Optimiser les performances audio avec un amplificateur de classe D à entrée numérique plug & play

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Synthèse

Cet article présente une famille d’amplificateurs de classe?D plug?&?play qui simplifient la conception de systèmes audio en éliminant les recours aux méthodes habituelles?: programmation en I2C, horloges d’échantillonnage à faible gigue, décaleurs de niveau logique, conception minutieuse de la carte électronique ou filtrage des interférences électromagnétiques (EMI). Vous découvrirez comment maximiser facilement les performances audio tout en réduisant l’espace occupé sur la carte électronique en minimisant les coûts et les efforts.

Introduction

Une nouvelle génération d’amplificateurs audio de classe?D à entrée numérique plug?&?play permet d’obtenir des performances audio sensiblement supérieures à celles de leurs homologues analogiques classiques. Mieux encore, ces nouveaux modèles apportent des avantages supplémentaires en contribuant à réduire la consommation d’énergie, la complexité, le niveau de bruit et le coût du système.

De nombreux fabricants d’appareils électroniques utilisent des amplificateurs de classe?D à entrée analogique sans filtre et à haut rendement pour répondre aux besoins énergétiques des haut-parleurs audio que l’on trouve dans les smartphones, tablettes, systèmes de télésurveillance domestique et autres enceintes connectées. Ces amplificateurs de classe?D autorisent la connexion directe à une batterie, ce qui minimise les pertes et réduit le nombre de composants nécessaires tout en atteignant un taux de réjection du bruit d’alimentation (PSRR) supérieur à 80?dB — un critère important pour éviter les bourdonnements audibles associés aux signaux GSM démodulés à 217?Hz.

De manière générale, les amplificateurs de classe?D à entrée analogique nécessitent la présence d’un convertisseur numérique-analogique (CNA) et d’un amplificateur d’attaque de ligne sur le processeur d’application (figure?1), avec pour conséquence une augmentation du coût en circuits intégrés, de la consommation d’énergie et du niveau de bruit en sortie du haut-parleur. Ces amplificateurs de classe?D nécessitent également une conception soignée de la carte électronique afin de pallier toute dégradation due au couplage des signaux sur le trajet analogique.

Figure 1. Système classique composé d’amplificateurs audio de classe?D à entrée analogique. Le convertisseur numérique-analogique et l’amplificateur d’attaque situés sur le circuit du processeur d’application augmentent le coût en circuits intégrés, la consommation d’énergie et le niveau de bruit en sortie du haut-parleur.

Les amplificateurs audio de classe?D à entrée numérique sont immunisés à la plupart des problèmes de conception des cartes électroniques. Les amplificateurs de classe?D monovoie peuvent être montés en périphérie de la carte afin de minimiser le routage des connexions à la charge du haut-parleur et à la batterie en courant élevé. Ce type d’amplificateur évite de recourir au convertisseur numérique-analogique et à l’amplificateur d’attaque indispensables aux solutions de classe?D à entrée analogique. Résultat, une conception simplifiée, davantage d’espace disponible sur la carte électronique et des coûts en baisse.

Une conception système simplifiée

La plupart des amplificateurs à entrée numérique acceptent les données modulées par impulsions codées (PCM?— Pulse Code Modulation) ou I2S, ce qui nécessite trois fils?: BCLK (Bit Clock, horloge binaire), LRCLK (Left-Right Clock, horloge gauche-droite) et DIN. Le format PCM n’exige ni modulateur ni suréchantillonnage des données sur le processeur d’application (figure?2). Certaines implémentations d’amplificateurs d’entrée PCM, plus anciennes, requièrent également la présence d’une horloge maître propre MCLK (Master Clock) pour dériver une horloge d’échantillonnage sans gigue. Les amplificateurs d’entrée PCM plus récents, tels que les références MAX98357, MAX98360 et MAX98365, n’ont plus besoin de l’entrée MCLK, réduisant ainsi le nombre de broches, la consommation d’énergie et la complexité de la carte électronique.

Figure 2. Ce système composé d’un amplificateur audio de classe?D à entrée PCM utilise trois fils, mais ne requiert ni modulateur ni suréchantillonnage des données sur le processeur d’application.

Les anciens amplificateurs à entrée numérique se caractérisent par une fréquence d’échantillonnage et/ou une profondeur de bit réglables, ce qui implique parfois une programmation complexe de l’ampli. Les amplificateurs à entrée numérique de dernières générations détectent automatiquement une large gamme de fréquences d’échantillonnage et de profondeurs de bit pour se configurer automatiquement sans programmation.

Dans une configuration multivoies, un amplificateur audio de classe?D à entrée numérique permet de réduire le nombre de condensateurs externes et de lignes routées sur la carte électronique. Seuls les signaux BCLK, LRCLK et DIN sont nécessaires pour que les entrées PCM fournissent des données sur 8?voies gérables par multiplexage temporel (TDM) ou stéréo. À titre de comparaison, un ampli de classe?D à entrée analogique stéréo nécessite en principe deux signaux d’entrée différentiels (quatre fils) qui seront acheminés au moyen de condensateurs de couplage AC (courant alternatif – figures?1 et 2).

La plupart des amplificateurs à entrée numérique requièrent à la fois une basse tension d’alimentation numérique (1,8?V) et une tension élevée pour l’alimentation des haut-parleurs (de 2,5 à 5,5?V). À présent, la conception de la carte et le nombre réduit de composants peuvent être simplifiés en utilisant un amplificateur de classe?D à alimentation unique tel que le MAX98357 ou le MAX98360. L’ampli MAX98365 peut fonctionner sous une tension d’alimentation unique comprise entre 3,0 et 5,5?V, ou sous deux tensions, l’une comprise entre 1,8?V et 5,5?V (VDD) et l’autre entre 3,0 et 14,0?V?(PVDD). La tension logique de l’entrée numérique est indépendante des tensions d’alimentation de ces composants. La tension logique d’entrée peut être comprise entre 1,2 et 5,5?V, ce qui élimine tout recours à un décaleur de niveau logique.

Tolérance à la gigue et génération d’horloge

Les amplificateurs audio de classe?D à entrée numérique soulèvent généralement un nouveau défi en matière de gigue d’horloge. Pour offrir une bonne qualité audio, la plupart des amplificateurs à entrée numérique exigent un niveau de gigue relativement faible sur les signaux BCLK ou MCLK. Dans de nombreux cas, la tolérance à la gigue ne figure pas dans la fiche technique?; lorsqu’elle est indiquée, la spécification typique est ~200?ps efficaces. De manière générale, un niveau de gigue d’horloge élevé dégrade la dynamique de l’amplificateur ou les performances THD?+?N (somme de la distorsion harmonique totale et du niveau de bruit) à pleine échelle.

Dans nombre de systèmes, l’oscillateur de référence du processeur d’application n’est pas un multiple pratique du signal BCLK, de sorte qu’il est difficile de générer une horloge à faible gigue pour l’amplificateur. Prenons un exemple?: la fréquence d’oscillation du quartz de 13?MHz est couramment utilisée dans les téléphones GSM, tandis que la fréquence de 27 MHz est privilégiée dans les solutions vidéo. Aucune de ces fréquences de référence n’est un multiple pratique des fréquences d’échantillonnage audio de 44,1?kéch/s ou 48?kéch/s. Par conséquent, une boucle PLL à fraction-N complexe doit être mise en œuvre pour générer l’horloge audio. Dans certains cas, la solution nécessitera l’utilisation d’un oscillateur de référence audio externe, avec pour conséquence une augmentation de la complexité et de la nomenclature.

On utilisera de préférence un amplificateur à entrée numérique capable de tolérer une gigue d’horloge élevée sans dégrader les performances audio et qui contribuera à réduire la complexité du système. Dans le cas le plus simple, une horloge à saut de cycle sera utilisée pour générer le signal BCLK, mais la gigue produite sera extraordinairement élevée. Si un cycle d’une horloge de référence de 13?MHz est «?sauté?» pour créer un signal BCLK de 6,144?MHz (48?kéch/s × un suréchantillonnage (OSR) de 128), la gigue maximale sera de 38,4?ns et la gigue efficace de 22,2?ns (figure 3). Ces valeurs correspondent à une gigue supérieure de deux ordres de grandeur à ce que peuvent tolérer la plupart des convertisseurs numérique/analogique (CNA).

Avec une telle gigue d’horloge, les nouveaux amplificateurs audio de classe?D produisent toutefois une dynamique supérieure à 103?dB. Il est possible de réaliser une horloge à saut de cycle avec un nombre réduit de portes numériques sur le processeur d’application. Ces nouveaux amplificateurs n’ont besoin ni de l’oscillateur ni d’un filtre de boucle, contrairement aux solutions PLL (figure 4).

Figure 3. Signal MCLK à 12,288?MHz généré par une horloge à saut de cycle à 25?MHz.

 

Figure 4. Boucle PLL à fraction-N par rapport aux implémentations d’horloge à saut de cycle.

Résultats des tests de tolérance à la gigue

Les résultats des tests montrent que la dynamique des amplificateurs de Classe?D MAX98357, MAX98360 et MAX98365 ne se dégrade pas avec l’horloge instable à saut de cycle. Ces composants dépassent de plus de 20?dB les performances des convertisseurs numérique-analogique à 120?dB avec une horloge instable. De plus amples détails à propos de la tolérance à la gigue dans les convertisseurs numérique/analogique sigma-delta sont disponibles dans un article complémentaire.1

Figure 5. Dégradation de la dynamique avec gigue d’horloge efficace à saut de cycle de 11,5?ns.

Conclusion

Les amplificateurs audio de classe?D sans filtre à entrée numérique permettent une implémentation simple au niveau de la carte électronique sans programmation en I2C, ni signal MCLK, ni décaleur de niveau, ni filtrage des interférences électromagnétiques (EMI). Ces amplis se caractérisent par un rendement élevé, d’excellentes performances face aux parasites électromagnétiques et une puissance de sortie élevée. Disponibles en boîtier WLP ou QFN, les références MAX98357 et MAX98360 peuvent produire une puissance de sortie de 3,2?W. Pour sa part, l’amplificateur MAX98365 est disponible en boîtier WLP et peut produire une puissance de sortie de 17,6?W.

Référence

1 Matt Felder, Patrick Gallagher et Brian Donoghue, “Analyzing Audio DAC Jitter Sensitivity.” EDN Network, septembre 2012. (http://www.edn.com/design/analog/4397389/Analyzing-audio-DAC-jitter-sensitivity)

Matt Felder, Distinguished engineer, ADI

Source : com-trail.fr