Amplificateur électronique

Un amplificateur électronique est un dispositif électronique augmentant la tension et/ou l'intensité d'un signal électrique.



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Amplificateur électronique - Composant actif - Composant électronique

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Un amplificateur Hi-Fi à tubes.

Un amplificateur électronique (ou amplificateur, ou ampli) est un dispositif électronique augmentant la tension et/ou l'intensité d'un signal électrique. L'énergie indispensable à l'augmentcation est tirée de l'alimentation du dispositif. Un amplificateur parfait ne déforme pas le signal d'entrée : sa sortie est une réplique exacte de l'entrée mais d'amplitude majorée.

Les amplificateurs électroniques sont utilisés dans presque l'ensemble des 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 dispositif. Ils permettent aussi d'augmenter la puissance maximale disponible que peut apporter un dispositif afin d'alimenter une charge comme une antenne ou une enceinte électroacoustique.

Historique

Une audion de 1906.

Le premier amplificateur électronique fut réalisé en 1906 par l'inventeur américain Lee De Forest, avec la première version d'une de ses inventions : l'audion[1]. En 1908, Lee De Forest peaufina l'audion en lui rajoutant une électrode, donnant ainsi naissance à la première triode[2], [3]. La triode fut vite peaufinée par l'ajout d'une (pour la tétrode) puis de deux grilles supplémentaires, palliant certains effets indésirables, surtout l'effet «dynatron» (zone où le tube présente une résistance négative). Ce tube pentode est ensuite rapidement adopté pour la majorité 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 quand ils fonctionnent (voir photo ci-contre).

Un Klystron.

Depuis le début des années 1960, grâce la naissance des premiers transistors de puissance vraiment fiables et au coût réduit, la majorité des amplificateurs utilise des transistors[4]. On préfère les transistors aux tubes dans la majorité des cas car ils sont moins encombrants, fonctionnent à des tensions plus faibles et sont immédiatement opérationnels une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui nécessitent une dizaine de secondes de chauffage.

Les «lampes» d'un amplificateur.

Les tubes sont toujours utilisés dans des applications spécifiques comme les amplificateurs audio, en particulier ceux destinés aux guitares électriques[5], et les applications de «très» forte puissance ou à haute fréquence[6] comme pour les fours à micro-ondes, le chauffage par radiofréquence industriel, et l'augmentcation de puissance pour les émetteurs de radio et de télévision.

Dans le domaine des télécommunications spatiales demandant de fortes puissances, on utilise aussi des amplificateurs à klystron et des tubes à ondes progressives (ATOP). Il existe en outre, embarqués à bord des satellites, des amplificateurs de type SSPA (Solid State Power Augmenter).

Principe de fonctionnement et théorie

Schéma particulièrement simplifié d'un amplificateur

Un amplificateur électronique utilise un ou plusieurs composants actifs (transistor ou tube électronique) afin d'augmenter la puissance électrique du signal présent en entrée. Les composants actifs utilisés dans les amplificateurs électroniques permettent de contrôler leur courant de sortie en fonction d'une grandeur électrique (courant ou tension), image du signal à augmenter. Le courant de sortie des composants actifs est directement tiré de l'alimentation de l'amplificateur. Suivant la façon dont ils sont implémentés dans l'amplificateur, les composants actifs permettent ainsi d'augmenter la tension et/ou le courant du signal électrique d'entrée. Le principe de fonctionnement d'un amplificateur est présenté dans le schéma simplifié présent ci-contre. Ce schéma utilise un transistor bipolaire comme composant amplificateur, mais il peut être remplacé par un MOSFET ou un tube électronique. Le circuit de polarisation assurant le réglage de la tension au repos a été omis pour des raisons de simplification. Dans ce circuit, le courant produit par la tension d'entrée sera augmenté de β (avec β >> 1) par le transistor. Ce courant augmenté traverse alors la résistance de sortie et on récupere en sortie la tension − β. R. ie[7]. Avec ie le courant d'entrée et R la valeur de la résistance.

Les amplificateurs peuvent être conçus pour augmenter la tension (amplificateur de tension), le courant (amplificateur suiveur) 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 le zéro) ou une tension symétrique (une alimentation positive, une négative et le zéro). 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 amplificateurs sont fréquemment composés de plusieurs étages disposés en série afin d'augmenter le gain global. Chaque étage d'augmentcation est le plus souvent différent des autres afin qu'il corresponde aux besoins spécifiques de l'étage reconnu. On peut ainsi tirer avantage des points forts de chaque montage tout en minimisant leurs faiblesses.

Un quadripôle.
Représentation théorique d'un amplificateur de tension dont l'entrée et la sortie partagent le même zéro.

Si on considère que l'alimentation d'un amplificateur est indépendante du signal d'entrée et de sortie de l'amplificateur, on peut représenter cet amplificateur par un quadripôle. Le formalisme des quadripôles permet d'obtenir une relation matricielle entre les courants et les tensions d'entrée et de sortie. Il a été introduit dans les années 1920 par le mathématicien allemand Franz Breisig. Dans le cas d'un amplificateur de tension, les grandeurs électriques sont définis par quatre paramètres : l'impédance d'entrée Ze, l'impédance de sortie Zs, le gain de transconductance G et le paramètre de réaction G12. On a alors :

 {V_1 \choose V_2} = \begin{pmatrix} Ze & G_{12} \\ G & Zs \end{pmatrix}{I_1 \choose I_2} .

Pour un amplificateur parfait, G12 est nul (la sortie n'influence pas l'entrée), Zs est aussi nul (la tension de sortie ne dépend pas du courant de sortie), et le gain G est constant. On a alors le gain de l'amplificateur :

\frac{V_2}{V_1}=\frac{G}{Ze}=cte .

En pratique ces conditions ne sont pas particulièrement respectées, entraînant par conséquent des caractéristiques altérées concernant la bande passante, le gain en puissance, le bruit dû au facteur température, ou encore la distorsion du signal. 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.

Bande passante à -3 dB.

La «bande passante à -3 dB» (décibel) d'un amplificateur est la gamme de fréquences où le gain en tension de l'amplificateur est supérieur au gain maximum moins trois décibels[8]. Si on ne raisonne pas en décibel, cela correspond à la gamme de fréquences où le gain en tension est supérieur au gain maximum divisé par racine de deux[9], ce qui correspond à une division de la puissance apportée à la charge par deux[10], [11]. La bande passante est généralement notée B ou BP. Dans certains cas on rencontre des bandes passantes plus larges, par exemple la bande passante à -6 dB, gamme de fréquences où le gain en tension est supérieur à la moitié du gain maximum.

Effet de la saturation sur la linéarité.

La linéarité d'un amplificateur correspond à sa capacité à garder constante la pente de la courbe donnant la tension de sortie selon la tension d'entrée. Une limitation de linéarité vient de l'alimentation de l'amplificateur : la tension de sortie ne peut dépasser la tension d'alimentation de l'amplificateur. Quand cela arrive, on parle de saturation de l'amplificateur. La linéarité d'un amplificateur est aussi limitée par sa vitesse de balayage (ou slew rate) qui représente la vitesse de variation maximale qu'il peut reproduir : Quand que la variation du signal d'entrée d'un amplificateur est supérieure à sa vitesse de balayage, sa sortie est une droite de pente SR. )

 \mathrm{SR} = \max\left(\frac{dv_s(t)}{dt}\right) .

La vitesse de balayage est exprimée en V/µs.

Enfin, la caractéristique des éléments semiconducteurs n'est jamais complètement linéaire, et conduit à la distorsion harmonique. On réduit cette distorsion par la contre réaction (voir plus loin).

La distorsion dans les amplificateurs électroniques

Un amplificateur doit apporter un tension de sortie ayant même forme que le signal d'entrée, mais d'amplitude supérieure. Si la forme du signal de sortie (à l'amplitude près) est différente de la forme du signal d'entrée, on dit qu'il y a distorsion.

La distorsion d'amplitude

Cette distorsion a lieu si la bande passante de l'amplificateur n'est pas suffisante pour augmenter la totalité des fréquences (spectre) composant le signal. Cependant, si le signal d'entrée est sinusoïdal, le signal de sortie le sera aussi.

La distorsion harmonique

Cette distorsion est génèrée par un défaut de linéarité de l'amplificateur. Si le signal d'entrée est sinusoïdal, le signal de sortie ne l'est plus. Cette sinusoïde déformée peut être reconnue comme la somme d'une sinusoïde pure (essentielle) et de sinusoïdes de fréquences multiples de cette principale (harmoniques). Le taux de distorsion harmonique sera fonction du rapport entre ces harmoniques et la principale.

La distorsion de phase ou de temps de propagation

Le signal de sortie d'un amplificateur est composé le plus souvent de plusieurs fréquences, qui devraient être augmentées strictement en même temps. La forme d'un tel signal complexe ne sera plus conservée si le temps de propagation des fréquences qui le composent n'est pas le même. Ces retards sont peu audibles pour l'oreille. Cependant, si l'amplificateur doit augmenter des signaux numériques, cette distorsion devient particulièrement gênante et peut conduire à des erreurs sur les bits transmis et décodés. Pour cette raison, cette caractéristique est particulièrement importante pour les amplificateurs de signaux numériques. On quantifie cette distorsion en précisant les différences de retard selon la fréquence. On peut aussi préciser la courbe du déphasage selon la fréquence : cette courbe doit être une droite pour ne pas avoir de distorsion de propagation de groupe. Pour cette raison, les amplificateurs sans cette distorsion sont quelquefois qualifiés "à phase linéaire"

La distorsion d'intermodulation

Si des étages d'augmentcation sont non linéaires, on observera en plus de la distorsion harmonique, la naissance de fréquences parasites qui sont des combinaisons linéaires des fréquences composant le signal à augmenter. Ce type de défaut est particulièrement gênant pour les amplificateurs traitant de signaux radioélectriques, car ces fréquences "parasites" peuvent perturber les liaisons radio. Voir intermodulation Cette distorsion peut aussi être gênante pour les amplificateurs audio, car l'oreille pourra percevoir ces fréquences parasites qui sont surajoutées au signal.

Le bruit dans les amplificateurs électroniques

Effet du bruit sur un signal électrique.

En électronique, le bruit sert à désigner les signaux aléatoires et non désirés, ou alors parasites, se superposant aux signaux utiles. Dans un amplificateur ces signaux parasites peuvent venir de son environnement ou des composants le constituant. Il existe cinq types de bruit en électronique : le bruit thermique, le bruit grenaille, le Bruit de scintillation («bruit flicker»), le bruit en créneaux et le bruit d'avalanche[12]. Il est envisageable de diminuer le bruit dans un amplificateur en s'attaquant directement à ses origines (voir ci-dessous) mais également en limitant au maximum la bande passante de l'amplificateur, afin d'éliminer le bruit présent en dehors de ses fréquences de travail[13].

Le bruit thermique

Le bruit thermique, aussi appelé bruit de résistance, ou bruit Johnson ou bruit de Johnson-Nyquist est le bruit produit par l'agitation thermique des porteurs de charges, c'est-à-dire des électrons dans une résistance électrique en équilibre thermique. Le bruit thermique est un bruit blanc dont la densité spectrale de puissance dépend seulement de la valeur de la résistance. Le bruit thermique peut être modélisé par une source de tension en série avec la résistance qui produit le bruit. On caractérise le bruit thermique d'un amplificateur, par sa "résistance équivalente de bruit", ou, pour un amplificateur RF, par le facteur de bruit, qui dépend de la température de la source de signal.

Le bruit thermique a été mesuré pour la première fois en 1927 par le physicien John Bertrand Johnson aux Bell Labs[14]. Son article Thermal Agitation of Electricity in Conductors montrait que des fluctuations statistiques se produisaient dans l'ensemble des conducteurs électriques, produisant une variation aléatoire de potentiel aux limites de ce conducteur. Ce bruit thermique était par conséquent semblable pour l'ensemble des résistances de la même valeur et n'était par conséquent pas imputable à une fabrication médiocre. Johnson décrivit ses observations à son collègue Harry Nyquist qui fut capable d'en donner une explication théorique[15].

Le bruit grenaille

Le bruit grenaille a été mis en évidence en 1918 par Walter Schottky. Ce bruit apparaît dans les systèmes où le nombre d'électrons est assez faible pour donner une fluctuation statistique détectable. En électronique, ce bruit apparaît dans les systèmes à base de semi-conducteur (transistors, etc. ) et les tubes électroniques. Le bruit grenaille est un bruit blanc dont la densité spectrale de puissance dépend seulement de la valeur moyenne du courant traversant le composant bruyant.

Note : Le bruit thermique et le bruit grenaille sont l'ensemble des deux dus à des fluctutations quantiques, et certaines formulations permettent de les regrouper dans un seul et unique concept[16].

Le bruit de scintillation

Le bruit de scintillation, aussi appelé bruit en 1/f, bruit en excès, bruit de flicker ou bruit rose est un bruit dont la densité spectrale de puissance est en 1/f. Cela veut dire que plus la fréquence augmente, plus l'amplitude de ce bruit diminue. Ce type de bruit existe dans l'ensemble des composants actifs et a des origines particulièrement variées, comme des impuretés dans les matériaux ou des créations et recombinaisons parasites dues au courant de base d'un transistor. Ce bruit est toujours relatif à un courant continu. Il peut être réduit en perfectionnant les procédés de fabrication des semi-conducteurs et diminuant la consommation de l'amplificateur[17]. Malheureusement, la réduction de la consommation d'un amplificateur passe par une augmentation de la valeur de certaines résistances ce qui va augmenter le bruit thermique[17].

Le bruit de scintillation se rencontre aussi avec les résistances au carbone, où il est désigné comme bruit en excès car il s'additionne au bruit thermique. Le bruit de scintillement étant proportionnel à la composante continue du courant, si le courant est faible, le bruit thermique prédominera quel que soit le type de résistance.

Le bruit en créneaux

Le bruit en créneaux est aussi appelé burst noise, ou bruit popcorn, ou crépitement. Il a été découvert lors du développement de l'un des premiers amplificateurs opérationnels : le µA709. Il s'agit principalement de créneaux de tension (ou de courant) dont l'amplitude couvre de moins d'un microvolt à plusieurs centaines de microvolts. L'intervalle entre les créneaux est de l'ordre de la milliseconde [18]. Le bruit en créneaux, dans un amplificateur audio, produit des «pops» qui lui ont valu le nom de bruit popcorn[19]. La naissance de ces «pops» est aléatoire : ils peuvent se manifester plusieurs fois par seconde puis disparaître pendant plusieurs minutes.

Les origines de ce bruit ne sont pas aujourd'hui connues, mais il semble qu'elles soient liées à des imperfections dans les semi-conducteurs ainsi qu'à l'implant d'ions lourds [20], [21]. Les conditions les plus favorables à la naissance de ce bruit semblent être de basses températures et la présence de résistances de forte valeur[18].

Le bruit d'avalanche

Le bruit d'avalanche a lieu dans les semi-conducteurs : le champ électrique accélère certains électrons au point de déloger d'autres électrons de valence et de créer des porteurs de charge supplémentaires. Ce bruit devient important pour les champs électriques élevés, au voisinage de l'effet d'avalanche.

Les autres types de bruits

Effet de l'échantillonnage sur un signal. En gris le signal désiré, en rouge le signal obtenu.

On peut rencontrer d'autres types de bruits dans un amplificateur électronique. Ces bruits ne sont le plus souvent pas dus à l'amplificateur lui-même mais à son environnement. On citera, par exemple, les bruits de quantification et d'échantillonnage génèrés par les convertisseurs numérique analogique et l'ensemble des bruits CEM attribués à la présence d'alimentations à découpage, d'émetteurs radio et de télévision et autres appareils sources d'interférences à proximité de l'amplificateur. La majorité de ces bruits peuvent être maîtrisés avec un blindage et/ou d'un filtrage des signaux d'entrée et d'alimentation. Dans les cas les plus sensibles, il est quelquefois indispensable d'avoir recours à de lourdes tables pour absorber les vibrations, des cages de Faraday, des chambres sourdes et des pièces climatisées[22], [23].

Rapport signal sur bruit

Le rapport signal-bruit est un terme utilisé en ingénierie, en traitement du signal ou en théorie de l'information pour désigner le rapport entre la grandeur d'un signal (information utile, significative) et celle du bruit (information inutile, non significative). Comme de nombreux signaux ont une échelle dynamique élevée, les rapports signal-bruit sont fréquemment exprimés en décibels. Le rapport signal sur bruit sert à désigner la qualité d'une transmission d'information comparé aux parasites. On définit ainsi la qualité d'un amplificateur, quel que soit son type et la catégorie de signaux qu'il traite. Plus le rapport est élevé, moins l'appareil dénature le signal d'origine.

Classification des dispositifs et étages amplificateurs

Il existe une grande quantité de classifications, elles découlent fréquemment 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. Pour décrire un amplificateur, on parle le plus souvent de sa classe, de la méthode de couplage qui a été utilisée entre ces différents étages mais aussi la gamme de fréquences pour laquelle il est prévu[24].

Classification par angle de conduction : les classes amplificateurs

Un amplificateur est le plus souvent constitué de plusieurs étages d'augmentcation, chaque étage étant conçu autour d'"éléments actifs" (transistor généralement). Un élément actif n'est pas obligatoirement polarisé de manière à augmenter le signal pendant 100% du temps. Le dispositif 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 également par la durée durant laquelle un composant actif est utilisé lors de l'augmentcation 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[25], [26], [27]. En pratique la classe d'augmentcation est déterminée par la polarisation des composants (tubes, transistors bipolaires, transistors à effet de champ, etc. ) de l'amplificateur, ou le calcul du point de repos.

Vue des zones où le signal est utilisé pour les différentes classes d'amplificateurs.

Les circuits amplificateurs sont classés dans les catégories A, B, AB et C pour les amplificateurs analogiques, et D, E et F 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 augmenté (voir figure ci-contre), ce qui est aussi donné par l'angle de conduction a :

Classe A 
La totalité du signal d'entrée (100 %) [26], [27] est utilisée (a = 360°).
Classe B 
La moitié du signal (50 %) [26], [27] est utilisée (a = 180°).
Classe AB 
Plus de la moitié mais pas la totalité du signal (50–100 %) [26], [27] est utilisée (180° < a < 360°).
Classe C 
Moins de la moitié (0–50 %) [26], [27] du signal est utilisée (0 < a < 180°).

Les amplificateurs de classe AB s'appellent 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.

Il existe d'autres classes pour les amplificateurs analogiques : G et H. Ces classes ne se distinguent plus des autres grâces à leur angle de conduction mais grâce à leur rendement. La classe G a été introduite en 1976 par Hitachi[28]. Les amplificateurs de classe G possèdent plusieurs bus de tensions différentes et passent de l'un à l'autre selon la puissance demandée en sortie. Cela permet d'augmenter le rendement en diminuant la puissance «perdue» dans les transistors de sortie. Les amplificateurs de classe H sont identiques à ceux de classe G, à la différence près que la tension d'alimentation «suit», ou est modulée par le signal d'entrée.

À l'inverse des amplificateurs analogiques qui utilisent leurs composants actifs dans leur zone linéaire, les amplificateurs à découpages utilisent leurs composants actifs comme des interrupteurs en les amenant dans leur zone saturée. Lorsqu'il s sont utilisés ainsi, on peut distinguer deux modes de fonctionnement pour les composants actifs : passant (ou saturé) et bloqué. Lorsque un composant actif est bloqué, le courant qui le traverse est nul alors que quand il est saturé, la chute de tension à ces limites est faible. Dans chaque mode de fonctionnement, les pertes de puissances sont particulièrement faible donnant la possibilité ainsi aux amplificateurs à découpage d'avoir un fort rendement. Cette augmentation du rendement sert à demander moins de puissance à l'alimentation et d'utiliser des dissipateurs plus petits que pour un amplificateur analogique de puissance équivalente. C'est grâce à ces avantages en termes de rendement et de volume que les amplificateurs de classe D concurrencent les amplificateurs de classe AB dans énormément d'applications [29].

Les amplificateurs de classe E et F sont des amplificateurs à haut rendement qui sont optimisés pour n'augmenter qu'une faible gamme de fréquences. Ils sont le plus souvent utilisés pour augmenter 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 [30]. Les amplificateurs de classe F reprennent le même principe que les amplificateurs de classe E mais avec une charge accordée à une fréquence ainsi qu'à quelques uns de ses harmoniques, alors que la charge des amplificateurs de classe E n'est accordée que pour la fréquence principale.

Classification par méthode de couplage

Les amplificateurs sont quelquefois 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[24].

Le couplage capacitif permet d'isoler la polarisation des étages entre eux, par contre il ne permet pas d'augmenter le continu. L'utilisation d'un couplage direct sert à se passer des condensateurs de liaisons et d'augmenter le continu, mais implique l'utilisation d'une alimentation symétrique[31], [32]. Le couplage inductif sert à réaliser une adaptation d'impédance entre les étages ou de réaliser un circuit résonant. La majorité des amplificateurs intégrés utilisent un couplage direct entre leurs étages[24].

Classification par gamme de fréquences

On peut aussi décrire les amplificateur selon leur bande passante. A titre d'exemple, les amplificateurs audio sont conçus pour augmenter les signaux à des fréquences sonores audibles (20 Hz à 20 kHz) alors que les amplificateurs d'ondes radio peuvent augmenter des fréquences allant bien au-dela des 20 kHz. Les amplificateurs d'ondes radio peuvent aussi être classés suivant la largeur de leur bande passante. On parle alors d'amplificateurs à bande étroite (narrowband en anglais) ou large bande (wideband en anglais). Les amplificateurs à bande étroite ne travaillent que sur une faible gamme de fréquences (par exemple de 450 à 460 KHz) alors que les amplificateurs large bande peuvent augmenter une grande gamme de fréquences[24]. Généralement, les amplificateurs à bande étroite utilisent une charge accordée. Les charges accordées sont des filtres passe-bande : elles ne laissent passer qu'une seule fréquence ou une bande de fréquences et permettent d'utiliser des montage de classe E ou F qui sont intéressant car ils possèdent de forts rendements.

Classification des étages d'amplificateurs par leur électrode reliée au zéro

Une de ces classifications se réfère à «l'électrode reliée au zéro» : le schéma de l'étage amplificateur est alors décrit par l'électrode du composant actif qui est reliée au plus court au zéro. 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. A titre d'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 sans doute une application ayant amené à la création d'un montage où elle est reliée au zéro. Voir aussi : collecteur commun, base commune.

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 comparé 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 et même amplitude en tension) le signal d'entrée. Les montages qualifiés de «suiveur» sont des amplificateurs de courant : ils permettent d'obtenir un courant de sortie élevé tout en absorbant un courant d'entrée presque négligeable.

Cette description peut s'appliquer à un simple étage ou à un dispositif complet.

Classification par fonction

Vue interne d'un amplificateur à transistors moderne.

Les amplificateurs peuvent aussi être classés par fonctions ou caractéristiques de sortie. Ces descriptions fonctionnelles s'appliquent fréquemment à un dispositif complet et non à un étage unique.

La contre-réaction

Un amplificateur électronique intégré : l'AO.

La contre-réaction soustrait au signal d'entrée une image réduite du signal de sortie avant de l'augmenter. Son principal effet est de diminuer le gain du dispositif. Cependant, les distorsions dues à l'amplificateur sont elles aussi soustraites au signal d'entrée. De cette façon, l'amplificateur augmente une image réduite et inversée des distorsions. La contre-réaction permet aussi de compenser les dérives thermiques ou la non-linéarité des composants. Quoique les composants actifs soient reconnus 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'augmentcation.

Le principe de la contre-réaction a été découvert par Harold Stephen Black le 2 août 1927. Cette idée lui serait venue tandis qu'il se rendait à son travail aux laboratoires Bell [33], [34]. 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 augmenter de manière à compenser les distorsions dues aux composants de puissance [35]. Quoiqu'ayant refait surface dans les années 1970 pour compenser les distorsions des amplificateurs BLU, dans les années 1920 la réalisation pratique des amplificateurs «a priori» s'avère complexe et ils ne fonctionnent pas particulièrement 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 neuf ans plus tard [36], [37], en décembre 1931, après que Black et d'autres membres des laboratoires Bell aient 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». Avec la contre-réaction, un taux de 0, 001 % est courant. Le bruit, y compris les distorsions de croisement, peut être quasiment éliminé.

C'est l'application qui dicte le taux de distorsion qu'on peut tolérer. Pour les applications de type hi-fi ou amplificateur d'instrumentation, le taux de distorsion doit être minimal, fréquemment moins de 1 %.

Tandis que la contre-réaction semble être le remède à l'ensemble des maux d'un amplificateur, énormément 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 par conséquent grossièrement distordu. Et cela, même si l'amplificateur possède un taux de distorsion faible en régime permanent. C'est principalement cela qui explique l'existence des «distorsions d'intermodulations transitoires» dans les amplificateurs. Ce sujet a été beaucoup débattu à la fin des années 1970 et pendant un grande partie des années 1980 [38], [39], [40].

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 pour les éliminer [41], [42]. Dans les faits, la majorité des amplificateurs modernes utilisent de fortes contre-réactions, tandis 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 donc, son facteur d'amortissement. En simplifiant, le facteur d'amortissement caractérise la faculté 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 largement 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 exactement le gain, la bande passante et énormément d'autres paramètres.

Un exemple de montage amplificateur

Un exemple pratique d'amplificateur.

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, quoique sensiblement simplifié, est typique de ce qu'on retrouve dans un amplificateur moderne grâce à son push-pull de classe AB[43] en sortie ainsi qu'à l'utilisation d'une contre-réaction. Il utilise des transistors bipolaires, mais il peut tout autant 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 (appelée gain en tension) 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 aisément la contre-réaction, qui est apportée à Q2 grâce à R7 et R8. La contre-réaction dans l'amplificateur différentiel autorise l'amplificateur de comparer l'entrée à la sortie actuelle. Le signal augmenté par Q1 est envoyé directement au second étage, Q3, qui augmente davantage le signal et apporte la tension continue de polarisation de l'étage de sortie (Q4 et Q5). R6 sert de charge à Q3. Un montage plus évolué utiliserait certainement une charge active, une source de courant constant par exemple. Jusqu'désormais, l'amplificateur travaille en classe A. La paire de sortie est câblée en push-pull de classe AB, aussi nommé 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 pour 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 certainement un circuit supplémentaire faisant baisser le gain au-delà de la bande de fréquences utile afin d'éviter la possibilité d'oscillations non désirées. Qui plus est , 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 respectant les traditions pour stabiliser les composants de sortie est d'ajouter des résistances d'un ohm ou plus en série avec les émetteurs. Le calcul des résistances et des condensateurs du circuit se fait suivant les composants actifs utilisés et de l'utilisation future de l'amplificateur.

Les amplificateurs intégrés

On nomme amplificateur intégré un amplificateur se présentant sous la forme d'un circuit intégré. Un circuit intégré (CI ou puce électronique) est lui-même un type de composant constitué de plusieurs composants électroniques sous forme miniaturisée. Le circuit intégré sert à reproduire une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, facilitant sa mise en œuvre. Ils contient essentiellement des transistors, des diodes, des résistances, des condensateurs, plus rarement des inductances car elles sont plus difficilement miniaturisables.

Le premier circuit intégré a été découvert par Jack Kilby en 1958 [44], jetant ainsi les bases de l'informatique moderne. Pour la petite histoire Jack Kilby, qui venait de rejoindre la compagnie, a fait cette découverte tandis que la majorité 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 fallut ensuite 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 [45], tandis que ce dernier siégeait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de 60 brevets à son nom [44].

Le plus connu des amplificateurs intégrés est l'amplificateur opérationnel (appelé «ampli-op» dans le jargon des électroniciens), mais il existe une grande variété d'amplificateurs intégrés particulièrement conçus pour une application précise. On citera par exemple, les amplificateurs d'instrumentations pour augmenter les signaux issus de capteurs, les «gainclones» en audio ou les drivers de lignes ADSL pour augmenter les signaux ADSL avant qu'ils ne soient envoyés sur une ligne téléphonique.

Les amplificateurs opérationnels

Des amplificateurs opérationnels.

Les amplificateurs opérationnels (aussi dénommé ampli-op ou ampli op, AO, AOP, ALI, AIL ou encore CIL) ont été originellement 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 parfait est extrêmement souple d'utilisation et peut effectuer bien d'autres applications que les opérations mathématiques de base [46], [47], [48], [49]. 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 originellement développés à l'ère des tubes électroniques, ils étaient alors utilisés dans les calculateurs analogiques. Aujourd'hui, les amplificateurs opérationnels sont disponibles sous forme de circuits intégrés, quoique des versions sous forme de composants discrets soient utilisés pour des applications spécifiques.

Amplificateur opérationnel LM741 en boîtier DIP8.

Le premier AOP intégré disponible en grande quantité, à la fin des années 1960, fut l'AOP 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[50]. Le μA741 est toujours fabriqué aujourd'hui, et est devenu omniprésent en électronique. Plusieurs fabricants produisent une version perfectionnée de cet AOP, reconnaissable grâce au «741» présent dans leur appellation. Depuis, des circuits plus performants ont été développés, certains basés sur des JFET (fin des années 1970), ou sur des MOSFET (début des années 1980). La majorité de ces AOP modernes peuvent se substituer à un μA741, dans un circuit de conception ancienne, afin d'en perfectionner les performances.

Les amplificateurs opérationnels sont disponibles sous des formats, brochages, et niveaux de tensions d'alimentation standardisés. Avec quelques composants externes, ils peuvent réaliser une grande variété de fonctionnalités utiles en traitement du signal. La majorité des AOP standard ne coûtent que quelques dizaines de centimes d'euros, mais un AOP discret ou intégré avec des caractéristiques non-standard et de faible volume de production peut coûter plus de 100 euros pièce.

Les principaux fabricants d'amplificateurs opérationnels sont : Analog Devices, Linear Technology, Maxim, National Semiconductor, STMicrœlectronics et Texas Instruments[51].

Les amplificateurs d'instrumentation

Article détaillé : Amplificateur d'instrumentation.
Schéma typique d'un amplificateur d'instrumentation (normes européennes).

Un amplificateur d'instrumentation est un système 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'augmentcation différentielle.

L'amplificateur d'instrumentation est le plus souvent réalisé à partir d'un ou de plusieurs amplificateurs opérationnels, de telle manière qu'il perfectionne leurs caractéristiques intrinsèques : offset, dérive, bruit d'augmentcation, gain en boucle ouverte, taux de réjection du mode commun, impédance d'entrée.

Le gain parfait en mode commun de l'amplificateur d'instrumentation est minimisé. Dans le circuit ci-contre, le gain en mode commun est causé par les différences de valeur entre les résistances portant le même nom et le gain en mode commun non-nul des deux AOP d'entrées. La réalisation de résistances appairées en valeur est la principale contrainte de fabrication des circuits d'instrumentation[52].

Les amplificateurs d'instrumentation peuvent être réalisés avec plusieurs AOP 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 le plus souvent des résistances dont les valeurs ont été ajustées avec précision avec un laser, et offre par conséquent un excellent taux de réjection du mode commun.

Bibliographie

En français

En anglais

Voir aussi

  • Montages amplificateurs :
  • Composants :
  • Liens externes

    Notes et références

    1. (en) Brevet U. S. 841386
    2. (en) Brevet U. S. 879532
    3. * Henri Lilen, Une (brève) histoire de l'électronique, Vuibert, 2003, 640 p. (ISBN 2711753360 et ISBN 978-2711753360) , p.  chapitre 4 : «Lee De Forest invente l'Audion ou tube triode» 
    4. Douglas Self, Audio Power Augmenter Design Handbook, chapter 2 : «History, architecture and negative feedback», page 31
    5. (en) Barbour E., The Cool Sound of Tubes, IEEE Spectrum, 1998, volume 35 (8), pp. 24-35
    6. (en) Robert S. Symons, Tubes : Still vital after all these years, IEEE Spectrum, 1998, volume 35 (4), pp. 52-63
    7. Ce montage est une version simplifiée d'un amplificateur à émetteur commun. Veuillez vous référer à sa page pour plus de précisions
    8. Le gain est alors calculé de la façon suivante : 20 log (Vs/Ve)
    9. 10ˆ (3/20) ≈2ˆ (1/2)
    10. (en) Albert Paul Malvino, David J. Bates, Electronic principles, McGraw-Hill Science, 2006 (ISBN 0073222771 et ISBN 0071108467) , p.  563-577 
    11. Cela n'est valable seulement si l'entrée et la sortie sont adpatées en impédance
    12. (en) Texas Intruments application report slva043a :Noise Analysis in Operational Augmenter Circuits (PDF) , page 2
    13. Patrick ALDEBERT, Techniques de l'ingénieur dossier E320 : Amplificateurs faibles niveaux. Paragraphe : 5.5 «Minimisation du bruit», février 2002
    14. (en) John Bertrand Johnson, Thermal Agitation of Electricity in Conductors, Phys. Rev. 32, 97 (1928) – «the experiment»
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    43. Le push-pull de sortie n'est de classe AB que si la tension inverse aux limites d'une des diodes utilisée pour la polarisation est supérieure à la tension «d'allumage» d'un transistor bipolaire (0, 7 V généralement). Dans le cas opposé, c'est un push-pull de classe B voir C
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    Recherche sur Amazone (livres) :



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