Amplificateur électronique
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Un amplificateur électronique est un système électronique augmentant la puissance d’un signal. Cette augmentation se fait en tirant la puissance nécessaire de l’alimentation du système et en surveillant la sortie afin qu’elle ait la même forme que l’entrée. Un amplificateur parfait peut être représenté par un fil possédant un gain, la sortie étant une réplique exacte de l’entrée mais majorée.
Les amplificateurs électroniques sont utilisés dans quasiment tous les circuits électroniques : ils permettent d’élever un signal électrique, comme la sortie d’un capteur, vers un niveau de tension exploitable par le reste du système. Ils permettent aussi d’augmenter la puissance maximale disponible que peut fournir un système afin d’alimenter une charge comme une antenne ou une enceinte.
On évalue les performances d’un amplificateur en étudiant son rendement, sa linéarité, sa bande passante et le rapport signal sur bruit entre l’entrée et la sortie.
[modifier] Développement
Le premier amplificateur électronique fut réalisé en 1906 par Lee De Forest lors de son invention de la première triode nommée l’audion. La triode fut vite perfectionnée par l'ajout d’une (pour la tétrode) puis, deux grilles supplémentaires, évitant des effets indésirables, notamment l’effet « dynatron » (zone où le tube à une résistance négative). Ce tube pentode sera rapidement adopté pour la plupart des amplificateurs à tubes, pour son meilleur rendement. Les amplificateurs à tubes sont aussi connus sous le nom d’amplificateurs à « lampes » à cause de la forme des tubes et de la lumière qu’ils émettent lors de leur fonctionnement (voir photo ci-contre).
Depuis la fin des années 60, avec l’apparition des premiers transistors de puissance à coût modéré, la majorité des amplificateurs utilisent des transistors. On préfère les transistors aux tubes dans la majorité des cas car ils sont plus robustes, ils nécessitent des tensions plus faibles et ils fonctionnent instantanément une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui demandent une dizaine de secondes de chauffage.
Les tubes sont toujours utilisés pour des applications spécifiques comme les amplificateurs audio, surtout ceux pour guitare électrique[1], et pour les applications de « très » forte puissance ou à haute fréquence[2] comme pour les fours à micro-ondes, le chauffage par radiofréquence industriel, et l’amplification de puissance pour les émetteurs de radio et de télévision.
Pour les télécommunications spatiales demandant de fortes puissances, on utilise également des amplificateurs à klystron et des tubes à ondes progressives (ATOP). Il existe également, embarqués à bord des satellites, des amplificateurs de type SSPA (Solid State Power Amplifier).
[modifier] Classification des systèmes et étages amplificateurs
Il existe une foule de classifications, elles découlent souvent des différentes caractéristiques du schéma d’un amplificateur. Toutes ces caractéristiques ont une influence sur les paramètres et les performances de l’amplificateur. La conception d’un amplificateur est toujours un compromis entre plusieurs facteurs comme le coût, la consommation énergétique, les imperfections des composants et, le besoin de rendre l’amplificateur compatible avec le générateur du signal d'entrée et la charge en sortie.
[modifier] Amplificateur de courant et de tension
Les amplificateurs peuvent être conçus pour augmenter un signal : en tension (amplificateur de tension), ou en courant (amplificateur de courant ou tampon) ou bien les deux (amplificateur de puissance)
[modifier] Classement par application
Plusieurs types d’amplificateurs sont utilisés pour différentes applications ou signaux. On peut grossièrement diviser les amplificateurs en trois catégories :
- les amplificateurs de petits signaux ;
- les amplificateurs basses fréquences ;
- les amplificateurs radioélectriques ou amplificateur HF.
Chacune de ces catégories réclame une approche de conception légèrement différente, principalement en raison des limitations physiques des composants utilisés et du rendement que l’on peut atteindre.
[modifier] Classification des amplificateurs par leur électrode reliée à la masse
Une de ces classifications se réfère à « l’électrode reliée à la masse » : le schéma de l’amplificateur est alors décrit par l’électrode du composant actif qui est reliée au plus court à la masse. Ainsi, on parle d’amplificateur à émetteur commun, à plaque commune ou à drain commun. Ces noms renseignent aussi sur le type de technologie utilisée. Par exemple, un amplificateur à émetteur commun utilisera un transistor bipolaire, celui à plaque commune un tube tandis qu’un amplificateur à drain commun utilisera un MOSFET ou un JFET. Quelle que soit l’électrode d’un composant actif, il existe certainement une application ayant amené à la création d’un montage où elle est reliée à la masse. Voir aussi : collecteur commun, base commune.
[modifier] Inverseur et non-inverseur
Une autre façon de classer les amplificateurs est d’utiliser la phase entre le signal d’entrée et celui de sortie. Un amplificateur inverseur produira un signal de sortie déphasé de 180 degrés par rapport au signal d’entrée, ou une image miroir de l’entrée si on visualise l’entrée et la sortie sur un oscilloscope. Un amplificateur non-inverseur produira quant à lui un signal de sortie ayant la même phase que l’entrée. Un montage émetteur suiveur (ou collecteur commun), est un type d’amplificateur dont le signal sur l’émetteur suit (même phase) le signal d’entrée.
Cette description peut s’appliquer à un simple étage ou à un système complet.
[modifier] Classification par fonction
Les amplificateurs peuvent aussi être classés par fonctions ou caractéristiques de sortie. Ces descriptions fonctionnelles s’appliquent souvent à un système complet et non à un étage unique.
- un servo-amplificateur possède une boucle de contre réaction afin d’asservir la sortie à une consigne. Certains servo-amplificateurs n’amplifient que le continu, ignorant ainsi toute perturbation haute fréquence. Ils sont souvent utilisés dans les actionneurs mécaniques, ou avec des moteurs à courant continu qui doivent maintenir une vitesse ou un couple constant. Un servo-amplificateur amplifiant l’alternatif pourra faire de même avec certaines machines à courant alternatif.
- Un amplificateur linéaire possède un facteur d’amplification précis sur une large bande de fréquences. Ils sont souvent utilisés pour augmenter le signal dans les relais d’un système de télécommunication. Un amplificateur non-linéaire est conçu de façon à n’amplifier qu’une bande de fréquences étroite ou unique à l’exception de toutes les autres fréquences.
- Les amplificateurs radioélectriques sont conçus pour amplifier les ondes radio. Ils sont souvent spécialement étudiés pour alimenter une antenne.
- Les amplificateurs audio sont étudiés spécialement pour reproduire les fréquences audibles par l’intermédiaire d’enceintes. Ils possèdent souvent plusieurs amplificateurs regroupés ensemble comme canaux séparés ou bridgeables afin de pouvoir s’adapter à différents systèmes de reproduction sonore.
- Un type spécial d’amplificateur basse puissance aux caractéristiques idéales est souvent utilisé dans les instruments, le traitement du signal et bien d’autres applications. Ces amplificateurs sont connus sous le nom d’amplificateurs opérationnels. Ils portent ce nom car ils servent majoritairement à réaliser des algorithmes mathématiques, ou « opérations » sur le signal d’entrée afin d’obtenir le signal de sortie voulu.
[modifier] Amplificateur de courant et de tension
Les amplificateurs peuvent être conçus pour augmenter la tension (amplificateur de tension), le courant (amplificateur tampon) ou les deux (amplificateur de puissance) d’un signal. Les amplificateurs électroniques peuvent être alimentés par une tension simple (une alimentation positive ou négative, et la masse) ou une tension symétrique (une alimentation positive, une négative et la masse). L’alimentation peut aussi porter le nom de « bus » ou « rail ». On parle alors de bus positif ou négatif et de rail de tension positive ou négative.
Les différentes méthodes d’alimentation en puissance engendrent différentes méthodes de polarisation. La polarisation est la méthode employée pour permettre aux composants actifs de fonctionner correctement, ou de régler la composante continue du signal à la moitié de la tension fournie par l’alimentation. La plupart des amplificateurs utilisent des composants ayant les mêmes caractéristiques à polarité près. On les appelle des paires complémentaires. Les amplificateurs de classe A n’utilisent qu’un seul composant, à moins que l’alimentation soit symétrique ; dans ce cas, ils utilisent un composant dual avec un schéma d’implémentation symétrique. Les amplificateurs de classe C utilisent par définition une alimentation simple.
Les amplificateurs sont souvent composés de plusieurs étages disposés en série afin d’augmenter le gain global. Chaque étage d’amplification est généralement différent des autres afin qu’il corresponde aux besoins spécifiques de l’étage considéré. Par exemple, le premier étage peut être un classe A, alimentant un second étage composé d’un push-pull de classe AB alimentant, quant à lui, l’étage final composé d’un amplificateur de classe G. On peut ainsi tirer avantage des points forts de chaque montage tout en minimisant leurs faiblesses.
Il existe aussi des transistors « combinés », appelés transistors Darlington, qui sont composés de deux transistors appairés dans le même boîtier. Les transistors sont souvent disposés en parallèle, afin d’augmenter le courant maximal que l’étage final peut délivrer à la charge.
[modifier] Classification par méthode de couplage
Les amplificateurs audio sont parfois classés par leur méthode de couplage entre l’entrée et la sortie ou entre les différents étages de l’amplificateur. Ces différentes méthodes incluent les couplages capacitif, inductif (transformateur) et le couplage direct, chaque méthode ayant ses avantages et ses inconvénients.
[modifier] Classification par gamme de fréquences
On classe les amplificateurs selon quatre gammes de fréquences :
- Continu (couplage direct)
- L’amplificateur est capable d’amplifier un signal continu (de fréquence nulle).
- Fréquence audio
- Les signaux amplifiés correspondent à des fréquences sonores audibles (20 Hz à 20 kHz).
- Amplificateur vidéo
- L’amplification concerne des fréquences allant jusqu’à quelques MHz.
- Amplificateur ultra haute fréquence
- Les signaux vont de 300 MHz à 3 GHz.
[modifier] Classification par type de charge
La classification par type de charge (accordée ou non-accordée) est surtout utilisée dans le cas des amplificateurs accordés car elle permet d’indiquer la fréquence que l’amplificateur peut amplifier. Les charges accordées sont des filtres passe-bande : elles ne laissent passer qu’une seule fréquence ou une bande de fréquences. Ce type de charge est courant en radiocommunication où l’on n’a besoin d’amplifier que la bande de fréquences étroite sur laquelle on émet. On parle alors d’amplificateur accordé à 5 GHz pour un amplificateur d’antenne qui est employé à 5 GHz.
[modifier] Classification par angle de conduction : les classes d’amplificateurs
Le système de lettres, ou classe, utilisé pour caractériser les amplificateurs assigne une lettre pour chaque schéma d’amplificateur électronique. Ces schémas sont caractérisés par la relation entre la forme du signal d’entrée et celui de sortie, mais aussi par la durée pendant laquelle un composant actif est utilisé lors de l’amplification d’un signal. Cette durée est mesurée en degrés d’un signal sinusoïdal test appliqué à l’entrée de l’amplificateur, 360 degrés représentant un cycle complet.
Les classes d’amplificateurs font l’objet d’un paragraphe dédié dans cet article : voir plus bas.
[modifier] Les classes d’amplificateurs
Les circuits amplificateurs sont classés dans les catégories A, B, AB et C pour les amplificateurs analogiques, et D ou E pour les amplificateurs à découpage. Pour les amplificateurs analogiques, chaque classe définit la proportion du signal d’entrée qui est utilisée par chaque composant actif pour arriver au signal amplifié, ce qui est aussi donné par l’angle de conduction a :
- Classe A
- La totalité du signal d’entrée (100%) est utilisée (a = 360°).
- Classe AB
- Plus de la moitié mais pas la totalité du signal (50–100%) est utilisée (180° < a < 360°).
- Classe B
- La moitié du signal (50%) est utilisée (a = 180°).
- Classe C
- Moins de la moitié (0–50%) du signal est utilisée (0 < a < 180°).
Les amplificateurs de classe AB se nomment ainsi car ils fonctionnent comme des classe A pour les signaux de faible amplitude, puis ils passent progressivement en classe B au fur et à mesure que l’amplitude du signal augmente. On rajoute parfois deux sous-classes à la classe AB :
- Classe AB1
- La tension de base ou de grille est toujours négative. Le montage n’absorbe pas de courant de l’étage précédent.
- Classe AB2
- La tension de base ou de grille peut devenir positive, l’amplificateur absorbe alors du courant de l’étage précédent.
Il est possible, suivant le niveau du signal d’entrée, qu’un amplificateur passe de AB1 à AB2 lors de son fonctionnement. Ces deux sous-classes n’ont de sens que pour les amplificateurs à tube. En effet, il existe toujours un courant de base dans un transistor bipolaire, et toute variation de tension sur la base d’un transistor à effet de champ nécessitera un courant afin de charger ou décharger la capacité de base inhérente à cette technologie de transistor.
Le système des classes d’amplification peut être compris plus facilement en utilisant les diagrammes des paragraphes ci-dessous. Afin de simplifier les illustrations, un transistor bipolaire est utilisé comme composant amplificateur, mais il peut être remplacé par un MOSFET ou un tube. Dans un amplificateur analogique, le signal est appliqué à l’électrode d’entrée (base ou grille) provoquant une augmentation proportionnelle du courant à travers l’électrode de sortie. Le courant de sortie est obtenu à partir de l’alimentation. Le signal de sortie est une image amplifiée de l’entrée, mais de signe contraire (amplificateur inverseur). Il existe d’autres configurations possibles, mais celles utilisées ici (émetteur commun, source commune et collecteur commun) sont les plus simples pour comprendre le système des classes d’amplification. Si le composant d’amplification est linéaire, alors la sortie sera inversement proportionnelle à l’entrée. En pratique, les composants actifs ne sont pas linéaires. La sortie n’est qu’une approximation de l’entrée. Les non-linéarités sont à l’origine des distorsions dans un amplificateur. La classe d’un amplificateur (A, B, AB ou C) dépend de la polarisation du composant amplificateur. Dans les schémas ci-dessous, le circuit de polarisation a été omis pour des raisons de simplicité.
Tous les amplificateurs ne sont qu’une réalisation imparfaite d’un amplificateur idéal. La limitation la plus importante vient de la puissance de sortie qui est limitée par la puissance maximale que peut fournir l’alimentation. Un amplificateur peut saturer et écrêter la sortie si le signal demandé est trop important pour que l’amplificateur puisse le reproduire.
[modifier] Classe A
Un amplificateur de classe A amplifie tout le signal d’entrée, de sorte que le signal de sortie est une homothétie exacte de l’entrée. Les amplificateurs de classe A sont généralement utilisés pour faire des amplificateurs de petits signaux. Ils n’ont pas un bon rendement (moins de 30 %), mais pour les petits signaux, la dissipation de puissance reste faible et peut donc être tolérée. Par contre, si les niveaux de tension et de courant demandés en sortie sont élevés, la mise en place d’un classe A peut devenir problématique. Dans un circuit de classe A, le composant actif est polarisé de façon à ce qu’il conduise toujours, et qu’il fonctionne dans la zone la plus linéaire de sa fonction de transfert (ou transconductance). Comme le composant actif conduit toujours, même sans charge, il dissipe toujours de la puissance. C’est la raison de son faible rendement.
Si on a besoin d’un classe A de forte puissance, les pertes énergétiques vont devenir très importantes. Pour chaque watt délivré à la charge, l’amplificateur en dissipera, au mieux, un autre watt. Les classe A de puissance importante vont avoir besoin d’alimentations de très forte puissance mais aussi de larges dissipateurs afin de dissiper l’énergie perdue. Les amplificateurs de classe A ont presque disparu des amplificateurs audio, bien que beaucoup d’audiophiles considèrent que ce sont ceux qui donnent la meilleure qualité sonore, de par leur linéarité. De plus, certains passionnés préfèrent les tubes aux transistors pour plusieurs raisons :les tubes sont plus souvent utilisés dans des circuits de classe A car ils possèdent une fonction de transfert asymétrique. Cela veut dire que la distorsion d’un signal sinusoïdal contiendra à la fois des harmoniques pairs et impairs. Ils affirment que le son produit est plus « musical » que celui d’un amplificateur push-pull symétrique qui ne contient que des harmoniques impairs [3] [4]. Bien qu’un bon amplificateur réduise tous les harmoniques dus à la distorsion à un niveau inaudible, le contenu harmonique est essentiel quand la distorsion est intentionnelle comme dans le cas d’une guitare électrique. Un autre argument est que les tubes utilisent plus d’électrons que les transistors, amenant à une approximation statistique « plus douce » du signal d’entrée (voir bruit grenaille pour plus d’information). Les transistors à effet de champ possèdent des caractéristiques similaires aux tubes, on les retrouve donc plus souvent dans les amplificateurs haut de gamme que les transistors bipolaires. Historiquement, les amplificateurs à tubes sont souvent des classe A car les tubes sont volumineux et chers et les schémas de classe A n’utilisent qu’un seul composant actif. Les transistors sont moins chers, et les schémas plus élaborés donnant un meilleur rendement utilisent plus de composants mais restent meilleur marché. Une application classique des classe A est la paire différentielle, qui est exceptionnellement linéaire, et constitue l’étage de base de beaucoup de circuits plus complexes, comme beaucoup d’amplificateurs audio et la majorité des amplificateurs opérationnels.
[modifier] Classe B et AB
Les amplificateurs de classe B n’amplifient que la moitié du signal d’entrée. Ils créent donc beaucoup de distorsion, mais leur rendement est grandement amélioré. Cela est possible car le composant actif est bloqué pendant la moitié de la période. En pratique, on trouve rarement un classe B seul, bien qu’il puisse être employé dans les amplificateurs radio où la distorsion n’est pas importante. Cependant, la classe C est utilisée plus fréquemment pour ce genre d’application.
Un circuit pratique employant des éléments de classe B est l’utilisation de paire complémentaire ou montage « push-pull ». Dans ce cas, chaque composant complémentaire amplifie une moitié différente du signal, qui sont ensuite recombinées en sortie. Ce montage possède un excellent rendement mais peut souffrir d’une discontinuité de signal à l’endroit où les deux moitiés de signal se rejoignent. Ce phénomène s’appelle la distorsion de croisement. Une solution pour réduire ce problème consiste à polariser légèrement les composants actifs afin qu’ils soient légèrement passants et non bloqués quand on ne les utilise pas. On parle alors de classe AB. Chaque composant fonctionne dans une zone non-linéaire qui est linéaire uniquement pour un peu plus de la moitié du signal d’entrée, mais il continue à conduire durant une partie de la seconde moitié du signal. De tels circuits se comportent comme des classe A quand les deux composants sont dans leur zone linéaire. Toutefois, le circuit ne mérite pas strictement l’appellation de classe A car si le signal dépasse cette zone, un seul des deux composants sera alors dans sa zone linéaire et on retrouvera les distorsions typiques d’un classe B. Toutefois, quand les deux moitiés de signal sont combinées, les distorsions de croisement diminuent fortement ou s’annulent entre elles.
Les push-pull de classe B ou AB sont les circuits les plus couramment utilisés en audio. La classe AB est souvent considérée comme le meilleur compromis pour les amplificateurs audio. En effet, il se comporte comme un classe A si le volume est faible et comme un classe B pour les volumes plus importants. De cette façon, les signaux de faible amplitude sont reproduits avec la plus grande fidélité possible tandis que les signaux de forte amplitude sont reproduits avec des distorsions négligeables. Les classes B et AB sont parfois utilisées pour faire des amplificateurs linéaires d’ondes radio.
[modifier] Classe C
Les amplificateurs de classe C amplifient moins de 50% du signal d’entrée. Le taux de distorsion est important, mais on peut atteindre un rendement de 90%. Certaines applications comme les mégaphones peuvent tolérer un taux de distorsion important. Les amplificateurs de classe C sont plus couramment utilisés dans les émetteurs radio, où le taux de distorsion peut être réduit grâce à l’utilisation d’une charge accordée dans l’amplificateur. Le signal d’entrée est utilisé pour faire commuter le composant actif de passant à bloqué. Cette tension pulsation crée un courant à travers un circuit accordé. Le circuit accordé ne résonne que pour une gamme de fréquences, éliminant ainsi les fréquences non désirées. Le signal désiré (une sinusoïde) est alors transmis à la charge accordée. Si la gamme de fréquences à amplifier n’est pas très importante, ce genre de système fonctionne parfaitement. Les derniers harmoniques résiduels peuvent être éliminés à l’aide d’un filtre.
[modifier] Classe D
Un amplificateur de classe D est un amplificateur dont tous les composants de puissance sont utilisés comme des interrupteurs. De tels étages de sortie sont utilisés, par exemple, dans les générateurs d’impulsions. Cependant, la plupart du temps, ce terme s’applique à des amplificateurs qui doivent reproduire des signaux dont la bande passante est plus faible que la fréquence de commutation. Ces amplificateurs utilisent la modulation de largeur d’impulsion, la modulation de densité d’impulsion ou des formes plus avancées de modulation comme la modulation Sigma delta (voir par exemple, l’amplificateur audio AD1990 de Analog Devices). Le signal d’entrée est converti en une série d’impulsions dont la valeur moyenne est directement proportionnelle à l’amplitude du signal à l’instant considéré. La fréquence des impulsions est généralement au moins dix fois supérieure à la plus haute fréquence que l’on veut reproduire. Le spectre de la sortie d’un tel amplificateur contient des fréquences non désirées (par exemple, la fréquence de découpage et ses harmoniques) qui doivent être enlevés par filtrage.
Le principal avantage des amplificateurs de classe D est leur rendement. Les impulsions de sorties étant d’amplitude constante, les interrupteurs (en général des MOSFETs, mais les tubes ou les transistors bipolaires sont aussi utilisés) travaillent en mode bloqué ou saturé plutôt qu’en mode linéaire. Cela signifie qu’en dehors de leurs ouvertures ou fermetures, les composants actifs en mode saturé dissipent très peu d’énergie. La puissance instantanée dissipée dans un transistor, qui est le produit courant tension, est faible lors des états saturé et bloqué car l’une ou l’autre des deux unités est quasiment nulle lors de ces états. Le peu de pertes engendrées par ce type d’amplificateur permet d’utiliser des dissipateurs et des alimentations plus petits.
Les amplificateurs de classe D peuvent être contrôlés par un circuit analogique ou numérique. Un contrôleur numérique introduit une distorsion supplémentaire appelée « erreur de quantification » causée par la conversion numérique du signal d’entrée.
Les amplificateurs de classe D étaient couramment utilisés pour le contrôle des moteurs électriques, et presque exclusivement des moteurs à courant continu. Mais ils sont actuellement aussi utilisés comme amplificateurs audio. La difficulté relative pour obtenir une bonne qualité audio implique qu’ils sont généralement utilisés dans des applications où la qualité sonore n’est pas un facteur déterminant comme les systèmes audio miniatures. Dans les années 2000, on commence a voir apparaître sur le marché des amplificateurs de classe D de haute qualité, certains d’entre eux dépassant même les circuits classiques. Plusieurs constructeurs proposent des modules déjà construits et prêts à être utilisés dans un système audio intégré. Un des premiers et prolifique secteur d’application fut les subwoofers de fortes puissances pour l'automobile. Les subwoofers ayant généralement une bande passante limitée à moins de 150 Hz, la fréquence de commutation de l’amplificateur n’a pas besoin d’être aussi élevée que pour un amplificateur audio « normal ». Ils sont devenus si peu coûteux que l’on peut trouver en 2006 des amplificateurs ayant une puissance de sortie réelle d’un kW pour moins de 200 €. Leur rendement se situe entre 80 % et 95 %.
Note : La lettre D est utilisée pour désigner ce type d’amplificateur car c’est la lettre qui vient après C, cela n’est pas une abréviation de « digital ». Les amplificateurs de classe D et E sont parfois qualifiés, à tort, de numériques. Cette confusion vient de la forme d’onde de la sortie qui ressemble à un train d’impulsions numérique. En fait, ces amplificateurs fonctionnent sur le principe de la modulation de largeur d’impulsion. Un signal de sortie numérique serait en modulation d’impulsion codée.
[modifier] Les classes spéciales
[modifier] Les classes E et F
Les amplificateurs de classe E et F sont des amplificateurs à haut rendement. Ils sont généralement utilisés pour amplifier les fréquences radio. Le principe des amplificateurs de classe E a été publié pour la première fois en 1975 par Nathan O. Sokal et Alan D. Sokal [5]. Les amplificateurs de classe F reprennent le même principe que les amplificateurs de classe E mais avec une charge accordée à une fréquence et à quelques uns de ses harmoniques, tandis que la charge des amplificateurs de classe E n’est accordée que pour la fréquence fondamentale. Le concept de base de ces amplificateurs est que le modèle des composants actifs, un transistor par exemple, est une combinaison linéaire de deux parties : (1) un interrupteur théorique « parfait », et (2) un réseau complexe d’éléments parasites qui lui sont attachés (capacités, inductances et résistances). Après cette décomposition, il est possible d’éliminer les pertes de chaque composant :
- L’interrupteur « parfait » doit devenir passant lors d’un zéro de tension et doit être bloqué lors d’un zéro de courant. Ainsi, l’interrupteur laisse passer du courant ou a une tension à ses bornes non nulle, mais jamais les deux à la fois. La puissance dissipée étant égale au produit courant tension, elle devient nulle. Cela peut se réaliser en modifiant la phase (condensateur) ou la composante continue (résistance) du signal d’entrée du transistor.
- La partie imaginaire de l’impédance des éléments parasites peut être modifiée, un à un, en les associant à un autre composant passif qui possède une impédance conjuguée, laissant ainsi seulement la partie réelle de l’impédance complexe.
En théorie, les seules pertes restantes sont dues à la partie réelle des impédances parasites du système, qui ne peuvent être éliminées. Cette classe d’amplificateurs est uniquement utilisée pour la gamme de fréquences radioélectriques, où l’analyse de l’amplificateur se fait dans le domaine fréquentiel et non dans le domaine tension/courant. Cette classe est encore divisée en sous-classes en fonction des harmoniques qui sont pris en compte durant la commutation au zéro de tension (Zero-Voltage Switching en anglais) et la commutation au zéro de courant (Zero-Current Switching en anglais). On parle alors de classe E/F2, de classe F^-1, ….
La figure ci-dessous montre le schéma d’un amplificateur de classe E/F utilisant les principes exposés plus haut pour augmenter son rendement.
L’interrupteur est périodiquement ouvert et fermé à la fréquence de fonctionnement. En général, le rapport cyclique est de 50 %. La bobine d’arrêt possède une forte impédance afin d’assurer une fonction de source de courant. Les autres composants passifs sont choisis afin de satisfaire les conditions suivantes : (1) la tension aux bornes de l’interrupteur est nulle au moment de sa fermeture ; (2) la dérivée temporelle de la tension est nulle lorsque l’interrupteur devient passant. De plus, Ls et Cs forment un circuit résonnant à la fréquence de fonctionnement.
En pratique, l’interrupteur est remplacé par un transistor qui fonctionne en mode saturé (passant) ou bloqué. Le rendement théorique d’un amplificateur de classe E utilisant des composants parfaits est de 100 %. Cependant, les circuits réels souffrent de nombreuses imperfections les empêchant d’atteindre un rendement de 100 %. Ces imperfections incluent les temps de commutation finis, la résistance interne et la tension de saturation non nulle du transistor, ainsi que les pertes dans les composants passifs utilisés à haute fréquence. En pratique, le rendement est de 60 % pour les fréquences allant de 1 à 2 GHz.
Cette classe d’amplificateurs est spécialement étudiée pour amplifier les trains d’ondes rectangulaires, comme ceux utilisés pour la transmission de données numériques. Les trains d’ondes ou d’impulsions rectangulaires ont des besoins spécifiques à cause de leur contenu spectral. En effet, ils exigent une reproduction fidèle des hautes fréquences présentes dans leurs fronts montants et descendants, sans rajouter d’artefact (dépassements, oscillations, …) pendant le processus d’amplification. De plus, les basses fréquences doivent aussi être prises en considération à cause des variations que peut engendrer la charge (une ligne de transmission en général).
[modifier] Classe G
Les amplificateurs de classe G sont des amplificateurs de classe AB à fort rendement. Ces amplificateurs possèdent plusieurs bus de tensions différentes et passent de l’un à l’autre en fonction de la puissance demandée en sortie. Cela permet d’augmenter le rendement en diminuant la puissance « perdue » dans les transistors de sortie.
[modifier] Classe H
Les amplificateurs de classe H sont similaires à ceux de classe G, à la différence près que la tension d’alimentation « suit », ou est modulée par le signal d’entrée. L’alimentation maintient en permanence sa tension de sortie à un niveau légèrement plus élevé que ce qui est nécessaire. En général, ils possèdent deux tensions d’alimentation, comme ceux de la classe G, mais seule la tension d'alimentation la plus élevée est modulée. L’alimentation modulée est généralement réalisée grâce à un amplificateur de classe D.
[modifier] Les autres classes
Plusieurs fabricants ont inventé de nouvelles classes afin de se différencier des autres. Ces nouvelles classes ne reflètent généralement aucune idée d’amplification révolutionnaire, mais sont plutôt utilisées à des fins de marketing. Cela s’exprime souvent par le fait que le nom de la classe est une marque déposée ou sous copyright. Par exemple, « classe T » est une marque déposée de TriPath qui fabrique des amplificateurs audio. Cette nouvelle classe T est en fait un amplificateur de classe D standard fonctionnant à une fréquence de 650 kHz, avec un système de modulation propriétaire [6] [7] [8].
[modifier] Contre-réaction
La contre-réaction soustrait au signal d’entrée une image réduite du signal de sortie. Son principal effet est de diminuer le gain du système. Cependant, les distorsions dues à l’amplificateur sont elles aussi soustraites au signal d’entrée. De cette façon, l’amplificateur amplifie une image réduite et inversée des distorsions. La contre-réaction permet aussi de compenser les dérives thermiques ou la non-linéarité des composants. Bien que les composants actifs soient considérés comme linéaires sur une partie de leur fonction de transfert, ils sont en réalité toujours non linéaires ; leur lois de comportement étant en puissance de deux. Le résultat de ces non-linéarités est une distorsion de l'amplification.
Le principe de la contre-réaction a été découvert par Harold Stephen Black le 2 août 1927. Cette idée lui serait venue alors qu'il se rendait à son travail aux laboratoires Bell [9] [10] . Ses précédents travaux sur la réduction des distorsions dans les amplificateurs lui avaient déjà permis de découvrir les amplificateurs « a priori » (feedforward en anglais) qui modifient le signal à amplifier de façon à compenser les distorsions dues aux composants de puissance ((en) Brevet U.S. 1686792). Bien qu'ayant refait surface dans les années 70 pour compenser les distorsions des amplificateurs BLU, dans les années 20 la réalisation pratique des amplificateurs « a priori » s'avère difficile et ils ne fonctionnent pas très bien. En 1927, la demande de brevet Black pour la contre-réaction fut accueillie comme une demande d'invention de mouvement perpétuel. Elle fut finalement acceptée 9 ans plus tard (en) Brevet U.S. 2102671[11] , en décembre 1931, après que Black et d'autres membres des laboratoires Bell ont développé la théorie relative à la contre-réaction.
Un amplificateur de conception soignée, ayant tous ses étages en boucle ouverte (sans contre-réaction), peut arriver à un taux de distorsion de l’ordre du « pour cent ». À l’aide de la contre-réaction, un taux de 0,001 % est courant. Le bruit, y compris les distorsions de croisement, peut être pratiquement éliminé.
C’est l’application qui dicte le taux de distorsion que l’on peut tolérer. Pour les applications de type hi-fi ou amplificateur d’instrumentation, le taux de distorsion doit être minimal, souvent moins de 1 %.
Alors que la contre-réaction semble être le remède à tous les maux d’un amplificateur, beaucoup pensent que c’est une mauvaise chose. Comme elle utilise une boucle, il lui faut un temps fini pour réagir à un signal d’entrée et pendant cette courte période, l’amplificateur est « hors de contrôle ». Un transitoire musical dont la durée est du même ordre de grandeur que cette période sera donc grossièrement distordu. Et cela, même si l’amplificateur possède un taux de distorsion faible en régime permanent. C’est essentiellement cela qui explique l’existence des « distorsions d’intermodulations transitoires » dans les amplificateurs. Ce sujet a été largement débattu à la fin des années 70 et pendant un grande partie des années 80 [12] [13] [14].
Ces arguments ont été sources de controverses pendant des années, et ont amené à prendre en compte ces phénomènes lors de la conception d’un amplificateur afin de les éliminer [15] [16]. Dans les faits, la majorité des amplificateurs modernes utilisent de fortes contre-réactions, alors que les schémas utilisés pour les amplificateurs audio haut de gamme cherchent à la minimiser.
Quels que soient les mérites de ces arguments sur la façon dont elle modifie la distorsion, la contre-réaction modifie l’impédance de sortie de l’amplificateur et par conséquent, son facteur d’amortissement. Pour faire simple, le facteur d’amortissement caractérise l’habileté d’un amplificateur à contrôler une enceinte. Si tout se passe bien, plus la contre-réaction est forte, plus l’impédance de sortie est faible et plus le facteur d’amortissement est grand. Cela a un effet sur les performances en basses fréquences de beaucoup d’enceintes qui ont un rendu des basses irrégulier si le facteur d’amortissement de l’amplificateur est trop faible.
Le concept de contre-réaction est utilisé avec les amplificateurs opérationnels pour définir précisément le gain, la bande passante et beaucoup d’autres paramètres.
[modifier] Un exemple pratique
À des fins d’illustration, on utilisera cet exemple pratique d’amplificateur. Il peut servir de base à un amplificateur audio de puissance modérée. Son schéma, bien que sensiblement simplifié, est typique de ce que l’on retrouve dans un amplificateur moderne grâce à son push-pull de classe AB en sortie et à l’utilisation d’une contre-réaction. Il utilise des transistors bipolaires, mais il peut tout aussi bien être réalisé avec des transistors à effet de champ ou des tubes.
Le signal d’entrée est couplé à la base du transistor Q1 à travers le condensateur de liaison C1. Le condensateur permet au signal alternatif de passer, mais il bloque la tension continue due à la polarisation de Q1 par le pont diviseur R1/R2. Grâce à C1, aucun circuit précédent n’est affecté par la tension de polarisation de Q1. Q1 et Q2 forment un amplificateur différentiel (un amplificateur différentiel multiplie par une constante la différence entre ses deux entrées). Le schéma utilisé ici pour faire un amplificateur différentiel est aussi connu sous le nom de paire différentielle. Cette configuration est utilisée pour implémenter facilement la contre-réaction, qui est fournie à Q2 grâce à R7 et R8. La contre-réaction dans l’ampli différentiel permet à l’amplificateur de comparer l’entrée à la sortie actuelle. Le signal amplifié par Q1 est envoyé directement au second étage, Q3, qui amplifie davantage le signal et fournit la tension continue de polarisation de l’étage de sortie (Q4 et Q5). R6 sert de charge à Q3. Un montage plus évolué utiliserait probablement une charge active, une source de courant constant par exemple. Jusqu’à présent, l’amplificateur travaille en classe A. La paire de sortie est câblée en push-pull de classe AB, aussi appelé paire complémentaire. Ils fournissent la majorité du courant de l’application et pilotent directement la charge à travers le condensateur de liaison C2 qui bloque la composante continue. Les diodes D1 et D2 fournissent une petite tension continue afin de polariser la paire de sortie, de sorte que la distorsion de sortie est minimisée. Ce schéma est simple, mais c’est une bonne base pour la réalisation d’un véritable amplificateur car il stabilise automatiquement son point de fonctionnement grâce à sa boucle de contre-réaction, qui fonctionne du continu jusqu’au-delà de la bande audio. Un véritable amplificateur utiliserait probablement un circuit supplémentaire faisant baisser le gain au-delà de la bande de fréquences utile afin d’éviter la possibilité d’oscillations non désirées. De plus, l’utilisation de diodes fixes pour la polarisation peut poser des problèmes si les diodes ne sont pas thermiquement et électriquement assorties aux transistors de sortie. En effet, si les transistors deviennent trop passants, ils risquent de se détruire par emballement thermique. La solution traditionnelle pour stabiliser les composants de sortie est de rajouter des résistances d’un ohm ou plus en série avec les émetteurs. Le calcul des résistances et des condensateurs du circuit se fait en fonction des composants actifs utilisés et de l’utilisation future de l’amplificateur.
[modifier] Les amplificateurs intégrés
On appelle amplificateurs intégrés les amplificateurs en circuit intégré. Un circuit intégré (CI ou puce électronique) est un composant électronique contenant des composants électroniques sous des formes miniaturisées. Les circuits intégrés permettent de reproduire une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, rendant le circuit facile à mettre en œuvre. Ils contiennent principalement des transistors, des diodes, des résistances, des condensateurs, plus rarement des inductances car elles sont plus difficilement miniaturisables.
Le premier circuit intégré a été inventé par Jack Kilby en 1958, jetant ainsi les bases de l'informatique moderne. Pour la petite histoire Jack Kilby, qui venait de rejoindre la compagnie, a fait cette découverte alors que la plupart de ses collègues profitaient de vacances organisées par Texas Instruments. À l'époque, Kilby avait tout simplement relié entre eux différents transistors en les câblant à la main. Il ne faudra par la suite que quelques mois pour passer du stade de prototype à la production de masse de puces en silicium contenant plusieurs transistors. Cette découverte a valu à Kilby un prix Nobel de physique en 2000, alors que ce dernier siégeait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de 60 brevets à son nom.
Le plus connu des amplificateurs intégrés est l'amplificateur opérationnel, mais il existe une multitude d'amplificateurs intégrés spécialement conçus pour une application précise. On citera par exemple, les amplificateurs d'instrumentations pour amplifier les signaux issus de capteurs, les « gainclones » en audio ou les drivers de lignes ADSL pour amplifier les signaux ADSL avant qu'ils ne soient envoyés sur une ligne téléphonique. Les principaux fabricants d'amplificateurs intégrés sont : Analog Devices, Linear Technology, Maxim, National Semiconductor, STMicroelectronics et Texas Instruments.
[modifier] Les amplificateurs opérationnels
Les amplificateurs opérationnels ont été initialement conçus pour effectuer des opérations mathématiques en utilisant la tension comme image d'une autre grandeur. C'est le concept de base des calculateurs analogiques dans lesquels les amplificateurs opérationnels sont utilisés pour modéliser les opérations mathématiques de base (addition, soustraction, intégration, dérivation, …). Cependant, un amplificateur opérationnel idéal est extrêmement souple d'utilisation et peut effectuer bien d'autres applications que les opérations mathématiques de base. En pratique, les amplificateurs opérationnels sont constitués de transistors, tubes électroniques ou de n'importe quels autres composants amplificateurs et ils sont implémentés dans des circuits discrets ou intégrés.
Les amplificateurs opérationnels ont été initialement développés à l'ère des tubes électroniques, ils étaient alors utilisés dans les calculateurs analogiques. Actuellement, les amplificateurs opérationnels sont disponibles sous forme de circuits intégrés, bien que des versions sous forme de composants discrets soient utilisés pour des applications spécifiques.
Le premier AO intégré disponible en grande quantité, à la fin des années 60, fut l'AO bipolaire Fairchild μA709, crée par Bob Widlar en 1965; il a été rapidement remplacé par le μA741 qui offrait de meilleures performances tout en étant plus stable et plus simple à mettre en œuvre.[17]. Le μA741 est encore fabriqué de nos jours, et est devenu omniprésent en électronique. Plusieurs fabriquants produisent une version améliorée de cet AO, reconnaissable grâce au « 741 » présent dans leur dénomination. Depuis, des circuits plus performants ont été développés, certains basés sur des JFET (fin des années 70), ou sur des MOSFET (début des années 80). La plupart de ces AO modernes peuvent se substituer, sans aucun changement, à un μA741, dans un circuit de conception ancienne, afin d'en améliorer les performances.
Les paramètres des amplificateurs opérationnels varient généralement dans de faibles proportions précisées par le constructeur, et sont disponibles sous des formats, brochages, et niveaux de tensions d'alimentation standardisées. Avec quelques composants externes, ils peuvent réaliser une grande variété de fonctionnalités utiles en traitement du signal. La plupart des AO standard ne coûtent que quelques dizaines de centimes d'euros, mais un AO dicret ou intégré avec des caractéritiques non-standard et de faible volume de production peut coûter plus de 100 euros pièce.
Voir l’article Amplificateur opérationnel. Voir l’article Montages de base de l'amplificateur opérationnel.[modifier] Les amplificateurs d'instrumentations
Un amplificateur d'instrumentation est un dispositif électronique destiné au traitement de faibles signaux électriques. L'application typique est le traitement de signaux issus de capteurs de mesure. Son fonctionnement est basé sur le principe de l'amplification différentielle.
L'amplificateur d'instrumentation est généralement réalisé à partir d'un ou de plusieurs amplificateurs opérationnels (AO), de telle manière qu'il améliore leurs caractéristiques intrinsèques : offset, dérive, bruit d'amplification, gain en boucle ouverte, Taux de réjection du mode commun, impédance d'entrée.
Le gain idéal en mode commun de l'amplificateur d'instrumentation est zéro. Dans le circuit ci-contre, le gain en mode commun est causé par les différences de valeurs entre les résistances portant le même nom et le gain en mode commun non-nul des deux AO d'entrées. La réalisation de résistances appairées en valeur est la principale contrainte de fabrication des circuits d'instrumentation[18]
Les amplificateurs d'instrumentations peuvent être réalisés avec plusieurs AO et des résistances de précision, mais ils sont aussi disponibles sous forme de circuits intégrés dans les catalogues de plusieurs fabricants (dont Texas Instruments, Analog Devices, et Linear Technology). Un amplificateur d'instrumentation intégré contient généralement des résistances dont les valeurs ont été ajustées avec précision à l'aide d'un laser, et offre donc un excellent taux de réjection du mode commun.
Voir l’article Amplificateur d'instrumentation.[modifier] Bibliographie
[modifier] En français
- Paul Horowitz et Winfield Hill, Traité de l’électronique analogique et numérique tome 1 : Techniques analogiques, Publitronic, 1996. (ISBN 2866610709)
- Tien Lang Tran, Électronique analogique des circuits intégrés, Masson, 1997. (ISBN 2225853061)
- Jean Hiraga, Initiation aux amplis à tubes, Dunod, 1998. (ISBN 2100052691)
- Albert Paul Malvino, Principes d’électronique, Dunod, 2002, 6e édition. (ISBN 210005810X) (traduction de la 6e édition de l’ouvrage anglais)
[modifier] En anglais
- Ron Mancini, Op Amps for Everyone, Newnes, 2003, second edition. (ISBN 0750677015) (Disponible sur le site de TI (PDF))
- Douglas Self, Audio Power Amplifier Design Handbook, Newnes, 2006. (ISBN 0750680725)
- Albert Paul Malvino and David J. Bates, Electronic Principles, McGraw-Hill Science, 2006, seventh edition. (ISBN 0073222771)
[modifier] Références
- ↑ Barbour E.,"The Cool Sound of Tubes", IEEE Spectrum, 1998, volume 35(8), pp. 24-35
- ↑ Robert S. Symons,"Tubes: Still vital after all these years", IEEE Spectrum, 1998, volume 35(4), pp. 52-63
- ↑ Ask the Doctors: Tube vs. Solid-State Harmonics
- ↑ Volume cranked up in amp debate
- ↑ N. O. Sokal and A. D. Sokal, "Class E — A New Class of High-Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Amplifiers", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. SC-10, pp. 168-176, June 1975. HVK
- ↑ Tripath technical information: Class-T digital audio amplifier technology overview
- ↑ Tnt-audio: Sonic Impact T-Amp - integrated amplifier
- ↑ Magma: Connaître l’amplificateur Hi-Fi
- ↑ Ronald Kline: “Harold Black and the negative-feedback amplifier” IEEE Control Systems Magazine, Volume: 13(4), pages: 82-85, August 1993.
- ↑ Ron Mancini, Op Amps for Everyone, second edition, page: 1-1.
- ↑ http://eepatents.com/patents/2102671.pdf
- ↑ Otala, M., and E. Leinonen: “The Theory of Transient Intermodulation Distortion” IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Process., ASSP-25 (1), February 1977.
- ↑ Petri-Larmi, M. Otala, M. Leinonen, E. Lammasniemi, J. : “Audibility of transient intermodulation distortion” , IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP ’78), Volume: 3, pages: 255-262, April 1978.
- ↑ Cherry, E : “Comments on "The theory of transient intermodulation distortion"” , IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Volume: 27 (6), pages: 653-654, December 1979.
- ↑ Matti Otala : “Transient Distortion in Transistorized Audio Power Amplifiers” , IEEE Transactions on Audio Electroacoustics, Volume: AU-18, pages: 234-239, september 1970.
- ↑ Cherry, E : “Transient Intermodulation Distortion-Part I: Hard Nonlinearity” , IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Volume: 29 (2), pages: 137-146, April 1981.
- ↑ Ron Mancini, Op Amps for Everyone, second edition, page: 1-3.
- ↑ Smither, Pugh and Woolard: "CMRR Analysis of the 3-op-amp instrumentation amplifier", Electronics letters, 2nd February 1989
[modifier] Voir aussi
[modifier] Liens internes
- Amplificateur :
- Composants :
[modifier] Liens externes
- (en) Rane audio’s guide to amplifier classes ;
- (en) Design and analysis of a basic class D amplifier ;
- (en) Conversion: distortion factor to distortion attenuation and THD ;
- (en) Why Class D Amplifiers May Test Well But Often Sound Terrible ;
- (en) An alternate topology called the grounded bridge amplifier (PDF) ;
- (en) Contains an explanation of different amplifier classes (PDF) ;
- (en) Reinventing the power amplifier (PDF) ;
- (en) Anatomy of the power amplifier, including information about classes ;
- (en) Tons of Tones !! : Site explaining non linear distortion stages in Amplifier Models ;
- (en) National semiconductors application note A: The Monolithic Operational Amplifier: A Tutorial Study (PDF) ;
- (en) Texas Instruments white paper SLOA011: Understanding Operational Amplifier Specifications (PDF) ;
- (en) National semiconductors application note 20: An Applications Guide for Op Amps (PDF) ;
- (en) National semiconductors application note 30: Log Converters (PDF) ;
- (en) Analog Devices technical article: A Practical Review of Common Mode and Instrumentation Amplifiers (PDF).
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- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d'une traduction de l'article en anglais : « Electronic amplifier ».
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