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Un amplificateur , ou amplificateur électronique, est un dispositif électronique capable d'amplifier un signal ( tension ou courant variable dans le temps ). Il s'agit d'un circuit électronique à deux ports qui utilise l'énergie électrique d'une alimentation pour augmenter l' amplitude (tension ou courant) d'un signal appliqué à ses entrées, produisant ainsi un signal d'amplitude proportionnellement plus élevée en sortie. Le pouvoir d'amplification d'un amplificateur est mesuré par son gain : le rapport entre la tension, le courant ou la puissance de sortie et la puissance d'entrée. Un amplificateur est défini comme un circuit dont le gain est supérieur à un.
Un amplificateur peut être un appareil séparé ou un circuit électrique intégré à un autre dispositif. L'amplification est fondamentale en électronique moderne et les amplificateurs sont omniprésents dans la quasi-totalité des équipements électroniques. On peut les classer de différentes manières, notamment selon la fréquence du signal électronique amplifié. Par exemple, les amplificateurs audio amplifient les signaux inférieurs à 20 kHz, les amplificateurs radiofréquence (RF) les fréquences comprises entre 20 kHz et 300 GHz, et les servoamplificateurs et amplificateurs d'instrumentation peuvent fonctionner à de très basses fréquences, jusqu'au courant continu. On peut également les classer selon leur position dans la chaîne de traitement du signal ; un préamplificateur peut précéder d'autres étages de traitement du signal, par exemple , tandis qu'un amplificateur de puissance est généralement utilisé après les autres étages d'amplification pour fournir une puissance de sortie suffisante pour l'utilisation finale du signal. Le premier dispositif électrique pratique capable d'amplifier un signal fut le tube à vide triode , inventé en 1906 par Lee de Forest , qui mena aux premiers amplificateurs vers 1912. Aujourd'hui, la plupart des amplificateurs utilisent des transistors .
tube à vide triode , inventé en 1906 par Lee De Forest , qui mena aux premiers amplificateurs vers 1912. Les tubes à vide furent utilisés dans presque tous les amplificateurs jusqu'aux années 1960-1970, date à laquelle ils furent remplacés par les transistors . Aujourd'hui, la plupart des amplificateurs utilisent des transistors, mais les tubes à vide restent utilisés dans certaines applications.
Le développement de la technologie de communication audio, sous la forme du téléphone (breveté pour la première fois en 1876), a engendré la nécessité d'accroître l'amplitude des signaux électriques afin d'étendre leur transmission sur des distances toujours plus longues. En télégraphie , ce problème était résolu grâce à des dispositifs intermédiaires installés dans les stations. Ces dispositifs compensaient l'énergie dissipée en faisant fonctionner un émetteur et un enregistreur de signal en tandem, formant ainsi un relais . Une source d'énergie locale dans chaque station intermédiaire alimentait alors le segment de transmission suivant. Pour la transmission duplex (émission et réception dans les deux sens), des répéteurs bidirectionnels ont été développés, à commencer par les travaux de C.F. Varley sur la transmission télégraphique. La transmission duplex était essentielle à la téléphonie, et le problème ne fut résolu de manière satisfaisante qu'en 1904, lorsque H.E. Shreeve, de l' American Telephone and Telegraph Company, perfectionna les tentatives existantes de construction d'un répéteur téléphonique constitué de paires émetteur-récepteur électrodynamique et émetteur à granules de carbone montées en tandem . Le répéteur Shreeve fut testé pour la première fois sur une ligne entre Boston et Amesbury (Massachusetts), et des dispositifs plus perfectionnés restèrent en service pendant un certain temps. Au tournant du siècle, on a découvert que les lampes à mercure à résistance négative pouvaient amplifier, et on les a également essayées dans des répéteurs, avec peu de succès.
Le développement des tubes électroniques, qui a débuté vers 1902, a permis une méthode entièrement électronique d'amplification des signaux. La première version pratique de ces dispositifs fut la triode Audion , inventée en 1906 par Lee De Forest [ qui mena aux premiers amplificateurs vers 1912 Le seul dispositif auparavant largement utilisé pour renforcer un signal étant le relais des systèmes télégraphiques , le tube à vide amplificateur fut d'abord appelé relais électronique . Les termes « amplificateur » et « amplification » , dérivés du latin « amplificare » ( agrandir, étendre ) , furent utilisés pour la première fois pour désigner cette nouvelle capacité vers 1915, lorsque les triodes se généralisèrent
Le tube à vide amplificateur a révolutionné la technologie électrique. Il a rendu possibles les lignes téléphoniques longue distance, les systèmes de sonorisation , la radiodiffusion , le cinéma parlant , l'enregistrement audio pratique , le radar , la télévision et les premiers ordinateurs. Pendant 50 ans, la quasi-totalité des appareils électroniques grand public utilisaient des tubes à vide. Les premiers amplificateurs à tubes étaient souvent dotés d'une contre-réaction positive ( régénération ), ce qui pouvait augmenter le gain, mais aussi rendre l'amplificateur instable et sujet aux oscillations. Une grande partie de la théorie mathématique des amplificateurs a été développée aux Laboratoires Bell entre les années 1920 et 1940. Les niveaux de distorsion des premiers amplificateurs étaient élevés, généralement autour de 5 %, jusqu'en 1934, date à laquelle Harold Black a mis au point la contre-réaction négative ; celle-ci a permis de réduire considérablement les niveaux de distorsion, au prix d'un gain plus faible. D'autres avancées dans la théorie de l'amplification ont été réalisées par Harry Nyquist et Hendrik Wade Bode .
Pendant quarante ans, le tube à vide a été pratiquement le seul dispositif d'amplification, hormis quelques dispositifs de puissance spécialisés comme l' amplificateur magnétique et l'amplidyne . Les circuits de commande de puissance utilisaient des amplificateurs magnétiques jusqu'à la seconde moitié du XXe siècle, lorsque les semi-conducteurs de puissance sont devenus plus économiques et plus rapides. Les anciens répéteurs électroacoustiques à carbone Shreeve étaient utilisés dans les amplificateurs réglables des postes téléphoniques pour malentendants jusqu'à l'arrivée du transistor dans les années 1950, qui a permis de concevoir des amplificateurs plus petits et de meilleure qualité.
Transistors
Le remplacement des tubes électroniques par des transistors au cours des années 1960 et 1970 a créé une révolution dans l'électronique, rendant possible une large gamme d'appareils électroniques portables, tels que la radio à transistors développée en 1954. Aujourd'hui, l'utilisation des tubes à vide est limitée à certaines applications de forte puissance, telles que les émetteurs radio , ainsi qu'à certains instruments de musique et amplificateurs audiophiles haut de gamme .
À partir des années 1970, l'intégration d'un nombre croissant de transistors sur une seule puce a permis d'atteindre des niveaux d'intégration plus élevés (tels que l'intégration à petite, moyenne et grande échelle ) dans les circuits intégrés . De nombreux amplificateurs disponibles dans le commerce aujourd'hui sont basés sur des circuits intégrés.
Pour des applications spécifiques, d'autres composants actifs ont été utilisés. Par exemple, aux débuts des communications par satellite , on employait des amplificateurs paramétriques . Le circuit principal était constitué d'une diode dont la capacité était modifiée par un signal radiofréquence généré localement. Dans certaines conditions, ce signal radiofréquence fournissait de l'énergie qui était modulée par le signal satellite extrêmement faible reçu à la station terrestre.domaine de l'électronique numérique depuis la fin du XXe siècle ont offert de nouvelles alternatives aux amplificateurs à gain linéaire conventionnels en utilisant la commutation numérique pour faire varier la forme d'impulsion des signaux d'amplitude fixe, donnant naissance à des dispositifs tels que l' amplificateur de classe D.
En principe, un amplificateur est un réseau électrique à deux ports qui produit un signal au port de sortie qui est une réplique du signal appliqué au port d'entrée, mais en amplitude augmentée.
Le port d'entrée peut être idéalisé soit comme une entrée de tension (sans courant), la sortie étant alors proportionnelle à la tension à ses bornes ; soit comme une entrée de courant (sans tension), la sortie étant alors proportionnelle au courant qui la traverse. Le port de sortie peut être idéalisé soit comme une source de tension dépendante (résistance nulle, la tension de sortie dépendant de l'entrée), soit comme une source de courant dépendante (résistance infinie, le courant de sortie dépendant de l'entrée). La combinaison de ces choix conduit à quatre types d'amplificateurs idéaux. Sous forme idéalisée, ils sont représentés par chacun des quatre types de sources dépendantes utilisés en analyse linéaire, comme illustré sur la figure :
Chaque type d’amplificateur, dans sa forme idéale, possède une résistance d’entrée et de sortie idéale qui est la même que celle de la source dépendante correspondante :
| Type d'amplificateur | Source dépendante | impédance d'entrée | impédance de sortie |
|---|---|---|---|
| Actuel | CCCS | 0 | ∞ |
| Transrésistance | CCVS | 0 | 0 |
| Transconductance | VCCS | ∞ | ∞ |
| Tension | VCVS | ∞ | 0 |
Dans les amplificateurs réels, il est impossible d'atteindre les impédances idéales. Cependant, ces éléments idéaux peuvent être utilisés pour construire des circuits équivalents d'amplificateurs réels en ajoutant des impédances (résistance, capacité et inductance) à l'entrée et à la sortie. Pour un circuit donné, une analyse en petits signaux est souvent employée pour déterminer l'impédance réelle. Un courant de test alternatif I <sub> x</sub> est appliqué au nœud d'entrée ou de sortie, toutes les sources externes sont mises à zéro en alternatif, et la tension alternative correspondante V<sub> x</sub> aux bornes de la source de courant de test détermine l'impédance vue à ce nœud selon la relation R = V<sub> x</sub> / I <sub>x</sub> .
Les amplificateurs conçus pour être connectés à une ligne de transmission en entrée et en sortie, notamment les amplificateurs RF , ne correspondent pas à cette classification. Au lieu de traiter la tension ou le courant individuellement, ils s'adaptent idéalement à une impédance d'entrée ou de sortie adaptée à l'impédance de la ligne de transmission, c'est-à-dire qu'ils présentent des rapports tension/courant adaptés. De nombreux amplificateurs RF réels se rapprochent de cet idéal. Bien que, pour une impédance de source et de charge appropriée donnée, les amplificateurs RF puissent être caractérisés comme amplifiant la tension ou le courant, ils amplifient fondamentalement la puissance.
Propriétés
Les amplificateurs sont décrits en fonction des propriétés de leurs entrées, de leurs sorties et de la relation entre elles. Tout amplificateur possède un gain, facteur de multiplication qui relie l'amplitude d'une propriété du signal de sortie à une propriété du signal d'entrée. Le gain peut être exprimé comme le rapport de la tension de sortie à la tension d'entrée ( gain en tension ), de la puissance de sortie à la puissance d'entrée ( gain en puissance ), ou par une combinaison de courant, de tension et de puissance. Dans de nombreux cas, la propriété de la sortie qui varie dépend de la même propriété de l'entrée, ce qui rend le gain sans unité (bien qu'il soit souvent exprimé en décibels (dB)).distordu . Il existe cependant des cas où un gain variable est utile. Certaines applications de traitement du signal utilisent des amplificateurs à gain exponentiel.
Les amplificateurs sont généralement conçus pour fonctionner de manière optimale dans une application spécifique, par exemple : les émetteurs et récepteurs radio et télévision , les chaînes hi-fi, les micro-ordinateurs et autres équipements numériques, ainsi que les amplificateurs pour guitares et autres instruments . Chaque amplificateur comprend au moins un composant actif , tel qu’un tube à vide ou un transistor .La contre-réaction est une technique utilisée dans la plupart des amplificateurs modernes pour augmenter la bande passante, réduire la distorsion et contrôler le gain. Dans un amplificateur à contre-réaction, une partie du signal de sortie est réinjectée et ajoutée à l'entrée en opposition de phase, ce qui la soustrait du signal d'entrée. L'effet principal est de réduire le gain global du système. Cependant, les signaux indésirables introduits par l'amplificateur, tels que la distorsion, sont également réinjectés. Comme ils ne font pas partie du signal d'entrée initial, ils sont ajoutés à l'entrée en opposition de phase, ce qui la soustrait du signal d'entrée. De cette manière, la contre-réaction réduit également la non-linéarité, la distorsion et autres erreurs introduites par l'amplificateur. Une contre-réaction importante peut réduire les erreurs au point que la réponse de l'amplificateur lui-même devient presque négligeable, pourvu que son gain soit élevé ; les performances de sortie du système (les « performances en boucle fermée ») sont alors entièrement déterminées par les composants de la boucle de contre-réaction. Cette technique est particulièrement utilisée avec les amplificateurs opérationnels (AOP).
Les amplificateurs sans contre-réaction ne peuvent atteindre qu'environ 1 % de distorsion pour les signaux audio. Avec une contre-réaction , la distorsion peut généralement être réduite à 0,001 %. Le bruit, même la distorsion de croisement, peut être pratiquement éliminé. La contre-réaction compense également les variations de température et la dégradation ou la non-linéarité des composants de l'étage de gain, mais toute variation ou non-linéarité des composants de la boucle de contre-réaction affectera la sortie. En effet, la capacité de la boucle de contre-réaction à définir la sortie est utilisée pour réaliser des circuits de filtrage actifs .
Un autre avantage de la contre-réaction est qu'elle élargit la bande passante de l'amplificateur. Le principe de la contre-réaction est utilisé dans les amplificateurs opérationnels pour définir précisément le gain, la bande passante et d'autres paramètres, uniquement à partir des composants de la boucle de contre-réaction.
Une rétroaction négative peut être appliquée à chaque étage d'un amplificateur pour stabiliser le point de fonctionnement des dispositifs actifs face à des variations mineures de la tension d'alimentation ou des caractéristiques du dispositif.
Une certaine rétroaction, positive ou négative, est inévitable et souvent indésirable ; elle est introduite, par exemple, par des éléments parasites tels que la capacité inhérente entre l’entrée et la sortie de dispositifs comme les transistors, et le couplage capacitif du câblage externe. Une rétroaction positive excessive, dépendant de la fréquence, peut produire des oscillations parasites et transformer un amplificateur en oscillateur .
Catégories
Dispositifs actifs
Tous les amplificateurs comprennent une forme ou une autre de dispositif actif : c’est ce dispositif qui effectue l’amplification proprement dite. Le dispositif actif peut être un tube à vide , un composant discret à semi-conducteurs, tel qu’un transistor unique , ou une partie d’un circuit intégré , comme dans un amplificateur opérationnel .
Les amplificateurs à transistors (ou amplificateurs à semi-conducteurs) sont le type d'amplificateur le plus couramment utilisé aujourd'hui. Un transistor est utilisé comme élément actif. Le gain de l'amplificateur est déterminé par les propriétés du transistor lui-même ainsi que par le circuit dans lequel il est intégré.
Les dispositifs actifs courants dans les amplificateurs à transistors comprennent les transistors à jonction bipolaire (BJT) et les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET).systèmes de sonorisation , la génération de haute puissance RF pour les équipements semi-conducteurs, et les applications RF et micro-ondes telles que les émetteurs radio.à base commune , à collecteur commun ou à émetteur commun ; un MOSFET peut réaliser une amplification à grille commune , à source commune ou à drain commun . Chaque configuration possède des caractéristiques différentes.Les amplificateurs à tubes (également appelés amplificateurs à lampes) utilisent un tube à vide comme composant actif. Bien que les amplificateurs à semi-conducteurs aient largement supplanté les amplificateurs à lampes pour les applications de faible puissance, ces derniers restent bien plus économiques pour les applications de forte puissance telles que les radars, les systèmes de contre-mesures et les équipements de communication. De nombreux amplificateurs micro-ondes sont des amplificateurs à lampes spécialement conçus, comme le klystron , le gyrotron , le tube à ondes progressives et l'amplificateur à champ croisé . Ces lampes micro-ondes offrent une puissance de sortie bien supérieure aux fréquences micro-ondes que les dispositifs à semi-conducteurs. Les tubes à vide sont encore utilisés dans certains équipements audio haut de gamme, ainsi que dans les amplificateurs d'instruments de musique , en raison de la préférence pour le « son des tubes ».Les amplificateurs magnétiques sont des dispositifs similaires à un transformateur , où un enroulement sert à contrôler la saturation d'un noyau magnétique et, par conséquent, à modifier l'impédance de l'autre enroulement. Ils sont aujourd'hui largement délaissés au profit des amplificateurs à semi-conducteurs, mais restent utiles dans la commande des réseaux HVDC et dans les circuits de commande des centrales nucléaires, car ils ne sont pas affectés par la radioactivité.Les résistances négatives peuvent être utilisées comme amplificateurs, comme l' amplificateur à diode tunnel .
Amplificateurs de puissance
Un amplificateur de puissance est un amplificateur conçu principalement pour augmenter la puissance disponible pour une charge . En pratique, le gain de puissance d'un amplificateur dépend des impédances de la source et de la charge , ainsi que des gains intrinsèques en tension et en courant. La conception d'un amplificateur radiofréquence (RF) optimise généralement les impédances pour le transfert de puissance, tandis que celle des amplificateurs audio et d'instrumentation optimise normalement les impédances d'entrée et de sortie pour une charge minimale et une intégrité du signal maximale. Un amplificateur annoncé avec un gain de 20 dB peut avoir un gain en tension de 20 dB et un gain de puissance disponible bien supérieur à 20 dB (rapport de puissance de 100), mais fournir en réalité un gain de puissance beaucoup plus faible si, par exemple, l'entrée provient d'un microphone de 600 Ω et la sortie est connectée à une entrée de 47 kΩ d'un amplificateur de puissance. En général, l'amplificateur de puissance est le dernier « amplificateur » ou circuit proprement dit d'une chaîne de signal (l'étage de sortie) et c'est l'étage d'amplification qui requiert une attention particulière en matière d'efficacité énergétique.
Les amplificateurs de puissance audio servent généralement à alimenter des haut-parleurs . Ils possèdent souvent deux canaux de sortie et délivrent une puissance égale à chacun. Un amplificateur de puissance RF est présent dans les étages finaux des émetteurs radio. Un contrôleur de servomoteur amplifie une tension de commande pour ajuster la vitesse d'un moteur ou la position d'un système motorisé.
Les circuits amplificateurs de puissance (étages de sortie) sont classés en A, B, AB et C pour les conceptions analogiques , et en D et E pour les conceptions à découpage. Cette classification repose sur la proportion de chaque cycle d'entrée (angle de conduction) pendant laquelle le dispositif amplificateur laisse passer le courant . L'angle de conduction est obtenu en amplifiant un signal sinusoïdal. Si le dispositif est toujours conducteur, l'angle de conduction est de 360°. S'il n'est conducteur que pendant la moitié de chaque cycle, l'angle est de 180°. L'angle de conduction est étroitement lié au rendement de l'amplificateur .
Un amplificateur entièrement différentiel est similaire à un amplificateur opérationnel, mais possède également des sorties différentielles. Il est généralement construit à l'aide de transistors bipolaires (BJT) ou de transistors à effet de champ (FET) .
Amplificateurs distribués
Amplificateurs à découpage
Amplificateur à résistance négative
Les klystrons sont des dispositifs à vide à faisceau linéaire spécialisés, conçus pour fournir une amplification de forte puissance et à large plage de réglage des ondes millimétriques et submillimétriques. Destinés aux applications à grande échelle, les klystrons, malgré une bande passante plus étroite que les amplificateurs à ondes progressives (TWTA), présentent l'avantage d'amplifier de manière cohérente un signal de référence, permettant ainsi un contrôle précis de l'amplitude, de la fréquence et de la phase du signal de sortie.Les dispositifs à semi-conducteurs, tels que les MOSFET à canal court en silicium (DMOS FET à double diffusion), les transistors GaAs FET , les transistors bipolaires à hétérojonction SiGe /GaAs (HBT), les HEMT , les diodes IMPATT , etc., sont particulièrement utilisés aux basses fréquences micro-ondes et à des niveaux de puissance de l'ordre du watt, notamment dans des applications comme les terminaux RF portables/ téléphones mobiles et les points d'accès, où la taille et le rendement sont primordiaux. De nouveaux matériaux, comme le nitrure de gallium ( GaN ) ou le GaN sur silicium ou carbure de silicium (SiC), émergent dans les transistors HEMT et les applications nécessitant un rendement amélioré, une large bande passante, un fonctionnement de quelques GHz à quelques dizaines de GHz et une puissance de sortie de quelques watts à quelques centaines de watts.
En fonction des spécifications et des exigences de taille de l'amplificateur, les amplificateurs micro-ondes peuvent être réalisés sous forme monolithique intégrée, intégrée sous forme de modules ou basés sur des pièces discrètes, ou toute combinaison de ces éléments.maser est un amplificateur de micro-ondes non électronique.Les amplificateurs d'instruments sont une gamme d'amplificateurs de puissance audio utilisés pour augmenter le niveau sonore des instruments de musique, par exemple les guitares, lors de représentations. La sonorité d'un amplificateur provient principalement de l'ordre et de l'intensité avec lesquels il applique l'égalisation et la distorsion.
Amplificateurs vocaux
Ces amplificateurs servent à amplifier la voix d'une personne avec une puissance de plusieurs watts. On peut citer comme exemples les mégaphones , les microphones , les amplificateurs personnels, etc. Ils sont utilisés lors d'événements sportifs, dans les écoles, sur les chantiers de construction, ainsi que pour la sécurité incendie.
Classification des étages et systèmes d'amplification
Terminal commun
Le montage à émetteur commun (ou à source commune, à cathode commune, etc.) est généralement utilisé pour amplifier une tension appliquée entre la base et l'émetteur. Le signal de sortie, prélevé entre le collecteur et l'émetteur, est inversé par rapport à la tension d'entrée. Le montage à collecteur commun applique la tension d'entrée entre la base et le collecteur, et prélève la tension de sortie entre l'émetteur et le collecteur. Ceci induit une contre-réaction, et la tension de sortie tend à suivre la tension d'entrée. Ce montage est également utilisé lorsque l'entrée présente une impédance élevée et ne charge pas la source de signal, bien que l'amplification soit inférieure à un. Le circuit à collecteur commun est donc plus communément appelé suiveur d'émetteur, suiveur de source ou suiveur de cathode.
Unilatéral ou bilatéral
Un amplificateur dont la sortie ne présente aucune rétroaction vers son entrée est qualifié d’« unilatéral ». L’impédance d’entrée d’un amplificateur unilatéral est indépendante de la charge, et son impédance de sortie est indépendante de l’impédance de la source du signal.
Un amplificateur qui utilise une boucle de rétroaction pour réinjecter une partie du signal de sortie à l'entrée est un amplificateur bilatéral . L'impédance d'entrée d'un amplificateur bilatéral dépend de la charge, et son impédance de sortie de l'impédance de la source du signal. Tous les amplificateurs sont bilatéraux dans une certaine mesure ; cependant, ils peuvent souvent être modélisés comme unilatéraux dans des conditions de fonctionnement où la rétroaction est suffisamment faible pour être négligée dans la plupart des applications, ce qui simplifie l'analyse (voir l' article sur les bases communes pour un exemple).oscilloscope ). Un amplificateur « non inverseur » conserve la phase du signal d'entrée. Un suiveur d'émetteur est un type d'amplificateur non inverseur ; le signal appliqué à l'émetteur du transistor suit le signal d'entrée (c'est-à-dire qu'il correspond au signal d'entrée avec un gain unitaire, éventuellement décalé). Un suiveur de tension est également un type d'amplificateur non inverseur à gain unitaire.
Cette description peut s'appliquer à un seul étage d'un amplificateur ou à un système d'amplification complet.
Fonction
D’autres amplificateurs peuvent être classés selon leur fonction ou leurs caractéristiques de sortie. Ces descriptions fonctionnelles s’appliquent généralement à des systèmes d’amplification complets ou à des sous-systèmes, et rarement à des étages individuels.
- Un servoamplificateur est doté d'une boucle de rétroaction intégrée permettant de contrôler activement la sortie à un niveau souhaité. Un servoamplificateur CC est conçu pour des fréquences descendant jusqu'au niveau du courant continu, où les fluctuations rapides d'un signal audio ou RF sont négligeables. On les retrouve fréquemment dans les actionneurs mécaniques ou les dispositifs tels que les moteurs à courant continu qui doivent maintenir une vitesse ou un couple constant . Un servoamplificateur CA peut également convenir à certains moteurs à courant alternatif.
- Un amplificateur linéaire répond indépendamment aux différentes composantes de fréquence et ne génère ni distorsion harmonique ni distorsion d'intermodulation . Aucun amplificateur ne peut offrir une linéarité parfaite (même l'amplificateur le plus linéaire présente certaines non-linéarités, car les dispositifs d'amplification — transistors ou tubes à vide — suivent des lois de puissance non linéaires, telles que les lois quadratiques, et utilisent des techniques de circuit pour réduire ces effets).
- Un amplificateur non linéaire génère une distorsion importante et modifie ainsi le contenu harmonique ; cela peut s’avérer utile dans certaines situations. Parmi les circuits amplificateurs présentant intentionnellement une fonction de transfert non linéaire, on trouve :redresseur commandé au silicium ou un transistor utilisé comme interrupteur peut être employé pour allumer ou éteindre complètement une charge telle qu'une lampe en fonction d'un seuil dans une entrée variable en continu.
- Un amplificateur non linéaire dans un ordinateur analogique ou un convertisseur RMS véritable, par exemple, peut fournir une fonction de transfert spéciale, telle que la loi logarithmique ou la loi quadratique.
- On peut choisir un amplificateur RF de classe C en raison de son rendement élevé, malgré sa non-linéarité. L'ajout d'un circuit résonant après un tel amplificateur permet de réduire suffisamment les harmoniques indésirables (distorsion) pour le rendre utilisable dans les émetteurs . On peut également sélectionner une harmonique souhaitée en réglant la fréquence de résonance du circuit accordé à une fréquence supérieure à la fréquence fondamentale dans les circuits multiplicateurs de fréquence .
- Les circuits de contrôle automatique de gain nécessitent que le gain d'un amplificateur soit contrôlé par l'amplitude moyenne temporelle afin que l'amplitude de sortie varie peu lors de la réception de signaux faibles. Les non-linéarités sont supposées agencées de sorte que l'amplitude relativement faible du signal subisse peu de distorsion (interférences entre canaux ou intermodulation ) tout en étant modulée par la tension continue de contrôle de gain relativement élevée .
- Les circuits de détection AM qui utilisent une amplification telle que les redresseurs de précision et les détecteurs à moustaches de chat ), ainsi que les circuits de détection de crête , s'appuient sur des changements d'amplification basés sur l' amplitude instantanée du signal pour dériver un courant continu à partir d'une entrée de courant alternatif .
- Circuits comparateurs et détecteurs d'amplificateurs opérationnels .
Gamme de fréquences
Les amplificateurs sont conçus selon différents principes en fonction de leur gamme de fréquences et d'autres propriétés.
Dès qu'une connexion au sein du circuit dépasse environ 1 % de la longueur d'onde de la fréquence maximale spécifiée (par exemple, à 100 MHz, la longueur d'onde est de 3 m, la longueur de connexion critique est donc d'environ 3 cm), les propriétés de conception changent radicalement. Par exemple, une piste de circuit imprimé de longueur et de largeur données peut servir d'élément sélectif ou d'adaptation d'impédance. Au-delà de quelques centaines de MHz, l'utilisation de composants discrets, notamment d'inductances, devient difficile. Dans la plupart des cas, on utilise alors des pistes de circuit imprimé de forme très précise ( technique des lignes microruban ).
La plage de fréquences gérée par un amplificateur peut être spécifiée en termes de bande passante (impliquant normalement une atténuation de 3 dB lorsque la fréquence atteint la bande passante spécifiée), ou en spécifiant une réponse en fréquence qui se situe dans un certain nombre de décibels entre une fréquence inférieure et une fréquence supérieure (par exemple « 20 Hz à 20 kHz plus ou moins 1 dB »).
Exemple de circuit amplificateur
Le circuit amplificateur présenté ci-dessus pourrait servir de base à un amplificateur audio de puissance moyenne. Il reprend une conception classique (bien que considérablement simplifiée) que l'on retrouve dans les amplificateurs modernes, avec un étage de sortie push-pull de classe AB et une contre-réaction globale. Des transistors bipolaires sont utilisés, mais ce circuit peut également être réalisé avec des transistors FET ou des tubes électroniques.
Le signal d'entrée est couplé à la base du transistor Q1 via le condensateur C1. Ce condensateur laisse passer le signal alternatif , mais bloque la tension de polarisation continue établie par les résistances R1 et R2, afin de ne pas perturber le circuit précédent. Q1 et Q2 forment un amplificateur différentiel (un amplificateur qui multiplie la différence entre deux entrées par une constante), selon une configuration dite « à longue queue » . Cette configuration permet d'utiliser aisément une contre-réaction, appliquée de la sortie à Q2 via R7 et R8.
La contre-réaction appliquée à l'amplificateur différentiel permet à ce dernier de comparer le signal d'entrée au signal de sortie. Le signal amplifié par Q1 est directement injecté dans le second étage, Q3, un étage à émetteur commun qui assure une amplification supplémentaire du signal et la polarisation continue des étages de sortie Q4 et Q5. La résistance R6 constitue la charge de Q3 (une conception optimisée utiliserait probablement une charge active, telle qu'un puits de courant constant). Jusqu'ici, l'amplificateur fonctionne en classe A. La paire de sortie est montée en push-pull de classe AB, également appelée paire complémentaire. Elle assure la majeure partie de l'amplification du courant (avec une faible consommation au repos) et pilote directement la charge, connectée via le condensateur de blocage C2. Les diodes D1 et D2 fournissent une faible polarisation constante à la paire de sortie, la maintenant à l'état conducteur afin de minimiser la distorsion de croisement. Autrement dit, les diodes contraignent l'étage de sortie en mode classe AB (en supposant que la chute de tension base-émetteur des transistors de sortie soit réduite par la dissipation thermique).
Ce schéma est simple, mais constitue une bonne base pour une application pratique car il stabilise automatiquement son point de fonctionnement, la boucle de rétroaction interne opérant du courant continu jusqu'aux fréquences audio et au-delà. Dans une application réelle, on trouverait probablement d'autres composants permettant d'atténuer la réponse en fréquence au-delà de la plage requise afin d'éviter toute oscillation indésirable . Par ailleurs, l'utilisation d'une polarisation fixe des diodes, comme illustré ici, peut poser problème si les diodes ne sont pas adaptées électriquement et thermiquement aux transistors de sortie : si ces derniers sont trop conducteurs, ils peuvent facilement surchauffer et se détériorer, car le courant d'alimentation n'est pas limité à ce niveau.vitesse de balayage , impédance de sortie , distorsion , bande passante , rapport signal/bruit , etc.). De nombreux amplificateurs modernes utilisent des techniques de contre-réaction pour maintenir le gain à la valeur souhaitée et réduire la distorsion. La contre-réaction a pour effet de diminuer l'impédance de sortie et, par conséquent, d'accroître l'amortissement électrique des vibrations du haut-parleur à proximité de sa fréquence de résonance.
Lors de l'évaluation de la puissance de sortie nominale d'un amplificateur, il est utile de prendre en compte la charge appliquée, le type de signal (par exemple, parole ou musique), la durée de la puissance de sortie requise (ponctuelle ou continue) et la plage dynamique requise (par exemple, audio enregistré ou en direct). Dans les applications audio haute puissance nécessitant de longs câbles jusqu'à la charge (par exemple, les cinémas et les centres commerciaux), il peut être plus efficace de se connecter à la charge à la tension de sortie secteur, avec des transformateurs d'adaptation à la source et aux charges. Ceci permet d'éviter l'utilisation de longs câbles d'enceintes de forte section.
Pour éviter toute instabilité ou surchauffe, il convient de veiller à ce que les amplificateurs à semi-conducteurs soient correctement chargés. La plupart possèdent une impédance de charge minimale nominale.
Tous les amplificateurs génèrent de la chaleur par pertes électriques. Cette chaleur doit être dissipée par convection ou par refroidissement à air pulsé. La chaleur peut endommager les composants électroniques ou réduire leur durée de vie. Les concepteurs et les installateurs doivent également tenir compte de l'échauffement des équipements adjacents.
Les différents types d'alimentation nécessitent diverses méthodes de polarisation . La polarisation est une technique permettant de régler les composants actifs pour qu'ils fonctionnent dans une plage de tension spécifique, ou de fixer la composante continue du signal de sortie à la valeur médiane entre les tensions maximales fournies par l'alimentation. La plupart des amplificateurs utilisent plusieurs composants à chaque étage ; leurs caractéristiques sont généralement identiques, à l'exception de la polarité. Les composants appariés de polarité inversée sont appelés paires complémentaires. Les amplificateurs de classe A n'utilisent généralement qu'un seul composant, sauf si l'alimentation est configurée pour fournir des tensions positives et négatives, auquel cas une conception symétrique à deux composants peut être utilisée. Les amplificateurs de classe C, par définition, utilisent une alimentation à polarité unique.
Les amplificateurs comportent souvent plusieurs étages en cascade pour augmenter le gain. Chaque étage peut être d'un type différent afin de répondre à ses besoins spécifiques. Par exemple, le premier étage peut être un étage de classe A, alimentant un deuxième étage push-pull de classe AB, qui pilote ensuite un étage de sortie final de classe G. Cette architecture tire parti des atouts de chaque type tout en minimisant leurs faiblesses.