Amplificateur typique complet

13.1 Montage à alimentation bipolaire

Examinez le circuit de la Figure 13-1.

Ne soyez pas effrayés par l'allure du circuit de la Figure 13-1. Il possède la configuration typique d'un amplificateur "de puissance". Il est, d'ordinaire, le maillon final d'une chaîne audio, étant celui qui fournit l'énergie au haut-parleur. Si on examinait plusieurs autres plans on y retrouverait la même structure de base. Cet amplificateur, conçu pour 5 watts, peut facilement fournir une puissance de 8 watts à une enceinte acoustique ayant une impédance de 8W. Si on regardait un amplificateur de 200 watts par exemple, on retrouverait sensiblement le même diagramme électronique avec cependant plus de muscle.

On reconnaît premièrement le montage push-pull à la sortie (T7 et T8). On remarque aussi l'absence d'un condensateur de couplage entre le haut parleur et la sortie (placée entre R12 et R13). Ceci est rendu possible par l'utilisation d'une alimentation bipolaire.

Voici le parcours que fait le signal électrique. Le signal d'entrée est premièrement appliqué à la base de T1. Ce signal se retrouve inversé au collecteur de celui-ci et se retrouve appliqué à la base de T6. Le transistor T6 amplifie le signal et le l'inverse de nouveau. Le signal, alors présent au collecteur de T6 et non inversé par rapport à l'entrée, est appliqué aux bases de T8 et T7 qui s'occupent de fournir, via leurs émetteurs, le courant nécessaire au haut-parleur. Remarquez que le signal à la sortie n'est pas inversé. La base de T1 est donc l'entrée non inverseuse de l'amplificateur. Un diviseur de tension alternatif, formé de R6 et R5, ramène une portion du signal de la sortie à la base du transistor T2, étant l'entrée inverseuse. R6 est la résistance Rf et R5 est la résistance Rin d'une boucle de contre-réaction. Le gain en tension de l'amplificateur au complet est ainsi contrôlé par ces deux résistances. Ce gain vaut 22k / 3,9k + 1 = 6,64. Ainsi, un signal d'entrée de 1 volt RMS produira une puissance de 5,5W au haut-parleur.

T3, T4 et T5 sont des transistors servant à la polarisation du système. T3 et T4 sont des sources de courant constant et T5 une source de tension (Upol du push-pull).

13.2 Diagramme fonctionnel d'un amplificateur de puissance

Les amplificateurs de puissance commerciaux respectent ce diagramme fonctionnel.

13.2.1 BLOC #1 : Comparateur ou amplificateur différentiel.

Figure 13-3

Le rôle d'un amplificateur différentiel est d'amplifier la différence entre ses deux entrées. Ce sont T1 et T2 qui composent cet amplificateur ayant le rôle de faire la différence entre les signaux présents sur l’entrée inverseuse et la non inverseuse. Entre leurs émetteurs se trouve un noeud de courant. La somme des deux courants d'émetteur de T1 et T2 correspond au courant de collecteur de T3. Ce dernier sert uniquement à pourvoir ce courant. On dit que T3 est un générateur de courant constant. En supposant que U_BET3, U_D1 et U_D2 valent 0,7V, le courant I_CT3 se calculera ainsi:

U_R4 = U_D1 + U_D2 - U_BET3 = 0,7V + 0,7V - 0,7V = 0,7V (Kirchhoff)

I_CT3 = I_ET3 = 0,7V / 330W = 2,12mA

T1 et T2 doivent être rigoureusement identiques au niveau de leurs caractéristiques. Si tel est le cas, et si les tensions présentes à leur base de part et d'autre sont identiques (disons 0 volt), les courant I_CT1 et I_CT2 sont identiques. On dit que le différentiel est équilibré. Rappelez-vous le fonctionnement des entrées d'un amplificateur opérationnel.

I_CT1 = I_CT2 = 2,12mA / 2 = 1,06mA

Imaginez que la tension à la base de T1 augmente pendant que celle à la base de T2 reste fixe. La tension U_BE de T1 augmente et la tension U_BE de T2 doit diminuer (Kirchhoff). Le courant I_CT1 augmente et I_CT2 diminue tout en respectant le noeud de courant décrit tantôt. Ceci crée une augmentation de la tension aux bornes de R3.

Imaginez ensuite que la tension à la base de T1 diminue pendant que celle à la base de T2 reste fixe. La tension U_BE de T1 diminue et la tension U_BE de T2 doit augmenter (Kirchhoff). Le courant I_CT1 diminue et I_CT2 augmente tout en respectant le noeud de courant décrit tantôt. Ceci crée une diminution de la tension aux bornes de R3.

L'amplificateur différentiel ne sera déséquilibré que si les tensions présentes aux bases de T1 et T2 sont différentes l'une par rapport à l'autre.

13.2.2 BLOC #2: Gain en tension

Le rôle de l'amplificateur en tension est d'augmenter l'amplitude du signal. Il pourvoit aussi la plus grande partie du gain en boucle ouverte de l'amplificateur. On se rappelle que le gain en tension se calcule ainsi: Av = R_C / R_E. R_E vaut 15W (R9). La résistance R_C est remplacée par un générateur de courant (T4). Une source de courant représente une impédance considérée comme étant l'infini. Cela veut dire que le gain de cet amplificateur est extrêmement grand. À toute fin pratique, l'impédance vue au collecteur de T6 est l'impédance de base de T7 ou T8.

La tension aux bornes de R3 est celle qui polarise T6 en déterminant la tension aux bornes de R9. Cette tension, aux bornes de R9, détermine le courant de collecteur de T6. En même temps, le courant de collecteur de T4 est de 0,7V / 33W = 21,2mA.. Il faut donc que T6 fournisse aussi 21,2mA. Si c'est le cas, la tension à la sortie de l'amplificateur sera exactement 0 volt. Si ce n'est pas le cas, on peut ajuster la valeur de R3.

13.2.3 BLOC #3: Le gain en courant

Le gain en courant est pourvu par le montage push-pull, composé de T7 et T8.

13.2.4 BLOC #4: La contre-réaction

R6 et R5 ajustent le gain de l'amplificateur selon le besoin. Le condensateur C3 relie R5 à point commun au point de vue alternatif mais il demeure un circuit ouvert en courant continu. Ceci permet d'obtenir un gain unitaire en courant continu.

Cette boucle de contre-réaction contribue aussi à la polarisation du système. Si la tension de sortie, pour une raison quelconque, devenait trop positive en courant continu, cela ramènerait un courant à la base de T2. Ceci aurait comme effet de faire diminuer le courant de T1, qui ferait diminuer le courant de T6 et ceci ramenerait la tension de sortie à 0 volt. Le phénomène inverse se produirait dans le cas d'une tension trop négative. C'est la beauté d'une contre-réaction; ça fonctionne toujours.

La structure qu'on vient d'examiner est aussi la même qu'on retrouve à l'intérieur d'un amplificateur opérationnel. On ne réinvente pas la roue!

13.3 Muscles de sortie

Vous connaissez déjà la structure générale d'un push-pull. Le signal est toujours appliqué à un push-pull directement via le collecteur du transistor fournissant l'excursion en tension.

La Figure 13-6 montre quatre façons ordinaires d'organiser un étage de sortie en push-pull. Le transistor "d'attaque" ("driver" en anglais) peut être de type NPN ou PNP. Upol, on le sait, est la tension contrôlant la polarisation du push-pull. La boîte "Z" est une haute impédance, étant généralement un générateur de courant fabriqué à l'aide d'un transistor ou d'un "bootstrap". Nous reviendrons au bootstrap un peu plus loin.

La Figure 13-6 montre cependant des sorties d'amplificateur plutôt chétives. C'est à dire que la puissance à débiter est relativement faible; on parle d'environ 15 watts en diminuant. Il faut alors avoir plus de muscle.

13.3.1 Montage en Darlington

Les résistances R1 et R4 permettent d'éviter que T3 et T4 soient mis en fonction par le courant de coulage de T1 et T2 et elles contrôlent le courant de polarisation de T1 et T2.

13।3।2

Montage en alpha

Les résistances R1 et R4 permettent d'éviter que T3 et T4 soient mis en fonction par le courant de coulage de T1 et T2 et elles contrôlent le courant de polarisation de T1 et T2.

13.3.3 Montage asymétrique

T3 et T4 étant tous deux des NPN identiques, ils représentent une économie pour un fabricant d'amplificateur. Les résistances R1 et R4 permettent d'éviter que T3 et T4 soient mis en fonction par le courant de coulage de T1 et T2. Elles contrôlent aussi le courant de polarisation de T1 et T2. L'ajout de R5 et D1 sert à imiter une jonction U_BE en simulant un push-pull symétrique.

13.3.4 Mise en parallèle des transistors de puissance

Advenant le besoin d'un courant important, un seul transistor peut se révéler insuffisant afin de faire passer ce courant. On utilisera donc plusieurs transistors installés en parallèle.

Les jonctions base-émetteur des deux transistors n'étant pas nécessairement identiques, on ajoute les résistance R1 et R2. Elles aideront les transistors à vraiment se partager le courant d'une façon égale.

13.3.5 L'utilisation du bootstrap

Cet artifice électronique a rapport au bloc "Z" des figures précédentes. Le bootstrap est une manière économique de fabriquer une source à courant constant sans utiliser un transistor.

À la Figure 13-11, dans le cas du montage bipolaire, R1 et R2 sont de valeur identique. C'est le courant circulant au travers de R1 qui est constant, simulant ainsi une très haute impédance. On retrouve, grâce au condensateur de couplage Cb, la même tension alternative de chaque côté de R1. Il n'y a donc pas de variation de courant dans R1. Toute une astuce!

Dans le cas du montage monopolaire, on utilise le condensateur de couplage de la sortie. La tension aux bornes de R1 sera donc constante. Il est à noter que l'amplificateur ne se polarisera, que si le haut-parleur est branché. Il faut donc s'assurer de brancher une charge à la sortie d'un amplificateur ayant une telle configuration lorsqu'on veut diagnostiquer un dysfonctionnement.

13.4 AMPLIFICATEURS INTÉGRÉS

Les fabricants offrent un large éventail d'amplificateurs de puissance intégrés. Voici trois exemples d'amplificateurs audio intégrés de 5 watts, 20 watts et 50 watts.

Voici les caractéristiques principales de la Figure 13-12:

Puissance de sortie limite de 5 watts dans 8W.

Gain de 34dB

Fréquence de coupure de 300kHz

Caractéristiques principales de la Figure 13-3:

Puissance de sortie de 20 watts dans 4W

Gain de 30 dB

Réponse en fréquence de 10Hz à 160kHz

Dissipation thermique de 15W; besoin d'un radiateur de 4,5°C/W maximum.

Caractéristiques principales de la Figure 13-14:

Puissance de 50 watts dans 4W.

Sensibilité de 3,5 volts.

Réponse en fréquence jusqu'à 80kHz

13.5 Exercices

# 1 - Examiner l'amplificateur suivant.

a) Identifier les transistors faisant partie des blocs suivants:

Bloc comparateur:_____________

Bloc gain en tension:_______________

Bloc gain en courant: _______________

b) Calculer le gain en tension (dB) de cet amplificateur.

c) Calculer les valeurs suivantes (U_BE = 0,6V)

U_BT1 = ? U_ET1 = ? U_CT1 = ?

I_CT1 = ? U_R6 = ? Tension entre R₉ et R₁₀ = ?

U_BT4 = ? I_CT2 = ?

# 2 - Examiner l'amplificateur suivant.

a) Identifier les transistors faisant partie des blocs suivants:

Bloc comparateur:_____________

Bloc gain en tension:_______________

Bloc gain en courant: _______________

b) Calculer le gain en tension (dB) de cet amplificateur.

c) Quel est le rôle de T₄?

d) Calculer les valeurs suivantes (U_BE = 0,6V)

U_BT1 = ? U_ET1 = ? U_CT1 = ?

I_CT1 = ? U_R6 = ? Tension entre R₁₅ et R₁₆ = ?

U_R10 = ? I_CT4 = ? I_CT2 = ?

e) Quel est le rôle de T3?

f) Calculer R₈ de sorte à régler le courant du push-pull (I_R15 et I_R16) à 25mA.

# 3 - Examiner l'amplificateur suivant.

a) Identifier les transistors faisant partie des blocs suivants:

Bloc comparateur:_____________

Bloc gain en tension:_______________

Bloc gain en courant: _______________

b) Calculer le gain en tension (dB) de cet amplificateur.

c) Calculer les valeurs suivantes (U_BE = 0,6V)

U_BT1 = ? U_BT2 = ? U_ET1 = U_ET2 = ?

I_R3 = I_R4 = ? I_CT1 = I_CT2 = ? Tension entre R₁₃ et R₁₄ = ?

U_BT6 = ? I_CT3 = ?