Ampli classe D : mesures des signaux

Cet article présente des résultats de mesure de signaux dans un ampli classe D auto oscillant, basé sur un intégrateur à ampli op (TL072) et un driver de demi pont (IR2184). Cela permet de mieux comprendre le fonctionnement de ce type d'amplis classe D, largement décrits par International Rectifier.

Schéma complet de l'ampli classe D étudié

Le schéma complet est présenté dans cet article :

Schéma de l'ampli classe D

Intégrateur à ampli op : ordre 1 ou ordre 2

L'intégrateur est l'élément central du fonctionnement de l'ampli classe D auto oscillant. Il délivre une tension croissante (rampe si intégrateur d'ordre 1) ou décroissante en fonction de l'état binaire de l'étage de sortie (+Vcc ou -Vcc). La tension d'alimentation vaut ici +/-50VDC. C'est le courant dans R6 qui charge/décharge C5a et C5b.

Tension de sortie de l'intégrateur d'ordre 2

La tension de sortie de l'intégrateur fluctue entre +1.0V et +4.2V (résultat de mesure). R5 et T3 servent de translateur de niveau pour piloter l'entrée du IR2184.

Si on supprime R5a, l'intégrateur devient un simple intégrateur d'ordre 1. La tension de sortie prend alors l'allure d'une rampe classique :

Intégrateur d'ordre 1 : tension en rampe

Plus la résistance R5a prend une grande valeur, plus l'intégrateur d'ordre 2 ressemble à un intégrateur d'ordre 1. Plus R5a est petite, plus la fréquence de découpage est faible. Il y a donc un compromis ici autour de 500 Ohms à 1kOhm pour les valeurs de cet ampli classe D auto oscillant.

La tension à l'entrée du IR2184 a la même allure que la sortie de l'intégrateur. Le translateur de niveau fonctionne par le fait que R5=R7 et que Ic=Ie pour le transistor T3 qui marche en mode linéaire.

Ci dessous, la tension d'entrée du IR2184:

Tension d'entrée du driver IR2184 (violet) et tension de sortie (bleu)

Les seuils de 0.8V et 3.3V sont les seuils de basculement du IR2184. Lorsque la tension décroît et atteint 0.8V, le IR2184 crée un état bas en sortie en activant le Mosfet d'en bas (low side) et en coupant le Mosfet d'en haut (high side). On voit le basculement à -50V de la tension de sortie. Un léger retard dans la courbe violette est dû à l'ordre 2 de l'intégrateur.

De même lorsque la tension monte et atteint 3.3V, le IR2184 bascule à l'état haut. La tension de sortie des transistors vaut alors +50V, et le courant dans R6 vient faire décroître la tension de sortie de l'intégrateur

Fréquence d'auto oscillation de l'ampli classe D

La fréquence d'auto oscillation est définie par les durées entre les basculements du IR2184. Si on veut accélérer les vitesses de montée et descente de la tension d'entrée du IR2184, on peut :

- diminuer les capas C5a et C5b (conservées égales entre elles pour la simplicité)

- augmenter R7

- diminuer R5

Pour bien comprendre le fonctionnement du translateur de niveau (intégrateur vers IR2184), on peut observer la tension au collecteur de T3. Il y a 20kOhms jusqu'au -Vcc. La tension est donc le double de la tension d'entrée du IR2184 (aux bornes de R7 seulement) :

Tension aux bornes de R6+R7

Cette tension est bien le double de la tension d'entrée du IR2184.

Autres mesures sur l'ampli classe D auto oscillant

La tension sur l'entrée - de l'intégrateur doit être proche de zéro (l'ampli op fonctionne en mode linéaire), donc v+ = v-, ou presque.

Tension quasi nulle (+/-80mV) sur l'entrée inverseuse de l'intégrateur d'ordre 2

R4 et C4 limitent la tension qui pourrait exister si un état logique permanent arrive (pas d'oscillation). R4 et R6 formeront alors un diviseur de tension qui évitera de casser l'ampli op. C4 filtre les transitoires de tensions, mais est facultative.

On peut remplacer R4 par deux diodes LL4148 ou 1N4148 tête bêche pour protéger l'entrée de l'ampli op.

La tension sur le point milieu de C5a et C5b a une allure de rampe centrée autour de 0V (analyse statique en DC : C5a et C5b = circuits ouverts). C'est donc tout à fait logique :

Tension sur le point milieu des capacités de l'intégrateur

Sur l'émetteur de T3 (translateur de niveau), la tension Vbe reste autour de 0.6V :

Tension à l'émetteur du translateur de niveau

Fonctionnement du demi pont : alimentation et bootstrap

Le IR2184 pilote la grille du transistor Mosfet high side par une alimentation de type bootstrap. L'alimentation 12V issue d'une diode zener et d'une capa de 1uF est bien lisse :

Tension d'alimentation du IR2184 de l'ampli classe D

Pour observer le courant de charge de C12 (condensateur de bootstrap), on peut observer la tension après la résistance 10 Ohms :

Visualisation de la recharge du condensateur de bootstrap

Il s'agit des légers creux dans la tension lorsque la tension de sortie (en bleu) vient de passer à -50V.

Pilotage des grilles des Mosfet

Plus classique, le pilotage des grilles des Mosfet se fait à travers une résistance de 47 Ohms en parallèle avec une diode 1N4148 pour une décharge plus rapide de la charge de grille. Malgré le temps mort interne au IR2184, ce montage pour piloter les Mosfet est nécessaire pour éviter la conduction simultanée des 2 transistors lors des commutations (cross conduction, ou shoot through). C'est étonnant, mais on le constate avec ce choix de composants (IR2184, 47 Ohms // 1N4148, IRFB4620 ou IRFB5620) :

Tension de grille et de sortie du IR2184

L'entrée en conduction est retardée (charge ralentie par les 47 Ohms) alors que le blocage est rapide (décharge rapide via la diode 1N4148).

Filtre LC en sortie de l'ampli classe D

Le classique filtre LC en sortie de l'ampli classe D est un filtre d'ordre 2 avec un snubber RC pour amortir la résonance LC. Ici, le pire cas consiste à faire fonctionner l'ampli classe D à vide :

Découpage des transistors (bleu) et tension de sortie (violet)

Le fonctionnement auto oscillant de l'ampli classe D fait que la fréquence de découpage est la plus élevée au repos (200kHz environ) et diminue lorsque la tension de sortie s'approche de +Vcc ou -Vcc (+50V ou -50V ici).

On remarque la tension de sortie ondule beaucoup et dépasse même +/-50V. Attention à dimensionner correctement C13 dans le filtre LC de sortie !

Au repos, l'ondulation résiduelle est de l'ordre de 2.7V crête. Comme le filtre LC fonctionne dans sa bande atténuée (fréquence de coupure de 30kHz environ), le déphasage est de l'ordre de 180° (car filtre passe bas d'ordre 2). On constate bien l'opposition de phase entre la sortie des transistors et la tension de sortie (sortie du filtre) :

Tension d'entrée et de sortie du filtre LC

Conclusion

Les mesures des tensions sur un ampli classe D permettent de comprendre qu'au repos, les composants sont tout sauf statiques ! Il s'agit d'une véritable alimentation à découpage en demi pont qui oscille à une fréquence déterminée par un ensemble d'éléments.