FR3165367A1 - Amplificateur de puissance numérique basé sur un transformateur à enroulements primaires multiples - Google Patents

Amplificateur de puissance numérique basé sur un transformateur à enroulements primaires multiples

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FR3165367A1
FR3165367A1 FR2408613A FR2408613A FR3165367A1 FR 3165367 A1 FR3165367 A1 FR 3165367A1 FR 2408613 A FR2408613 A FR 2408613A FR 2408613 A FR2408613 A FR 2408613A FR 3165367 A1 FR3165367 A1 FR 3165367A1
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Olivier LE ROY
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Lianeo
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/66—Digital/analogue converters
    • H03M1/74—Simultaneous conversion
    • H03M1/742—Simultaneous conversion using current sources as quantisation value generators
    • H03M1/745—Simultaneous conversion using current sources as quantisation value generators with weighted currents

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  • Theoretical Computer Science (AREA)
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Abstract

L’invention concerne une technique nouvelle et améliorée d’amplification numérique de puissance qui exploite un transformateur spécial pour la conversion du signal. L’appareil est constitué d’un transformateur doté d'un enroulement secondaire destiné à être connecté à une charge, pouvant être un haut-parleur, et de n enroulements primaires. Les enroulements primaires sont contrôlés individuellement par des interrupteurs, pouvant être des transistors MOSFET, qui sont activés par les bits correspondants d'un signal numérique d'entrée. Lorsqu'un bit est à "1", l’interrupteur associé est activé, laissant passer un courant constant dans l'enroulement primaire correspondant. Chaque enroulement primaire possède un nombre de spires tel que l’intégrale de la force magnétomotrice sur un pas d’échantillonnage double celle du primaire précédent, commençant par un nombre minimal de spires pour le bit de poids le plus faible. Un bit de signe permet d’inverser le courant dans chaque enroulement primaire, grâce à des ponts en H, selon l’alternance du signal numérique d’entrée, positive ou négative. Le courant induit dans le secondaire résulte de l'addition des courants des primaires activés, créant ainsi un signal analogique proportionnel à la valeur du signal numérique d'entrée. L’appareil selon l’invention est particulièrement destiné à l’industrie audio en tant qu’étage d’amplification de puissance numérique de résolution élevée, en fonction du nombre de bits et des valeurs de courant choisies, et de distorsion réduite car la conversion numérique-analogique de puissance se fait principalement par des moyens magnétiques plutôt qu'électroniques. Figure à publier pour l’abrégé : [Fig 1]

Description

Amplificateur de puissance numérique basé sur un transformateur à enroulements primaires multiples
L’amplification d’un signal sonore se fait classiquement grâce à un appareil électronique qui augmente la puissance d'un signal audio. Cet appareil prend un signal sonore faible et le rend suffisamment fort pour être entendu clairement à travers des haut-parleurs.
Etat de la technique antérieure
Il existe plusieurs sortes de dispositifs d’amplification, les dispositifs d’amplification actuellement utilisés comprennent :
Amplificateurs à tubes à vide :
L’amplification se fait avec des tubes à vide, aussi appelés lampes électroniques, comme les triodes, tétrodes, et pentodes. L’amplification électronique du signal audio offre une bonne puissance et qualité sonore.
Amplificateurs à transistors :
L’amplification se fait avec des transistors, qui sont des semi-conducteurs, bipolaires ou à effet de champ. Les transistors permettent des designs plus compacts et portables.
Ces dispositifs (à tubes ou à transistors) reposent sur des schémas de principe électroniques similaires et font typiquement appel à 4 classes d’amplification :
La classe A offre une bonne qualité sonore avec une faible distorsion, mais consomme beaucoup d'énergie car les éléments actifs (tubes ou transistors) sont toujours en conduction.
La classe B est plus efficace, mais introduit une distorsion de croisement au niveau où les éléments actifs passent d'une moitié du signal à l'autre.
La classe AB combine les avantages des classes A et B pour réduire la distorsion tout en améliorant l'efficacité énergétique.
La classe D fait appel à une technique de modulation de largeur d'impulsion (PWM) et utilise des éléments actifs qui commutent à haute fréquence pour amplifier le signal audio. Les amplificateurs en classe D sont très efficaces, ils dissipent beaucoup moins de chaleur que les classes précédentes.
Autres types de dispositifs d’amplification :
On a également utilisé des pavillons acoustiques, principalement dans les phonographes et les gramophones. Ils fonctionnaient sans électricité, utilisant simplement la forme du pavillon pour concentrer et diriger les ondes sonores, amplifiant ainsi le son mécanique produit par les vibrations d'une aiguille dans un disque. Ces dispositifs amplificateurs utilisés au siècle dernier sont actuellement dépassés.
Toutefois, dans l’état de l’art décrit ci-dessus, on constate que dans tous ces dispositifs, le signal d’entrée numérique est d’abord converti en signal analogique pour être ensuite augmenté à un niveau plus élevé. Jusqu’à présent, ces appareils d’amplification utilisent une technique d’amplification qui est intrinsèquement analogique. Même la classe D, qui utilise des techniques de commutation qui peuvent rappeler des systèmes numériques en 1 bit, reste fondamentalement une méthode d'amplification analogique. Ces appareils ont l’inconvénient de présenter une distorsion et des rotations de phase inhérents à l’amplification en boucle fermée et le signal d’entrée analogique est plus fragile et prompt au bruit qu’un signal purement numérique.
La présente invention a pour objet d’introduire une nouvelle classe et un appareil d’amplification ayant une conversion directe du signal numérique d'entrée en signal de puissance analogique, sans passage par une étape intermédiaire de signal analogique fragile et prompte au bruit, en boucle ouverte, permettant de s’affranchir des problèmes évoqués ci-dessus.
Cet appareil d’amplification comporte un transformateur ayant n enroulements primaires et un enroulement secondaire, ledit transformateur assurant à la fois la conversion numérique / analogique et l'amplification de puissance du signal d'entrée dans son circuit secondaire; n bits + 1 bit de signe étant la résolution maximale en bits de l’amplificateur numérique de puissance. Il comporte également n sources de courant commandées et n dispositifs inverseurs de polarités. Chaque enroulement primaire du transformateur est alimenté par une source de courant associée qui délivre des impulsions. Le courant de crête de ces impulsions est ajusté de manière à ce que l'intégrale de la force magnétomotrice sur un intervalle d'échantillonnage soit dans un rapport de 2 entre chaque enroulement successif. Chaque source de courant peut être ACTIVÉE ou DÉSACTIVÉE à chaque intervalle d'échantillonnage par un bit du signal numérique d'entrée. Le sens du courant dans chaque enroulement peut être inversé par un bit de signe, en utilisant un dispositif inverseur de polarité, selon l'alternance positive ou négative du signal numérique d'entrée. Enfin le gain de l’amplificateur numérique est déterminé par une table contenant les valeurs des courants de crête de chacune des n sources de courant.
 Brève description des figures
LaFIG. 1représente le schéma bloc d’un appareil d’amplification de nouvelle classe à conversion directe du signal numérique d’entrée en signal de puissance analogique utilisant des composants électroniques courants.
LaFIG. 2représente un pont en H en position de repos. Les quatre interrupteurs sont désactivés.
LaFIG. 2représente un pont en H lorsque S1 et S4 sont fermés.
LaFIG. 2représente un pont en H lorsque S2 et S3 sont fermés.
LaFIG. 2représente le schéma électronique d’un pont en H.
LaFIG. 3représente la forme des impulsions de courant, dans les enroulements primaires, qui sont en commutation douce (forme trapézoïdale).
LaFIG. 4représente le schéma électronique d’une source de courant.
Ci-dessous sont expliqués les sous-ensembles constituant l’appareil amplificateur à conversion directe du signal numérique d’entrée en signal de puissance analogique.
Premier sous-ensemble : transformateur.
Le repère1de laFIG. 1représente un transformateur ayant un enroulement secondaire4et n enroulements primaires5. Chaque enroulement primaire est connecté un générateur de courant indépendant qui délivre des impulsions de courant constant.
Le rapport de transformation en termes de courants est :
La contribution de l’enroulement i :
Le produit est aussi appelé force magnétomotrice = fmm(i).
Par application du théorème de superposition : avec :
  • Np​(i) est le nombre de spires du primaire i
  • Ns​est le nombre de spires du secondaire
  • Ip​(i) est le courant du primaire i
  • Is​est le courant secondaire
  • i est compris entre 0 et n - 1
Si les courants Ipet les nombres de spires Npsont calibrés de telle façon que ou fmm(i) = 2.fmm(i – 1) (le produit du courant par le nombre de spires d’un enroulement primaire au suivant est en progression géométrique de raison 2), alors le courant induit dans le secondaire (qui résulte de l'addition des courants des primaires activés) est un signal analogique proportionnel à la valeur du signal numérique binaire d'entrée. n bits + 1 bit de signe représentent la précision voulue en nombre de bits de l’amplification numérique.
Deuxième sous-ensemble : pont en H.
Le repère2de laFIG. 1représente un pont en H permettant d’inverser le signe du courant dans l’enroulement primaire5associé selon l’alternance positive ou négative du signal numérique d’entrée. Il y a autant de ponts en H qu’il y a d’enroulements primaires sur le transformateur1.
Lorsque le pont en H en position de repos, comme représenté sur laFIG. 2, les quatre interrupteurs sont désactivés et l’enroulement primaire n'est pas alimenté.
Lorsque S1 et S4 sont fermés, comme représenté sur laFIG. 2, l'alimentation positive va vers la gauche de l’enroulement primaire et l'alimentation négative vers la droite. Le primaire fonctionne en alternance positive.
Lorsque S1 et S3 sont fermés, comme représenté sur laFIG. 2, l'alimentation positive va vers la droite de l’enroulement primaire et l'alimentation négative vers la gauche. Le primaire fonctionne alors en alternance négative.
LaFIG. 2représente le schéma électronique d’un tel pont en H basé sur des transistors MOSFET de canal N et P. Une implémentation basée sur des tubes à vide est également possible.
Troisième sous-ensemble : source de courant commandée.
Le repère3de laFIG. 1représente une source de courant. Chaque générateur de courant est commandé par un bit du signal numérique d’entrée. Il y a autant de sources de courant commandées qu’il y a d’enroulements primaires5sur le transformateur.
Comme représenté sur laFIG. 3, afin de prévenir une oscillation inverse lors de la commutation du courant dans le primaire, pouvant provoquer des surtensions indésirables, la montée et la descente du signal de commande de la source de courant se font selon une pente contrôlée. Ainsi la commutation est douce et les impulsions de courant ont une forme trapézoïdale pour chaque bit où le générateur est activé.
Avec une telle impulsion trapézoïdale, la force magnétomotrice fmm n’est plus constante sur l’intervalle de temps Te (ou période d’échantillonnage). L’intégrale de la force magnétomotrice, qui est la fmm appliquée sur un intervalle de temps, est alors considérée.
L'intégrale de la force magnétomotrice est trouvée en intégrant la fmm par rapport au temps : avec :
  • J est l'intégrale de la force magnétomotrice en ampère-tours-seconde (A·t·s),
  • fmm = N × I est la force magnétomotrice en ampère-tours (A·t),
  • N est le nombre de spires,
  • I est le courant en ampères (A),
  • Te est la période d’échantillonnage en secondes (s).
La résultante des puissances des bits individuels est obtenue par l’addition des flux primaires dans le circuit magnétique du transformateur. Afin de retrouver la linéarité de conversion numérique-analogique, la règle de pondération doit être que, d’un enroulement i au suivant, l’intégrale de la force magnétomotrice sur la période d’échantillonnage doit être en progression géométrique de raison 2. C’est à dire que le courant crête doit être calibré, en fonction du nombre de spires, de façon que J(i) = 2.J(i – 1).
De même, J(i) (et par conséquent l’énergie injectée dans l’enroulement i) doit être constante pour chaque période où la source de courant est commandée. En particulier, celle-ci ne doit pas être dépendante de la température.
LaFIG. 4représente le schéma électronique d’une telle source de courant basée sur un transistor MOSFET. Une implémentation basée sur des tubes à vide est également possible.
Quatrième sous-ensemble : générateur de signal numérique.
Le repère8de laFIG. 1représente un générateur de signal numérique délivrant, à chaque période d’échantillonnage du signal numérique d’entrée, les niveaux logiques des n bits + 1 bit de signe de façon synchrone. Les circuits logiques doivent être choisis de façon que le jitter sur les données et le bit de signe soit le plus faible possible. Un logiciel ou micro-code temps-réel permet cela. Un fichier audio d’entrée au format PCM se prête bien à la génération du signal numérique car les échantillons ainsi que le bit de signe s’en extraient facilement. De nombreuses sources audio modernes (streaming, fichiers numériques, etc.) sont déjà en format numérique.
Concernant le filtrage de sortie, si le signal d’entrée présente des marches d’escalier, les transformateurs audio de haute qualité ont une bande passante qui peut aller jusqu'à plusieurs dizaines de kilohertz, mais rarement au-delà. Les composants de fréquence élevés associés aux marches d'escalier du signal numérique d’entrée seront fortement atténués par le transformateur en raison de sa bande passante limitée, cela aura pour effet de lisser les discontinuités abruptes du signal d'entrée. Cependant, ce lissage ne sera pas parfait. Afin de parfaire le lissage, un circuit sur-échantillonneur avec interpolation est utilisé. Par exemple, si le signal d’entrée est échantillonné à 44,1 kHz, il est possible de sur-échantillonner ce signal à une fréquence beaucoup plus élevée, telle que 88,2 kHz ou 176,4 kHz. Ainsi, la contrainte d’un filtre passe-bas en sortie de -60 dB / octave devient -30 dB / octave ou -15 dB / octave, ce qui sera efficacement filtré par le transformateur. La mise en œuvre d’un sur-échantillonneur avec interpolation, dans le générateur de signal numérique8peut être faite avec un processeur de signal numérique (DSP) ou bien des circuits intégrés spécialisés dans le sur-échantillonnage.
Dans ce système à conversion magnétique, il n’y a aucune boucle de rétroaction du circuit secondaire vers l’entrée, le gain est fixé par la valeur des consignes de courants crêtes. Il en résulte que les défauts inhérents aux amplificateurs différentiels ne sont pas présents :
  • Les rotations de phase du signal sont nulles.
  • Le temps de montée est très bref car le signal de sortie futur ne dépend pas du signal d'entrée à l'instant t.
Également, l'amplification en mode courant permet, du fait que les transducteurs électroacoustiques (haut-parleurs) sont des dispositifs commandés par des courants, de s'affranchir de l'impédance variable de ceux-ci en fonction de la fréquence ; cela permet donc une meilleure linéarité.
En outre, le signal d’entrée est immune au bruit électronique et la conversion directe améliore la pureté du signal en réduisant les erreurs de quantification et les artefacts associés aux conversions multiples. Ceci contribue à faire un appareil amplificateur audio de très haute fidélité qui permet de restituer avec précision les enregistrements des amateurs de musique audiophile, sans nécessité d’utiliser des câbles coûteux.
Comme expliqué ci-dessus, cet appareil est destiné aux amateurs de musique cherchant une reproduction sonore de haute qualité. La présente invention peut aussi être utilisée dans l’industrie cinématographique comme amplificateur avec une clarté et une transparence sonore inégalée. Dans l’industrie cinématographique, il existe une forte demande pour équiper les salles de cinéma de systèmes de restitution de haute fidélité pour la projection de films avec une qualité sonore immersive.
D’autres utilisations sont possibles dans les auditoriums et amphithéâtres pour les conférences et spectacles et dans les salles de musique et de théâtre pour les répétitions et les représentations artistiques.
Cet appareil, et cette nouvelle classe d’amplification, capables de convertir directement le signal numérique en signal de puissance analogique sans passer par une conversion DAC intermédiaire, présente de nombreux avantages qui en font une solution parfaite pour les audiophiles et les applications où la qualité sonore et l'efficacité sont primordiales.

Claims (7)

  1. Dispositif amplificateur de puissance et nouvelle classe d’amplification purement numérique, sans passage par une étape de signal analogique fragile et prompte au bruit intermédiaire, caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur (1), ayant n enroulements primaires (5) et un enroulement secondaire (4), ledit transformateur assure à la fois la conversion numérique / analogique et l'amplification de puissance du signal d'entrée dans son circuit secondaire; n bits + 1 bit de signe étant la résolution maximale en bits de l’amplificateur numérique de puissance.
  2. Dispositif amplificateur de puissance numérique selon la revendication n°1 caractérisé en ce qu'il comporte n sources de courant commandées (3).
  3. Dispositif amplificateur de puissance numérique selon la revendication n°1 caractérisé en ce qu'il comporte n dispositifs inverseurs de polarités (2).
  4. Dispositif selon la revendication n°1 caractérisé en ce que chaque enroulement primaire du transformateur (1) est alimenté par une source de courant (3) qui délivre des impulsions. Le courant de crête de ces impulsions est ajusté de manière à ce que l'intégrale de la force magnétomotrice sur un intervalle d'échantillonnage soit dans un rapport de 2 entre chaque enroulement successif.
  5. Dispositif selon la revendication n°1 caractérisé en ce que chaque source de courant peut être ACTIVÉE ou DÉSACTIVÉE à chaque intervalle d'échantillonnage par un bit (7) du signal numérique d'entrée.
  6. Dispositif selon la revendication n°1 caractérisé en ce que le sens du courant dans chaque enroulement peut être inversé par un bit de signe (6), utilisant un dispositif inverseur de polarité (2), selon l'alternance positive ou négative du signal numérique d'entrée.
  7. Dispositif selon la revendication n°1 caractérisé en ce que le gain de l’amplificateur numérique est déterminé par une table contenant les valeurs des courants de crête de chacune des n sources de courant (3).
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6366618B1 (en) * 1998-03-04 2002-04-02 Nortel Networks Limited Method and apparatus providing high quality high level signals using low voltage integrated circuit drivers by summing partial signal currents and magnetomotive forces

Patent Citations (1)

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