L'Amplificateur

Un amplificateur Hi-Fi à tubes.

Un amplificateur électronique (ou amplificateur, ou ampli) est un système électronique augmentant la tension et/ou l’intensité d’un signal électrique. L’énergie nécessaire à l’amplification est tirée de l’alimentation du système. 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 quasiment tous les circuits électroniques : ils permettent d’élever un signal électrique, comme la sortie d’un capteur, vers un niveau de tension exploitable par le reste du système. Ils permettent aussi d’augmenter la puissance maximale disponible que peut fournir un système afin d’alimenter une charge comme une antenne ou une enceinte électroacoustique.

Historique 

Une audion de 1906.

Le premier amplificateur électronique fut réalisé en 1906 par l’inventeur américain Lee De Forest, à l’aide de la première version d’une de ses inventions : l’audion. En 1908, Lee De Forest perfectionna l’audion en lui rajoutant une électrode, donnant ainsi naissance à la première triode. La triode fut vite perfectionnée par l’ajout d’une (pour la tétrode) puis de deux grilles supplémentaires, palliant certains effets indésirables, notamment l’effet « dynatron » (zone où le tube présente une résistance négative). Ce tube pentode est ensuite rapidement adopté pour la plupart des amplificateurs à tubes, pour son meilleur rendement. Les amplificateurs à tubes sont aussi connus sous le nom d’amplificateurs à « lampes », en raison de la forme des tubes et de la lumière qu’ils émettent lorsqu’ils fonctionnent (voir photo ci-contre).

Un Klystron.

Depuis le début des années 1960, grâce l’apparition des premiers transistors de puissance vraiment fiables et au coût réduit, la majorité des amplificateurs utilise des transistors. 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, surtout ceux destinés aux guitares électriques, et les applications de « très » forte puissance ou à haute fréquence comme pour les fours à micro-ondes, le chauffage par radiofréquence industriel, et l’amplification de puissance pour les émetteurs de radio et de télévision.

Dans le domaine des télécommunications spatiales demandant de fortes puissances, on utilise également 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 Amplifier).

Principe de fonctionnement et théorie 

Schéma très 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 amplifier. 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 amplifié de β (avec β >> 1) par le transistor. Ce courant amplifié traverse alors la résistance de sortie et l’on récupere en sortie la tension − β.R.i_e. Avec i_e 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 souvent composés de plusieurs étages disposés en série afin d’augmenter le gain global. Chaque étage d’amplification est généralement différent des autres afin qu’il corresponde aux besoins spécifiques de l’étage considéré. 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 l’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 :

.

Pour un amplificateur parfait, G₁₂ est nul (la sortie n’influence pas l’entrée), Zs est également 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 :

.

En pratique ces conditions ne sont pas tout à fait respectées, entraînant de ce fait 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. 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, ce qui correspond à une division de la puissance fournie à la charge par deux. La bande passante est habituellement notée B ou BP. Occasionnellement 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 en fonction de 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. Lorsque 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: Lorsque 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. )

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La vitesse de balayage est exprimée en V/µs.

Enfin, la caractéristique des éléments semiconducteurs n'est jamais totalement 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 fournir 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.

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

Cette distorsion est provoquée 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 considérée comme la somme d'une sinusoïde pure ( fondamentale) et de sinusoïdes de fréquences multiples de cette fondamentale ( harmoniques) . Le taux de distorsion harmonique sera fonction du rapport entre ces harmoniques et la fondamentale.

Le signal de sortie d'un amplificateur est composé généralemnt de plusieurs fréquences, qui devraient être amplifiées 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 amplifier des signaux numériques, cette distorsion devient très gênante et peut conduire à des erreurs sur les bits transmis et décodés.Pour cette raison, cette caractéristique est très importante pour les amplificateurs de signaux numériques. On quantifie cette distorsion en précisant les différences de retard en fonction de la fréquence. On peut aussi préciser la courbe du déphasage en fonction de 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 parfois qualifiés "à phase linéaire"

Si des étages d'amplification sont non linéaires, on observera en plus de la distorsion harmonique, l'apparition de fréquences parasites qui sont des combinaisons linéaires des fréquences composant le signal à amplifier. Ce type de défaut est très gênant pour les amplificateurs traitant de signaux radioélectriques, car ces fréquences "parasites" peuvent perturber les liaisons radio.Voir intermodulation Cette distorsion peut également 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 désigne les signaux aléatoires et non désirés, voire 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. Il est possible de réduire le bruit dans un amplificateur en s’attaquant directement à ses origines (voir ci-dessous) mais aussi en limitant le plus possible la bande passante de l’amplificateur, afin d’éliminer le bruit présent en dehors de ses fréquences de travail.

Le bruit thermique, également nommé 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 uniquement 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. Son article Thermal Agitation of Electricity in Conductors montrait que des fluctuations statistiques se produisaient dans tous les conducteurs électriques, produisant une variation aléatoire de potentiel aux bornes de ce conducteur. Ce bruit thermique était donc identique pour toutes les résistances de la même valeur et n’était donc pas imputable à une fabrication médiocre. Johnson décrivit ses observations à son collègue Harry Nyquist qui fut capable d’en donner une explication théorique.

Le bruit grenaille a été mis en évidence en 1918 par Walter Schottky. Ce bruit apparaît dans les dispositifs où le nombre d’électrons est assez faible pour donner une fluctuation statistique détectable. En électronique, ce bruit apparaît dans les dispositifs 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 uniquement de la valeur moyenne du courant traversant le composant bruyant.

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

Le bruit de scintillation, également nommé 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 signifie que plus la fréquence augmente, plus l’amplitude de ce bruit diminue. Ce type de bruit existe dans tous les composants actifs et a des origines très 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 améliorant les procédés de fabrication des semi-conducteurs et diminuant la consommation de l’amplificateur. 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.

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 est également nommé 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 essentiellement de créneaux de tension (ou de courant) dont l’amplitude s’étend de moins d’un microvolt à plusieurs centaines de microvolts. L’intervalle entre les créneaux est de l’ordre de la milliseconde . Le bruit en créneaux, dans un amplificateur audio, produit des « pops » qui lui ont valu le nom de bruit popcorn. L’apparition 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 actuellement connues, mais il semble qu’elles soient liées à des imperfections dans les semi-conducteurs et à l’implant d’ions lourds . Les conditions les plus favorables à l’apparition de ce bruit semblent être de basses températures et la présence de résistances de forte valeur.

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.

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 généralement pas dus à l’amplificateur lui-même mais à son environnement. On citera, par exemple, les bruits de quantification et d'échantillonnage engendrés par les convertisseurs numérique analogique et tous les 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 plupart de ces bruits peuvent être maîtrisés à l’aide d’un blindage et/ou d’un filtrage des signaux d’entrée et d’alimentation. Dans les cas les plus sensibles, il est parfois nécessaire d’avoir recours à de lourdes tables pour absorber les vibrations, des cages de Faraday, des chambres sourdes et des pièces climatisées.

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 souvent exprimés en décibels. Le rapport signal sur bruit désigne la qualité d’une transmission d’information par rapport 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.