I. Principes et caractéristiques

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Définitions. Principe de fonctionnement (linéarité). Phénomènes de distorsion (amplitude, harmonique, phase ou temps de propagation de groupe, intermodulation). Bruit.

1. Définitions

L’amplificateur électronique est un système dont la fonction consiste à augmenter la tension (amplificateur de tension), l’intensité (amplificateur de courant) d’un signal électrique, ou les deux.

Pour réaliser cette opération, un apport d’énergie est nécessaire. Celui-ci ne peut être extrait du système lui-même : il provient généralement de l’alimentation électrique du système. Ces alimentations en continu peuvent être de type \(\pm\) 5 V ou \(\pm\) 12 V en fonction de la technologie utilisée. Ces valeurs extrêmes ont une grande importance.

L’alimentation joue un rôle fondamental dans l’amplification électrique. Elle doit être réalisée avec soin et surtout adaptée au problème à traiter. Ainsi le choix de la consommation minimale (cas de la technologie MOS) ou celui de la dynamique maximale.

Un amplificateur est parfait (ou encore linéaire) quand le signal de sortie est la réplique du signal d’entrée à l’amplitude près qui est augmentée : l’amplitude a été multiplié par le coefficient d’amplification : \[v_2(t)=K_v~v_1(t)\qquad\text{ou}\qquad i_2(t)=K_i~i_1(t)\]

Exprimée dans le plan de Fourier ou de Laplace : \[V_2=K_v~V_1\qquad\text{ou}\qquad I_2=K_i~I_1\]

On peut dire aussi que l’amplificateur permet d’augmenter la puissance maximale disponible que peut fournir un système pour alimenter une charge. Le mot charge étant entendu au sens large : antenne radioélectrique, enceinte électroacoustique, etc.

Le premier amplificateur électronique a été la triode, obtenue en intercalant dans un tube à vide, entre la plaque et la cathode, une grille contrôlée par une tension continue. On désigne souvent ces tubes à vide sous le nom de lampes par référence à la désignation de nos anciens postes de radio dans lesquels le tube à vide émettait une lueur à la manière d’une lampe d’éclairage.

2. Principe de fonctionnement

Le tube triode (ou le transistor) constitue en soi un amplificateur élémentaire : il s’agit de composants actifs, c’est-à-dire de composants dont la mise en fonction est liée à une alimentation.

2.1. Équations de l’amplificateur

La représentation symbolique d’un amplificateur est celle du quadripôle (ici un amplificateur de tension). Elle suppose, ce qui est trivial, que l’alimentation de l’amplificateur soit indépendante des signaux d’entrée et de sortie.

En écriture matricielle : \[\begin{pmatrix} V_1\\ V_2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} Z_e&G_{12}\\ G_r&Z_s \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} I_1\\ I_2 \end{pmatrix}\]

  • \(Z_e\) : impédance d’entrée

  • \(Z_s\) : impédance de sortie

  • \(G_{12}\) : gain de transductance

  • \(G_r\) : paramètre de réaction

Revenant à l’expression du système d’équations : \[\left\{ \quad \begin{aligned} V_1&=Z_e~I_1+G_{12}~I_2\\ V_2&=G_r~I_1+Z_s~I_2 \end{aligned} \right.\]

Pour un amplificateur parfait:

  • \(G_{12}=0\) : le courant de sortie n’influence pas l’entrée ;

  • \(Z_s=0\) : la tension de sortie ne dépend pas du courant de sortie.

Ce qui se traduit par : \[\frac{V_2}{V_1}=\frac{G_r}{Z_e}=G=\text{cte}\]

2.2. Linéarité

La linéarité de l’amplification résulte du fait que le rapport de l’amplitude du signal de sortie à celui du signal d’entré est constant (il s’agit du coefficient d’amplification).

Mathématiquement, dans le graphe de la caractéristique \(V_s=f(V_e)\), cette linéarité se traduit par une pente constante.

Cependant, en pratique, cette particularité ne peut exister et être réalisée que partiellement, sur un domaine donné de \(V_e\). Ce qui est logique, car, physiquement, la limitation de la linéarité dépend de l’alimentation : la tension de sortie ne peut dépasser la valeur de la tension d’alimentation. Lorsque ce phénomène se produit, on dit qu’il y a saturation de l’amplificateur.

3. Phénomènes de distorsion

Dans la pratique, les conditions de fonctionnement idéal ne peuvent être tout à fait respectées. Il s’ensuit alors une altération des caractéristiques :

  • bande passante,

  • gain en puissance,

  • bruit dû au facteur de température,

  • distorsion du signal lui-même.

On évalue les performances d’un amplificateur en étudiant :

  • son rendement,

  • sa linéarité,

  • sa bande passante,

  • le rapport signal / bruit entre l’entrée et la sortie.

3.1. Distorsion d’amplitude

La distorsion d’amplitude se produit lorsque la bande passante n’est pas assez large pour que soit amplifié l’ensemble des fréquences (spectre) composant le signal.

Cependant, même si cela se produit, on notera que, si le signal d’entrée est purement sinusoïdal, le signal de sortie le sera également.

3.2. Distorsion harmonique

La distorsion harmonique est provoquée par un défaut de linéarité de l’amplitude. Ce qui signifie que, si le signal d’entrée est sinusoïdal, le signal de sortie ne le sera plus.

Cette sinusoïde déformée peut-être considérée comme la composition (somme) d’une sinusoïde pure (celle du signal fondamental) et de sinusoïdes de fréquences multiples de cette fondamentale (appelées harmoniques). On se référera pour cela à un exercice bien connu en analyse de Fourier (théorie du signal) : celui de la décomposition en série de Fourier d’un signal périodique en forme de créneau.

Le taux de distorsion harmonique \(\tau_{dh}\) sera fonction du rapport entre ces harmoniques et la fondamentale. On l’exprimera comme le rapport des valeurs efficaces entre la fréquence fondamentale et les autres fréquences apparues.

Définition de la Commission électrotechnique internationale : \[\tau_{dh}=100~\frac{v_h}{v}\qquad\text{avec~:}\quad v=\sum_{h=1}^H v_h^2\]

  • \(h\) : rang de l’harmonique

  • \(v_h\) : valeur efficace de l’harmonique de rang \(h\)

  • \(v\) : valeur efficace globale

  • \(H\) : rang du dernier harmonique dans la bande passante

3.3. Distorsion de phase ou temps de propagation de groupe

Le signal de sortie d’un amplificateur est composé généralement 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 la composent n’est pas la même.

On quantifie cette distorsion en précisant les différences de retard en fonction de la fréquence. Il est alors possible de 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 d’amplificateurs à phase linéaire.

3.4. Distorsion d’intermodulation

Si des étages d’amplification sont non linéaires, on observera, en plus de la distorsion harmonique, l’apparition de fréquences parasites. Il s’agit de combinaisons linéaires des fréquences composant le signal à amplifier.

C’est le cas des fréquences parasites qui perturbent les liaisons radio. En audio, l’oreille est capable de percevoir les fréquences parasites, superposées au signal.

4. Bruit dans un amplificateur

Dans un amplificateur, des signaux parasites ou bruits peuvent provenir des composants ou de l’environnement. Il existe cinq types de bruits électriques :

  • le bruit thermique,

  • le bruit de grenaille,

  • le bruit de scintillation (flicker noise),

  • le bruit d’avalanche,

  • le bruit en créneaux.

Il est possible de réduire ces bruits en s’attaquant à leurs origines, mais aussi en limitant le plus possible la bande passante (par filtrage) afin d’éliminer le bruit présent hors des fréquences de travail.

Les quatre premiers types de bruit ont fait l’objet d’articles dans le rubrique Bruit électronique.

Quant au bruit dit en créneau, il s’agit essentiellement des créneaux de tension (ou de courant) dont l’amplitude s’étend de moins de 1 µV à plusieurs centaines de microvolts. L’intervalle entre les créneaux est de l’ordre de la milliseconde. Dans un ampli audio, ce bruit produit des pops aléatoires, ce qui lui vaut le nom de bruit popcorn.

Ces bruits sont liés à des imperfections dans les semi-conducteurs. Les conditions les plus favorables semblent être :

  • les basses températures,

  • la présence de résistances de forte valeur.

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