FR2943865A1 - Procede de mesure du taux de saturation d'un amplificateur audio. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de mesure du taux de saturation d'un étage de sortie audio, ce procédé comportant les étapes suivantes : analyser un signal d'entrée ou de sortie (V ) de l'étage de sortie (11, 13) au cours de périodes d'horloge successives, et compter le nombre de périodes d'horloge, parmi ces périodes successives, pendant lesquelles ledit signal est à un état correspondant à une saturation de l'étage.

Description

B9309 - 08-GR2-235 1 PROCÉDÉ DE MESURE DU TAUX DE SATURATION D'UN AMPLIFICATEUR AUDIO

Domaine de l'invention La présente invention concerne les dispositifs audio comportant notamment un amplificateur de sortie relié à un haut-parleur, l'amplificateur de sortie étant susceptible d'entrer en état de saturation. Exposé de l'art antérieur Un dispositif audio comporte généralement des étages amont, dont la fonction principale est de traiter et/ou de décoder et de pré-amplifier un signal audio stocké sur un support quelconque, par exemple une mémoire interne, un disque optique ou tout signal audio incident, et un amplificateur de puissance de sortie, dont le rôle est de produire un signal audio analogique adapté à des haut-parleurs de sortie. La figure 1A représente de façon schématique la partie terminale d'un dispositif audio. Un amplificateur 1 reçoit un signal audio VIN, produit par des étages amont, et fournit un signal audio VOUT, image amplifiée du signal VIN, à un haut-parleur 3. L'amplificateur 1 a une amplitude de sortie maximale VCC déterminée par sa tension d'alimentation.

Les figures 1B et 1C représentent des exemples d'évolution du signal audio VOUT en fonction du temps.

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2 La figure 1B représente un cas d'utilisation optimale de l'amplificateur 1, c'est-à-dire que l'amplitude du signal audio de sortie est maximale (égale à VCC)• La figure 1C représente un autre exemple d'évolution du signal audio VOUT en fonction du temps. Dans ce cas, l'amplificateur 1 est fortement saturé et le signal de sortie est écrêté. Les caractéristiques du signal sonore sont alors dégradées, notamment par l'introduction d'harmoniques indésirables.

La puissance du signal de sortie VOUT est égale à l'aire de la surface délimitée par la courbe représentative du signal et par la droite représentant le point milieu, ou potentiel continu de mode commun, de l'amplificateur 1. Cette surface est représentée par les zones hachurées des figures 1B et 1C. Du fait de l'écrêtage des pics du signal, la puissance de sortie augmente avec la saturation. La puissance d'un signal de sortie optimal, tel que représenté sur la figure 1B (amplitude égale à VCC et pas d'écrêtage), correspond à la puissance nominale de l'amplificateur 1. En cas de très forte saturation (figure 1C), la puissance du signal de sortie VOUT peut doubler par rapport à cette puissance nominale. En outre, le signal comporte alors un grand nombre d'harmoniques distinctes, pouvant être critique pour le haut parleur. Ainsi, un écrêtage en cas de saturation, implique de prévoir un haut-parleur 3 capable de supporter jusqu'à deux fois la puissance nominale du signal de sortie. Ceci est regrettable et contraire aux objectifs courants de miniaturisation. On cherche donc une solution alternative à l'écrêtage du signal audio de sortie VOUT en cas de saturation.

Une méthode de protection, couramment désignée dans la technique par les termes anglo-saxons "soft-clipping", consistant à systématiquement arrondir, par filtrage, les crêtes du signal audio, permet de s'affranchir des légères saturations. Un inconvénient de cette méthode réside dans la diminution de la puissance nominale de l'amplificateur. De plus, le signal est B9309 - 08-GR2-235

3 distordu, même lorsque l'amplificateur n'est pas saturé. Cette protection est en outre inefficace contre les fortes saturations. On utilise aussi des procédés de commande automatique de gain, couramment désignés dans la technique par le sigle AGC (automatic gain control). Ces procédés consistent à ramener les pics trop intenses du signal audio à l'amplitude de sortie maximale VCC de l'amplificateur 1. Des moyens de mesure de la valeur moyenne de la tension VOUT de sortie sont reliés à des moyens de contrôle du gain de l'amplificateur 1. De tels procédés ont pour effet de renforcer les parties de faible amplitude du signal et d'atténuer les parties fortes. Un inconvénient de ce type de procédé réside dans la perte d'information d'amplitude du signal audio. En outre, la mesure de la valeur moyenne de la tension VOUT à la sortie de l'amplificateur 1 introduit des retards dans l'ajustement du gain. Un taux de saturation maximal dans le signal VOUT pouvant être supporté par le haut parleur 3 sans entraîner de dommages est généralement déterminé (par exemple par simulation). Il est donc souhaitable de pouvoir déterminer avec précision le taux de saturation du signal de sortie VOUT. Les solutions existantes de mesure du taux de saturation, notamment basées sur des mesures du niveau moyen de la tension de sortie VOUT, sont imprécises et introduisent des retards. Résumé Un mode de réalisation de la présente invention vise à proposer un procédé permettant de mesurer avec précision le taux de saturation d'un amplificateur de sortie de dispositif audio.

Un mode de réalisation de la présente invention vise en outre à proposer un procédé permettant d'adapter le gain de l'amplificateur de sortie à la saturation mesurée. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de permettre de choisir un compromis optimal entre B9309 - 08-GR2-235

4 la puissance utile émise par l'application, la distorsion du signal sonore, et la protection du haut-parleur. Un objet particulier d'un mode de réalisation de la présente invention est d'appliquer de tels procédés à des dispositifs audio dans lesquels l'amplificateur de sortie est un amplificateur de classe D. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de mesure du taux de saturation d'un étage de sortie audio, ce procédé comportant les étapes consistant à analyser un signal d'entrée ou de sortie de l'étage de sortie au cours de périodes d'horloge successives, et compter le nombre de périodes d'horloge, parmi ces périodes successives, pendant lesquelles ledit signal est à un état correspondant à une saturation de l'étage.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étage de sortie audio comprend un amplificateur de classe D. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre la détermination de ce que ledit nombre est : - inférieur ou égal à une première valeur, - compris entre la première valeur et une seconde valeur, - supérieur à la seconde valeur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première valeur est égale à 0.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, la seconde valeur est comprise entre 30 et 60 pourcent du nombre de périodes d'horloge successives considérées pour compter ledit nombre. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé d'ajustement du gain d'un étage de sortie audio en fonction du taux de saturation de cet étage, le taux de saturation étant mesuré comme ci-dessus, ce procédé comportant les étapes consistant à établir le gain à une valeur nominale, réduire le gain si ledit nombre est supérieur à la seconde valeur et si le gain est supérieur à une valeur minimale, B9309 - 08-GR2-235

maintenir le gain constant si ledit nombre est compris entre la première valeur et la seconde valeur, et augmenter le gain si ledit nombre est inférieur à la première valeur et si le gain est inférieur à sa valeur nominale. 5 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la réduction et l'augmentation du gain se font par incréments. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif de mesure du taux de saturation d'un étage de sortie audio, comportant un générateur de signal d'horloge, des moyens pour analyser, au cours de périodes d'horloge successives, un signal d'entrée ou de sortie de l'étage de sortie, et des moyens pour compter le nombre de périodes d'horloge, parmi ces périodes successives, pendant lequel ledit signal est à un état correspondant à une saturation de l'étage.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étage de sortie comporte un amplificateur de puissance fournissant un signal à états discrets. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'amplificateur de puissance est un amplificateur de classe D. 20 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : 25 la figure 1A, précédemment décrite, représente de façon schématique la sortie d'un dispositif audio ; les figures 1B et 1C, précédemment décrites, sont des chronogrammes partiels et schématiques représentant deux exemples d'évolution de la tension de sortie VOUT de 30 l'amplificateur de sortie 1 ; la figure 2 représente un exemple d'architecture de l'étage de sortie d'un dispositif audio selon un premier mode de réalisation de l'invention ; les figures 3A à 3C sont des chronogrammes partiels et 35 schématiques représentant des exemples d'évolution des tensions B9309 - 08-GR2-235

6 en fonction du temps en différents points de l'étage de sortie de la figure 2 ; la figure 4 représente, de façon schématique, des étapes d'un procédé d'ajustement du gain d'un amplificateur de sortie d'un dispositif audio en fonction de la saturation ; la figure 5 représente un exemple d'architecture de l'étage de sortie d'un dispositif audio selon un second mode de réalisation de l'invention ; et les figures 6A à 6C sont des chronogrammes partiels et schématiques représentant des exemples d'évolution des tensions en différents points de l'étage de sortie de la figure 5. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. En outre, les chronogrammes des figures 1A, 1B, 3A à 3C, et 6A à 6C ne sont pas tracés à l'échelle. La figure 2 représente un exemple d'étage de sortie d'un dispositif audio. Un amplificateur de puissance 1 reçoit un signal audio VIN, produit par des étages amont (non représentés), et fournit un signal audio VOUT, image amplifiée du signal VIN. L'amplificateur 1 est composé d'un étage pré- amplificateur 11 et d'un étage de puissance 13. Un comparateur 15 reçoit le signal VTMp de sortie de l'étage pré-amplificateur 11 et une tension continue VIH dont le niveau correspond à une saturation de l'amplificateur 1. Un générateur de signal d'horloge 16 fournit un signal d'horloge CLK. Une bascule D 17, pilotée par le signal d'horloge CLK, reçoit, via une borne d'entrée D, le signal de sortie VCOMP du comparateur 15. La bascule 17 recopie l'état (haut ou bas) de son entrée D sur sa sortie Q à chaque front montant du signal d'horloge CLK. La sortie Q de la bascule D 17 est connectée à une borne d'entrée IN d'un compteur 19. Le compteur 19, piloté par le signal d'horloge CLK, incrémente sa valeur de sortie à chaque front montant du signal CLK, si l'entrée IN est à l'état haut. Un B9309 - 08-GR2-235

7 signal RESET commande la remise à zéro de la valeur de sortie CPT du compteur 19 après un nombre choisi de périodes d'horloge. Les figures 3A à 3C, sont des chronogrammes partiels et schématiques représentant des exemples d'évolution des tensions en différents points de l'étage de sortie de la figure 2. La figure 3A représente le signal de sortie VTMp de l'étage pré-amplificateur 11. La figure 3B représente le signal de sortie VCOMP du comparateur 15. La figure 3C représente le signal d'horloge CLK.

Lorsque le signal VTMp dépasse la tension VTH correspondant à une saturation de l'amplificateur 1, le signal de sortie VCOMP du comparateur 15 est à un état haut. Lorsque VTMp ne dépasse pas la tension VTH, VCOMP est à un état bas. A chaque front montant d'horloge, la bascule 17 mémorise l'état de la sortie VCOMP du comparateur 15. Ainsi, la sortie CPT du compteur 19 indique le nombre de périodes d'horloge pendant lesquelles l'amplificateur 1 est en état de saturation. Pendant un intervalle de temps choisi, le pourcentage des périodes d'horloge pendant lesquelles l'amplificateur est saturé, constitue une indication précise du taux de saturation de l'amplificateur 1. La précision de la mesure est déterminée par la fréquence du signal d'horloge. Pour une mesure précise, la fréquence du signal d'horloge doit être supérieure aux plus hautes fréquences devant être reproduites par le dispositif audio. En outre, l'intervalle de temps pendant lequel est déterminé le taux de saturation doit être suffisamment long pour permettre de réaliser des mesures sur des signaux de basses fréquences. On pourra par exemple utiliser une horloge cadencée à 250 kHz et réaliser des mesures du taux de saturation sur des intervalles de temps compris entre 1 et 20 ms, soit 250 à 5000 périodes d'horloge. La figure 4, illustre de façon schématique des étapes d'un procédé d'ajustement du gain de l'amplificateur de sortie 1 en fonction de la saturation. Le gain de l'amplificateur 1 est variable et peut prendre l'une de quatre valeurs discrètes B9309 - 08-GR2-235

8 successives G1 à G4, avec G1>G2>G3>G4. La valeur G1 correspond au gain nominal de l'amplificateur 1. La valeur G4 correspond au gain minimal de l'amplificateur 1. Pour réaliser un tel dispositif à gain variable, on pourra utiliser des commutateurs pour sélectionner des résistances de détermination de la valeur du gain. Le procédé d'ajustement du gain en fonction de la saturation comporte les étapes suivantes : mesurer le taux de saturation TSAT de l'amplificateur 1 10 pendant un intervalle de temps, selon le procédé décrit ci-dessus en relation avec les figures 2 et 3A à 3C, si TSAT est supérieur à une valeur haute TSAT1 correspondant à un état de forte saturation, et si le gain n'est pas égal à sa valeur minimale G4, réduire le gain d'un incrément, 15 si TSAT est inférieur à une valeur basse TSAT2 correspondant à un état de saturation négligeable, et si le gain n'est pas égal à sa valeur nominale G1, augmenter le gain d'un incrément, si TSAT est compris entre TSAT1 et TSAT2, correspondant à un 20 niveau de saturation toléré, maintenir le gain inchangé. L'intervalle de temps pendant lequel est mesuré le taux de saturation TSAT peut être fixé de façon distincte selon que la décision résultant de cette mesure est une diminution, un maintien, ou une augmentation du gain. Par exemple, une 25 diminution ou un maintien du gain résulteront d'une mesure du taux de saturation sur un intervalle de temps de 1 à 2 ms alors qu'une augmentation du gain résultera d'une mesure du taux de saturation sur un intervalle de temps de 10 à 20 ms. On peut ainsi mesurer finement la saturation de 30 l'amplificateur 1 et adapter le taux de saturation de l'amplificateur 1 quels que soient les critères de qualité sonore, de puissance émise, et de protection du haut-parleur visés. Un aspect de la présente invention est d'appliquer les 35 procédés de mesure du taux de saturation et d'ajustement du gain B9309 - 08-GR2-235

9 décrits ci-dessus au cas où l'amplificateur de sortie est un amplificateur de classe D. Dans ce cas, le procédé de mesure de saturation est tout particulièrement efficace et simple à mettre en oeuvre.

La figure 5 représente un exemple d'étage de sortie d'un dispositif audio selon un mode particulier de réalisation de l'invention dans le cas où l'amplificateur de sortie est un amplificateur de classe D. Un amplificateur de classe D 21 reçoit un signal audio VIN, produit par des étages amont, et un signal d'horloge CLK, produit par un générateur de signal d'horloge 20. L'amplificateur 21 fournit un signal audio VOUT, image amplifiée du signal VIN. Un amplificateur de classe D est un amplificateur ayant un étage de sortie dont les transistors de puissance sont utilisés comme des interrupteurs. Le signal de sortie VOUT est donc à états discrets. Comme cela sera expliqué plus en détail ci-après en relation avec les figures 6A à 6C, le signal d'entrée VIN est généralement converti en une série d'impulsions (VOUT) dont la valeur moyenne est proportionnelle à l'amplitude du signal VIN à un instant donné. Un tel procédé est couramment désigné dans la technique par les termes "modulation de largeur d'impulsion", ou par le sigle PWM (pulse width modulation). Pour retrouver l'image amplifiée du signal d'entrée VIN à partir du signal discret VOUT on peut utiliser un filtre passe-bas, afin d'éliminer les composantes à hautes fréquences introduites par la modulation de largeur d'impulsion. Dans le cas d'un dispositif audio, le haut-parleur fait généralement office de filtre passe-bas. On peut donc directement appliquer au haut-parleur 3 le signal discret VOUT. Les amplificateurs de classe D sont fréquemment utilisés dans les dispositifs audio, notamment en raison des faibles déperditions de puissance qu'ils génèrent. Typiquement, 80 à 95% de la puissance d'alimentation consommée est restituée au haut-parleur. Les figures 6A à 6C sont des chronogrammes partiels et 35 schématiques illustrant le fonctionnement de l'amplificateur de B9309 - 08-GR2-235

10 classe D 21 de la figure 5. Un signal triangulaire TRS de même fréquence que le signal d'horloge CLK est produit dans le bloc amplificateur 21. L'amplificateur 21 comporte un comparateur, non représenté, qui reçoit le signal d'entrée VIN et le signal triangulaire TRS. Le signal de sortie VOUT de l'amplificateur 21 est lié au signal de sortie de ce comparateur, c'est-à-dire qu'il est à l'état haut quand VIN < TRS et à l'état bas quand VIN > TRS. L'amplitude VCC du signal triangulaire TRS est déterminée par la tension d'alimentation de l'amplificateur.

Lorsque VIN > VCC, l'amplificateur n'est plus capable de reproduire le signal audio de façon proportionnelle. On dit qu'il est en état de saturation. Pour un bon fonctionnement, la fréquence du signal d'horloge CLK doit être supérieure aux plus hautes fréquences devant être reproduites par le dispositif audio. On pourra par exemple utiliser une horloge cadencée à 250 kHz. La figure 6A représente le cas d'un signal d'entrée VIN nul. Le signal de sortie VOUT est alors un signal périodique, de même fréquence que le signal d'horloge CLK, et de rapport cyclique égal à 50%. La figure 6B représente le cas d'un signal d'entrée VIN continu positif, de valeur inférieure à l'amplitude VCC du signal triangulaire TRS. Le signal de sortie VOUT est alors un signal périodique, de même fréquence que le signal d'horloge CLK, et de rapport cyclique inférieur à 50%. La figure 6C représente le cas d'un signal d'entrée VIN continu positif, de valeur supérieure à l'amplitude VCC du signal triangulaire TRS. Il s'agit d'un cas de saturation de l'amplificateur 21. Le signal de sortie VOUT reste alors à l'état bas. En fonctionnement non saturé (figures 6A et 6B), le signal de sortie VOUT est à l'état haut à chaque front descendant du signal d'horloge CLK. Si le signal de sortie VOUT est à l'état bas lors d'un front descendant du signal d'horloge CLK, c'est que l'amplificateur est saturé (figure 6C).

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11 Comme l'illustre la figure 5, une bascule D 23, pilotée par le signal d'horloge CLK, reçoit le signal de sortie VOUT de l'amplificateur 21 sur son entrée D. Un compteur 25 est piloté par le signal d'horloge CLK. L'entrée IN du compteur 25 est connectée à la sortie Q de la bascule 23. La valeur de sortie CPT du compteur 25 est incrémentée à chaque front montant du signal CLK si son entrée IN est à l'état bas. Un signal RESET commande la remise à zéro de la valeur de sortie CPT du compteur 19 après un nombre choisi de périodes d'horloge.

Ainsi, la sortie CPT du compteur 25 indique le nombre de périodes d'horloge pendant lequel l'amplificateur 21 est en état de saturation. On peut en déduire avec précision le taux de saturation de l'amplificateur 21 pendant un intervalle de temps 15 choisi. On pourra réaliser des mesures du taux de saturation sur des intervalles de temps compris entre 1 et 20 ms, soit 250 à 5000 périodes d'horloge si l'on utilise une horloge cadencée à 250 kHz. 20 La présente invention propose donc un procédé de mesure du taux de saturation s'appliquant de façon particulièrement avantageuse aux dispositifs audio comportant un amplificateur de sortie de classe D. En effet, de tels dispositifs disposent déjà d'une source de signal d'horloge et 25 de moyens de comparaison pour fournir un signal discret caractérisé par des sauts d'impulsion chaque fois que l'amplificateur est en état de saturation. La mise en oeuvre du procédé de détermination du taux de saturation décrit ici ne nécessite alors que l'ajout d'une quantité réduite de portes 30 logiques pour réaliser les fonctions de la bascule D 23 et du compteur 25. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les phases et 35 les niveaux des signaux périodiques décrits précédemment peuvent B9309 - 08-GR2-235

12 être inversés, et les circuits pilotés par des signaux d'horloge peuvent être déclenchés indifféremment sur des fronts montants ou sur des fronts descendants de l'horloge. En outre, l'invention ne se restreint pas aux seuls étages de sortie comprenant une bascule D et un compteur tels que décrits précédemment. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché quel que soit le dispositif utilisé pour compter le nombre de périodes d'horloge au cours desquelles l'amplificateur est saturé. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché quelle que soit la classe de l'amplificateur de sortie utilisé. Le mode de réalisation particulier de l'invention décrit précédemment en relation avec les figures 5 et 6A à 6C ne se restreint pas aux seuls dispositifs audio comportant un amplificateur de classe D produisant un signal de sortie à modulation de largeur d'impulsion (PWM) mais s'applique à tout dispositif audio produisant un signal de sortie à états discrets. Dans l'exemple décrit ci-dessus en relation avec la figure 4, le gain peut prendre quatre valeurs distinctes. L'invention ne se limite bien entendu pas à ce seul cas particulier. D'autre part, des exemples de valeurs numériques ont été donnés dans les descriptions précédentes, notamment concernant les fréquences d'horloge et les intervalles de temps de mesure du taux de saturation. L'invention ne se restreint pas à ces seuls cas particuliers. L'homme de l'art saura adapter l'invention pour mettre en oeuvre facilement un procédé de commande automatique du gain (AGC) connu dans l'art antérieur.

Claims (3)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure du taux de saturation d'un étage de sortie audio, comportant les étapes suivantes : analyser un signal d'entrée ou de sortie (VIMp) de l'étage de sortie (11, 13) au cours de périodes d'horloge 5 successives, et compter le nombre de périodes d'horloge, parmi ces périodes successives, pendant lesquelles ledit signal est à un état correspondant à une saturation de l'étage.
2. 2. Procédé de mesure du taux de saturation selon la 10 revendication 1, dans lequel l'étage de sortie audio comprend un amplificateur de classe D.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre la détermination de ce que ledit nombre est : - inférieur ou égal à une première valeur, 15 - compris entre la première valeur et une seconde valeur, - supérieur à la seconde valeur. 6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la première valeur est égale à 0. 7. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel 20 la seconde valeur est comprise entre 30 et 60 pourcent du nombre de périodes d'horloge successives considérées pour compter ledit nombre. 8. Procédé d'ajustement du gain d'un étage de sortie audio en fonction du taux de saturation de cet étage, le taux de 25 saturation étant mesuré selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, ce procédé comportant les étapes suivantes : établir le gain à une valeur nominale (G1), réduire le gain si ledit nombre est supérieur à la 30 seconde valeur et si le gain est supérieur à une valeur minimale (G4), maintenir le gain constant si ledit nombre est compris entre la première valeur et la seconde valeur, etB9309 - 08-GR2-235 14 augmenter le gain si ledit nombre est inférieur à la première valeur et si le gain est inférieur à sa valeur nominale (G1) . 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la réduction et l'augmentation du gain se font par incréments. 8. Dispositif de mesure du taux de saturation d'un étage de sortie audio, comportant : un générateur de signal d'horloge (16 ; 20), des moyens (15) pour analyser, au cours de périodes 10 d'horloge successives, un signal d'entrée ou de sortie de l'étage de sortie, et des moyens (17, 19 ; 23, 25) pour compter le nombre de périodes d'horloge, parmi ces périodes successives, pendant lequel ledit signal est à un état correspondant à une saturation 15 de l'étage. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel l'étage de sortie comporte un amplificateur de puissance fournissant un signal à états discrets. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel 20 l'amplificateur de puissance est un amplificateur de classe D.