charge de l'amplificateur (par exemple, un haut-parleur d'impédance 4 ohm 5 ou 8 ohm). Le nouveauté du circuit comprend les éléments (1) (2) (3) et (7). L'élément (1) est un comparateur de tension, dont le rôle est de comparer la tension différentielle d'entrée (IN = INP - INN) à zéro volt. Ce comparateur est appelé « zero crossing detector ». L'élément (2) dénommé «timer» est un compteur de temps de 25ms, qui commence à compter à partir d'un 10 changement de gain (GAIN). Après ce laps de temps de 25ms, à partir d'un changement de gain (GAIN), la sortie (TIMER) de ce compteur passe à un état haut, pour indiquer que ce laps de temps de 25ms est écoulé. L'élément (7) est un bloc logique qui délivre une sortie (LATCH), qui monte, soit sur un front montant de la sortie (TIMER) de (2) (cas d'une entrée différentielle IN lente, qui n'a pas le temps de passer par zéro avant la fm du compteur de 25ms), soit sur un front montant ou descendant de la sortie (COMP) du comparateur (1) (cas d'une 15 entrée différentielle IN rapide, qui passe par zéro avant la fm du compteur de 25ms). L'élément (3) est une bascule digitale qui transmet la valeur du gain (GAIN), sur un front montant de son entrée (LATCH). La sortie ce (3) (GAIN_CTRL) est la valeur du gain qui sera prise en compte dans la partie contrôle (4) du class-D. 20 10 REVENDICATIONS1. Un circuit pour éviter le bruit pop des amplificateurs audio de type Class-D, lors des événements transitoires tels que le démarrage du circuit, lors de la coupure du volume (mute), ou lors le changement de gain du système. Ce circuit comprend un comparateur de tension (1), un compteur digital (2), un bloc de logique digital (7) et une bascule digitale (3). Cette méthode est appelée par les inventeurs «zero-crossing anti pop noise solution ». 2. Le circuit, selon la revendication 1, permet d'éviter le bruit pop, sans pénalité de temps de démarrage du circuit. 3. Le circuit, selon la revendication 1, permet d'éviter le bruit pop, avec une très petite surface silicium (comparée à la taille de l'amplificateur class-D : (4) (5)) 4. Le circuit, selon la revendication 1, permet d'éviter le bruit pop, sans contrainte sur la programmation du gain de 15 l'amplificateur.