FAQ sur les FDA (le FDA pour les « nuls »)

[gailuron]

L’idée de ce topic m’a été soufflée par autrichon gris, mais elle vient aussi de toutes les idées fausses que j’ai pu voir trainer sur le sujet. Comme je n’ai aucune formation en électronique, je m’en tiendrai aux principes de fonctionnement, en espérant que d’autres forumeurs plus compétents viendront compléter cette FAQ. Et comme beaucoup de lecteurs de ce forum ne sont pas familiers avec les mathématiques appliquées au traitement du signal, je m’en tiendrai à des explications « littéraires ».

Que veut dire FDA ?
Tout simplement « Full Digital Amplifier », c’est-à-dire « amplificateur entièrement numérique » en français.

Qu’est-ce qu’un FDA ?
Du point de vue des utilisateurs et des fabricants, on peut voir le FDA comme la fusion d'un DAC et d'un ampli classe D avec élimination des « doublons », à savoir :
- la partie analogique en sortie du DAC, c’est-à-dire le filtrage passe-bas du signal nécessaire pour obtenir un signal analogique ;
- le préampli entre le DAC et l’ampli classe D pour gérer le volume et les tonalités ;
- la modulation du signal analogique en un signal PWM à l'entrée de l'ampli classe D.
Ces trois circuits sont remplacés par une conversion directe du signal PCM en signal PWM réalisée par un DSP (Digital Signal Processor).

D’un point de vue technique, le FDA est juste une variante de l’amplificateur audio de classe D avec DAC intégré. La modulation PWM effectuée de manière numérique n'est pas une nouveauté, la nouveauté réside dans la conversion directe du signal numérique PCM en un signal PWM sans passer par un signal analogique intermédiaire. Tout le reste est inchangé par rapport à un schéma classique DAC + ampli classe D. Donc, vous pouvez vous référer à la littérature sur les amplis audio en classe D et à celle sur les DAC.

Qu’est-ce qu’un DSP ?
Un DSP (Digital Signal Processor et non Digital Sound Processor) est un processeur, donc un circuit entièrement numérique, dédié au traitement du signal (audio ou autre). Comme les processeurs « généralistes » de nos ordinateurs, leurs performances ont considérablement augmenté et leur prix a chuté vertigineusement depuis une trentaine d'années. Contrairement aux processeurs « généralistes », les DSP sont optimisés pour l'exécution ultra-rapide de calculs complexes spécifiques en virgule flottante (ex: intégration, transformation de Fourier) et de boucles de calcul (ex: conversion delta-sigma) afin de permettre le traitement du signal en temps réel.

Le DSP des FDA comporte habituellement plusieurs composants successifs :
- un convertisseur de quantification en charge de la sur-quantification du signal PCM (sur 24 ou 32 bits)
- un convertisseur de fréquence d'échantillonnage (SRC) en charge du sur-échantillonnage du signal PCM (à 96 kHz ou plus)
- un processeur audio numérique (DAP) en charge des fonctions traditionnelles d'un DSP audio : contrôle du volume, égalisation, application d'effets sonores...
- un ou plusieurs filtre(s) numérique(s)
- un convertisseur numérique-analogique
- un modulateur PWM

Attention à ne pas confondre la taille du bus du DSP, qui est généralement de 32 bits, avec la taille de la requantification du signal PCM qui peut être aussi de 32 bits dans le meilleur des cas ! Notez également que la fonction « Tone (defeat) » ou « Direct (audio) » des FDA ne désactive évidemment pas tout le DSP mais uniquement la partie DAP à l'exception du contrôle de volume !

Qu’est-ce qu’un ampli de classe D ?
En préambule, rappelons que tous les amplificateurs audio, quelle que soit leur classe, sont des amplificateurs de tension dont le but est de fournir une tension suffisante aux moteurs des haut-parleurs. Ce ne sont pas des amplificateurs de puissance au sens strict du terme (puissance = tension x courant). Le courant qui circule est généré par le moteur lui-même en fonction de son impédance, d’où des puissances différentes pour un même amplificateur selon les impédances des enceintes.

Un amplificateur de classe D est un amplificateur de tension qui fonctionne en utilisant des transistors à effet de champ (MOSFET) en mode interrupteur, et non en mode linéaire (classes A ou AB). En mode interrupteur, un transistor ne subit quasiment aucun effet Joule car il passe sans cesse d'un état saturé (tension nulle à ses bornes) à un état bloqué (courant nul). La quasi-totalité de l’énergie est consommée pour produire les variations de tension et le courant nécessaires au fonctionnement des haut-parleurs et pas pour produire de la chaleur. Il en résulte un rendement supérieur à 90% et une faible dissipation thermique, d’où de nombreux avantages pratiques : alimentation et radiateur plus modestes, taille et consommation électrique réduites, possibilité d’utiliser des circuits intégrés de petite taille (puces)…

Pour qu’un ampli de classe D puisse fonctionner, il faut donc lui fournir un train d'impulsions électriques, c’est-à-dire des variations brutales de tensions, et non un signal linéaire comme le signal analogique. On va moduler le signal linéaire d’origine en une série d’impulsions de densité différente (Pulse Density Modulation ou PDM) ou de largeur différente (Pulse Width Modulation ou PWM). La modulation PWM est préférée parce qu’elle permet d’utiliser des fréquences plus faibles (quelques centaines de kHz au lieu de plusieurs MHz) et des circuits électroniques analogiques plus simples. Le terme « largeur d’impulsion » peut paraître abstrait mais, dans le cas le plus courant où la fréquence de modulation est constante, cela veut simplement dire durée de l’impulsion. Le terme « rapport cyclique » employé dans la littérature technique veut simplement dire qu’on utilise le rapport durée de l’impulsion sur durée du cycle de modulation (la durée du cycle est l’inverse de la fréquence de modulation, ex : 1/100 000 = 0,01 ms pour une modulation à 100 kHz). Le signal PWM est assez proche d’une « porteuse » utilisée en modulation radiophonique.

Un amplificateur audio de classe D se compose donc de trois étages successifs :
1° un étage de modulation qui hache le signal d’origine en un train d'impulsions (signal PWM),
2° un étage d’amplification proprement dite,
3° un étage de démodulation.
L’étage de démodulation est un filtre passe-bas qui a deux rôles : éliminer les signaux de haute fréquence de la « porteuse » PWM (comme on élimine les hautes fréquences de la porteuse dans un tuner FM) et « lisser » le signal en créneau pour le transformer en un signal véritablement analogique transmis aux enceintes. En classe D, c’est le rapport cyclique qui est proportionnel à la tension d’entrée. La tension de sortie n’est pas proportionnelle à la tension d’entrée comme en classes A ou AB, elle oscille entre zéro et sa valeur maximale. Le « lissage » va donc consister à transformer le rapport cyclique en une tension proportionnelle au signal d’entrée.

Dans un FDA, l'étage de modulation n'existe pas puisque le signal PWM est directement fourni par le DSP. Donc, on ne peut pas utiliser un circuit conçu pour un ampli classe D conventionnel.

L’amplification de classe D est-elle numérique ?
Non. La lettre D ne veut pas dire « digital ». Elle a été utilisée pour qualifier cette classe d’amplification tout simplement parce qu’on utilisait des lettres pour qualifier les types de polarisation des tubes d’amplification (de A à C) et qu’on a repris cette typologie pour les amplificateurs à transistors. Comme l’amplificateur à découpage a été le quatrième type d’amplificateur à transistors proposé à la fin des années 1950, on lui a attribué l’appellation « classe D ».

Le signal PWM n’est pas numérique, ni même simplement binaire. Le train d'impulsions PWM est « analogue » au signal audio d'entrée. Le signal PWM n’est qu’une simple modulation d’un signal analogique comme la modulation de fréquence ou d'amplitude en radiophonie. On le qualifie fréquemment à tort de numérique parce que les impulsions correspondent à deux valeurs de tension, on oublie complètement que l'information n'est pas contenue dans la tension de l'impulsion mais dans sa largeur (durée) qui peut prendre une infinité de valeurs si le PWM a été généré avec un circuit analogique à partir d’un signal analogique. C’est seulement dans le cas où le PWM a été généré numériquement que la largeur d’impulsion ne peut prendre que des valeurs discrètes mais cela ne le rend pas numérique ou binaire pour autant. Pour que le signal soit binaire, il faudrait que l’information soit contenue uniquement dans le nombre d’impulsions. C’est le cas de la modulation par densité d’impulsions (PDM) telle que le DSD de Sony-Philips. Pour que le signal soit numérique, il faudrait que chaque durée d'impulsion soit affublée d'une valeur numérique grâce un processus de « décimation » permettant d’obtenir un signal « codé », appelé PCM (Pulse Code Modulation), manipulable par un processeur et de fréquence beaucoup plus faible (au minimum deux fois la fréquence la plus élevée du signal analogique et rarement plus de dix fois).

Comme le FDA est un amplificateur de classe D, il ne peut pas être « entièrement numérique ». Le signal modulé (PWM), l’amplification proprement dite et la démodulation sont de nature analogique. C’est uniquement le signal d’origine et la méthode de modulation qui sont numériques. L’appellation « entièrement numérique » vient de l’idée fausse selon laquelle la classe D est une amplification numérique. L’industrie de la Haute Fidélité est coutumière de cet abus de langage, il suffit de se souvenir des tuners FM dits « numériques », il y a une trentaine d’années, simplement parce que la syntonisation était effectuée de manière numérique.

Comment et où s’effectue la conversion numérique-analogique dans un FDA ?
En fait, vous l’avez sans doute compris dans les questions précédentes, il n’y a pas de conversion numérique-analogique au sens strict du terme. Le signal PCM n’est pas converti comme dans un DAC en un vrai signal analogique tel que celui qui sort d'un microphone. Il est converti en un signal analogique modulé en largeur d’impulsion dans le DSP situé en amont de l’étage d’amplification. Mais c'est bien dans le DSP que la conversion numérique-analogique est réalisée puisque le signal PWM est de nature analogique et que toutes les étapes qui suivent sont également de nature analogique comme dans un amplificateur de classe D à entrée analogique.

Comment et où s’effectue le contrôle du volume dans un FDA ?
Le contrôle du volume s’effectue numériquement sur le signal PCM dans le DSP avant conversion en PWM. Il n’y a pas d’autre solution possible. Le gain ne peut pas être géré directement sur le signal PWM puisque la largeur d’impulsion combine de manière indissociable l’information sur l’amplitude et la fréquence du signal à amplifier. De plus, il n’y a pas de signal analogique, donc pas de pré-amplification possible comme dans un ampli intégré de classe D classique.

La résolution du signal PCM n’est pas dégradée. Si le signal PCM est requantifié sur 32 bits, on dispose d’une plage dynamique tellement énorme (192 dB) que le problème ne se pose même pas. Sur 24 bits (144 dB), le problème peut se poser en théorie mais quasiment pas en pratique car il faudrait opérer une réduction de volume de -50 dB pour que ça commence à devenir un problème, ce qui n’est pas possible avec les puissances RMS maximales des FDA actuels et avec des enceintes passives normales (sensibilité < 100 dB/W/m). De toute façon, le sur-échantillonnage à 192 ou 384 kHz permet d’abaisser le niveau de bruit numérique du signal PCM, de sorte qu’il est possible d’étendre la plage dynamique audible bien en-deçà des -144 dB FS théoriques.

Si le contrôle numérique du volume a mauvaise réputation dans une chaîne classique avec DAC + ampli, c’est surtout à cause du bruit analogique. Comme le contrôle numérique du volume ne peut se faire que vers le bas (- x dB FS), il diminue forcément le rapport signal/bruit dans tous les circuits analogiques en aval (étage de sortie du DAC, préampli). Dans le cas d’un FDA, ce problème n’existe pas.

Pourquoi doit-on convertir le DSD en PCM dans un FDA ?
Le DSD n’est pas un signal numérique, il ne peut pas être traité directement par le DSP, notamment pour le contrôle du volume. Le DSD est un signal PDM issu d’une modulation delta-sigma. Le PDM est une série d'impulsions non codées comme le PWM, la différence étant que l'information est contenue dans le nombre d'impulsions par cycle et non dans la largeur des impulsions. C’est donc un signal binaire pseudo-analogique qui doit faire l’objet d’une « décimation » pour être converti en « nombres » afin de permettre son traitement par un processeur.

Quels sont les composants d’un FDA ?
On ne connaît bien que le fonctionnement des « petits » FDA chinois grâce à la transparence des constructeurs chinois et à la documentation en accès libre des deux plus grands fondeurs de puces audio, Texas Instruments et STMicro. Schématiquement, on retrouve partout l’architecture suivante :

1. Un bloc d'alimentation à découpage (SMPS en anglais) chargé de convertir le courant alternatif du secteur en courant continu et d’abaisser sa tension à un niveau généralement compris entre 18 et 36 V. Ce bloc d'alimentation est toujours situé à l’extérieur du coffret du FDA parce que les alimentations à découpage génèrent des interférences électromagnétiques importantes. On utilise de préférence une alimentation à découpage, non seulement en raison du coût modeste, mais aussi parce que les amplis de classe D sont très sensibles à la stabilité de la tension d’alimentation et que la tension est mieux régulée par une alimentation à découpage que par une alimentation linéaire.

2. Un circuit d’alimentation électrique situé dans le coffret et dont le rôle est de fournir aux différents composants la tension appropriée à leur fonctionnement : plusieurs dizaines de volts pour l’amplification, quelques volts (généralement 3,3V et 5V) pour le microcontrôleur, le DSP et les interfaces d’entrée. Le circuit comporte donc des convertisseurs et des régulateurs de tension. Il peut être contenu dans une seule puce telles que la LM2596 de TI.

3. Un microcontrôleur (une puce comportant un microprocesseur et quelques périphériques intégrés tels que ROM, RAM, interfaces) qui assure l’interface homme-machine (affichage, sélecteur d’entrées, contrôle de volume, de tonalités, etc) entre la télécommande ou les boutons de façade et le DSP ou l’interface d’entrée numérique. La puce STM32 est un bon exemple.

4. Une interface d’entrée numérique dont le rôle est d’extraire le signal PCM de son encapsulation USB ou S/PDIF pour le ré-encapsuler en i²S, le protocole de transport interne de l’audio numérique, qui va transférer le flux PCM au circuit ASRC du DSP. Cette interface nécessite généralement deux puces, l’une dédiée aux entrées S/PDIF (optiques ou coaxiales) ou AES/EBU et l’autre à l’entrée USB.

5. Un processeur de traitement du signal (DSP) dont les tâches s’enchainent dans cet ordre :
- optionnellement, convertir le signal DSD en PCM si le FDA accepte le DSD
- requantifier si nécessaire le PCM sur 24 ou 32 bits (selon les capacités de la puce)
- ré-échantillonner si nécessaire le PCM sur la fréquence de travail de la puce (généralement 96 ou 192 kHz)
- contrôler le volume numériquement sur le PCM (la conversion DSD>PCM et la requantification du PCM sont des préalables nécessaires au contrôle numérique du volume)
- optionnellement, contrôler numériquement les tonalités et appliquer des effets sonores
- convertir le PCM en PWM

6. Une puce d’amplification en classe D directement alimentée par la sortie PWM du DSP, donc un ampli classe D simplifié sans modulateur PWM. La puce TAS5342LA de TI est un bon exemple. Bien qu’ancienne (2008), elle est toujours commercialisée. Parfois, l’ampli classe D est intégré sur la même puce que le DSP. C’est le cas de la puce STA326 de STM.

7. Un circuit analogique de démodulation en composants discrets en sortie de la puce d’amplification : bobines (selfs), condensateurs (capacités) et résistances. C’est un filtre passe-bas qui assure à la fois l’élimination des hautes fréquences de la « porteuse » PWM et le lissage du signal audio en créneaux. On le retrouve dans tous les amplis HiFi de classe D quelle que soit l’origine du signal.

8. Une interface de sortie HP purement passive.

Comme l'amplification proprement dite n'a rien de numérique, elle nécessite une alimentation de qualité. Je ne parle pas seulement du bloc d'alimentation mais surtout du circuit d'alimentation interne au FDA. De même, le filtrage du signal amplifié, qui n'a rien de numérique non plus, nécessite un circuit de qualité comme dans tout ampli classe D. Cela laisse une marge de manœuvre aux constructeurs pour se différencier.

Malgré le rendement élevé de l’amplification en classe D, les contraintes de dissipation thermique imposées par la petite taille des puces limitent leur puissance RMS à des valeurs de l’ordre de 40-50 W par canal sous 8 ohms, une puissance largement suffisante pour leur principal marché, l’audio-vidéo grand public. Néanmoins, les puces d'amplification récentes supportent des puissances de l’ordre de 60 à 80 W par canal sous 8 ohms, mais elles sont plus chères. Une puissance supérieure nécessiterait des circuits intégrés de plus grande dimension, dont les débouchés seraient limités, ce qui rendrait les FDA nettement moins compétitifs face à des architectures plus traditionnelles comme les amplis classe AB avec DAC intégré.

Peut-on utiliser un subwoofer avec un FDA ?
En principe non puisqu’il n’y pas de signal purement analogique non amplifié et qu'on ne peut pas alimenter l’ampli intégré d’un caisson de grave avec le signal amplifié en sortie du FDA, destiné à des enceintes passives. La plupart du temps, lorsqu’il existe une sortie subwoofer, elle fait appel à une solution qui consiste à partir du signal PWM généré par le DSP et à utiliser des amplificateurs opérationnels (ampli-op ou AOP). Les amplis-op sont des amplificateurs différentiels (ils amplifient une différence de potentiel), ils permettent à la fois d’amplifier le signal PWM avec un gain suffisant pour alimenter une sortie niveau ligne et de réaliser des filtres actifs pour démoduler le signal PWM. Cette solution a l’avantage d’une parfaite synchronisation avec la sortie HP amplifiée et d’un coût très faible mais un gros inconvénient, le mauvais filtrage des hautes fréquences de la modulation PWM. Cet inconvénient n’est pas un problème dans le cas d’un caisson de grave puisqu’il dispose de son propre filtre passe-bas.

Peut-on utiliser un casque avec un FDA ?
La plupart du temps, lorsqu’il existe une sortie casque, elle fait appel à une solution différente de la sortie subwoofer. La priorité n’est plus la synchronisation avec les enceintes passives mais le filtrage des hautes fréquences. Les fabricants utilisent généralement deux puces : une puce DAC (ex: AK4452 de Asahi Kasei) suivie d’une puce ampli-casque à base d’amplis-OP (ex: MAX9722 de Maxim Integrated). Donc, on sort du schéma FDA pour revenir au schéma traditionnel d'un ampli-casque avec DAC intégré.

Comment distinguer un FDA d’un ampli classe D avec DAC ?
C’est parfois difficile lorsque le fabricant ne donne pas d’informations sur les composants utilisés, d’autant plus que les distributeurs n’hésitent pas à donner des qualificatifs fantaisistes à leurs appareils. Si on ne dispose pas du descriptif des circuits intégrés utilisés, la présence ou l’absence de certains composants peut fournir la réponse :
- la présence d’une puce de pré-amplification signifie qu’on a affaire à un ampli classe D conventionnel ;
- la présence d’une puce de conversion analogique-numérique signifie qu’on a affaire à un FDA ;
- la présence d’une entrée analogique et l’absence de puce de conversion analogique-numérique (ADC) signifient qu’on a affaire à un ampli classe D conventionnel ;
- l'absence d'entrée numérique (USB, S/PDIF, AES/EBU, Ethernet ou WiFi) signifie qu’on a affaire à un ampli classe D conventionnel sans DAC.

Quelles sont les différences audibles entre un ampli classe D conventionnel et la partie amplification d’un FDA ?
La seule différence potentiellement audible est l’absence de boucle de rétroaction dans un FDA. Dans un ampli classe D conventionnel, il y a un signal analogique en entrée et un signal analogique en sortie du filtre passe-bas, on peut donc comparer les deux signaux, ce que font la plupart des amplis classe D conventionnels via une boucle de rétroaction réalisée avec un circuit analogique (pour minimiser la latence). Cette boucle permet de réinjecter dans le modulateur PWM un signal analogique « corrigé » qui viendra annuler la différence entre signal d’origine et signal de sortie. Elle permet également de générer une contre-réaction comme dans un amplificateur linéaire (classe A ou AB) et donc d’offrir un facteur d’amortissement aux HP de graves. Faute de signal analogique en entrée, un FDA ne peut pas proposer de boucle de rétroaction. Il fonctionne en « boucle ouverte », sans contre-réaction, donc avec un facteur d’amortissement très faible.

L’impact audible de la contre-réaction est très discuté entre les audiophiles. Elle n’a pas que des avantages. Par exemple, la latence même très faible de la boucle de rétroaction la rend contre-productive dans les transitoires. Mais, objectivement, il est certain qu’un facteur d’amortissement très faible nécessite des enceintes avec une courbe d’impédance dans les graves très régulière. Donc, il faut bien choisir ses enceintes avec un FDA !

Pourquoi les FDA ont-ils un si bon rapport qualité/prix ?
La raison majeure est purement commerciale. L’industrie de la HiFi les considèrent pour l’instant, à quelques exceptions près (Lyngdorf et Classé Audio en particulier), comme des produits destinés aux marchés grand public de l’audio embarquée et de la vidéo. Seuls les fabricants chinois ont décidé de s’emparer de ces puces conçues pour l’audio embarquée (automobile, baladeurs, casques sans fil, smartphones…) et pour la partie audio de la vidéo (TV, barres de son, boitiers multimédia, amplis home-cinéma grand public…) afin de construire des produits HiFi destinés aux marchés asiatiques.

Le prix de revient des FDA est très faible. D’une part, les puces utilisées sont vendues à des centaines de millions d’exemplaires dans le monde. Vu leur complexité, très peu de fondeurs sont capables de les concevoir et de les produire : Texas Instruments, STMicroelectronics, Qualcomm et quelques autres. Les séries sont donc gigantesques d’où des prix ridiculement bas, surtout pour les puces anciennes qui sont utilisées dans les FDA à moins de 150 €. Les fondeurs supportent les coûts de recherche et développement. Ils fournissent aux constructeurs toute la documentation nécessaire à la mise en œuvre de leurs puces dans les appareils. D’autre part, les FDA utilisent un bloc d’alimentation qui coûte peu, d'abord parce qu'une alimentation à découpage coûte moins cher qu’une alimentation linéaire à puissance égale, et ensuite parce qu'un ampli classe D a besoin d'une alimentation moins puissante que celle d'un ampli linéaire vu son rendement nettement plus élevé (90% contre 60% en classe AB).

[autrichon gris]

J'en ai rêvé, gailuron l'a fait ! Une somme de travail remarquable de synthèse, chapeau et merci !

Amis modos de la section hifi, ça mérite d'être mis en valeur (à mon humble avis).

[letit69]

gailuron

[tonylb]

Bravo..

T amoureux toi

Rajoute une section avec les ténors du marché en 2019 puisque 2020 va être un autre cru, de ce qu'en disent les forums chinois.....

[gailuron]

Merci pour vos encouragements !

@tonylb : Je ne suis pas trop le marché, et encore moins les forums chinois. Mais cette FAQ ne demande qu'à être enrichie par d'autres que moi. Donc, si tu veux te charger de cette partie, n'hésite pas ! Si tu n'as pas le temps ou l'envie de rédiger quelque chose, tu peux m'envoyer des références et des liens par MP et j'essaierai de mettre tout ça en forme.

[B@R]

Beau travail de synthèse !

[griosu]

Chapeau

[Skylake]

Y'en avait besoin, parceque tout le monde passe par la case nul
À épingler dans ampli intégré ?

[hydrofuge]

c'est vraiment très clair et très utile pour les gens comme moi qui ne connaissait pas bien ce genre de produit

[autrichon gris]

Y'en avait besoin, parceque tout le monde passe par la case nul
À épingler dans ampli intégré ?

Oui !

[Nono]

ben voila, tout est dis, merci a toi et beau travail sur le sujet !

[FDDRT]

Vraiment trés bien, simple et didactique ! Ce n'est pas facile sur ce sujet !

[guyniol]

Y'en avait besoin, parceque tout le monde passe par la case nul
À épingler dans ampli intégré ?

Oui !

je plussoie, ce fil est d'ores et déjà un incontournable, de par le sujet traité et de la grande qualité de traitement
Merci

[Steph-Hifi]

mis en post-it section hifi

[Steph-Hifi]

petite remarque dans l'histoire des FDA : TACT audio a sorti son ampli FDA en 1998 ou 1999 et il est toujours a ce jour un des meilleurs ampli jamais réalisé toute "classe" confondu.

http://www.soundstagenetwork.com/revequip/robert01.htm

les ingénieurs a travaillant a l'epoque pour TACT etaient des fideles de Lyngdorf (Snell, NAD etc..)