Amplificateur linéaire - Linear amplifier
Un amplificateur linéaire est un circuit électronique dont la sortie est proportionnelle à son entrée, mais capable de fournir plus de puissance à une charge . Le terme fait généralement référence à un type d' amplificateur de puissance à radiofréquence (RF) , dont certains ont une puissance de sortie mesurée en kilowatts et sont utilisés dans la radio amateur . D'autres types d'amplificateurs linéaires sont utilisés dans les équipements audio et de laboratoire . La linéarité fait référence à la capacité de l'amplificateur à produire des signaux qui sont des copies exactes de l'entrée. Un amplificateur linéaire répond indépendamment à différentes composantes de fréquence et a tendance à ne pas générer de distorsion harmonique ou de distorsion d' intermodulation . Cependant, aucun amplificateur ne peut fournir une linéarité parfaite, car les dispositifs d'amplification - transistors ou tubes à vide - suivent des lois de puissance non linéaires et s'appuient sur des techniques de circuits pour réduire ces effets. Il existe un certain nombre de classes d'amplificateurs offrant divers compromis entre le coût de mise en œuvre, l'efficacité et la précision du signal.
Explication
La linéarité fait référence à la capacité de l'amplificateur à produire des signaux qui sont des copies exactes de l'entrée, généralement à des niveaux de puissance accrus. L'impédance de charge, la tension d'alimentation, le courant de base d'entrée et les capacités de sortie de puissance peuvent affecter l'efficacité de l'amplificateur.
Les amplificateurs de classe-A peuvent être conçus pour avoir une bonne linéarité dans les deux single ended et push-pull topologies. Les amplificateurs des classes AB1, AB2 et B ne peuvent être linéaires que lorsqu'un circuit de réservoir accordé est utilisé, ou dans la topologie push-pull , dans laquelle deux éléments actifs (tubes, transistors) sont utilisés pour amplifier les parties positives et négatives du cycle RF respectivement. Les amplificateurs de classe C ne sont linéaires dans aucune topologie.
Classes d'amplificateurs
Il existe un certain nombre de classes d'amplificateurs offrant divers compromis entre le coût de mise en œuvre, l'efficacité et la précision du signal. Leur utilisation dans les applications RF est brièvement énumérée ci-dessous :
- Les amplificateurs de classe A sont très inefficaces, ils ne peuvent jamais avoir un rendement supérieur à 50%. Le semi - conducteur ou tube à vide conduit tout au long du cycle RF. Le courant anodique moyen pour un tube à vide doit être réglé au milieu de la section linéaire de la courbe du courant anodique en fonction du potentiel de polarisation de la grille.
- Les amplificateurs de classe B peuvent être efficaces de 60 à 65 %. Le semi-conducteur ou le tube à vide effectue la moitié du cycle mais nécessite une grande puissance d'entraînement.
- La classe AB1 est l'endroit où la grille est plus biaisée négativement qu'elle ne l'est dans la classe A.
- La classe AB2 est l'endroit où la grille est souvent plus polarisée négativement qu'en AB1, et la taille du signal d'entrée est souvent plus grande. Lorsque le variateur est capable de rendre le réseau positif, le courant du réseau augmente.
- Les amplificateurs de classe C peuvent être efficaces à environ 75% avec une plage de conduction d'environ 120°, mais ils sont très non linéaires . Ils ne peuvent être utilisés que pour les modes non AM, tels que FM, CW ou RTTY. Le semi-conducteur ou le tube à vide effectue moins de la moitié du cycle RF. L'augmentation de l'efficacité peut permettre à un tube à vide donné de fournir plus de puissance RF qu'il ne le pourrait en classe A ou AB. Par exemple, deux tétrodes 4CX250Bfonctionnant à 144 MHz peuvent fournir 400 watts en classe A, mais lorsqu'elles sont polarisées en classe C, elles peuvent fournir 1 000 watts sans crainte de surchauffe. Encore plus de courant de réseau sera nécessaire.
- Les amplificateurs de classe D utilisent une technologie de commutation pour atteindre un rendement élevé, dépassant souvent 90 %, ce qui nécessite moins de puissance pour fonctionner que celui des autres types d'amplificateurs. En raison du train numérique utilisé pour piloter l'amplificateur, beaucoup ne considèrent pas l'amplificateur de classe D comme un amplificateur linéaire, pourtant de nombreux fabricants audio et radio ont intégré sa conception dans des applications linéaires.
Bien que les amplificateurs de puissance (PA) de classe A soient les meilleurs en termes de linéarité, leur efficacité est plutôt médiocre par rapport aux autres classes d'amplification telles que les amplificateurs "AB", "C" et Doherty . Cependant, une efficacité plus élevée conduit à une non-linéarité plus élevée et la sortie PA sera déformée, souvent dans une mesure qui ne répond pas aux exigences de performance du système. Par conséquent, les amplificateurs de puissance de classe AB ou d'autres variantes sont utilisés avec une forme appropriée de schémas de linéarisation tels que la rétroaction , l' anticipation ou la prédistorsion analogique ou numérique (DPD). Dans les systèmes d'amplificateur de puissance DPD, les caractéristiques de transfert de l'amplificateur sont modélisées en échantillonnant la sortie du PA et les caractéristiques inverses sont calculées dans un processeur DSP. Le signal numérique en bande de base est multiplié par l'inverse des caractéristiques de transfert non linéaires PA, converti en fréquences RF et est appliqué à l'entrée PA. Avec une conception soignée de la réponse PA, les moteurs DPD peuvent corriger la distorsion de sortie PA et atteindre des rendements plus élevés.
Avec les progrès des techniques de traitement du signal numérique, la prédistorsion numérique (DPD) est désormais largement utilisée pour les sous-systèmes d' amplificateurs de puissance RF . Pour qu'un DPD fonctionne correctement, les caractéristiques de l'amplificateur de puissance doivent être optimales et des techniques de circuit sont disponibles pour optimiser les performances du PA.
Radioamateur
La plupart des amplificateurs linéaires de un à deux kilowatts fabriqués dans le commerce et utilisés dans la radio amateur utilisent encore des tubes à vide (valves) et peuvent fournir une amplification de puissance RF 10 à 20 fois (10 à 13 dB). Par exemple, un émetteur pilotant l'entrée avec 100 watts sera amplifié à 2 000 watts (2 kW) de sortie vers l'antenne. Les amplificateurs linéaires à semi-conducteurs sont le plus souvent dans la gamme des 500 watts et peuvent être alimentés par aussi peu que 25 watts.
Les grands amplificateurs linéaires à tubes à vide reposent généralement sur un ou plusieurs tubes à vide alimentés par une alimentation à très haute tension pour convertir de grandes quantités d'énergie électrique en énergie radiofréquence. Les amplificateurs linéaires doivent fonctionner avec une polarisation de classe A ou de classe AB , ce qui les rend relativement inefficaces. Alors que la classe C a une efficacité bien plus élevée, un amplificateur de classe C n'est pas linéaire et ne convient que pour l'amplification de signaux à enveloppe constante . Ces signaux comprennent FM , FSK , MFSK et CW ( code Morse ).
Diffuser des stations de radio
Les étages de sortie des émetteurs radio AM professionnels jusqu'à 50 kW doivent être linéaires et sont désormais généralement construits à l'aide de technologies à semi-conducteurs. De gros tubes à vide sont encore utilisés pour les émetteurs internationaux de diffusion à ondes longues, moyennes et courtes de 500 kW à 2 MW.