Les étages de gain

1. L'amplificateur est l'un des éléments les plus importants dans une chaîne hi-fi. Ses caractéristiques, son comportement influent de manière très sensible sur le rendu sonore final d'un système. L'amplificateur Hi-Fi peut se présenter sous une forme intégrée, ou en éléments séparés, avec le préamplificateur et l'unité de puissance qui constituent deux appareils distincts. Il existe plusieurs catégories d'amplificateurs qui utilisent, selon le cas, des étages actifs à tubes, à transistors, ou à commutation pour les systèmes numériques. Dans les grandes lignes, le fonctionnement "de base" de tous ces appareils est identique, un amplificateur remplit toujours la même fonction. Les étages de gain Les étages de gain d'un amplificateur constituent la section de puissance de l'appareil (étages à tubes, à transistors ou numériques). Ces étages de sorties transmettent au signal audio l'énergie fournie par le circuit d'alimentation de l'appareil. Gain en courant, gain en tension Sur les amplificateurs analogiques, la puissance du signal audio, en sortie, est obtenue par des étages distincts de gain en tension et de gain en courant (on rencontre le plus souvent deux, trois ou quatre étages différents).

2. CLASSES D’AMPLIFICATEURS AMPLI CLASSE A Un étage amplificateur appartient à la classe A si l’élément actif qui le constitue conduit pendant toute la période du signal à amplifier. Pour rester simple, un ampli Classe A reproduit de façon très fidèle et très chaude le son, possède la meilleure linéarité, la distorsion la plus basse mais à pour inconvénient de dégager une chaleur énorme. Ainsi les amplis classe A sont peu puissant (30 à 50W Max), énormes, chauffent et consomment énormément et puis sont très chers. Ils sont rares sur le marché. . L'étage de sortie classe A est néanmoins utilisé systématiquement sur les étages de sortie bas niveau comme la sortie CD, sortie Préampli... car sa mise en place est simple pour des signaux faibles. Figure 1

3. AMPLI CLASSE B Les amplificateurs de classe B sont constitués de deux éléments actifs (structure push-pull) conduisant pendant une demi-période chacun. Les amplis de classe B sont rarement utilisés en audio, sauf peut-être sur le très bas de gamme comme les minichaînes et la majorité des autoradios. Une amplification en classe B va amplifier séparément la partie positive et la partie négative du signal, un transistor pour chaque partie. Pendant que l'un amplifie, l'autre est off et vice versa. Il n'y a pas de polarisation, le transistor chauffe beaucoup moins qu'en classe A. Le désavantage majeur des amplis Classe B est qu'il réalise une distorsion, appelée distorsion de croisement ou de raccordement, générée au croisement du signal positif et négatif. Cette distorsion est très audible sur les signaux faibles et est insignifiante sur les signaux élevés. Figure 2 En pratique, ce type de fonctionnement entraîne une distorsion de raccordement que l’on peut réduire en augmentant légèrement le temps de conduction (classe AB).

4. AMPLI CLASSE AB Les amplis classe AB représentent l'énorme majorité des amplis autant en Hi-Fi haut de gamme, home-cinéma que les minichaînes. Ils utilisent moins de puissance que les classes A, sont moins cher, chauffent moins, et peuvent s'en rapprocher à l'écoute. AMPLI CLASSE C On parle d'amplificateur classe C lorsque le temps de conduction est inférieur à la demi-période du signal d’entrée. Le fonctionnement passe alors en classe C. Le signal de sortie contient alors de nombreux harmoniques qui sont généralement filtrés par un circuit de charge très sélectif accordé à la fréquence centrale du signal à amplifier. AMPLI CLASSE D Appartiennent à la classe D les amplificateurs dans lesquels les éléments actifs de puissance fonctionnent en régime bloqué ou saturé. Ce type d’amplificateur utilise un principe différent: les composants actifs de puissance génèrent un signal rectangulaire de fréquence élevée par rapport au signal d’entrée et dont le rapport cyclique est proportionnel au signal à amplifier. Un filtre passe-bas placé en sortie ou la simple inertie de la charge permet de ne conserver que les composantes spectrales correspondant aux basses fréquences du signal. Pour résumer, les amplis classe D fonctionnent un peu comme un hacheur, en tout ou rien. La valeur de sortie possède donc soit la valeur maximum, soit 0V. La puissance moyenne représente le signal audio. Il suffit de mettre un filtre passif passe-bas pour enlever les hautes fréquences. Le problème est que la commutation, pour être inaudible, doit se faire au-dessus de 40kHz.

5. Les amplis classe D sont souvent utilisés pour les subwoofers car la bande passante est faible (120Hz maximum), ils sont petit et chauffe moins. En fait, l'efficacité de la classe D est supérieure à la classe A, B, et AB. La qualité peut-être excellente, mais cela implique une fréquence de commutation élevée et un très bon filtre. AMPLI CLASSE G Les ampli classe G possèdent 2 alimentations, une avec un faible voltage et un autre avec une plus forte tension. Lorsque les signaux sont de faibles amplitudes, l'ampli (de classe A) est connecté à la petite alimentation et lorsque le signal est fort, l'ampli est connecté à la grosse alimentation. AMPLI CLASSE H Un ampli classe H se sert d'un ampli classe D pour faire varier la tension de l'alimentation. La partie amplification de l'ampli est en classe A ou AB. Les amplis classe H sont souvent utilisés dans les amplis professionnels.

6. Pf Pe Ps PRESENTATION DES AMPLIFICATEURS Alimentation Source Charge Amplificateur Pe = puissance d ’entrée Pf = puissance fournie Ps = puissance de sortie CARACTERISTIQUES :  Amplification en puissance :  Gain en puissance :  Rendement :  Distorsion harmonique : Sk est la valeur de l ’harmonique de rang k du signal de sortie de l ’amplificateur. « le signal d ’entrée étant un signal sinusoïdale »

7. Droite de charge de pente = AMPLIFICATION DE PUISSANCE EN CLASSE A A) Polarisation de base R1 RC I R1 I b Vcc Vce0 R2 Vbe0 B) Droite de charge Le courant de repos est défini par :

8. Ainsi l ’amplitude maximale du signal de sortie est en tension et en courant. B) Position optimale du point de repos Pour obtenir une dynamique maximale aux bornes de la charge il faut : et C) Étude énergétique en liaison directe Liaison directe signifie que la charge Rcharge est reliée directement à la sortie du transistor. Précisons aussi que la droite de charge dynamique varie autour du point de repos et se confond avec la droite de charge statique. 1) Puissance en statique (sans signal à l ’entrée) * Puissance fournie par l ’alimentation : Pf0 et

9. * Puissance dissipée dans le transistor : Pdt0 mais et * Puissance dissipé dans la charge : Pdc0 et REMARQUE: La puissance dissipée dans le transistor + la puissance dissipée dans la charge = la puissance fournie par l ’alimentation.

10. 2) Puissance en dynamique * Puissance fournie par l ’alimentation : Pf Mais Ic(t) = Ic0 + ic et comme ic est la composante sinusoïdale dont la valeur moyenne est nulle.On peut écrire : On remarque que l ’alimentation fournie toujours la même puissance. Pour éviter les calcul d ’intégrale nous admettrons les résultats suivant : * Puissance utile dissipée dans la charge : Pudc * Puissance dissipée dans le transistor : Pdt Paradoxalement, le transistor dissipe deux fois moins de puissance à signal maximum qu ’à vide. * Rendement :  Ce type de liaison (direct) est rarement utilisé en amplification de puissance.

11. y L1 n1 L2 n2 Ru Ic0 Ib0 Vce0 Vbe0 3) Pour améliorer le rendement, dans certains cas, une liaison par transformateur est utilisée. Dans ce cas le rendement peut s ’écrire sous la forme : « LE DOUBLE » 4) Bilan de la classe A  La classe A est mal adaptée pour fournir un maximum de puissance à la charge.  Le rendement est faible (25% en liaison directe et 50% en liaison par transformateur).  Le transistor doit être capable de dissiper une puissance au moins deux fois supérieure à la puissance utile.  L ’alimentation fournit une puissance importante même en l ’absence de signal.

12. +Vcc T1 T2 Vs Ve Rcharge -Vcc AMPLIFICATION DE PUISSANCE EN CLASSE B 1) schéma de base : montage push-pull. Deux alimentations symétriques fournissent de l ’énergie à deux transistors complémentaires NPN et PNP montés en série. T1 conduit quand Ve > 0.6V T2 conduit quand Ve < - 0.6V T1 et T2 conduisent l ’un après l ’autre. Si Ve est sinusoïdale, le raccordement des deux alternances est incorrect et entraîne une distorsion de recouvrement ou « cross-over ».

13. Pour l ’étude énergétique, on suppose que l ’on se trouve en classe B sans recouvrement. Pour un signal d ’entrée sinusoïdal, le gain en tension étant de 1, le signal de sortie est de la forme : Quand un transistor est saturé, l ’autre est bloqué et voit à ses bornes une tension égale à 2xVcc. Il faut donc prévoir des transistor qui supportent un Vce > 2xVcc. Chaque transistor est monté en collecteur commun dont les caractéristiques sont: Gain en tension : Résistance d ’entrée : Résistance de sortie : Si le générateur d ’entrée présente une résistance Rg, la résistance de sortie devient : 2) Étude énergétique * Puissance utile dissipée dans la charge : Pudc La dynamique maximale pour chaque alternance est Vcc. La puissance maximale est atteinte pour Ve = Vcc

14. * Puissance fournie par l ’alimentation : Pf - En l ’absence de signal : - Pour Ve = Vcc : * Puissance dissipée dans le transistor : Pdt * Rendement :  REMARQUE:  Le rendement est indépendant de la tension d ’alimentation et de la charge. 3) Bilan de la classe B  Le montage push-pull est bien adapté pour fournir une puissance importante.  Son rendement est bon.  Lorsque le signal d ’entrée est nul, Pf = 0 : les alimentations continues ne fournissent plus de puissance.  La puissance dissipée dans chaque transistor est faible : 20% de la puissance utile.

15.  Chaque transistor doit être capable de dissiper et doit pouvoir supporter une tension de 80V (2xVcc) avec un courant de 5A. +Vcc R T1 D1 0.6V 0.6V D2 Rcharge Vs Ve T2 R -Vcc 4) Exemple numérique  Un amplificateur de puissance en classe B doit fournir 100W à une charge de 8  Calculons la tension d ’alimentation. 5) Suppression de la distorsion de recouvrement La polarisation est réalisée par deux diodes D1 et D2 parcourues par un courant fourni par l ’alimentation à travers une résistance R.

16. +Vcc T1 C T2 Rcharge Vs Le dispositif est limité pour les basses fréquences et C doit être calculé pour que la tension à ses bornes reste maintenue à à la fréquence minimale d ’utilisation. La dynamique de sortie est limitée à et la puissance de sortie maximale est : AUTRES MONTAGES 1) Montage push-pull utilisant une seule alimentation  Lorsque T1 conduit, l ’ensemble Rcharge et C est alimenté par la source Vcc.  Lorsque T2 conduit, c ’est le condensateur C qui sert d ’alimentation pour Rcharge. CONCLUSION : La puissance de sortie est quatre fois plus faible que celle obtenue avec deux alimentations symétriques.

17. +Vcc -1 Rcharge -Ve  une des solutions les plus utilisées est le montage représenté ci-dessus.  La charge Rcharge est placée entre les sorties de deux push-pull attaqués en opposition de phase.  La tension dynamique aux bornes de la charge à pour amplitude Vcc au lieu de  La puissance est multipliée par 4. Si Vcc = 12V : Pu = 4.5 x 4 = 18W Ve 2) Montage Booster Dans le montage push-pull vu précédemment : Pour une alimentation imposée (batterie 12V) et une charge de 4ohm (haut parleur); la puissance de sortie est limitée à : Afin d ’augmenter artificiellement cette puissance, on a recours à des montages appelés « Booster ».

18. +Vcc _ Vs C1 _ Le Ve Ce Vbe0  Une autre solution est l ’utilisation d ’une alimentation à découpage, élévatrice de tension. AMPLIFICATION DE PUISSANCE EN CLASSE C En classe C, le transistor est polarisé par une tension Vbe0 < 0.6V. Le transistor conduit pendant moins d ’une demie période. Dans ces conditions, après amplification, la reconstitution de la forme idéale de la sinusoïde présentée à l ’entrée n ’est plus possible et la distorsion est considérable. Ce fonctionnement est inacceptable aux fréquences audio mais peut être utilisé dans l ’amplificateur classe C accordé dont la charge est un circuit résonant.

19. TABLEAU RECAPITULATIF DES PRINCIPALES CLASSES DE FONCTIONNEMENT Les autres classes sont des mélanges de ces quatre principales.