L'Amplificateur

Classification des systèmes et étages amplificateurs 

Il existe une grande quantité de classifications, elles découlent souvent des différentes caractéristiques du schéma d’un amplificateur. Toutes ces caractéristiques ont une influence sur les paramètres et les performances de l’amplificateur. La conception d’un amplificateur est toujours un compromis entre plusieurs facteurs comme le coût, la consommation énergétique, les imperfections des composants et, le besoin de rendre l’amplificateur compatible avec le générateur du signal d’entrée et la charge en sortie. Afin de décrire un amplificateur, on parle généralement de sa classe, de la méthode de couplage qui a été utilisée entre ces différents étages ainsi que la gamme de fréquences pour laquelle il est prévu.

Un amplificateur est généralement constitué de plusieurs étages d'amplification, chaque étage étant conçu autour d'"éléments actifs" ( transistor en général) . Un élément actif n'est pas nécessairement polarisé de façon à amplifier le signal pendant 100% du temps. Le système de lettres, ou classe, utilisé pour caractériser les amplificateurs assigne une lettre pour chaque schéma d’amplificateur électronique. Ces schémas sont caractérisés par la relation entre la forme du signal d’entrée et celui de sortie, mais aussi par la durée pendant laquelle un composant actif est utilisé lors de l’amplification d’un signal. Cette durée est mesurée en degrés d’un signal sinusoïdal test appliqué à l’entrée de l’amplificateur, 360 degrés représentant un cycle complet. En pratique la classe d’amplification 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 amplifié (voir figure ci-contre), ce qui est aussi donné par l’angle de conduction a :

Classe A 

La totalité du signal d’entrée (100 %) est utilisée (a = 360°).

Classe B 

La moitié du signal (50 %) est utilisée (a = 180°).

Classe AB 

Plus de la moitié mais pas la totalité du signal (50–100 % est utilisée (180° < a < 360°).

Classe C 

Moins de la moitié (0–50 %) du signal est utilisée (0 < a < 180°).

Les amplificateurs de classe AB se nomment ainsi car ils fonctionnent comme des classe A pour les signaux de faible amplitude, puis ils passent progressivement en classe B au fur et à mesure que l’amplitude du signal augmente.

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. Les amplificateurs de classe G possèdent plusieurs bus de tensions différentes et passent de l’un à l’autre en fonction de la puissance demandée en sortie. Cela permet d’augmenter le rendement en diminuant la puissance « perdue » dans les transistors de sortie. Les amplificateurs de classe H sont similaires à ceux de classe G, à la différence près que la tension d’alimentation « suit », ou est modulée par le signal d’entrée.

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. Quand ils sont utilisés ainsi, on peut distinguer deux modes de fonctionnement pour les composants actifs : passant (ou saturé) et bloqué. Quand un composant actif est bloqué, le courant qui le traverse est nul tandis que lorsqu’il est saturé, la chute de tension à ces bornes est faible. Dans chaque mode de fonctionnement, les pertes de puissances sont très faible permettant ainsi aux amplificateurs à découpage d’avoir un fort rendement. Cette augmentation du rendement permet de 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 beaucoup d’applications .

Les amplificateurs de classe E et F sont des amplificateurs à haut rendement qui sont optimisés pour n’amplifier qu’une faible gamme de fréquences. Ils sont généralement utilisés pour amplifier les fréquences radio. Le principe des amplificateurs de classe E a été publié pour la première fois en 1975 par Nathan O. Sokal et Alan D. Sokal . Les amplificateurs de classe F reprennent le même principe que les amplificateurs de classe E mais avec une charge accordée à une fréquence et à quelques uns de ses harmoniques, tandis que la charge des amplificateurs de classe E n’est accordée que pour la fréquence fondamentale.

Les amplificateurs sont parfois classés par leur méthode de couplage entre l’entrée et la sortie ou entre les différents étages de l’amplificateur. Ces différentes méthodes incluent les couplages capacitif, inductif (transformateur) et le couplage direct.

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

On peut aussi décrire les amplificateur en fonction de leur bande passante. Par exemple, les amplificateurs audio sont conçus pour amplifier les signaux à des fréquences sonores audibles (20 Hz à 20 kHz) tandis que les amplificateurs d’ondes radio peuvent amplifier 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) tandis que les amplificateurs large bande peuvent amplifier une grande gamme de fréquence. En général, 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.

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. Par exemple, un amplificateur à émetteur commun utilisera un transistor bipolaire, celui à plaque commune un tube tandis qu’un amplificateur à drain commun utilisera un MOSFET ou un JFET. Quelle que soit l’électrode d’un composant actif, il existe certainement une application ayant amené à la création d’un montage où elle est reliée au zéro. Voir aussi : collecteur commun, base commune.

Une autre façon de classer les amplificateurs est d’utiliser la phase entre le signal d’entrée et celui de sortie. Un amplificateur inverseur produira un signal de sortie déphasé de 180 degrés par rapport au signal d’entrée, ou une image miroir de l’entrée si on visualise l’entrée et la sortie sur un oscilloscope. Un amplificateur non-inverseur produira quant à lui un signal de sortie ayant la même phase que l’entrée. Un montage émetteur suiveur (ou collecteur commun), est un type d’amplificateur dont le signal sur l’émetteur suit (même phase 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 quasiment négligeable.

Cette description peut s’appliquer à un simple étage ou à un système complet.

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 souvent à un système complet et non à un étage unique.

• un servo-amplificateur possède une boucle de contre réaction afin d’asservir la sortie à une consigne. Certains servo-amplificateurs n’amplifient que le continu et les basses fréquences (jusqu'à quelques centaines de Hz), ignorant ainsi toute perturbation haute fréquence. Ils sont souvent utilisés dans les actionneurs mécaniques, ou avec des moteurs à courant continu qui doivent maintenir une vitesse ou un couple constant. Un servo-amplificateur amplifiant l’alternatif pourra faire de même avec certaines machines à courant alternatif.

• Un amplificateur linéaire ne produit pas de distorsion harmonique: Un signal sinusoîdal sur son entrée donne un signal toujours sinusoîdal en sortie. Voir distorsion.

• Un amplificateur large bande possède un facteur d’amplification précis sur une large bande de fréquences. Il est généralement linéaire. On en trouve pour amplifier l'ensemble des canaux TV reçus, pour amplifier un signal à large spectre, pour amplifier les signaux multifréquence dans les relais d’un système de télécommunication.

• Un amplificateur sélectif ou bande étroite est conçu de façon à n’amplifier qu’une bande de fréquences étroite ou unique à l’exception de toutes les autres fréquences. Par exemple la fréquence intermédiaire des récepteurs.

• Les amplificateurs radioélectriques sont conçus pour amplifier les signaux générant des ondes radio. Ils sont souvent spécialement étudiés pour alimenter une antenne radioélectrique: Pour les émetteurs, ce sont les amplificateurs RF de puissance, et pour les récepteurs, ce sont les amplificateurs faible bruit .

• Les amplificateurs audio sont étudiés spécialement pour reproduire les fréquences audibles par l’intermédiaire d’enceintes électroacoustiques. Ils possèdent souvent plusieurs amplificateurs regroupés ensemble comme canaux séparés ou « bridgeables » afin de pouvoir s’adapter à différents systèmes de reproduction sonore.

• Un type spécial d’amplificateur basse puissance aux caractéristiques idéales est souvent utilisé dans les instruments, le traitement du signal et bien d’autres applications. Ces amplificateurs sont connus sous le nom d’amplificateurs opérationnels. Ils portent ce nom car ils servent majoritairement à réaliser des algorithmes mathématiques, ou « opérations » sur le signal d’entrée afin d’obtenir le signal de sortie voulu.

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’amplifier. Son principal effet est de diminuer le gain du système. Cependant, les distorsions dues à l’amplificateur sont elles aussi soustraites au signal d’entrée. De cette façon, l’amplificateur amplifie une image réduite et inversée des distorsions. La contre-réaction permet aussi de compenser les dérives thermiques ou la non-linéarité des composants. Bien que les composants actifs soient considérés comme linéaires sur une partie de leur fonction de transfert, ils sont en réalité toujours non linéaires ; leur lois de comportement étant en puissance de deux. Le résultat de ces non-linéarités est une distorsion de l’amplification.

Le principe de la contre-réaction a été découvert par Harold Stephen Black le 2 août 1927. Cette idée lui serait venue alors qu’il se rendait à son travail aux laboratoires Bell. Ses précédents travaux sur la réduction des distorsions dans les amplificateurs lui avaient déjà permis de découvrir les amplificateurs « a priori » (feedforward en anglais) qui modifient le signal à amplifier de façon à compenser les distorsions dues aux composants de puissance. Bien qu’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 difficile et ils ne fonctionnent pas très bien. En 1927, la demande de brevet Black pour la contre-réaction fut accueillie comme une demande d’invention de mouvement perpétuel. Elle fut finalement acceptée neuf ans plus tard , 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 ». À l’aide de la contre-réaction, un taux de 0,001 % est courant. Le bruit, y compris les distorsions de croisement, peut être pratiquement éliminé.

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

Alors que la contre-réaction semble être le remède à tous les maux d’un amplificateur, beaucoup pensent que c’est une mauvaise chose. Comme elle utilise une boucle, il lui faut un temps fini pour réagir à un signal d’entrée et pendant cette courte période, l’amplificateur est « hors de contrôle ». Un transitoire musical dont la durée est du même ordre de grandeur que cette période sera donc grossièrement distordu. Et cela, même si l’amplificateur possède un taux de distorsion faible en régime permanent. C’est essentiellement cela qui explique l’existence des « distorsions d’intermodulations transitoires » dans les amplificateurs. Ce sujet a été largement débattu à la fin des années 1970 et pendant un grande partie des années 1980 .

Ces arguments ont été sources de controverses pendant des années, et ont amené à prendre en compte ces phénomènes lors de la conception d’un amplificateur afin de les éliminer . Dans les faits, la majorité des amplificateurs modernes utilisent de fortes contre-réactions, alors que les schémas utilisés pour les amplificateurs audio haut de gamme cherchent à la minimiser.

Quels que soient les mérites de ces arguments sur la façon dont elle modifie la distorsion, la contre-réaction modifie l’impédance de sortie de l’amplificateur et par conséquent, son facteur d’amortissement. 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 de beaucoup d’enceintes qui ont un rendu des basses irrégulier si le facteur d’amortissement de l’amplificateur est trop faible.

Le concept de contre-réaction est utilisé avec les amplificateurs opérationnels pour définir précisément le gain, la bande passante et beaucoup d’autres paramètres.

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, bien que sensiblement simplifié, est typique de ce que l’on retrouve dans un amplificateur moderne grâce à son push-pull de classe AB en sortie et à l’utilisation d’une contre-réaction. Il utilise des transistors bipolaires, mais il peut tout aussi bien être réalisé avec des transistors à effet de champ ou des tubes.

Le signal d’entrée est couplé à la base du transistor Q1 à travers le condensateur de liaison C1. Le condensateur permet au signal alternatif de passer, mais il bloque la tension continue due à la polarisation de Q1 par le pont diviseur R1-R2. Grâce à C1, aucun circuit précédent n’est affecté par la tension de polarisation de Q1. Q1 et Q2 forment un amplificateur différentiel (un amplificateur différentiel multiplie par une constante (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 facilement la contre-réaction, qui est fournie à Q2 grâce à R7 et R8. La contre-réaction dans l’amplificateur différentiel permet à l’amplificateur de comparer l’entrée à la sortie actuelle. Le signal amplifié par Q1 est envoyé directement au second étage, Q3, qui amplifie davantage le signal et fournit la tension continue de polarisation de l’étage de sortie (Q4 et Q5). R6 sert de charge à Q3. Un montage plus évolué utiliserait probablement une charge active, une source de courant constant par exemple. Jusqu’à présent, l’amplificateur travaille en classe A. La paire de sortie est câblée en push-pull de classe AB, aussi appelé paire complémentaire. Ils fournissent la majorité du courant de l’application et pilotent directement la charge à travers le condensateur de liaison C2 qui bloque la composante continue. Les diodes D1 et D2 fournissent une petite tension continue afin de polariser la paire de sortie, de sorte que la distorsion de sortie est minimisée.

Ce schéma est simple, mais c’est une bonne base pour la réalisation d’un véritable amplificateur car il stabilise automatiquement son point de fonctionnement grâce à sa boucle de contre-réaction, qui fonctionne du continu jusqu’au-delà de la bande audio. Un véritable amplificateur utiliserait probablement un circuit supplémentaire faisant baisser le gain au-delà de la bande de fréquences utile afin d’éviter la possibilité d’oscillations non désirées. De plus, l’utilisation de diodes fixes pour la polarisation peut poser des problèmes si les diodes ne sont pas thermiquement et électriquement assorties aux transistors de sortie. En effet, si les transistors deviennent trop passants, ils risquent de se détruire par emballement thermique. La solution traditionnelle pour stabiliser les composants de sortie est 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 en fonction des composants actifs utilisés et de l’utilisation future de l’amplificateur .

Les amplificateurs intégrés 

On appelle 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 permet de reproduire une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, facilitant sa mise en œuvre. Ils contient principalement des transistors, des diodes, des résistances, des condensateurs, plus rarement des inductances car elles sont plus difficilement miniaturisables.

Le premier circuit intégré a été inventé par Jack Kilby en 1958 , jetant ainsi les bases de l’informatique moderne. Pour la petite histoire Jack Kilby, qui venait de rejoindre la compagnie, a fait cette découverte alors que la plupart de ses collègues profitaient de vacances organisées par Texas Instruments. À l’époque, Kilby avait tout simplement relié entre eux différents transistors en les câblant à la main. Il ne fallut par la suite que quelques mois pour passer du stade de prototype à la production de masse de puces en silicium contenant plusieurs transistors. Cette découverte a valu à Kilby un prix Nobel de physique en 2000, alors que ce dernier siégeait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de 60 brevets à son nom .

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

Les amplificateurs opérationnels 

Des amplificateurs opérationnels.

Les amplificateurs opérationnels (aussi dénommé ampli-op ou ampli op, AO, AOP, ALI, AIL ou encore CIL) ont été initialement conçus pour effectuer des opérations mathématiques en utilisant la tension comme image d’une autre grandeur. C’est le concept de base des calculateurs analogiques dans lesquels les amplificateurs opérationnels sont utilisés pour modéliser les opérations mathématiques de base (addition, soustraction, intégration, dérivation, …). Cependant, un amplificateur opérationnel idéal est extrêmement souple d’utilisation et peut effectuer bien d’autres applications que les opérations mathématiques de base . En pratique, les amplificateurs opérationnels sont constitués de transistors, tubes électroniques ou de n’importe quels autres composants amplificateurs et ils sont implémentés dans des circuits discrets ou intégrés.

Les amplificateurs opérationnels ont été initialement développés à l’ère des tubes électroniques, ils étaient alors utilisés dans les calculateurs analogiques. Actuellement, les amplificateurs opérationnels sont disponibles sous forme de circuits intégrés, bien que des versions sous forme de composants discrets soient utilisés pour des applications spécifiques.

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. Le μA741 est encore fabriqué de nos jours, et est devenu omniprésent en électronique. Plusieurs fabricants produisent une version améliorée de cet AOP, reconnaissable grâce au « 741 » présent dans leur dénomination. 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 plupart de ces AOP modernes peuvent se substituer à un μA741, dans un circuit de conception ancienne, afin d’en améliorer 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 plupart 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, STMicroelectronics et Texas Instruments.

Les amplificateurs d’instrumentation 

Schéma typique d’un amplificateur d’instrumentation (normes européennes).

Un amplificateur d’instrumentation est un dispositif électronique destiné au traitement de faibles signaux électriques. L’application typique est le traitement de signaux issus de capteurs de mesure. Son fonctionnement est basé sur le principe de l’amplification différentielle.

L’amplificateur d’instrumentation est généralement réalisé à partir d’un ou de plusieurs amplificateurs opérationnels, de telle manière qu’il améliore leurs caractéristiques intrinsèques : offset, dérive, bruit d’amplification, gain en boucle ouverte, taux de réjection du mode commun, impédance d’entrée.

Le gain idéal en mode commun de l’amplificateur d’instrumentation est 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.

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 généralement des résistances dont les valeurs ont été ajustées avec précision à l’aide d’un laser, et offre donc un excellent taux de réjection du mode commun.