Amplificateur - Amplifier

Un amplificateur audio stéréo de 100 watts utilisé dans les systèmes audio à composants domestiques dans les années 1970.
L'amplification signifie augmenter l' amplitude (tension ou courant) d'un signal variant dans le temps d'un facteur donné, comme indiqué ici. Le graphique montre la tension d' entrée (bleu) et de sortie (rouge) d'un amplificateur linéaire idéal avec un signal arbitraire appliqué en entrée. Dans cet exemple, l'amplificateur a un gain en tension de 3 ; c'est à tout instant

Un amplificateur , un amplificateur électronique ou (de manière informelle) un ampli est un dispositif électronique qui peut augmenter la puissance d'un signal (une tension ou un courant variant 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 d'un signal appliqué à ses bornes d'entrée, produisant un signal d'amplitude proportionnellement plus important à sa sortie. La quantité d'amplification fournie par un amplificateur est mesurée par son gain : le rapport de la tension de sortie, du courant ou de la puissance à l'entrée. Un amplificateur est un circuit qui a un gain de puissance supérieur à un.

Un amplificateur peut être soit un équipement séparé, soit un circuit électrique contenu dans un autre appareil. L'amplification est fondamentale pour l'électronique moderne, et les amplificateurs sont largement utilisés dans presque tous les équipements électroniques. Les amplificateurs peuvent être classés de différentes manières. L'un est par la fréquence du signal électronique amplifié. Par exemple, les amplificateurs audio amplifient les signaux dans la plage audio (sonore) inférieure à 20 kHz, les amplificateurs RF amplifient les fréquences dans la plage de fréquences radio entre 20 kHz et 300 GHz, et les amplificateurs d'asservissement et les amplificateurs d'instrumentation peuvent fonctionner avec des fréquences très basses jusqu'à courant continu. Les amplificateurs peuvent également être classés selon leur emplacement physique dans la chaîne du signal ; un préamplificateur peut par exemple précéder d'autres étages de traitement du signal. Le premier appareil électrique pratique qui pouvait amplifier était le tube à vide triode , inventé en 1906 par Lee De Forest , qui a conduit aux premiers amplificateurs vers 1912. Aujourd'hui, la plupart des amplificateurs utilisent des transistors .

Histoire

Les tubes à vide

Le premier dispositif important et pratique qui pouvait amplifier était le tube à vide triode , inventé en 1906 par Lee De Forest , qui a conduit aux premiers amplificateurs vers 1912. Les tubes à vide ont été utilisés dans presque tous les amplificateurs jusqu'aux années 1960-1970 lorsque les transistors les ont remplacés. Aujourd'hui, la plupart des amplificateurs utilisent des transistors, mais les tubes à vide continuent d'être utilisés dans certaines applications.

Le prototype d'amplificateur audio de De Forest de 1914. Le tube à vide Audion (triode) avait un gain de tension d'environ 5, fournissant un gain total d'environ 125 pour cet amplificateur à trois étages.

Le développement de la technologie de communication audio sous la forme du téléphone , brevetée pour la première fois en 1876, a créé le besoin d'augmenter l'amplitude des signaux électriques pour étendre la transmission des signaux sur des distances de plus en plus longues. En télégraphie , ce problème avait été résolu avec des dispositifs intermédiaires dans les stations qui reconstituaient l'énergie dissipée en faisant fonctionner un enregistreur de signaux et un émetteur dos à dos, formant un relais , de sorte qu'une source d'énergie locale à chaque station intermédiaire alimentait la prochaine étape de transmission. Pour la transmission duplex, c'est-à-dire l'émission et la réception dans les deux sens, des relais relais bidirectionnels ont été développés à partir des travaux de CF Varley pour la transmission télégraphique. La transmission duplex était essentielle pour la téléphonie et le problème n'a été résolu de manière satisfaisante qu'en 1904, lorsque HE Shreeve de l' American Telephone and Telegraph Company a amélioré les tentatives existantes de construction d'un répéteur téléphonique composé d'un émetteur de granules de carbone dos à dos et de paires de récepteurs électrodynamiques. Le répéteur Shreeve a d'abord été testé sur une ligne entre Boston et Amesbury, MA, et des dispositifs plus perfectionnés sont restés en service pendant un certain temps. Après le tournant du siècle, il a été constaté que les lampes au mercure à résistance négative pouvaient amplifier, et ont également été essayées dans des répéteurs, avec peu de succès.

Le développement des valves thermoioniques à partir de 1902, a fourni une méthode entièrement électronique d'amplification des signaux. La première version pratique de tels appareils était la triode Audion , inventée en 1906 par Lee De Forest , qui a conduit aux premiers amplificateurs vers 1912. Étant donné que le seul appareil précédent qui était largement utilisé pour renforcer un signal était le relais utilisé dans les systèmes télégraphiques , le tube à vide amplificateur a d'abord été appelé relais électronique . Les termes amplificateur et amplification , dérivés du latin amplificare , ( agrandir ou étendre ), ont été utilisés pour la première fois pour cette nouvelle capacité vers 1915, lorsque les triodes se sont généralisées.

Le tube à vide amplificateur a révolutionné la technologie électrique, créant le nouveau domaine de l' électronique , la technologie des appareils électriques actifs . Il a rendu possible les lignes téléphoniques longue distance, les systèmes de sonorisation , la radiodiffusion , les films parlants , l' enregistrement audio pratique , le radar , la télévision et les premiers ordinateurs . Pendant 50 ans, pratiquement tous les appareils électroniques grand public ont utilisé des tubes à vide. Les premiers amplificateurs à tubes avaient souvent une rétroaction 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 Bell Telephone Laboratories au cours des années 1920 à 1940. Les niveaux de distorsion dans les premiers amplificateurs étaient élevés, généralement autour de 5%, jusqu'en 1934, lorsque Harold Black a développé une rétroaction négative ; cela 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 faites par Harry Nyquist et Hendrik Wade Bode .

Le tube à vide était pratiquement le seul dispositif d'amplification, autre que les dispositifs de puissance spécialisés tels que l' amplificateur magnétique et l' amplidyne , pendant 40 ans. Les circuits de commande de puissance utilisaient des amplificateurs magnétiques jusqu'à la seconde moitié du XXe siècle, lorsque les dispositifs à semi-conducteurs de puissance sont devenus plus économiques, avec des vitesses de fonctionnement plus élevées. Les anciens répéteurs électroacoustiques au carbone Shreeve étaient utilisés dans les amplificateurs réglables des postes d'abonnés téléphoniques pour malentendants jusqu'à ce que le transistor fournisse des amplificateurs plus petits et de meilleure qualité dans les années 1950.

Transistors

Le premier transistor de travail était un transistor à contact ponctuel inventé par John Bardeen et Walter Brattain en 1947 aux Bell Labs , où William Shockley a plus tard inventé le transistor à jonction bipolaire (BJT) en 1948. Ils ont été suivis par l'invention du métal-oxyde- transistor à effet de champ à semi-conducteur (MOSFET) par Mohamed M. Atalla et Dawon Kahng aux Bell Labs en 1959. En raison de la mise à l' échelle MOSFET , la capacité de réduire à des tailles de plus en plus petites, le MOSFET est depuis devenu l'amplificateur le plus largement utilisé.

Le remplacement des tubes électroniques encombrants par des transistors au cours des années 1960 et 1970 a créé une révolution dans l'électronique, rendant possible une grande classe d'appareils électroniques portables, tels que la radio à transistors développée en 1954. Aujourd'hui, l'utilisation de tubes à vide est limitée pour certains appareils à haute puissance. applications, telles que les émetteurs radio.

À partir des années 1970, de plus en plus de transistors étaient connectés sur une seule puce, créant ainsi des échelles d'intégration plus élevées (telles 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.

A des fins spéciales, d'autres éléments actifs ont été utilisés. Par exemple, aux premiers jours de la communication par satellite , des amplificateurs paramétriques étaient utilisés. Le circuit central était une diode dont la capacité était modifiée par un signal RF créé localement. Dans certaines conditions, ce signal RF fournissait de l'énergie qui était modulée par le signal satellite extrêmement faible reçu à la station terrienne.

Les progrès de l' électronique numérique depuis la fin du 20e siècle ont fourni de nouvelles alternatives aux amplificateurs linéaires à gain traditionnels à l'aide de commutation numérique pour faire varier la forme d'impulsions de signaux d' amplitude fixe, résultant dans des dispositifs tels que l' amplificateur de classe D .

Idéal

Les quatre types de source dépendante : variable de contrôle à gauche, variable de sortie à droite

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 dont l'amplitude augmente.

Le port d'entrée peut être idéalisé comme étant soit une entrée de tension, qui ne prend aucun courant, avec la sortie proportionnelle à la tension aux bornes du port ; ou une entrée de courant, sans tension à ses bornes, dans laquelle la sortie est proportionnelle au courant à travers le port. Le port de sortie peut être idéalisé comme étant soit une source de tension dépendante , avec une résistance de source nulle et sa tension de sortie dépendante de l'entrée ; ou une source de courant dépendante , avec une résistance de source infinie et le courant de sortie dépendant de l'entrée. Les combinaisons de ces choix conduisent à quatre types d'amplificateurs idéaux. Sous une forme idéalisée, ils sont représentés par chacun des quatre types de sources dépendantes utilisées dans l'analyse linéaire, comme le montre la figure, à savoir :

Saisir Sortir Source dépendante Type d'amplificateur Gagner des unités
je je Source de courant à courant contrôlé, CCCS Amplificateur de courant Sans unité
je V Source de tension contrôlée en courant, CCVS Amplificateur à transrésistance Ohm
V je Source de courant commandée en tension, VCCS Amplificateur à transconductance Siemens
V V Source de tension commandée en tension, VCVS Amplificateur de tension Sans unité

Chaque type d'amplificateur dans sa forme idéale a 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
Courant CCCS 0 ??
Transrésistance CVCS 0 0
Transconductance VCCS ?? ??
Tension VCVS ?? 0

Dans les amplificateurs réels, les impédances idéales ne sont pas possibles, mais 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 tout circuit particulier, une analyse de petit signal est souvent utilisée pour trouver l'impédance réelle. Un courant de test AC à petit signal I x est appliqué au nœud d'entrée ou de sortie, toutes les sources externes sont réglées sur AC zéro, et la tension alternative correspondante V x à travers la source de courant de test détermine l'impédance vue à ce nœud comme R = V x / I x .

Les amplificateurs conçus pour être connectés à une ligne de transmission en entrée et en sortie, en particulier les amplificateurs RF , ne rentrent pas dans cette approche de classification. Plutôt que de traiter la tension ou le courant individuellement, ils se couplent idéalement avec une impédance d'entrée ou de sortie adaptée à l'impédance de la ligne de transmission, c'est-à-dire qu'elles correspondent aux rapports tension/courant. De nombreux amplificateurs RF réels se rapprochent de cet idéal. Bien que, pour une source appropriée donnée et une impédance de charge, les amplificateurs RF puissent être caractérisés comme une tension ou un courant d'amplification, ils amplifient fondamentalement la puissance.

Propriétés

Les propriétés de l'amplificateur sont données par des paramètres qui incluent :

Les amplificateurs sont décrits en fonction des propriétés de leurs entrées, de leurs sorties et de leur relation. Tous les amplificateurs ont un gain, un 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 spécifié comme le rapport de la tension de sortie à la tension d'entrée ( gain de tension ), de la puissance de sortie à la puissance d'entrée ( gain de puissance ) ou d'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 que souvent exprimé en décibels (dB)).

La plupart des amplificateurs sont conçus pour être linéaires. C'est-à-dire qu'ils fournissent un gain constant pour tout niveau d'entrée et signal de sortie normaux. Si le gain d'un amplificateur n'est pas linéaire, le signal de sortie peut être déformé . Il existe cependant des cas où le gain variable est utile. Certaines applications de traitement du signal utilisent des amplificateurs à gain exponentiel.

Les amplificateurs sont généralement conçus pour bien fonctionner dans une application spécifique, par exemple: la radio et la télévision émetteurs et récepteurs , haute fidélité ( « salut-fi ») équipement stéréo, micro - ordinateurs et d' autres équipements numériques, et la guitare et d' autres amplificateurs d'instruments . Chaque amplificateur comprend au moins un dispositif actif , tel qu'un tube à vide ou un transistor .

Retours négatifs

La rétroaction négative est une technique utilisée dans la plupart des amplificateurs modernes pour améliorer la bande passante et la distorsion et contrôler le gain. Dans un amplificateur à rétroaction négative, une partie de la sortie est réinjectée et ajoutée à l'entrée en phase opposée, soustraite de l'entrée. L'effet principal est de réduire le gain global du système. Cependant, tous les signaux indésirables introduits par l'amplificateur, tels que la distorsion, sont également renvoyés. Puisqu'ils ne font pas partie de l'entrée d'origine, ils sont ajoutés à l'entrée en phase opposée, en les soustrayant de l'entrée. De cette façon, la rétroaction négative réduit également la non-linéarité, la distorsion et d'autres erreurs introduites par l'amplificateur. De grandes quantités de rétroaction négative peuvent réduire les erreurs au point que la réponse de l'amplificateur lui-même devient presque sans importance tant qu'il a un gain important, et les performances de sortie du système (les " performances en boucle fermée ") sont entièrement définies par le composants dans la boucle de rétroaction. Cette technique est particulièrement utilisée avec les amplificateurs opérationnels (op-amps).

Les amplificateurs sans rétroaction ne peuvent atteindre qu'une distorsion d'environ 1% pour les signaux de fréquence audio. Avec une rétroaction négative , la distorsion peut généralement être réduite à 0,001%. Le bruit, même la distorsion de croisement, peut être pratiquement éliminé. La rétroaction négative compense également les changements de température et la dégradation ou les composants non linéaires de l'étage de gain, mais tout changement ou non-linéarité des composants de la boucle de rétroaction affectera la sortie. En effet, la capacité de la boucle de rétroaction à définir la sortie est utilisée pour rendre les circuits de filtrage actifs .

Un autre avantage de la rétroaction négative est qu'elle étend la bande passante de l'amplificateur. Le concept de rétroaction est utilisé dans les amplificateurs opérationnels pour définir avec précision le gain, la bande passante et d'autres paramètres entièrement basés sur les composants de la boucle de rétroaction.

Une rétroaction négative peut être appliquée à chaque étage d'un amplificateur pour stabiliser le point de fonctionnement des dispositifs actifs contre des changements mineurs de la tension d'alimentation ou des caractéristiques des dispositifs.

Certains retours, positifs ou négatifs, sont inévitables et souvent indésirables - introduits, par exemple, par des éléments parasites , tels que la capacité inhérente entre l'entrée et la sortie de dispositifs tels que les transistors, et le couplage capacitif du câblage externe. Une rétroaction positive excessive dépendant de la fréquence peut produire une oscillation parasite et transformer un amplificateur en oscillateur .

Catégories

Appareils actifs

Tous les amplificateurs incluent une certaine forme de dispositif actif : c'est le dispositif qui fait l'amplification réelle. Le dispositif actif peut être un tube à vide , un composant à semi-conducteurs discret, 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 contenu.

Les dispositifs actifs courants dans les amplificateurs à transistors comprennent les transistors à jonction bipolaire (BJT) et les transistors à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET).

Les applications sont nombreuses, quelques exemples courants sont les amplificateurs audio dans un système stéréo domestique ou de sonorisation , la production de haute puissance RF pour les équipements à semi-conducteurs, les applications RF et micro-ondes telles que les émetteurs radio.

L' amplification à base de transistors peut être réalisé en utilisant différentes configurations: par exemple , un transistor à jonction bipolaire peut réaliser base commune , le collecteur commun ou émetteur commun amplification; un MOSFET peut réaliser grille commune , la source commune ou drain commun amplification. Chaque configuration a des caractéristiques différentes.

Les amplificateurs à tube à vide (également appelés amplificateurs à tube ou amplificateurs à valve) utilisent un tube à vide comme dispositif actif. Alors que les amplificateurs à semi-conducteurs ont largement remplacé les amplificateurs à valve pour les applications à faible puissance, les amplificateurs à valve peuvent être beaucoup plus rentables dans les applications à haute puissance telles que les radars, les équipements de contre-mesures et les équipements de communication. De nombreux amplificateurs à micro-ondes sont des amplificateurs à valve spécialement conçus, tels que le klystron , le gyrotron , le tube à ondes progressives et l' amplificateur à champ croisé , et ces valves à micro-ondes fournissent une puissance de sortie beaucoup plus élevée aux fréquences micro-ondes que les appareils à semi-conducteurs. Les tubes à vide restent utilisés dans certains équipements audio haut de gamme, ainsi que dans les amplificateurs d'instruments de musique , en raison d'une préférence pour le « son de tube ».

Les amplificateurs magnétiques sont des dispositifs quelque peu similaires à un transformateur où un enroulement est utilisé pour contrôler la saturation d'un noyau magnétique et donc modifier l'impédance de l'autre enroulement.

Ils sont largement tombés en désuétude en raison du développement des amplificateurs à semi-conducteurs, mais sont toujours utiles dans le contrôle HVDC et dans les circuits de contrôle de l'énergie nucléaire car ils ne sont pas affectés par la radioactivité.

Des résistances négatives peuvent être utilisées comme amplificateurs, comme l' amplificateur à diode tunnel .

Amplificateurs de puissance

Amplificateur de puissance par Skyworks Solutions dans un Smartphone .

Un amplificateur de puissance est un amplificateur conçu principalement pour augmenter la puissance disponible pour une charge . En pratique, le gain de puissance de l'amplificateur dépend des impédances de la source et de la charge , ainsi que du gain de tension et de courant inhérent. Une conception d'amplificateur radiofréquence (RF) optimise généralement les impédances pour le transfert de puissance, tandis que les conceptions d'amplificateurs audio et d'instrumentation optimisent normalement l'impédance d'entrée et de sortie pour une charge minimale et une intégrité de signal maximale. Un amplificateur dont on dit qu'il a un gain de 20 dB peut avoir un gain de 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 bien inférieur si, par exemple , l'entrée provient d'un microphone 600 Ω et la sortie se connecte à une prise d'entrée 47  pour un amplificateur de puissance. En général, l'amplificateur de puissance est le dernier « amplificateur » ou le circuit réel d'une chaîne de signaux (l'étage de sortie) et c'est l'étage d'amplification qui nécessite une attention particulière à l'efficacité énergétique. Des considérations d'efficacité conduisent aux différentes classes d'amplificateurs de puissance basées sur la polarisation des transistors ou tubes de sortie : voir les classes d'amplificateurs de puissance ci-dessous.

Les amplificateurs de puissance audio sont généralement utilisés pour piloter des haut-parleurs . Ils auront souvent deux canaux de sortie et fourniront une puissance égale à chacun. Un amplificateur de puissance RF se trouve dans les étapes finales de l' émetteur radio . Un contrôleur de servomoteur : amplifie une tension de commande pour régler la vitesse d'un moteur, ou la position d'un système motorisé.

Amplificateurs opérationnels (amplificateurs opérationnels)

Un ampli-op à usage général LM741

Un amplificateur opérationnel est un circuit amplificateur qui a généralement un gain en boucle ouverte très élevé et des entrées différentielles. Les amplis op sont devenus très largement utilisés comme "blocs de gain" standardisés dans les circuits en raison de leur polyvalence; leur gain, leur bande passante et d'autres caractéristiques peuvent être contrôlés par rétroaction via un circuit externe. Bien que le terme s'applique aujourd'hui couramment aux circuits intégrés, la conception originale de l'amplificateur opérationnel utilisait des valves, et les conceptions ultérieures utilisaient des circuits à transistors discrets.

Un amplificateur entièrement différentiel est similaire à l'amplificateur opérationnel, mais possède également des sorties différentielles. Ceux-ci sont généralement construits à l'aide de BJT ou de FET .

Amplificateurs distribués

Ceux-ci utilisent des lignes de transmission équilibrées pour séparer les amplificateurs individuels à un seul étage, dont les sorties sont additionnées par la même ligne de transmission. La ligne de transmission est de type équilibré avec l'entrée à une extrémité et d'un seul côté de la ligne de transmission équilibrée et la sortie à l'extrémité opposée est également du côté opposé de la ligne de transmission équilibrée. Le gain de chaque étage s'ajoute linéairement à la sortie plutôt que se multiplie l'un sur l'autre comme dans une configuration en cascade. Cela permet d'obtenir une bande passante plus élevée que ce qui pourrait être réalisé autrement même avec les mêmes éléments d'étage de gain.

Amplificateurs à découpage

Ces amplificateurs non linéaires ont des rendements beaucoup plus élevés que les amplificateurs linéaires et sont utilisés lorsque l'économie d'énergie justifie la complexité supplémentaire. Les amplificateurs de classe D sont le principal exemple de ce type d'amplification.

Amplificateur à résistance négative

L'amplificateur à résistance négative est un type d'amplificateur régénératif qui peut utiliser la rétroaction entre la source et la grille du transistor pour transformer une impédance capacitive sur la source du transistor en une résistance négative sur sa grille. Comparé à d'autres types d'amplificateurs, cet "amplificateur à résistance négative" ne nécessitera qu'une infime quantité de puissance pour atteindre un gain très élevé, tout en maintenant un bon facteur de bruit.

Applications

Amplificateurs vidéo

Les amplificateurs vidéo sont conçus pour traiter les signaux vidéo et ont des bandes passantes variables selon que le signal vidéo est pour SDTV, EDTV, HDTV 720p ou 1080i/p etc. La spécification de la bande passante elle-même dépend du type de filtre utilisé—et à à quel point ( -1 dB ou -3 dB par exemple) la bande passante est mesurée. Certaines exigences de réponse échelonnée et de dépassement sont nécessaires pour une image TV acceptable.

Amplificateurs micro-ondes

Les amplificateurs à tube à ondes progressives (TWTA) sont utilisés pour l'amplification de haute puissance aux basses fréquences micro-ondes. Ils peuvent généralement s'amplifier sur un large spectre de fréquences ; cependant, ils ne sont généralement pas aussi accordables que les klystrons.

Les Klystrons sont des appareils à vide spécialisés à faisceau linéaire, conçus pour fournir une amplification haute puissance et largement réglable des ondes millimétriques et submillimétriques. Les Klystrons sont conçus pour des opérations à grande échelle et malgré une bande passante plus étroite que les TWTA, ils ont l'avantage d'amplifier de manière cohérente un signal de référence afin que sa sortie puisse être contrôlée avec précision en amplitude, fréquence et phase.

Les dispositifs à semi-conducteurs tels que les MOSFET à canal court en silicium , tels que les FET à double diffusion métal-oxyde-semiconducteur (DMOS), les FET GaAs , les transistors bipolaires à hétérojonction SiGe et GaAs /HBT, les HEMT , les diodes IMPATT et autres, sont utilisés en particulier aux micro-ondes inférieures. fréquences et niveaux de puissance de l'ordre de watts, en particulier dans les applications telles que les terminaux RF portables/ téléphones portables et les points d'accès où la taille et l'efficacité sont les facteurs déterminants. De nouveaux matériaux comme le nitrure de gallium ( GaN ) ou le GaN sur silicium ou sur carbure de silicium /SiC font leur apparition dans les transistors HEMT et les applications où une efficacité améliorée, une large bande passante, un fonctionnement d'environ quelques à quelques dizaines de GHz avec une puissance de sortie de quelques watts à quelques centaines de watts sont nécessaires.

En fonction des spécifications de l'amplificateur et des exigences de taille, les amplificateurs hyperfréquences peuvent être réalisés de manière monolithique, intégrés sous forme de modules ou basés sur des pièces discrètes ou toute combinaison de celles-ci.

Le maser est un amplificateur micro-onde non électronique.

Amplificateurs d'instruments de musique

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, pendant les performances.

Classification des étages et systèmes d'amplification

Borne commune

Un ensemble de classifications pour les amplificateurs est basé sur la borne de périphérique commune aux circuits d'entrée et de sortie. Dans le cas des transistors à jonction bipolaire , les trois classes sont émetteur commun, base commune et collecteur commun. Pour les transistors à effet de champ , les configurations correspondantes sont source commune, grille commune et drain commun ; pour tubes à vide , cathode commune, grille commune et plaque commune.

L'émetteur commun (ou source commune, cathode commune, etc.) est le plus souvent configuré pour assurer l'amplification d'une tension appliquée entre base et émetteur, et le signal de sortie pris entre collecteur et émetteur est inversé, par rapport à l'entrée. L'arrangement de collecteur commun applique la tension d'entrée entre la base et le collecteur, et pour prendre la tension de sortie entre l'émetteur et le collecteur. Cela provoque une rétroaction négative et la tension de sortie a tendance à suivre la tension d'entrée. Cette disposition est également utilisée car l'entrée présente une impédance élevée et ne charge pas la source de signal, bien que l'amplification de tension soit inférieure à un. Le circuit collecteur commun est donc mieux connu sous le nom d'émetteur suiveur, de source suiveuse ou de cathode suiveuse.

Unilatéral ou bilatéral

Un amplificateur dont la sortie ne présente aucune rétroaction vers son côté entrée est décrit comme « unilatéral ». L'impédance d'entrée d'un amplificateur unilatéral est indépendante de la charge et l'impédance de sortie est indépendante de l'impédance de la source de signal.

Un amplificateur qui utilise la rétroaction pour relier une partie de la sortie à l'entrée est un amplificateur bilatéral . L'impédance d'entrée de l'amplificateur bilatéral dépend de la charge et l'impédance de sortie de l'impédance de la source de 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 cas, simplifiant l'analyse (voir l' article de base commun pour un exemple).

Inversant ou non inverseur

Une autre façon de classer les amplificateurs est la relation de phase entre le signal d'entrée et le signal de sortie. Un amplificateur « inverseur » produit une sortie déphasée de 180 degrés par rapport au signal d'entrée (c'est-à-dire une inversion de polarité ou une image miroir de l'entrée telle qu'elle est vue sur un oscilloscope ). Un amplificateur « non inverseur » maintient la phase des formes d'onde du signal d'entrée. Un émetteur suiveur est un type d'amplificateur non inverseur, indiquant que le signal à l'émetteur d'un transistor suit (c'est-à-dire qu'il correspond à un gain unitaire mais peut-être à un décalage) le signal d'entrée. Le suiveur de tension est également un type d'amplificateur non inverseur ayant un 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 ou sous-systèmes d'amplification complets et rarement à des étages individuels.

  • Les amplificateurs tampons , qui peuvent inclure des émetteurs suiveurs , fournissent une entrée à haute impédance pour un appareil (peut-être un autre amplificateur, ou peut-être une charge gourmande en énergie telle que des lumières) qui, autrement, tirerait trop de courant de la source. Les pilotes de ligne sont un type de mémoire tampon qui alimente des câbles d'interconnexion longs ou sujets aux interférences, éventuellement avec des sorties différentielles via des câbles à paires torsadées.
  • Méthode de couplage inter-étages

    Les amplificateurs sont parfois classés par la méthode de couplage du signal à l'entrée, à la sortie ou entre les étages. Les différents types de ceux-ci incluent:

    Amplificateur couplé résistif-capacitif (RC), utilisant un réseau de résistances et de condensateurs
    De par leur conception, ces amplificateurs ne peuvent pas amplifier les signaux continus car les condensateurs bloquent la composante continue du signal d'entrée. Les amplificateurs à couplage RC étaient très souvent utilisés dans des circuits à tubes à vide ou à transistors discrets. À l'époque du circuit intégré, quelques transistors de plus sur une puce sont beaucoup moins chers et plus petits qu'un condensateur.
    Amplificateur couplé inductif-capacitif (LC), utilisant un réseau d'inducteurs et de condensateurs
    Ce type d'amplificateur est le plus souvent utilisé dans les circuits radiofréquences sélectifs.
    Amplificateur couplé par transformateur , utilisant un transformateur pour adapter les impédances ou pour découpler des parties des circuits
    Très souvent, les amplificateurs couplés LC et couplés par transformateur ne peuvent pas être distingués car un transformateur est une sorte d'inducteur.
    Amplificateur à couplage direct , n'utilisant aucun composant d'adaptation d'impédance et de polarisation
    Cette classe d'amplificateur était très rare à l'époque des tubes à vide lorsque la tension d'anode (sortie) était supérieure à plusieurs centaines de volts et la tension de grille (entrée) à quelques volts moins. Ils n'étaient donc utilisés que si le gain était spécifié jusqu'à DC (par exemple, dans un oscilloscope). Dans le contexte de l'électronique moderne, les développeurs sont encouragés à utiliser des amplificateurs à couplage direct dans la mesure du possible. Dans les technologies FET et CMOS, le couplage direct est dominant puisque les grilles des MOSFET ne passent théoriquement aucun courant à travers elles-mêmes. Par conséquent, la composante continue des signaux d'entrée est automatiquement filtrée.

    Gamme de fréquences

    Selon la gamme de fréquences et d'autres propriétés, les amplificateurs sont conçus selon des principes différents.

    Les gammes de fréquences jusqu'au courant continu ne sont utilisées que lorsque cette propriété est nécessaire. Les amplificateurs pour signaux à courant continu sont vulnérables à des variations mineures des propriétés des composants avec le temps. Des méthodes spéciales, telles que les amplificateurs stabilisés par hacheur, sont utilisées pour empêcher une dérive indésirable des propriétés de l'amplificateur pour le courant continu. Des condensateurs « bloquant le courant continu » peuvent être ajoutés pour supprimer les fréquences CC et subsoniques des amplificateurs audio.

    Selon la gamme de fréquences spécifiée, différents principes de conception doivent être utilisés. Jusqu'à la gamme MHz, seules les propriétés "discrètes" doivent être prises en compte ; par exemple, un terminal a une impédance d'entrée.

    Dès qu'une connexion dans le circuit dépasse peut-être 1% de la longueur d'onde de la fréquence spécifiée la plus élevée (par exemple, à 100 MHz, la longueur d'onde est de 3 m, donc la longueur de connexion critique est d'environ 3 cm), les propriétés de conception changent radicalement. Par exemple, une longueur et une largeur spécifiées d'une trace de PCB peuvent être utilisées comme entité sélective ou d'adaptation d'impédance. Au-dessus de quelques centaines de MHz, il devient difficile d'utiliser des éléments discrets, notamment des inductances. Dans la plupart des cas, des traces de PCB de formes très étroitement définies sont utilisées à la place ( techniques de stripline ).

    La gamme de fréquences gérée par un amplificateur peut être spécifiée en termes de bande passante (impliquant normalement une réponse de 3  dB vers le bas lorsque la fréquence atteint la bande passante spécifiée), ou en spécifiant une réponse en fréquence comprise 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").

    Classes d'amplificateurs de puissance

    Les circuits amplificateurs de puissance (étages de sortie) sont classés en A, B, AB et C pour les conceptions analogiques et en classe D et E pour les conceptions de commutation. Les classes d'amplificateurs de puissance sont basées sur la proportion de chaque cycle d'entrée (angle de conduction) pendant laquelle un dispositif d'amplification laisse passer du courant. L'image de l'angle de conduction provient de l'amplification d'un signal sinusoïdal. Si l'appareil est toujours allumé, l'angle conducteur est de 360°. S'il n'est allumé que la moitié de chaque cycle, l'angle est de 180°. L'angle d'écoulement est étroitement lié à l' efficacité énergétique de l'amplificateur .

    Exemple de circuit amplificateur

    Un schéma de circuit électronique comprenant des résistances, des condensateurs, des transistors et des diodes
    Un circuit amplificateur pratique

    Le circuit amplificateur pratique illustré ci-dessus pourrait constituer la base d'un amplificateur audio de puissance modérée. Il présente une conception typique (bien que sensiblement simplifiée) que l'on trouve dans les amplificateurs modernes, avec un étage de sortie push-pull de classe AB , et utilise une certaine rétroaction négative globale. Des transistors bipolaires sont montrés, mais cette conception serait également réalisable avec des FET ou des valves.

    Le signal d'entrée est couplé via le condensateur C1 à la base du transistor Q1. Le condensateur laisse passer le signal alternatif , mais bloque la tension de polarisation continue établie par les résistances R1 et R2 afin qu'aucun circuit précédent n'en soit affecté. Q1 et Q2 forment un amplificateur différentiel (un amplificateur qui multiplie la différence entre deux entrées par une certaine constante), dans un arrangement connu sous le nom de paire à longue queue . Cette disposition est utilisée pour permettre commodément l'utilisation d'une rétroaction négative, qui est transmise de la sortie à Q2 via R7 et R8.

    La rétroaction négative dans l'amplificateur de différence permet à l'amplificateur de comparer l'entrée à la sortie réelle. Le signal amplifié de Q1 est directement transmis au deuxième étage, Q3, qui est un étage d' émetteur commun qui fournit une amplification supplémentaire du signal et la polarisation CC pour les étages de sortie, Q4 et Q5. R6 fournit la charge pour Q3 (une meilleure conception utiliserait probablement une forme de charge active ici, comme un puits à courant constant). Jusqu'à présent, tout l'amplificateur fonctionne en classe A. Les paires de sortie sont disposées en push-pull de classe AB, également appelée paire complémentaire. Ils fournissent la majorité de l'amplification de courant (tout en consommant un faible courant de repos) et pilotent directement la charge, connectée via le condensateur de blocage CC C2. Les diodes D1 et D2 fournissent une petite quantité de polarisation de tension constante pour la paire de sortie, les polarisant simplement dans l'état conducteur afin que la distorsion de croisement soit minimisée. C'est-à-dire que les diodes poussent fermement l'étage de sortie en mode classe AB (en supposant que la chute base-émetteur des transistors de sortie est réduite par la dissipation thermique).

    Cette conception est simple, mais constitue une bonne base pour une conception pratique car elle stabilise automatiquement son point de fonctionnement, car le retour fonctionne en interne à partir du courant continu jusqu'à la plage audio et au-delà. D'autres éléments de circuit se trouveraient probablement dans une conception réelle qui abaisserait la réponse en fréquence au-dessus de la plage nécessaire pour empêcher la possibilité d' oscillations indésirables . De plus, l'utilisation d'une polarisation de diode fixe, comme indiqué ici, peut poser des problèmes si les diodes ne sont pas adaptées à la fois électriquement et thermiquement aux transistors de sortie - si les transistors de sortie s'allument trop, ils peuvent facilement surchauffer et se détruire, comme le courant complet de l'alimentation n'est pas limité à ce stade.

    Une solution courante pour aider à stabiliser les périphériques de sortie consiste à inclure des résistances d'émetteur, généralement d'un ohm environ. Le calcul des valeurs des résistances et des condensateurs du circuit se fait en fonction des composants utilisés et de l'utilisation prévue de l'ampli.

    Remarques sur la mise en œuvre

    Tout amplificateur réel est une réalisation imparfaite d'un amplificateur idéal. Une limitation importante d'un amplificateur réel est que la sortie qu'il génère est finalement limitée par la puissance disponible à partir de l'alimentation. Un amplificateur sature et écrête la sortie si le signal d'entrée devient trop important pour que l'amplificateur puisse le reproduire ou dépasse les limites opérationnelles de l'appareil. L'alimentation électrique peut influencer la sortie, elle doit donc être prise en compte dans la conception. La puissance de sortie d'un amplificateur ne peut pas dépasser sa puissance d'entrée.

    Le circuit amplificateur a une performance en "boucle ouverte". Ceci est décrit par divers paramètres (gain, vitesse de balayage , impédance de sortie , distorsion , bande passante , rapport signal sur bruit , etc.). De nombreux amplificateurs modernes utilisent des techniques de rétroaction négative pour maintenir le gain à la valeur souhaitée et réduire la distorsion. La rétroaction de boucle négative a pour effet d'abaisser l'impédance de sortie et d'augmenter ainsi l'amortissement électrique du mouvement du haut-parleur à et près de la fréquence de résonance du haut-parleur.

    Lors de l'évaluation de la puissance de sortie nominale de l'amplificateur, il est utile de considérer la charge appliquée, le type de signal (par exemple, parole ou musique), la durée de sortie de puissance requise (par exemple, courte durée ou continue) et la plage dynamique requise (par exemple, enregistrée ou son en direct). Dans les applications audio haute puissance qui nécessitent de longs câbles vers 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 de ligne, avec des transformateurs correspondants à la source et aux charges. Cela évite de longs trajets de câbles d'enceintes lourds.

    Pour éviter l'instabilité ou la surchauffe, il faut veiller à ce que les amplificateurs à semi-conducteurs soient correctement chargés. La plupart ont une impédance de charge minimale nominale.

    Tous les amplificateurs génèrent de la chaleur par pertes électriques. L'amplificateur doit dissiper cette chaleur par convection ou refroidissement par air forcé. La chaleur peut endommager ou réduire la durée de vie des composants électroniques. Les concepteurs et les installateurs doivent également tenir compte des effets de la chaleur sur les équipements adjacents.

    Différents types d'alimentation entraînent de nombreuses méthodes de polarisation différentes . La polarisation est une technique par laquelle les dispositifs actifs sont réglés pour fonctionner dans une région particulière, ou par laquelle la composante continue du signal de sortie est réglée au point médian entre les tensions maximales disponibles à partir de l'alimentation. La plupart des amplificateurs utilisent plusieurs appareils à chaque étape ; ils correspondent généralement aux spécifications, à l'exception de la polarité. Les dispositifs à polarité inversée appariés sont appelés paires complémentaires. Les amplificateurs de classe A n'utilisent généralement qu'un seul appareil, sauf si l'alimentation est réglée pour fournir à la fois des tensions positives et négatives, auquel cas une conception symétrique à deux appareils peut être utilisée. Les amplificateurs de classe C, par définition, utilisent une alimentation à polarité unique.

    Les amplificateurs ont souvent plusieurs étages en cascade pour augmenter le gain. Chaque étape de ces conceptions peut être un type d'ampli différent pour répondre aux besoins de cette étape. 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, tirant parti des points forts de chaque type, tout en minimisant leurs faiblesses.

    Voir également

    Les références

    Liens externes