Brevet FR3110306A1 — publié le 20211119

Les étages de sortie des amplificateurs audio traditionnels exploitent des transistors dont la stabilité du courant de repos est assurée par des résistances entre émetteurs et sortie. Cela pénalise linéarité et impédance de sortie. Le dispositif selon la présente invention remédie à ces inconvénients par un transistor de sortie (CFP) dont l’émetteur est directement relié à la sortie, transistor dont le courant de collecteur est régulé via un capteur de courant (CCA) et une source de courant (CSO) pilotée par un contrôleur de courant (CCO) assurant un courant de repos dans le transistor de sortie indépendant du courant de sortie ainsi qu’un courant faible de veille dans la source de courant. Ainsi la tension de sortie reste contrôlée par l’émetteur d’un même transistor qui ne se bloque jamais cependant que le courant de sortie est produit alternativement par la source de courant et par le transistor de sortie. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Étage de sortie pour amplificateur audio dont la linéarité, l’impédance de sortie et la stabilité thermique sont améliorées. La présente invention concerne le domaine de l’électronique audio et plus particulièrement des amplificateurs de haute-fidélité. Etat de la technique Les amplificateurs audio de classe AB sont traditionnellement munis d’étages de sortie de type push-pull exploitant des transistors complémentaires en émetteur suiveur ; on entend par émetteur suiveur un transistor configuré en collecteur commun. Afin d’assurer une relative stabilité du courant de repos vis-à-vis des variations de température, la différence de potentiel entre les bases des transistors de l’étage de sortie est maintenue stable à l’aide d’une référence de tension au coefficient de température négatif tandis que les émetteurs de ces transistors sont connectés à la sortie par le truchement de résistances. Or l’utilisation de ces résistances produit une augmentation de la différence de potentiel entre les émetteurs des transistors liée au courant de sortie et implique un mode de fonctionnement dans lequel les transistors de l’étage de sortie sont alternativement passants et bloqués. Cela induit des passages de relais entre transistors pour le contrôle de la tension de sortie lors de l’inversion du courant de sortie. La linéarité et l’impédance de sortie en sont affectées. Le dispositif selon la présente invention propose de remédier à ces inconvénients par une topologie permettant un courant de repos régulé par un contrôleur dédié, afin de ne s’annuler dans aucune phase du cycle et également assurer une excellente stabilité thermique. Ce dispositif est un dispositif étage de sortie pour amplificateur audio pour lequel la tension de sortie est toujours contrôlée directement par l’émetteur d’un même transistor de sortie durant la totalité du cycle, afin d’optimiser la linéarité et l’impédance de sortie. En effet selon une première caractéristique, le dispositif est dissymétrique et se compose : d’un transistor composite configuré pour fonctionner en émetteur suiveur, d’une source de courant, d’un capteur de courant, d’un contrôleur de courant, ainsi que d’un condensateur de compensation en fréquence. La base du transistor composite est connectée à l’entrée du dispositif et à l’étage amplificateur de tension et l’émetteur du transistor composite est directement connecté à la sortie du dispositif. La source de courant dispose d’une entrée de contrôle, et d’une sortie principale connectée à la sortie du dispositif. Le capteur de courant dispose d’une entrée principale connectée au collecteur du transistor composite, le capteur de courant dispose également d’une sortie. Le contrôleur de courant comporte un transistor en base commune et dispose d’une entrée connectée à la sortie du capteur de courant, la sortie du contrôleur de courant est connectée à l’entrée de la source de courant et ferme une boucle de régulation entre le capteur de courant et la source de courant. Ledit contrôleur de courant est constitué d’un amplificateur à base commune dont la base est portée au potentiel d’un dipôle constitué d’une résistance en série avec une paire de diodes traversées par un courant dit courant de polarisation. Selon des modes particuliers de réalisation : - le contrôleur de courant est configuré pour fonctionner en miroir de courant et comporte deux transistors connectés en base commune et formant une structure en miroir de courant. Le courant de polarisation est appliqué au collecteur du transistor d’entrée du miroir de courant, l’émetteur de ce même transistor est porté au potentiel du dipôle formé par une résistance en série avec une diode traversées par ce même courant de polarisation. L’entrée et la sortie du contrôleur sont connectées respectivement à l’émetteur et au collecteur du transistor de sortie du miroir. - le contrôleur de courant est configuré pour fonctionner en miroir de courant et comporte deux transistors connectés en base commune et formant une structure en miroir de courant. Le courant de polarisation est appliqué au collecteur du transistor d’entrée du miroir, l’émetteur de ce même transistor est porté au potentiel du dipôle formé par une résistance en série avec une diode traversées par ce même courant de polarisation. Le contrôleur de courant est configuré pour fonctionner en cascode et comporte un transistor prévu à cet effet. Une cascode sur le collecteur du transistor de sortie du miroir permet de maintenir les températures des transistors en miroir identiques. L’entrée du contrôleur de courant est connectée à l’émetteur du transistor de sortie du miroir de courant via une résistance de couplage, la sortie du contrôleur de courant est connectée au collecteur du transistor de cascode. - la source de courant dispose également d’une sortie témoin ; le capteur de courant dispose également d’une entrée témoin, connectée à la sortie témoin de la source de courant ; et le dispositif comprend en outre un condensateur de compensation en fréquence de la boucle de régulation connecté entre la sortie du contrôleur de courant et l’entrée témoin du capteur de courant. - le capteur de courant comporte une première diode connectée entre l’entrée principale et la sortie du capteur de courant ; une deuxième diode connectée entre l’entrée témoin et la sortie du capteur de courant ; une première résistance connectée entre l’entrée principale du capteur de courant et un rail d’alimentation ; et une deuxième résistance connectée entre l’entrée témoin du capteur de courant et le rail d’alimentation ; la sortie du capteur de courant étant configurée pour réaliser par commutation, via les première et deuxième diodes, une fonction de transfert qui est fonction de différences de potentiels électriques aux bornes des première et deuxième résistances. Le capteur de courant exploite une paire de diodes afin d’assurer par commutation, alternativement la régulation du courant de repos traversant le transistor de sortie, dans la phase du cycle pour laquelle le courant de sortie est nul ou fourni par la source de courant et la régulation du courant de veille traversant la source de courant, dans la phase du cycle pour laquelle le courant de sortie est fourni par le transistor de sortie. La présente invention concerne également un amplificateur audio comprenant un dispositif étage de sortie tel que décrit ci-dessus. Brève description des figures Les dessins annexés illustrent des réalisations de l’invention : la figure [Fig. 1] est un schéma représentant un mode préférentiel de réalisation ; les figures [Fig. 2] et [Fig. 3] sont des schémas représentant deux variantes de réalisation. Description détaillée de l’invention En référence à la figure et selon un premier mode de réalisation, l’étage de sortie se compose : d’un transistor composite (CFP) qui fonctionne en émetteur suiveur, composé d’une paire CFP qui comporte les composants suivants : un transistor driver (Q4), un transistor de puissance (Q2) dont la base est connectée au collecteur de (Q4), une résistance (R5) qui shunte la jonction base-émetteur de (Q2), une diode (D7) qui shunte et protège la jonction base-émetteur de (Q4), la base de (Q4) constitue la base (10) du transistor composite (CFP), l’émetteur de (Q4) constitue l’émetteur (11) du transistor composite (CFP) et l’émetteur de (Q2) constitue le collecteur (12) du transistor composite (CFP), d’une source de courant (CSO) de type darlington qui comporte les composants suivants : un transistor de puissance (Q1), un transistor driver (Q3) dont l’émetteur est connecté à la base de (Q1), une diode (D1) et une résistance (R1) qui sont connectées d’une part à un rail d’alimentation (+VCC) et d’autre part à l’émetteur de (Q1), une résistance (R3) qui est connectée d’une part au rail d’alimentation (+VCC) et d’autre part à l’émetteur de (Q3) et une résistance (R7) qui est connectée d’une part au rail d’alimentation (+VCC) et d’autre part à la base de (Q3), la base de (Q3) constitue l’entrée de contrôle (3) de la source de courant (CSO), le collecteur de (Q3) constitue la sortie témoin (2) de la source de courant (CSO), le collecteur de (Q1) constitue la sortie principale (1) de la source de courant (CSO), d’un capteur de courant (CCA) qui comporte les composants suivants : deux diodes (D3), (D5) dont les anodes constituent la sortie (6) du capteur de courant (CCA), une résistance (R2) et une diode (D2) qui sont connectées d’une part à un rail d’alimentation (-VCC) et d’autre part à la cathode de (D5) sur l’entrée (4) du capteur de courant (CCA) et enfin une résistance (R4) qui est connectée d’une part au rail d’alimentation (-VCC) et d’autre part à la cathode de (D3) sur l’entrée (5) du capteur de courant (CCA), d’un contrôleur de courant (CCO) qui comporte les composants suivants : un transistor (Q5) opérant en base commune dont le collecteur constitue la sortie (8) du contrôleur de courant (CCO), une résistance (R6) qui est connectée d’une part à l’entrée (7) du contrôleur de courant (CCO) et d’autre part à l’émetteur de (Q5), ainsi qu’un dipôle formé d’une résistance (R8) en série avec deux diodes (D4) et (D8), ledit dipôle étant connecté d’une part au rail d’alimentation (-VCC) et d’autre part à la base de (Q5) et à l’entrée (POL) fournissant le courant de polarisation. et d’un condensateur (C). La base (10) du transistor composite (CFP) est connectée à l’entrée (E) du dispositif qui reçoit la sortie de l’étage amplificateur de tension, l’émetteur (11) du transistor composite (CFP) est directement connectée à la sortie (S) du dispositif. La source de courant (CSO) dispose d’une sortie principale (1) connectée à la sortie (S) du dispositif. Le capteur de courant (CCA) dispose d’une entrée principale (4) connectée au collecteur (12) du transistor composite (CFP), le capteur de courant (CCA) dispose également d’une entrée témoin (5) connectée à la sortie témoin (2) de la source de courant (CSO). Le contrôleur de courant (CCO) dont l’entrée (7) est connectée à la sortie (6) du capteur de courant (CCA) et dont la sortie (8) est connectée à l’entrée de contrôle (3) de la source de courant (CSO) ferme une boucle de régulation entre le capteur de courant (CCA) et la source de courant (CSO). Le capteur de courant (CCA) exploite la paire de diodes (D3), (D5) afin de réaliser par commutation, la fonction de transfert suivante : MIN(V(R2), V(R4)), V(R2) étant le potentiel sur l’entrée (4), V(R4) étant le potentiel sur l’entrée (5). Ainsi lors de la phase du cycle pour laquelle le courant de sortie est nul ou fourni via la source de courant (CSO) le terme V(R2) est pris en compte, permettant la régulation du courant de repos au travers du transistor composite (CFP). Lors de la phase du cycle pour laquelle le courant de sortie est fourni par le transistor composite (CFP), le terme V(R4) est pris en compte, permettant la régulation d’un faible courant de veille au travers de la source de courant (CSO). La diode (D1) permet le shunt de la résistance (R1) pour permettre à la source de courant (CSO) de produire un courant fort dans la phase ou la régulation se fait sur le courant traversant la résistance (R2) ; de même la diode (D2) permet le shunt de la résistance (R2) pour permettre au transistor composite (CFP) de produire un courant fort dans la phase ou la régulation se fait sur le courant traversant la résistance (R1). Le condensateur (C) est connecté entre la sortie (8) du contrôleur de courant (CCO) et l’entrée témoin (5) du capteur de courant (CCA), le condensateur (C) assure la compensation en fréquence de la boucle de régulation en relation avec la résistance (R4). Dans la forme de réalisation selon la figure , le contrôleur de courant (CCO) fonctionne en miroir de courant et comporte les composants suivants : un transistor (Q5) qui opère en miroir de courant dont le collecteur constitue la sortie (8) du contrôleur de courant (CCO), une résistance (R6) qui est connectée d’une part à l’entrée (7) du contrôleur de courant (CCO) et d’autre part à l’émetteur de (Q5), un dipôle formé d’un transistor (Q6) en série avec une résistance (R8) et une diode (D4) ; ledit dipôle qui est connecté d’une part à la base de (Q5) et à l’entrée (POL) fournissant le courant de polarisation et d’autre part à un rail d’alimentation (-VCC). Dans la forme de réalisation préférentielle selon la figure , le contrôleur de courant (CCO) fonctionne en miroir de courant assorti d’une cascode et comporte les composants suivants : un transistor cascode (Q7) dont le collecteur constitue la sortie (8) du contrôleur de courant (CCO), un transistor (Q5) qui opère en miroir de courant dont le collecteur est connecté à l’émetteur de (Q7), une résistance (R6) qui est connectée d’une part à l’entrée (7) du contrôleur de courant (CCO) et d’autre part à l’émetteur de (Q5), un dipôle formé d’un transistor (Q6) en série avec une résistance (R8) et une diode (D4) ; ledit dipôle qui est connecté d’une part à la base de (Q5) et à la cathode d’une diode (D6) et d’autre part à un rail d’alimentation (-VCC), la diode (D6) dont l’anode est connectée à la base de (Q7) ainsi qu’à l’entrée (POL) fournissant le courant de polarisation. Le transistor cascode (Q7) optimise la précision du contrôleur de courant (CCO). Selon une forme de réalisation non illustrée, le contrôleur de courant (CCO) fonctionne en base commune assorti d’une cascode et comporte les composants suivants : un transistor cascode (Q7) dont le collecteur constitue la sortie (8) du contrôleur de courant (CCO), un transistor (Q5) qui opère en base commune dont le collecteur est connecté à l’émetteur de (Q7), une résistance (R6) qui est connectée d’une part à l’entrée (7) du contrôleur de courant (CCO) et d’autre part à l’émetteur de (Q5), un dipôle formé d’une résistance (R8) en série avec deux diodes (D4) et (D8) ; ledit dipôle qui est connecté d’une part à la base de (Q5) et à la cathode d’une diode (D6) et d’autre part à un rail d’alimentation (-VCC), la diode (D6) dont l’anode est connectée à la base de (Q7) ainsi qu’à l’entrée (POL) fournissant le courant de polarisation. Le transistor cascode (Q7) optimise la précision du contrôleur de courant (CCO). Applications de l’invention Ce dispositif est particulièrement destiné à la fabrication d’amplificateur audio à hautes performances. À cette fin il faudra lui adjoindre un étage amplificateur de tension exploitant par exemple un amplificateur opérationnel. Cet amplificateur de tension peut également comporter la source du courant de la polarisation du présent dispositif, ce qui permet de profiter d’une alimentation mieux filtrée et de disposer d’un courant de polarisation plus propre. Dispositif étage de sortie pour amplificateur audio caractérisé en ce qu'il comporte : - un transistor composite (CFP) configuré pour fonctionner en émetteur suiveur, la base (10) du transistor composite (CFP) étant connectée à l’entrée (E) du dispositif, l’émetteur (11) du transistor composite (CFP) étant directement connecté à la sortie (S) du dispositif, - une source de courant (CSO) qui dispose d’une entrée de contrôle (3), et d’une sortie principale (1) connectée à la sortie (S) du dispositif, - un capteur de courant (CCA) qui dispose d’une entrée principale (4) connectée au collecteur (12) du transistor composite (CFP), et d’une sortie (6), - un contrôleur de courant (CCO) comportant un transistor (Q5) en base commune et dont l’entrée (7) est connectée à la sortie (6) du capteur de courant (CCA) et dont la sortie (8) est connectée à l’entrée (3) de la source de courant (CSO) et ferme une boucle de régulation entre le capteur de courant et la source de courant. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le contrôleur de courant (CCO) est configuré pour fonctionner en miroir de courant et comporte deux transistors (Q5) et (Q6) connectés en base commune et formant une structure en miroir de courant. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le contrôleur de courant (CCO) est configuré pour fonctionner en cascode et comporte un transistor (Q7) prévu à cet effet. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la source de courant (CSO) dispose en outre d’une sortie témoin (2), en ce que le capteur de courant (CSO) dispose en outre d’une entrée témoin (5) qui est connectée à la sortie témoin (2) de la source de courant (CSO), et en ce que le dispositif comprend en outre un condensateur (C) de compensation en fréquence de la boucle de régulation connecté entre la sortie (8) du contrôleur de courant (CCO) et l’entrée témoin (5) du capteur de courant (CCA). Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le capteur de courant (CCA) comporte une première diode (D3) connectée entre l’entrée principale (4) et la sortie (6) du capteur de courant ; une deuxième diode (D5) connectée entre l’entrée témoin (5) et la sortie (6) du capteur de courant ; une première résistance (R2) connectée entre l’entrée principale (4) du capteur de courant et un rail d’alimentation (-VCC) ; et une deuxième résistance (R4) connectée entre l’entrée témoin (5) du capteur de courant et le rail d’alimentation (-VCC) ; la sortie (6) du capteur de courant étant configurée pour réaliser par commutation, via les première et deuxième diodes (D3, D5), une fonction de transfert qui est fonction de différences de potentiels électriques aux bornes des première et deuxième résistances (R2, R4). Amplificateur audio comprenant un dispositif étage de sortie, caractérisé en ce que le dispositif étage de sortie est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes.