Amplification numérique ou analogique ?

Pour les plus anciens, nous connaissons bien les amplificateurs de nos anciennes chaînes HIFI qui intégraient un lourd transformateur. Et le poids de cet amplificateur était d'autant plus lourd que l'amplificateur était puissant. Ce problème de poids se voit aussi sur les enceintes amplifiées qui jusqu'à peu, étaient toujours équipées d'amplificateur analogique (et donc lourd). Mais quelle est la différence entre un amplificateur analogique et un numérique ? Quelle est la signification des lettres décrivant les classes d'amplification (A... D) ?

Le principe de base de tout amplificateur est de reproduire à amplitude plus élevée en sortie un signal en entrée. Il intervient dans la chaîne SOURCE -> AMPLIFICATION -> DIFFUSION. La SOURCE ?est votre lecteur mp3 ou CD. Elle traduit un signal codé sur un support (clef USB, disque, CD etc) en un signal dont la forme sera compréhensible par l'oreille humaine. Cette forme est un ensemble de tensions sinuosidales et à chaque instant, l'addition unique de ces tensions représente le "timbre" musical.  La forme existe donc, mais sa puissance ne permet pas encore de piloter une enceintre afin d'être audible.

L'amplificateur analogique:

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Un amplificateur analogique (classe A, B et AB) contient des transistors et une forte alimentation électrique. Chaque transistor est une "porte" qui laisse passer le courant d'alimentation fort vers les enceintes. Cette porte est pilotée par les tensions sinuosidales (signal) de la SOURCE. Cette porte s'ouvre et se ferme précisément sur le même dessin que le signal de la SOURCE, entre 10 fois et 30000 fois par seconde.

A l'instant où la source commande à la "porte" de se fermer, c'est à dire le moment ou le transistor "tire sur la porte" pour la refermer, le courant de l'alimentation qui ne passe pas par la porte se transforme en chaleur. Ainsi, entre la puissance en sortie de l'amplificateur et la puissance nécessaire en alimentation existe un ratio élevé et donc un rendement faible, de l'ordre de 40% (40% de puissance en sortie + 60% de chaleur = 100% d'énergie produite par l'alimentation).

Evidemment, tout ça chauffe. D'ou la présence de dissipateur en aluminium fixés aux transitors. Ce n'est pas le seul inconvénient. Chaque transistor, à cause de ses caractéristiques intrasèques, va être d'une certaine lenteur à réagir au signal de la SOURCE. Au final, le signal puissant sorti ne sera pas réellement du même dessin que le signal de la SOURCE.

Ce problème est principalement dû au centrage du signal sur le transistor. Ce dernier ne commence à réagir au signal de la SOURCE dès lors qu'il atteint une tension minimale. Tant que cette tension n'est pas atteinte, le transistor est "sourd". Les premiers amplificateurs à transistors sont dit de classe "B", c'est à dire centrés sur "O".  En découle une distortion du signal en sortie.

Pour pallier ce problème, les amplificateurs de classe "A" ajoute un courant continu au signal de la source. Ainsi, le signal n'est plus centré sur 0 volt et la tension minimal est toujours atteinte. Le signal en sortie est affecté biensur. Mais il suffit d'un simple condensateur en sortie pour retirer la composante continue artificiellement ajoutée et le signal de puissance en sortie est de nouveau centré sur 0.

Le problème est que la dissipation de chaleur d'un transistor etant fonction du courant et de la tension aux bornes du transistor, en élevant artificiellement la tension cela produit énormément de chaleur. Les amplificateurs classe "A" sont dont généralement limités en puisance.

L'amplification numérique

L'amplificateur numérique utilise toujours des transistors, mais en mode ouvert/fermé, là ou leurs rendements sont maximum. L'idée est de ne plus considérer la valeur de la tension exacte du signal de la source, mais sa valeur moyenne. Si on doit produire à un instant "t" un signal d'une valeur égale à 5, on peut imaginer qu'en "t/2" on produise une valeur égale à 10, et dans le "t/2" suivant une valeur égale à 0, ce qui fait qu'en "t" on a une valeur moyenne de 5!

Le signal de la source est donc numérisé de telle manière à générer des impulsions qui pilotent les transistors en 2 états uniquement: Totalement ouvert ou totalement fermé. (saturé ou bloqué). Or, la puissance dissipée en chaleur par un transistor est régie par la formule "courant multiplié par la tension". En mode bloqué, aucun courant et en mode saturé, aucune tension ! Dans chaque cas une des composantes de la formule est nule. Il n'y a donc quasiment pas de chaleur dissipée ! Ainsi le rendement du transistor dépasse les 90%. 

Chaque constructeur d'amplificateur a son propre algorithme. Le plus connue etant la modulation d'impulsion qui fait varier la durée des impulsions pour faire varier la tension moyenne en sortie: (image source wikipedia):

L'avantage de ces amplificateurs (classe D et E) est qu'il n'y a pas de latence du transistor puisqu'il fonctionne en permanence. La puissance est donc toujours là, disponible pour produire un son immédiatement fort quand il le faut. La dynamique, caractéristique liée, est donc bien supérieure aux amplificateurs analogiques. 

Les basses sont plus profondes, les harmoniques mieux reproduies et surtout, ces amplificateur nécessitant moins de composants, il y a moins de bruit de soufle généré.

Autre avantage, le rendement: ces amplificateurs ne produisent pas de chaleur, on évite ainsi de surdimensionner l'alimentation et les dissipateurs qui pèsent lourd au final.

Auteur Vincent Ludot - SonoPourTous - Tous droits réservés