Mon projet DIY 2025 : Hybride Classe A / classe AB

[Jacques92]

Bonjour,

Je démarre tranquillement mon projet d'ampli DIY 2025.
L'idée principale (qui n'est pas nouvelle dans l'audio) est de faire un ampli en classe A avec une bonne efficacité (faible dissipation au repos).
Il y a plein de méthodes dont les plus connues sont la classe A quadratique et les différentes variantes de classe A glissantes. 
Pas la peine de se lancer là-dessus : terrain largement labourré.

Pour ce projet, l'idée principale de faire un hybride classe A / classe AB mettant en œuvre un multiplicateur d'impédance dont le rôle est de multiplier l'impédance vue par un ampli classe A pour en réduire son courant de repos. 

En effet, le courant de repos à mettre en place est directement lié à l'impédance de sortie via les relations :
Pmax = R Imax x Imax qu'on peut réécrire come ceci : Imax = Racine(Pmax/R).
Et vient ensuite le courant de repos Ibias qui doit être la moitié du courant max soit : IBias = Racine(Pmax/R) / 2

Par exemple si je veux 80Wrms, c'est à dire 160WMax (crête) en pure classe A, il faut prévoir Ibias = Racine(160/8)/2 = 2.23A
Pour la tension de rail, il faut +/- ( Imax*R) c'est à dire +/-4.5*8 = +/-36V, et 40V avec une marge pour le Vce des transistor qui doit rester au dessus de 2V en général.
Tout ça nous fait une dissipation au repos de P=Vtotal-ral * Imax = 4.5*80 = 200W par canal ! Oui oui c'est chaud !

Avec un multiplicateur on va augmenter la charge (fictive bien-sûr) du HP et diminiuer d'autant Imax.

Le schéma de principe est le suivant :



L'ampli X1 est en pure classe A. L'ampli X2 est un multiplicateur de courant qui fournit x fois le courant de X1, donnant à celui-ci l'illusion que la charge en sortie est augmentée. Comme X1 doit fournir moins de courant, son courant de bias sera diminué et sa dissipation sera minimisée.

Reprenons l'exemple de l'ampli 80W en classe A et prenons ce shéma avec un multiplicateur d'impédance de gain 9. l'ampli X1 ne devra plus fournir 4.5A pour Imax mais 0.45A. 
Son courant de repos sera fixé à 0.23A. 
Et sa dissipation au repos ne sera plus 200W mais 80V x 0.23 = 18.4W, soit moins de 1/10 des 200W calculé plus avant.
Bon là vous allez me dire que l'ampli X2 (le multiplicateur) va dissiper les 180W qui manquent au repos... 
Et vous aurez raison...s'il est lui aussi en classe A. 
Mais non, car l'astuce, c'est justement qu'il ne soit pas en classe A mais dans une classe bien plus efficiente : trois grandes solutions : classe B, classe AB ou classe D.
Pour ce premier projet sur ce thème, il sera en classe AB.
Si on part sur une valeur probable de 50mA de courant de repos pour ce multiplicateur, toujours sous 80V on aura une dissipation au repos de 4W. Qui viennent s'ajouter au 18W de X1 ce qui nous fait "petit" 22W de dissipation par canal.

Voilà en gros l'idée de ce projet.

Reste à concevoir les deux amplis : l'ampli en classe A et l'ampli de courant en classe A/B...

Pour l'ampli de courant, je vais regarder les modules tout faits, et tout particulièrement les ampli-op de puissance de chez Texas ou AD. Il y a aussi la solution d'un ampli audio classe AB Solid State tout fait comme ceux que fait ST Electronic (mais qui nécessitent plus de composants à mettre en œuvre).

En fonction de ce que je vais trouver, on verra alors la puissance que je pourrais avoir au final. J'aimerai avoir entre 60W et 100W au final.

Du côté de l'ampli en classe A, Il sera donc à tension de rail élevé et faible puissance.

[Steph44200]

Bonjour Jacques
Très beau projet à la conception ingénieuse que cet ampli « mixte « 
Sera-t-il de conception totalement symétrique ?

[Jacques92]

Bonjour Stéphane,
Je n'ai encore rien décidé. Tout reste ouvert.
Je suis en train de regarder quel est l'impact d'une conception complète symétrique (architecture en X) sur la mise en œuvre d'un multiplicateur d'impédance.

[Jacques92]

Petite étude du marché des amplis / ampli-op classe AB en techno solid state intégrée dans le tableau ci-dessous :




Il y a aussi tout le catalogue APEX, mais hors de prix pour ce que ca vaut vraiment, donc je zappe ce fabricant.
Et rien d’intéressant pour cette application chez Analog Device / Linear Techonology.

Quelques caractéristiques du tableau appellent des commentaires :
 - la tension d'alim conditionne la puissance max mais pas le courant max car on peut mettre plusieurs unités en parallèle
 - le temps de montée est important : il faut pouvoir suivre un signal sinus de 20Khz à pleine échelle (cas le pire pas rencontrée en pratique même soyons prudent). Hors le temps de montée du signal de sortie est lié à la puissance. Plus la puce sera rapide, moins la contre-reaction de l'ampli classe A aura besoin de corriger la sortie
 - le courant de repos : super bas dans tous les cas, c'est parfait pour cette application !


Pour la puissance la plus confortable, deux circuits ressortent, le TDA7295/TDA7293 et l'OPA541.
Les deux ont un temps de montée de 10V/us.
Pour vérifier que c'est OK, on calcule d'abord la puissance max qu'on peut obtenir... Avec une alimentation 80V (+/-40V) max, on peut espérer 80Wrms sur 8 ohm (signal de 36Vrms) et 4V de marge d'alim.
A ce niveau le slow rate à 20KHz est Vpp x Pi x f = 72 x 3.14 x 20 000 = 4521600 ou 4.5V/us.
Avec nos 10V/us ont est pas mal.

Donc 80W cible sous 8 ohms est OK.

Si on part sur une structure symétrique en pont, on peut descendre à +/- 22V au niveau alim, là on a encore plus de choix, et le temps de montée sera deux fois moins critique car les deux puces en pont  jouent de concert sur ce point.

[Le dom]

Bonjour Jacques,
Je vois que la feuille de route est bien établie pour l'année 2025. Affaire à suivre...

[Jacques92]

Premier schéma d'étude pour cerner les principaux problèmes... 



Sur le papier ce circuit est tout à fait fonctionnel et pourrait faire l'objet d'un premier prototype.

C'est un ampli d'une puissance 40Wrms sous 8ohm.
Toute la partie gauche est la partie amplification en classe A. L'AOP à droite et les deux résistances forment le multiplicateur d'impédance.
L'ampli classe A est de type "Current feedback amplifier" dans un esprit minimaliste à deux étages. L'étage de sortie est de type Single ended, mais il y a une particularité : la source de courant (en base du schéma) est une source dont le courant varie en fonction du courant demandé par la charge. Ainsi les courants dans chaque branche (M1 et X1) sont identiques à ce qu'on peut trouver dans un push-pull sans avoir besoin d'un étage supplémentaire.

Le ratio classe A / Classe AB est d'environ 1/10.
Le courant de repos de la partie classe A est d'environ 350mA (1/6ème de ce qu'on aurait avec un ampli classe A classique). Ainsi la dissipation au repos est de 25W alors qu'on reste en classe A jusqu'à la puissance max (80W crête) sur 5 ohms.

Après pas mal de mesures en tout genre, la contrainte qui fâche : il faut un AOP de puissance avec un slew-rate minimal de 40V/us sinon il y aura des problèmes de temps de montée global. Sous plusieurs ampères ce n'est pas impossible, mais aucun AOP de puissance tout fait n'offre cette caractéristique pour ce schéma. Il y a le LT1210, mais il ne dépasse pas +/-15V au niveau de l'alim. Toutefois, son utilisation est possible sur une architecture full symétrique en pont allant jusque 25W.

Pour avoir les 40V/us ou plus, il faut se tourner vers des CFA de puissance (current feedback amplifier). Je vais continuer à cherche la perle rare. Sinon, pas de panique, il faudra alors développer cette AOP sous forme d'un module réutilisable...

Ah, j'ai pas parlé des mesures :
 - bande passante proche du MHz
 - temps de montée autour de 1us
 - distorsion très basse : 0.0003% à 1Khz, puissance max. <0.006% à 20KHz, puissance max.

Ce projet deviens passionnant.

[Vacuum]

Bonjour Jacques et très content que tu sois là !

Très beau schéma, j'avais un peu peur au début car tu parlais d'amplification classe A avec le Opamp, je me suis dis c'est dommage de ne pas utiliser des transistors.

Vraiment bien ton schéma et les explications, tiens j'ai trouvé un petit truc, tu as déjà dû le voir ou je me trompe de composant mais je le met quand même :

https://www.top-electronics.com/en/dual-...p-40v-3a-2

Avec un beau boîtier T03, ça ne pourrai pas le faire ?



Bonne recherche et bon courage !

Laurent

[OKS-audio Kits]

Bonjour à tous,

(11-28-2024, 05:35 PM)Vacuum a écrit : ...tiens j'ai trouvé un petit truc, tu as déjà dû le voir ou je me trompe de composant mais je le met quand même :

https://www.top-electronics.com/en/dual-...p-40v-3a-2

Avec un beau boîtier T03, ça ne pourrai pas le faire ?

Par curiosité j'ai voulu en savoir plus, j'ai donc cliqué et regardé d'un peu plus près cet AOP de puissance.

Premier point qu'il me semble utile de pointer et rappeler c'est le prix unitaire de ce semi conducteur. Si cela s'avère son prix réel j'avoue que ça me laisse perplexe ! Je vous laisse donc découvrir ce prix sur le lien posté.

Deuxième point sa disponibilité ce qui est me semble t'il également important pour qui souhaiterais envisager un développement ..

3ème point c'est que ce ne sont pas des composants conçu exclusivement pour l'audio, on peut mais voilé ce n'est pas le cas.

Tout le monde semble dire que comparaison n'est pas raison, mais on peut je pense se prêter à l'exercice. Pour cela je vous suggère de regarder le chip LM3886 qui est une puce spécialement développée pour l'audio. C'est donc un composants spécifique dotés de spécificités propres en adéquation avec l'emploi . 

Le cout du chip est de 5 ou 6 euros !

Salutations. Tony

[Vacuum]

(11-24-2024, 03:54 AM)Jacques92 a écrit : Bonjour,

Je démarre tranquillement mon projet...



...200W par canal ! Oui oui c'est chaud !...

A grand mot, les grands moyens

https://www.bursonaudio.com/shop/supreme...6wQAvD_BwE

Chtite vidéo pour les pro :





Enfin, petite iconographie :




Bonne continuation Jacques ! 

Salutations Tony !

[Jacques92]

Hello,
Ce qui ressort des derniers travaux : le slew-rate et encore le slew rate.
Un slew-rate minimal pour le design présenté lors de mon dernier post tourne à environ 40V/us.
Le seul AOP de puissance qui répond à ce cahier des charges et le LT1210. Hélas il est limité à +/15V avec une excursion du signal de sortie qui ne dépasse 11.5V.
Alors 2 solutions :
- intégrer la puce avec une électronique connexe permettant de la faire fonctionner à plus haute tension : solution connue. Puis en mettre plusieurs en parallèle
- développer un module à grand slew-rate + distorsion pas trop naze.

Comme je l'avais indiqué dans mon post #4, les module APEX sont pas mal mais ils sont bien trop chers. Quand je vois le prix d'un simple dissipateur j'avoue que je suis vert. Donc nogo pour moi.

Là j'ai un petit schéma de module rapide en cours d'étude avec une architecture "current feed-back". Il permet de sortir un sinus propre à plusieurs centaines de kilohertz avec une distorsion inférieure à 0.1%. L'intégration dans le schéma déjà présenté semble assez prometteur. On sort un signal carré parfaitement propre avec 200nF en sortie. Magique ? non en fait le multiplicateur d'impédance fonctionne évidement sur les capacités de sortie. Comme il multiplie l'impédance par N, cela revient à divisé les capacité par N, et ça c'est très cool, notamment pour les enceintes ESL.