Les classes d'amplificateurs audio

La classe d'un amplificateur audio caractérise le fonctionnement électrique de l'étage de sortie de cet ampli. Un ampli audio peut être choisi pour différents besoins : puissance de sortie, rendement, distorsion, bande passante, prix, etc...

Ampli audio hifi : quelle classe de fonctionnement ?

Amplificateur audio de classe A

La classe A se caractérise par la haute fidélité, c'est-à-dire la très faible distorsion harmonique (déformation du signal), même sans contre réaction. En revanche, le rendement d'un ampli classe A est faible. Le rendement théorique maximum est de 25%. En pratique, le rendement est toujours inférieur à 25%. Cela restreint l'utilisation des amplis classe A à de faibles puissances, et à des applications audiophiles où la fidélité du son se veut primordiale.

L'étage de sortie d'un ampli classe A est fait autour d'un seul transistor. Au repos, le point de fonctionnement se situe au milieu (ou environ) de la droite de charge du transistor. En gros, le transistor est à mi course entre un interrupteur fermé et un interrupteur ouvert. Le transistor pourra donc s'ouvrir un peu plus ou peu moins autour de ce point de fonctionnement.

Etage de sortie d'un ampli classe A : principe

Amplificateur audio de classe B

Largement utilisés en variante classe AB, les amplis de classe B offrent un rendement intéressant et donc une puissance de sortie qui peut être grande. Le rendement théorique maximum est de pi/4, c'est-à-dire 78.5%. En pratique, le rendement atteint 60 à 75% selon les amplis. La plupart des amplis de sono fonctionnent en classe B ou AB, parfois AB+B (amplis de sono Crown Audio). Avec une contre réaction, la distorsion d'un ampli classe B est très faible.

L'étage de sortie d'un ampli classe B est fait autour de 2 transistors complémentaires. Au repos, chacun des 2 transistors est à la limite blocage-conduction. Un transistor amplifie les demi alternances positives du signal audio (la musique, les voix, les instruments amplifiés ou tout ce qui passe par l'ampli !) et l'autre transistor amplifie les demi alternances négatives.

Etage de sortie d'un ampli classe B : principe

Amplificateur audio de classe AB

En classe AB, un léger courant de repos existe pour permettre aux transistors de se "passer le relais" sans discontinuité lors du passage par zéro de la tension de sortie. Ceci évite la distorsion de croisement : il y a une plage de recouvrement où les 2 transistors sont légèrement en conduction ensemble.

Schéma de principe d'un ampli audio classe AB

Tension de sortie du montage classe AB

Amplificateur (pas audio) de classe C

Les amplis de classe C ne sont pas utilisés en audio, mais en radio fréquence. Ils sont non linéaires mais offrent un très haut rendement. Il faut filtrer les harmoniques créés par un ampli de classe C avec des circuits accordés à la bonne fréquence.

L'étage de sortie d'un ampli classe C est fait autour d'un seul transistor, ce qui ressemble à priori à la classe A.

On ne peut pas utiliser d'ampli de classe C pour des signaux modulés en amplitude.

Contrairement à un ampli classe A, au repos, le transistor est bloqué et assez loin de la limite de conduction. Il n'y a ainsi que les crêtes des alternances positives qui créent un signal à la sortie de l'ampli de classe C.

Ampli de classe C : tension d'entrée

Ampli de classe C : courant de sortie collecteur

Amplificateur audio de classe D

Les amplis de classe D forment une génération plus récente d'amplis de puissance. Leur rendement est le meilleur de tous, ce qui offre un faible échauffement des composants. En théorie, le rendement d'un ampli classe D est de 100%. En pratique, on atteint 90% environ. On peut donc utiliser les amplis de classe D pour de très grandes puissances (sono professionnelle) mais aussi des applications embarquées sur batterie où l'autonomie est précieuse.

L'étage de sortie d'un ampli classe D est fait autour de 2 transistors qui fonctionnent en commutation à haute fréquence (100 - 500kHz). La tension issue des transistors ne peut avoir que deux niveaux électriques. Cette tension est modulée en rapport cyclique, c'est ce rapport cyclique qui crée la tension moyenne représentant le signal audio (20 - 20kHz). La fréquence peut être fixe, elle peut aussi être variable pour des amplis classe D auto oscillants (qu'on peut comparer à un modulateur sigma delta). Un filtrage passe bas (sans pertes électriques) est nécessaire pour reconstituer le signal audio amplifié. Il s'agit d'un filtre LC.

Ampli de classe D : le principe

Tension créée par les transistors et tension de sortie de l'ampli classe D

Même si la tension de sortie ne peut avoir que 2 états binaires, le temps n'est pas quantifié dans un ampli classe D, il est continu. On ne peut donc pas dire qu'un ampli classe D est numérique (ou "digital"). Classe D ne signifie pas digital.

Amplificateur audio de classe G et H

Une façon d'améliorer le rendement d'un ampli classe B ou AB est d'ajuster la tension d'alimentation en fonction du signal audio, soit en faisant varier continument la tension (qui suit le signal audio), soit en commutant la tension d'alimentation soit à une tension haute, soit une tension plus faible (souvent la moitié). Ce fonctionnement peut faire penser, en mécanique, au turbo d'un moteur qui ajuste la pression dans les cylindres, c'est-à-dire la cylindrée virtuelle qui s'ajuste à la demande de couple moteur (accélération). Un ampli audio peut voir son alimentation commuter de +/-30V à +/-60V en fonction de besoin instantané de puissance.

La commutation de la tension d'alimentation se fait avec un transistor utilisé en tout ou rien. On peut aussi utiliser un montage où l'étage de sortie est alimenté par les deux tensions d'alimentation simultanément, mais l'étage de sortie doit alors être constitué de deux transistors en "série" (exemple : ampli Proline 2700).

Alimentation des amplis audio

L'alimentation d'un ampli audio est une tension continue qui doit fournir la puissance appelée par la charge (haut parleur) + la puissance dissipée par les étages de l'ampli. En sono, on peut dimensionner l'alimentation pour la puissance moyenne demandée par l'ampli. Un ampli de 500W efficaces peut se contenter d'une alimentation qui peut founir 300W continus.

Exemple de schéma d'alimentation pour ampli sono 2x150W efficaces / 8 Ohms

On peut utiliser un transformateur tôlé 50Hz classique, un pont de diodes et des condensateurs selon cette structure ultra classique :

Alimentation pour ampli audio : transfo 50Hz

Transfos 50Hz standard

De plus en plus d'amplis utilisent des alimentations à découpage, ce qui permet de réduire le poids considérablement. Expérimentalement, on peut réaliser ce schéma d'alimentation à découpage pour ampli :

Alimentation pour ampli audio : alimentation à découpage

Maquette prototype d'alimentation à découpage pour ampli audio 500W