Étude et développement d`un amplificateur audio de classe

A IX -M ARSEILLE U NIVERSITÉ
É
COLE D OCTORALE S CIENCES P OUR L ’I NGÉNIEUR
M ÉCANIQUE , P HYSIQUE , M ICRO ET N ANOÉLECTRONIQUE – E.D. 353
THÈSE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR de L’UNIVERSITÉ D’AIX-MARSEILLE
Spécialité : Micro et Nanoélectronique
présentée par
Emmanuel HARDY
Étude et développement d’un amplificateur audio de classe D intégré
haute performance et basse consommation
à soutenir publiquement le 27 juin 2013
Directeur de thèse : Rachid BOUCHAKOUR
Encadrant : Stéphane MEILLÈRE
JURY
Nacer ABOUCHI CPE Lyon Rapporteur
Philippe BÉNABÈS Ecole Supérieure d’Electricité Rapporteur
Laurent LATORRE Université de Montpellier II Examinateur
Rachid BOUCHAKOUR Aix-Marseille Université Directeur de thèse
Stéphane MEILLÈRE Aix-Marseille Université Co-encadrant
Christian DUFAZA Aix-Marseille Université Tuteur Industriel

Tout le malheur des hommes vient d'une seule chose,
qui est de ne savoir pas demeurer en repos, dans une chambre.
Blaise Pascal,
Pensées.

i
Résumé
De nombreux dispositifs embarqués récents comme les téléphones portables, les GPS ou encore
les consoles de jeu, possèdent un ou des haut-parleurs, chacun étant piloté par un amplificateur audio
sur circuit intégré. De tels amplificateurs audio doivent répondre le mieux possible à quatre
contraintes : une qualité audio satisfaisante, une immunité aux perturbations induites par le système,
une faible consommation et une surface de silicium minimale. Ce travail de thèse a pour origine la
création de l’entreprise Primachip en mai 2009 par Christian Dufaza et Hassan Ihs. Cette startup a été
bâtie sur une architecture innovante d’amplificateur audio de classe D intégré, un concept de classe D
numérique haute-performance avec un ADC dans la boucle de rétroaction. Une thèse sous contrat
CIFRE et en partenariat avec l’IM2NP a débuté en décembre 2009 pour travailler sur le
développement de cet amplificateur et elle s’est terminée en juin 2013. Une étude a tout d’abord été
menée sur les différents types de modulation utilisés par les amplificateurs de classe D existant. La
modulation de densité d’impulsion, qui utilise un modulateur de type delta-sigma (), a été choisie
pour l’amplificateur. Une méthode systématique et automatisable de dimensionnement de ces
modulateurs a ensuite été présentée, ainsi que divers mécanismes permettant d’accroître les
performances et la stabilité. Le principe de rétroaction partielle en particulier s’applique sur une boucle
contenant un modulateur numérique qui pilote l’étage de puissance et un convertisseur analogique-
numérique (ADC) effectuant la rétroaction. Cela permet d’obtenir la stabilité de cette boucle tout en
offrant une excellente réjection des bruits de l’étage de puissance. Enfin, un prototype sur silicium de
l’architecture d’amplificateur de classe D numérique a été conçu et fabriqué. Un nouvel ADC 
temps continu a été développé pour ce prototype, afin d’obtenir des performances supérieures ou
égales à l’état de l’art. Les résultats obtenus sur le circuit se sont révélés encourageants, bien que
toutes les spécifications n’aient pas été atteintes. L’analyse des erreurs de ce premier circuit doit
permettre la réalisation d’un amplificateur intégré exploitant au mieux cette architecture de classe D
numérique.
Mots-clés : Amplificateur Audio ; Classe D ; Modulateur Delta-Sigma ; Basse Consommation ; ADC
Temps Continu