EP1878302A2 - Amplificateur a double asservissement et enceinte associee - Google Patents

Amplificateur a double asservissement et enceinte associee

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Publication number
EP1878302A2
EP1878302A2 EP06743637A EP06743637A EP1878302A2 EP 1878302 A2 EP1878302 A2 EP 1878302A2 EP 06743637 A EP06743637 A EP 06743637A EP 06743637 A EP06743637 A EP 06743637A EP 1878302 A2 EP1878302 A2 EP 1878302A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
amplifier
feedback
voltage
current
inverse feedback
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06743637A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Bailly
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Opaz
Original Assignee
Opaz
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/04—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response

Definitions

  • the present invention relates to the field of analog signal amplifiers, and in particular the field of audio amplifiers.
  • the biasing point of the transistors or output electron tubes and the amplitude of the input signal are such that the entire signal is included in the portion between the cut-off zone and the saturation zone.
  • the amplifier operates in the linear region of the transistor and the output signal is linearly proportional to the input signal. The point of rest is usually placed halfway between the cut-off and the saturation.
  • Class A amplifiers exhibit low distortion and high fidelity, but the power consumption is high due to the need for a bias voltage even in the absence of a signal. Due to the existence of a significant quiescent current, the power of such amplifiers is generally limited, and the problems of heating and heat removal are important. They require because of the high consumption a powerful and bulky power supply.
  • Class B amplifiers the positive and negative portions of the input signal are separately amplified. As a result, in the absence of a signal, the quiescent current is zero. The consumption of such amplifiers is therefore much lower than that of a class A amplifier, but the mode of operation of the transistors results in larger distortions than for a class A amplifier, especially for weak signals.
  • class AB An alternative is class AB.
  • the power stage is close to that of a class B amplifier, but a non-zero bias current is applied to reduce the distortion occurring for weak signals.
  • the efficiency of such amplifiers is relatively low.
  • Counter-feedback circuits can take many forms. There are global counter-reactions that act on all gain stages and "local" counter-reactions that occur at a single stage at a single gain stage. These counter-reactions can work on the current or the voltage of the signal.
  • One of the aims of the present invention is to provide an improved amplifier having a low distortion rate with a class AB mounting, and taking into account possible defects in the output load, in particular the loudspeaker, and the listening environment.
  • the prior art also knows velocity bridges or Voigt type speed bridges.
  • This type of bridge of the prior art is shown in Figure 1, but has never been used in the design of amplified speakers.
  • This type of speed bridge has the characteristic of transforming the speed of a membrane into an electrical voltage.
  • One of the objects of the present invention is therefore to provide a particularly powerful amplified loudspeaker, the latter being made from an amplifier comprising a bridge type Voigt or specific speed bridge.
  • the invention relates, in its most general sense, to an acoustic enclosure comprising at least one loudspeaker and associated with at least one class AB analog amplifier, said amplifier comprising a speed bridge circuit comprising means said negative feedback means comprising a voltage feedback and a current feedback, said current feedback consisting in part of said loudspeaker, the ratio of voltage feedback and the feedback current being predetermined, the enclosure further comprising a filter for linearizing the response of said enclosure at the output of said amplifier, as a function of said feedback ratio in voltage and current.
  • the current feedback signal takes into account the motional impedance of said circuit output load.
  • the ratio between the voltage feedback signal and the current feedback signal is between 0.4 and 0.5.
  • FIG. 1 represents the class AB amplifier according to the invention comprising the Voigt type velocity bridge
  • FIG. 2 represents an example of linearization filters of the frequency response of the enclosure according to the invention.
  • the present invention comprises, in a first aspect, an analog amplifier of the Voigt type.
  • an analog amplifier of the Voigt type In particular, the following notations are used in the figure:
  • Rm and Rt constitute the voltage feedback; Rm mass side, Rt output side (S)
  • Rv resistance connecting the common point of Rm and Rt to e-.
  • Rc resistance connecting e- to the common point of Rsh and Zhp.
  • A gain in open loop.
  • G gain with feedback.
  • Zhp is the impedance of the loudspeaker
  • the velocity Vmb of the speaker diaphragm is proportional to the potential difference Ut-Uc, according to the relation:
  • the present arrangement consists of taking the feedback signal by means of a voltage divider (Rv and Rc) connected to the points T (Ut) and C (Uc) brought back to the value ⁇ .
  • the operation of the differential amplifier is such that
  • the amplifier then operates as a voltage generator. ⁇ / Rm + Rt
  • the amplifier operates as a voltage generator, according to Thévenin's model, with a very low internal resistance thanks to the feedback.
  • the parameter ⁇ therefore defines the ratio between the voltage feedback and the current feedback.
  • the internal resistance of the amplifier or the damping factor (Zhp / Zs) make it possible to correct the overvoltage factor Qt of the loudspeaker and loudspeaker.
  • a decrease in Qt is therefore caused by a decrease in Zs, which amounts to decreasing Rb, or by increasing the damping factor.
  • an increase in the overvoltage factor Qt is caused for an increase in Zs or a decrease in the damping factor.
  • This adaptation is achieved by filtering at the output of the amplifier to linearize the frequency response of the enclosure by compensating for variations in the motional impedance.
  • the emotional impedance reflects the variations of the environment of the speaker.
  • the speaker is developed in an ideal listening environment.
  • FIG. 2 Illustrated in FIG. 2, use is made, for example, of an acute / medium filter as defined in FIG. 2B, and a serious filter as defined in FIG. 2A.
  • the acute filter illustrated in FIG. 2B comprises a capacitor 6 of 3.3 ⁇ F in series, a self 8 of 0.33 mH at ground, a capacitor 7 of 4.7 ⁇ F in series, a self-reactor 9 of 0.33 mH to ground, and a resistance of 5.6 Ohms in series.
  • the severe filter illustrated in FIG. 2A preferably comprises a 1 mH inductor 1 in series, a series plug consisting of a resistor 2 of 8.2 Ohms, a self-reactor 3 of 2.2 mH and a capacitor 4. of 10 ⁇ F.
  • the voltage bridge with double voltage and current feedback according to the invention can be used in an amplified enclosure.
  • a splitter filter is used to orient the high frequencies upwards. speaker and bass frequencies to the bass speaker.

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Abstract

La présente invention concerne le domaine des amplificateurs de signaux analogiques, et en particulier le domaine des amplificateurs audio. L'invention concerne une enceinte acoustique associée à un haut-parleur et à un amplificateur analogique de classe AB, ledit amplificateur comprenant un circuit de type pont de vitesse comportant des moyens de contre-réaction lesdits moyens de contre-réaction comprenant une contre-réaction en tension et une contre-réaction en courant, ladite contre- réaction en courant étant constituée pour partie dudit haut- parleur le rapport entre la contre-réaction en tension et la contre-réaction en courant étant prédéterminé, l'enceinte comprenant en outre un filtre destiné à linéariser la réponse de ladite enceinte, en sortie dudit amplificateur, en fonction dudit rapport de contre-réaction en tension et en courant.

Description

AMPLIFICATEUR A DOUBLE ASSERVISSEMENT ET ENCEINTE ASSOCIEE
La présente invention concerne le domaine des amplificateurs de signaux analogiques, et en particulier le domaine des amplificateurs audio.
On connaît dans l'état de la technique différentes familles d'amplificateurs.
Dans un amplificateur de classe A, le point de polarisation des transistors ou tubes électroniques de sortie et l'amplitude du signal d'entrée sont tels que tout le signal est compris dans la partie entre la zone de cut-off et la zone de saturation. L'amplificateur travaille dans la zone linéaire du transistor et le signal de sortie est linéairement proportionnel au signal d'entrée. Le point de repos est généralement placé à mi-chemin entre le cut-off et la saturation.
Les amplificateurs de classe A présentent une faible distorsion et une grande fidélité, mais la consommation est élevée en raison de la nécessité d'une tension de polarisation même en l'absence de signal. Du fait de l'existence d'un courant de repos significatif, la puissance de tels amplificateurs est généralement limitée, et les problèmes d'échauffement et d'évacuation de la chaleur sont importants. Ils nécessitent en raison de la consommation élevée une alimentation puissante et encombrante.
Dans les amplificateurs de classe B, on amplifie séparément la partie positive et la partie négative du signal d'entrée. De ce fait, en l'absence de signal, le courant de repos est nul. La consommation de tels amplificateurs est donc très inférieure à celle d'un amplificateur de classe A, mais le mode de fonctionnement des transistors se traduit par des distorsions plus importantes que pour un amplificateur de classe A, notamment pour les signaux faibles.
Une alternative constitue la classe AB. Dans ce cas, l'étage de puissance est proche de celui d'un amplificateur de classe B, mais on applique un courant de polarisation non nul pour réduire les distorsions se produisant pour les signaux faibles. Le rendement de tels amplificateurs est relativement faible.
Pour abaisser les taux de distorsion, améliorer le silence de fonctionnement et abaisser l'impédance de sortie, on utilise des circuits de contre-réaction. Les circuits de contre-réactions peuvent se présenter sous plusieurs formes. On distingue les contre-réactions globales qui agissent sur l'ensemble des étages de gain et les contre-réactions « locales » qui interviennent au niveau d'un seul étage au niveau d'un seul étage de gain. Ces contre-réactions peuvent travailler sur le courant ou sur la tension du signal.
Un des buts de la présente invention est de proposer un amplificateur amélioré, présentant un faible taux de distorsion avec un montage de classe AB, et prenant en compte les défauts éventuels de la charge de sortie, en particulier du haut-parleur, et de l'environnement d'écoute.
L'art antérieur connaît également les ponts de vélocité ou pont de vitesse de type Voigt. Ce type de pont de l'art antérieur est représenté figure 1, mais n'a jamais été utilisé dans la conception d'enceintes amplifiées. Ce type de pont de vitesse possède la caractéristique de transformer la vitesse d'une membrane en une tension électrique. Un des objets de la présente invention est donc de fournir une enceinte amplifiée particulièrement performante, celle-ci étant réalisée à partir d'un amplificateur comprenant un pont de type Voigt ou pont de vitesse spécifique.
À cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale, une enceinte acoustique comprenant au moins un haut-parleur et associée à au moins un amplificateur analogique de classe AB, ledit amplificateur comprenant un circuit de type pont de vitesse comportant des moyens de contre-réaction lesdits moyens de contre-réaction comprenant une contre-réaction en tension et une contre-réaction en courant, ladite contre-réaction en courant étant constituée pour partie dudit haut-parleur, le rapport entre la contre- réaction en tension et la contre-réaction en courant étant prédéterminé, l'enceinte comprenant en outre un filtre destiné à linéariser la réponse de ladite enceinte, en sortie dudit amplificateur, en fonction dudit rapport de contre- réaction en tension et en courant.
De préférence, le signal de contre-réaction en courant prend en compte l'impédance motionnelle de ladite charge de sortie du circuit.
De préférence, le rapport entre le signal de contre- réaction en tension et le signal de contre-réaction en courant est compris entre 0.4 et 0.5.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant à un exemple non limitatif de réalisation où :
- la figure 1 représente l'amplificateur de classe AB selon l'invention comprenant le pont de vélocité de type Voigt, - la figure 2 représente un exemple de filtres de linéarisation de la réponse en fréquence de l'enceinte selon l'invention.
En référence à la figure 1, la présente invention comprend selon un premier aspect un amplificateur analogique de type Voigt. En particulier, les notations suivantes sont utilisées sur la figure:
Rsh = résistance shunt ou encore senseur de courant.
Rm et Rt constituent la contre-réaction en tension ; Rm côté masse, Rt côté sortie (S)
Rv = résistance reliant le point commun de Rm et Rt à e-.
Rc = résistance reliant e- au point commun de Rsh et Zhp. R = Rv+Rc α = Rc/R, avec 0<α<l
Zs = impédance interne de l'amplificateur
Zi = impédance d'entrée de l'amplificateur (entre e+ et e-)
A = gain en boucle ouverte. G = gain avec contre-réaction.
De façon connue en soi, Zhp est l'impédance du haut- parleur, combinaison de l'impédance complexe de la bobine Zb (constitué des parties réelles et imaginaires Rb et Lb) avec la force contre-électromotrice, image de l'impédance motionnelle, les résistances Rt et Rm sont telles que Rm= k.Rt, B est le champ magnétique de l'entrefer du haut-parleur et 1 est la longueur de fil de la bobine dans ce champ.
Selon Voigt, la vitesse Vmb de la membrane du haut- parleur est proportionnelle à la différence de potentielle Ut-Uc, selon la relation :
BLk
Ut-Uc Vmb Pour les fréquences faibles (en pratique, les basses fréquences, inférieures à 500 Hz) la composante selfique de la bobine mobile intervient de façon négligeable. La branche
Zsh du pont prend alors la forme d'une résistance de valeur Rsh= k*Rb.
Le présent montage consiste à prélever le signal de contre-réaction au moyen d'un diviseur de tension (Rv et Rc) raccordé aux points T (Ut) et C (Uc) ramené à la valeur α.
On exprime alors l ' équation du gain de l ' amplificateur sous la forme (Rm + Rt)x(Rsh + Zhp)
~ Rsh x (Rm + Rt) +a x (Rm x Zhp - Rsh x Rt)
Le fonctionnement de 1 ' amplif cateur différentiel est tel que
Ve = Ver ≈ Usx — — (1 - a).(Ut - Uc)
Rt + Rm
On peut alors exprimer Us en fonction de Ve et Ut-Uc, soit la tension de commande de l'amplificateur corrigé par une tension proportionnelle à la vitesse de la membrane :
Us = (Ve + (1 -a).(Ut-Uc))x Rt + Rm
Rm
Pour les fréquences élevées, l'augmentation de Zhp par une augmentation de Zb due à Lb diminue la valeur apparente de k pour la branche du pont de Voigt contenant le haut- parleur.
Il en résulte une diminution de la valeur dynamique de Uc, donc une augmentation de l'effet de la vitesse. Il y a compensation de cette augmentation d'impédance par augmentation du gain de l'amplificateur. Dans l'équation du gain (1), si α=0, G = — et si α=l,
Rsh
Dans le cas α=l, on a une contre-réaction en tension.
L'amplificateur fonctionne alors en générateur de tension. τ/ Rm + Rt
( Vs = xVe ) .
Rm
Dans le cas α=0, l'amplificateur fonctionne en générateur de courant, avec ihp=Ve/Rsh.
Dans la configuration α=0, l'amplificateur fonctionne en générateur de tension, selon le modèle de Thévenin, avec une résistance interne très faible grâce à de la contre-réaction.
À l'opposé, en générateur de courant, la résistance interne est très élevée.
Il en résulte pour le cas α=0 un facteur d'amortissement très élevé, tandis que celui-ci tend vers zéro pour le cas α=l.
Le paramètre α définit donc le rapport entre la contre- réaction en tension et la contre-réaction en courant.
La résistance interne de l'amplificateur ou le facteur d'amortissement (Zhp/Zs) permettent de corriger le facteur de surtension Qt de l'enceinte acoustique et du haut-parleur.
Une diminution du Qt est donc provoquée par une diminution de Zs, ce qui revient à diminuer Rb, ou par une augmentation du facteur d'amortissement. De même, une augmentation du facteur de surtension Qt est provoquée pour une augmentation de Zs ou une diminution du facteur d'amortissement.
L'ajustement de α permet alors de corriger le Qt ou d'adapter le facteur d'amortissement au haut-parleur et donc de mieux contrôler son déplacement.
Selon l'invention, on choisit donc a de telle sorte que le facteur de surtension obtenu soit satisfaisant et qu'il soit possible d'adapter l'enceinte pour obtenir les résultats les meilleurs.
Selon un mode de réalisation, on choisit Rc= llkΩ et Rv= 13 kΩ de telle sorte que α vaut environ 0.46.
Une telle répartition des contre-réactions en courant et en tension permet de façon tout à fait nouvelle de s'adapter à différents types d'enceinte conjointement à la correction de la réponse en fréquence par l'utilisation de filtres adaptés .
Cette adaptation est réalisée par un filtrage en sortie de l'amplificateur permettant de linéariser la réponse en fréquence de l'enceinte par compensation des variations d'impédance motionnelle. En effet, l'impédance motionnelle reflète les variations de l'environnement du haut-parleur. Aussi, l'enceinte acoustique est mise au point dans un environnement d'écoute idéale. En asservissant l'amplificateur à ces variations d'impédance motionnelle, l'invention replace donc l'enceinte dans ses conditions de fonctionnement idéales .
En effet, en présence d'une impédance non linéaire dans une zone de fréquence, le résultat dynamique du pont de vitesse selon l'invention sera faussé. On utilise donc, pour une valeur de la répartition des contre-réactions α fixée, un filtre qui compense ou corrige les variations de la réponse en fréquence et d'impédance dans une zone de fréquence spécifique.
Illustré figure 2, on utilise par exemple un filtre aigu/médium tel que défini sur la figure 2B, et un filtre grave tel que défini sur la figure 2A.
De préférence, le filtre aigu illustré sur la figure 2B comprend une capacité 6 de 3,3 μF en série, une self 8 de 0,33 mH à la masse, une capacité 7 de 4,7 μF en série, une self 9 de 0,33 mH à la masse, et une résistance 10 de 5,6 Ohms en série.
Le filtre grave illustré figure 2A comprend de préférence une self 1 de 1 mH en série, un bouchon en série composé d'une résistance 2 de 8,2 Ohms, d'une self 3 de 2,2 mH et d'une capacité 4 de 10 μF.
Avec ce type de filtrage, on constate donc que de façon tout à fait nouvelle le pont de vitesse à double contre- réaction en tension et en courant selon l'invention peut être utilisé dans une enceinte amplifiée.
À titre d'exemple illustratif, dans le cas de deux haut- parleurs spécialisés, un haut-parleur aigu et un haut-parleur grave, en sortie d'un même amplificateur, on utilise un filtre répartiteur pour orienter les fréquences hautes vers le haut-parleur d'aigus et les fréquences basses vers le haut-parleur grave.
L'ensemble de ces impédances peut être modélisé électriquement et être ramené à une combinaison de résistances, de condensateurs et de bobines. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet.

Claims

REVENDICATIONS
1. Enceinte acoustique comprenant au moins un haut- parleur et associée au moins un amplificateur analogique de classe AB ledit amplificateur comprenant un circuit de type pont de vitesse comportant des moyens de contre-réaction lesdits moyens de contre-réaction comprenant une contre- réaction en tension et une contre-réaction en courant, ladite contre-réaction en courant étant constituée pour partie dudit haut-parleur le rapport entre la contre-réaction en tension et la contre-réaction en courant étant prédéterminé, l'enceinte comprenant en outre un filtre destiné à linéariser la réponse de ladite enceinte, en sortie dudit amplificateur, en fonction dudit rapport de contre-réaction en tension et en courant.
2. Enceinte acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de contre-réaction en courant prend en compte l'impédance motionnelle de la charge de sortie dudit circuit.
3. Enceinte acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre le signal de contre- réaction en tension et le signal de contre-réaction en courant est compris entre 0.4 et 0.5.
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