Brevet FR3055173A1 — publié le 20180223

Dispositif d'amplification comprenant un circuit de compensation La présente invention concerne un dispositif d'amplification d'un signal d'entrée comprenant : - une entrée différentielle pour le signal d'entrée, - une sortie différentielle pour un signal de sortie, - un premier étage d'amplification ayant une entrée, - un deuxième étage d'amplification ayant une entrée, les entrées de chaque étage d'amplification formant l'entrée différentielle, chaque étage d'amplification comprenant : - une sortie pour une charge, les sorties de chaque étage d'amplification formant la sortie différentielle, - un circuit de commutation, le circuit de commutation étant propre à générer en sortie un signal commuté ayant au moins deux états, - un élément inductif connecté entre la sortie du circuit de commutation et la sortie de l'étage d'amplification, l'élément inductif étant propre à lisser le signal commuté généré par le circuit de commutation pour obtenir un signal lissé, le signal lissé ayant une composante utile et une composante parasite, les signaux commutés en sortie des circuits de commutation de chaque étage d'amplification étant opposés. Un tel dispositif d'amplification est, par exemple, utilisé en tant qu'amplificateur de la tension aux bornes d'une charge. Lorsque la charge est un composant audio, tel qu'un haut-parleur, la composante parasite haute fréquence, de forme triangulaire, générée dans l'élément inductif de l'étage d'amplification nuit à la qualité du signal audio restitué par le haut-parleur. En outre, une telle composante parasite est à l'origine d'échauffement du dispositif d'amplification et de la charge, ce qui induit une perte de rendement en sortie du dispositif d'amplification. Il existe donc un besoin pour réduire la composante parasite générée par l'élément inductif d'un tel dispositif d'amplification. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'amplification tel que décrit précédemment, dans lequel le dispositif d'amplification comprend, en outre, un circuit de compensation, pour chaque étage d'amplification, propre à générer un signal de compensation de la composante parasite du signal lissé généré dans l'élément inductif dudit étage d'amplification, chaque circuit de compensation étant connecté à la sortie de l'étage d'amplification correspondant et à la sortie du circuit de commutation de l'autre 3055173 2 étage d'amplification, les différences de chaque signal lissé et du signal de compensation correspondant formant le signal de sortie en sortie du dispositif d'amplification. Suivant des modes de réalisation particuliers, le dispositif d'amplification comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les 5 combinaisons techniquement possibles : - chaque circuit de compensation comprend au moins un élément inductif, l'écart relatif entre l'inductance de l'élément inductif du circuit de compensation et l'inductance de l'élément inductif de l'étage d'amplification correspondant étant inférieur ou égal à 30 pourcents ; 10 - chaque circuit de compensation comprend un filtre passe-haut ; - le filtre passe-haut comprend un condensateur ; - le signal d'entrée est un signal modulé par une fréquence porteuse, le filtre passe-haut ayant une fréquence de coupure strictement inférieure à la fréquence porteuse du signal d'entrée ; 15 - le signal d'entrée a une fréquence utile, le filtre passe-haut ayant une fréquence de coupure strictement supérieure à la fréquence utile du signal d'entrée ; - les étages d'amplification sont des étages d'amplification d'un signal numérique, le dispositif comprenant, en outre, au moins un amplificateur analogique connecté en sortie de l'un des étages d'amplification ; 20 - le ou chaque amplificateur analogique est un amplificateur de classe A ou AB ; - le dispositif comprend, en outre, un dispositif de mesure du courant de sortie de chaque amplificateur analogique et un module de commande propre à recevoir au moins la mesure du courant de sortie de chaque amplificateur analogique, le module de commande étant propre à générer les signaux en entrée des étages d'amplification en 25 fonction des courants de sortie mesurés de sorte, d'une part, que les signaux commutés en sortie des circuits de commutation desdits étages soient opposés et, d'autre part, que le courant de sortie de chacun des amplificateurs analogiques soit minimisé ; - les signaux en entrée de chaque étage d'amplification sont en opposition de phase durant plus de 70 pourcents du temps. 30 L'invention concerne, également, un système audio comprenant : - un dispositif d'amplification tel que décrit précédemment, et - un haut-parleur connecté à la sortie de chaque étage d'amplification. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple 35 uniquement et en référence aux dessins qui sont : 3055173 3 - figure 1, une vue schématique d'un exemple d'un dispositif d'amplification selon un premier mode de réalisation de l'invention, - figure 2, un exemple d'un premier chronogramme représentant les tensions en sortie des circuits de commutation de chaque étage d'amplification du dispositif 5 d'amplification, - figure 3, un exemple d'un deuxième chronogramme représentant la composante parasite d'un signal lissé, le signal de compensation de ladite composante parasite et la résultante des deux signaux, et - figure 4, une vue schématique d'un exemple d'un dispositif d'amplification selon 10 un deuxième mode de réalisation de l'invention. Un dispositif d'amplification 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention est illustré sur la figure 1. Le dispositif d'amplification 10 est aussi connu sous le nom de « pont d'amplification ». 15 Le dispositif d'amplification 10 comprend deux entrées 10A, 10B recevant des signaux en opposition de phase formant un signal d'entrée différentiel à amplifier et deux sorties 20A, 20B pour un signal de sortie différentiel amplifié. Les deux entrées 10A, 10B du dispositif d'amplification 10 forment une entrée différentielle. Les deux sorties 20A, 20B du dispositif d'amplification 10 forment une sortie différentielle 20 Le signal d'entrée est, par exemple, généré par un module de commande 11 et un inverseur 13 comme visible sur la figure 1. Le signal d'entrée est un signal modulé, par exemple, en largeur d'impulsions, caractérisé par une fréquence porteuse et une bande de fréquence utile. La bande de fréquence utile est, par exemple, l'intervalle compris entre 20 Hertz (Hz) et 100 kilohertz (kHz). La fréquence porteuse est, par exemple, supérieure 25 ou égale à 400 kHz. Le signal d'entrée est une tension. Comme visible sur la figure 1, le signal reçu par l'une des deux entrées 10A, 10B du dispositif d'amplification est inversé par l'inverseur 13 de sorte que les signaux reçus par chacune des deux entrées 10A, 10B sont en opposition de phase et forment un signal d'entrée différentiel. 30 Le dispositif d'amplification 10 comprend, en outre, un premier étage d'amplification 12, un deuxième étage d'amplification 14 et un circuit de compensation 16 pour chaque étage d'amplification 12, 14. Chaque étage d'amplification 12, 14 comprend une entrée correspondant aux entrées 10A, 10B du dispositif d'amplification 10, une sortie 20A, 20B correspondant aux 35 sorties 20A, 20B du dispositif d'amplification 10, un circuit de commutation 22 et un élément inductif 24. Les sorties 20A, 20B de chaque étage d'amplification 12, 14 sont 3055173 4 destinées à être connectée à une même charge 26, telle qu'un haut-parleur, pour former un système audio. Les deux étages d'amplification 12, 14 sont alimentés par une même tension d'alimentation V1. La tension d'alimentation V1 est, par exemple, positive. 5 Chaque circuit de commutation 22 comprend au moins deux transistors 31, 32 connectés en série entre la tension d'alimentation V1 et une masse. L'entrée de chaque circuit de commutation 22 correspond à l'entrée 10A, 10B de l'étage d'amplification 12, 14 correspondant. La sortie de chaque circuit de commutation 22 des étages 12, 14 est formée par un point milieu 22A, 22B entre les deux transistors 31, 32 de chacun des 10 étages 12, 14. La grille des transistors 31, 32 de chaque étage d'amplification 12, 14 est connectée à l'entrée du circuit de commutation 22 correspondant de sorte à être alimentée par le signal d'entrée. La grille de l'un des transistors 31, 32 de chaque étage d'amplification 12, 14 étant connectée à un inverseur 34, lorsque l'un des transistors 31, 15 32 est passant, l'autre transistor 31, 32 est bloqué. Les transistors sont, par exemple, des transistors MOSFET. Le circuit de commutation 22 de chaque étage d'amplification 12, 14 est propre à générer un signal commuté ayant au moins deux états à partir du signal en entrée 10A, 10B dudit étage d'amplification 12, 14 et de la tension d'alimentation V1. Les tensions 20 d'alimentation V1 des deux étages 12, 14 étant identiques et les signaux en entrée 10A, 10B desdits étages 12, 14 étant en opposition de phase, les signaux commutés en sortie 22A, 22B des circuits de commutation 22 de chaque étage 12, 14 ont des états opposées. Ainsi, lorsque le signal commuté en sortie 22A du circuit de commutation 22 du premier étage d'amplification 12 a une tension égale à la tension d'alimentation V1, 25 respectivement égal à la tension nulle, le signal commuté en sortie 22B du circuit de commutation 22 du deuxième étage d'amplification 12 a une tension égale à la tension nulle, respectivement égal à la tension d'alimentation V1. L'élément inductif 24 est formé, par exemple, d'une bobine. L'élément inductif 24 de chaque étage d'amplification 12, 14 est connecté à la sortie 22A, 22B du circuit de 30 commutation 22 dudit étage 12, 14, d'une part, et la sortie 20A, 20B dudit étage 12, 14, d'autre part. L'élément inductif 24 est propre à lisser le signal commuté généré par le circuit de commutation 22 correspondant pour obtenir un signal lissé 11, 13. Le signal lissé 11, 13 a une composante utile et une composante parasite. La composante utile est basse 35 fréquence et la composante parasite est haute fréquence. 3055173 5 La composante utile du signal lissé 11, 13 est la composante transportant la partie utile du signal d'entrée à amplifier. Dans le cas d'un amplificateur audio, la composante utile est la musique à amplifier, par exemple les signaux de fréquence comprise entre 20 Hz et 100 kHz. 5 La composante parasite du signal lissé 11, 13 est une composante relative à un courant ondulatoire de forme triangulaire, généré dans l'élément inductif 24. Un tel courant ondulatoire (en anglais « ripple current ») est dû à une variation haute fréquence de la tension aux bornes de l'élément inductif 24. Un tel courant ondulatoire a, par exemple, une fréquence porteuse égale à 400 kHz. 10 Chaque circuit de compensation 16 est connecté, d'une part, à la sortie 20A, 20B de l'étage d'amplification 12, 14 correspondant et, d'autre part, à la sortie 22A, 22B du circuit de commutation 22 de l'autre étage d'amplification 12, 14. En d'autres termes, le circuit de compensation 16 d'un étage d'amplification 12, 14 est connecté en parallèle de l'élément inductif 24 et de la sortie 20A, 20B de l'autre étage d'amplification 12, 14. 15 Chaque circuit de compensation 16 est propre à générer un signal de compensation 12, 14 de la composante parasite du signal lissé 11, 13 généré dans l'élément inductif 24 de l'étage d'amplification 12, 14 correspondant. Chaque circuit de compensation 16 comprend au moins un élément inductif 36 et un filtre passe-haut 38. 20 Idéalement, les inductances de chaque élément inductif 24 et de l'élément inductif 36 du circuit de compensation correspondant ont la même valeur. En pratique, l'écart relatif entre l'inductance de l'élément inductif 36 du circuit de compensation 16 et l'inductance de l'élément inductif 24 de l'étage d'amplification 12, 14 correspondant est inférieur ou égal à 30 pourcents (%). Dans le cas présent, l'écart relatif est le rapport de la 25 valeur absolue de la différence entre l'inductance de l'élément inductif 36 du circuit de compensation 16 et l'inductance de l'élément inductif 24 de l'étage d'amplification 12, 14 correspondant, par l'inductance de l'élément inductif 24 dudit étage d'amplification 12, 14. Le filtre passe-haut 38 est formé d'un condensateur dans son interaction avec l'élément inductif 36 du circuit de compensation 16 correspondant. 30 Le filtre passe-haut 38 est propre à autoriser le passage de la composante parasite haute fréquence du signal lissé M , 13 dans le circuit de compensation 16 dudit filtre passe-haut 38. Le filtre passe-haut 38 de chaque circuit de compensation 16 a une fréquence de coupure strictement inférieure à la fréquence porteuse. 35 Le filtre passe-haut 38 a une fréquence de coupure strictement supérieure à la fréquence utile du signal lissé 11, 13. 3055173 6 La fréquence de coupure est, par exemple, comprise entre 100 kHz et 300 kHz. Ainsi, un tel dispositif d'amplification 10 permet via les signaux de compensation 12, 14 générés par les circuits de compensation 16 de compenser la composante parasite haute fréquence du signal lissé 11, 13 généré dans l'élément inductif 24 de chaque étage 5 d'amplification 12, 14. Les signaux de compensation 12, 14 permettent d'éviter que les composantes parasites hautes fréquences des signaux lissés 11, 13 ne traversent la charge 26. La différence du signal lissé 11, 13 et du signal de compensation 12, 14 de chaque étage d'amplification 12, 14 forme le signal de sortie amplifié 15 en sortie 20A et 20B du 10 dispositif d'amplification 10. Le signal amplifié est un courant. Les chronogrammes des figures 2 et 3 illustrent la forme des signaux. En particulier, la figure 2 illustre en traits pointillés la tension en sortie 22A du circuit de commutation 22 du premier étage d'amplification 12 et en traits pleins la tension en sortie 22B du circuit de commutation 22 du deuxième étage d'amplification 14. Comme 15 visible sur la figure 2, de telles tensions ont des états opposés et commutent à 400 kHz entre deux états de tensions respectives égales à 20 Volts (V) et 0 V. La figure 3 illustre en traits pleins fins la composante parasite triangulaire haute fréquence du signal lissé 11 du premier étage d'amplification 12 ; en traits pointillés le signal de compensation 12 de ladite composante parasite ; et en traits pleins gras le signal 20 de sortie 15 obtenu par la différence entre le signal lissé 11 et le signal de compensation 12. Dans l'exemple de la figure 3, le signal lissé 11 est un courant d'amplitude égale à plus ou moins 0,4 Ampères à une fréquence de 400 kHz. Dans l'exemple de la figure 3, le signal de sortie 15 est débarrassé de la composante parasite triangulaire haute fréquence du signal lissé 11 et ne comprend plus que la partie basse fréquence du signal, c'est-à- 25 dire la composante utile. La configuration du premier étage d'amplification 12 et du deuxième étage d'amplification 14 permet de réaliser simplement les circuits de compensation 16. En effet, chaque circuit de compensation 16 est alimenté directement par le circuit de commutation 22 de l'autre étage d'amplification 12, 14. Aucune autre alimentation 30 supplémentaire n'est donc requise ni aucun autre composant actif, tel qu'un transistor par exemple. Un dispositif d'amplification 10 selon un deuxième mode de réalisation est illustré sur la figure 4. Le dispositif d'amplification 10 selon le deuxième mode de réalisation comprend 35 les mêmes éléments que le premier mode de réalisation. Ces éléments ne sont donc pas décrits à nouveau. 3055173 7 Le dispositif d'amplification 10 comprend, en outre, au moins un amplificateur analogique 40. Sur la figure 4, deux amplificateurs analogiques 40 sont représentés. Chaque amplificateur analogique 40 est connecté à la sortie 20A, 20B de l'un des étages d'amplification 12, 14. En l'occurrence, l'un des amplificateurs 40 illustré sur la 5 figure 4 est connecté à la sortie 20A du premier étage d'amplification 12 et l'autre amplificateur 40 est connecté à la sortie 20B du deuxième étage d'amplification 14. Chaque amplificateur 40 est, par exemple, un amplificateur de classe A ou de classe AB. Un amplificateur de classe A est un amplificateur ayant une très haute linéarité et une faible impédance de sortie. De préférence, l'impédance de sortie d'un amplificateur 10 de classe A est inférieure à 0,2 Ohms. Un amplificateur de classe B est un amplificateur comportant des éléments d'amplification qui fonctionnent en régime linéaire pendant seulement la moitié du temps et sont bloqués sensiblement l'autre moitié du temps. Un amplificateur de classe AB est un amplificateur propre à commuter d'un état passant à un état bloqué de sorte que l'amplificateur est de classe A pour les faibles puissances, et de 15 classe B pour les puissances supérieures. Dans l'exemple illustré sur la figure 4, le signal à amplifier 41 est inversé par un amplificateur 43 de gain -1 pour donner un signal intermédiaire 44. Le signal à amplifier 41 et le signal intermédiaire 44 constituent donc un signal différentiel. Une tension de référence Vcom est ajoutée à chacun du signal à amplifier 41 et du 20 signal intermédiaire 44 par le biais d'additionneurs 45 de sorte à former les signaux d'entrée 46A et 46B respectifs de chacun des amplificateurs 40. La tension de référence Vcom est comprise entre la tension d'alimentation V1 et la masse. Avantageusement, la tension de référence Vcom est égale à la moitié de la tension d'alimentation V1. Les signaux d'entrée 46A et 46B des amplificateurs 40 sont des tensions. 25 Ainsi, les signaux d'entrée 46A et 46B des amplificateurs 40 possèdent une même composante continue Vcom et des composantes alternatives opposées. Comme illustré sur la figure 4, un dispositif de mesure 47 est propre à mesurer le courant de sortie de chacun des amplificateurs 40 et à fournir les mesures effectuées au module de commande 11. Par exemple, le dispositif de mesure 47 comprend un capteur à 30 effet Hall propre à mesurer les courants de sortie via la différence des courants d'alimentation de chacun des amplificateurs 40. Le module de commande 11 est propre à commander chacun des étages d'amplification 12, 14 de sorte que les signaux en entrée 10A, 10B des étages d'amplification 12, 14 soient opposés (donc que les signaux commutés en sortie 22A, 22B 35 des circuits de commutation 22 desdits étages 12, 14 soient opposés), tout en minimisant le courant fourni par chacun des amplificateurs 40. Les signaux d'entrée 46A et 46B des 3055173 8 amplificateurs 40 étant en opposition de phase et centrés autour de la tension de référence Vcom, les signaux en entrée 10A et 10B des étages d'amplification 12, 14 sont également d'états opposés si la tension de référence Vcom est égale à la moitié de la tension d'alimentation V1 et si tous les composants 22, 31, 32, 24, 36, 38 de chacun des 5 étages 12, 14 ont la même valeur pour chacun des étages 12, 14. En pratique, les dispersions faibles des valeurs de ces composants, inférieures à 30 %, assurent que les signaux en entrée 10A, 10B des étages d'amplification 12, 14 sont en opposition de phase durant plus de 70 % du temps. Le dispositif d'amplification 10 selon le deuxième mode de réalisation permet 10 d'effectuer à la fois une amplification en analogique et une amplification en numérique d'un signal analogique à amplifier 41. Le dispositif d'amplification 10 présente une linéarité au moins égale à celle des amplificateurs analogiques 40 utilisés dans le système et un rendement énergétique très proche de celui des étages d'amplification numériques 12, 14 utilisés, dans la mesure où les amplificateurs analogiques 40 ne 15 consomment que très peu de courant, donc très peu de puissance. Par exemple, les amplificateurs 40 fournissent moins de 1 % du courant 15 fourni à la charge 26. Ainsi, un tel dispositif d'amplification 10 est adapté pour amplifier des signaux audio, par exemple, destinés à un haut-parleur, avec une très haute linéarité et un rendement énergétique très élevé. 20 En outre, les circuits de compensation 16 permettent d'éviter que les composantes parasites triangulaires hautes fréquences des signaux lissés se retrouvent absorbées dans les amplificateurs analogiques 40, ce qui aurait pour conséquence de provoquer leur échauffement et de détériorer la qualité du signal en sortie et le rendement de tels amplificateurs 40. 25 REVENDICATIONS1.- Dispositif (10) d'amplification d'un signal d'entrée comprenant : - une entrée différentielle (10A, 10B) pour le signal d'entrée, - une sortie différentielle (20A, 20B) pour un signal de sortie (15), - un premier étage d'amplification (12) ayant une entrée (10A), - un deuxième étage d'amplification (14) ayant une entrée (10B), les entrées (10A, 10B) de chaque étage d'amplification (12, 14) formant l'entrée différentielle, chaque étage d'amplification (12, 14) comprenant : - une sortie (20A, 20B) pour une charge (26), les sorties (20A, 20B) de chaque étage d'amplification (12, 14) formant la sortie différentielle, - un circuit de commutation (22), le circuit de commutation (22) étant propre à générer en sortie (22A, 22B) un signal commuté ayant au moins deux états, - un élément inductif (24) connecté entre la sortie (22A, 22B) du circuit de commutation (22) et la sortie (20A, 20B) de l'étage d'amplification (12, 14), l'élément inductif (24) étant propre à lisser le signal commuté généré par le circuit de commutation (22) pour obtenir un signal lissé (11, 13), le signal lissé (11, 13) ayant une composante utile et une composante parasite, les signaux commutés en sortie (22A, 22B) des circuits de commutation (22) de chaque étage d'amplification (12, 14) étant opposés, caractérisé en ce que le dispositif d'amplification (10) comprend, en outre, un circuit de compensation (16), pour chaque étage d'amplification (12, 14), propre à générer un signal de compensation (12, 14) de la composante parasite du signal lissé (11, 13) généré dans l'élément inductif (24) dudit étage d'amplification (12, 14), chaque circuit de compensation (16) étant connecté à la sortie (20A, 20B) de l'étage d'amplification (12, 14) correspondant et à la sortie (22A, 22B) du circuit de commutation (22) de l'autre étage d'amplification (12, 14), les différences de chaque signal lissé (11, 13) et du signal de compensation (12, 14) correspondant formant le signal de sortie (15) en sortie (20A, 20B) du dispositif d'amplification (10). 2.- Dispositif d'amplification (10) selon la revendication 1, dans lequel chaque circuit de compensation (16) comprend au moins un élément inductif (36), l'écart relatif entre l'inductance de l'élément inductif (36) du circuit de compensation (16) et l'inductance 3055173 10 de l'élément inductif (24) de l'étage d'amplification (12, 14) correspondant étant inférieur ou égal à 30 pourcents. 3.- Dispositif d'amplification (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque 5 circuit de compensation (16) comprend un filtre passe-haut (38). 4.- Dispositif d'amplification (10) selon la revendication 3, dans lequel le filtre passe-haut (38) comprend un condensateur. 10 5.- Dispositif d'amplification (10) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le signal d'entrée est un signal modulé par une fréquence porteuse, le filtre passe-haut (38) ayant une fréquence de coupure strictement inférieure à la fréquence porteuse du signal d'entrée. 15 6.- Dispositif d'amplification (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel le signal d'entrée a une fréquence utile, le filtre passe-haut (38) ayant une fréquence de coupure strictement supérieure à la fréquence utile du signal d'entrée. 7.- Dispositif d'amplification (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 20 dans lequel les étages d'amplification (12, 14) sont des étages d'amplification d'un signal numérique, le dispositif (10) comprenant, en outre, au moins un amplificateur analogique (40) connecté en sortie (20A, 20B) de l'un des étages d'amplification (12, 14). 8.- Dispositif d'amplification (10) selon la revendication 7, dans lequel le ou chaque 25 amplificateur analogique (40) est un amplificateur de classe A ou AB. 9.- Dispositif d'amplification (10) selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le dispositif (10) comprend, en outre, un dispositif de mesure (47) du courant de sortie de chaque amplificateur analogique (40) et un module de commande (11) propre à recevoir 30 au moins la mesure du courant de sortie de chaque amplificateur analogique (40), le module de commande (11) étant propre à générer les signaux en entrée (10A, 10B) des étages d'amplification (12, 14) en fonction des courants de sortie mesurés de sorte, d'une part, que les signaux commutés en sortie (22A, 22B) des circuits de commutation (22) desdits étages (12,14) soient opposés et, d'autre part, que le courant de sortie de chacun 35 des amplificateurs analogiques (40) soit minimisé. 3055173 11 10.- Dispositif d'amplification (10) selon la revendication 9, dans lequel les signaux en entrée (10A, 10B) de chaque étage d'amplification (12, 14) sont en opposition de phase durant plus de 70 pourcents du temps. 5 11.- Système audio comprenant : - un dispositif d'amplification selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, et - un haut-parleur (26) connecté à la sortie de chaque étage d'amplification (12, 14).