II. Amplificateur en régime dynamique

Classes de fonctionnement

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La triode. Le transistor bipolaire, équivalence avec la triode. Gammes de fréquences, les classes de fonctionnement (classe A, classe B, classe C).

1. Introduction

Nous ne considérons pour l’instant que l’amplificateur élémentaire, c’est-à-dire à un seul étage d’amplification : le tube électronique puis le transistor (bipolaire ou unipolaire).

2. Triode

La triode est donc le tout premier amplificateur électronique.

L’anode A (appelée aussi la plaque) est polarisée positivement par rapport à la cathode C (alimentation en courant continu).

Le signal alternatif en entrée \(V_e\) est appliqué à la grille G. Le signal de sortie \(V_s\) est recueilli vers la plaque, aux bornes d’une résistance de charge \(R_s\).

Un condensateur est nécessaire pour bloquer la tension continue de l’anode. Entrée et sortie sont en masse commune.

L’amplification est donnée par la relation : \[A=\frac{K~R_s}{\rho+R_s}\]

  • \(K\) : coefficient d’amplification du tube

  • \(\rho\) : résistance interne du tube

En pratique, dans les tubes modernes, on obtient une amplification de l’ordre de 50.

La tension amplifiée par un premier tube peut être appliquée à la grille d’un second tube. C’est le montage en cascade qui peut comporter un nombre plus ou moins grand d’étages. L’amplification est alors le produit des amplifications de chacun des étages.

3. Transistor bipolaire. Équivalence avec la triode

En première approximation, le tube à vide est un tripôle dont les trois bornes sont reliées à la cathode C, à la grille G et à l’anode A.

On peut alors comparer le transistor NPN à une triode, les batteries d’alimentation ayant même sens dans les deux cas. C’est l’inverse pour un transistor PNP.

Ainsi, on obtiendra, en principe, le montage électronique à transistors correspondant à un montage en triode en utilisant la correspondance base-grille, émetteur-cathode, collecteur-anode.

En pratique, les choses ne sont pas aussi simples :

  1. parce que l’impédance d’entrée d’un étage à transistor est faible (en général quelques dizaines à quelques milliers d’ohms) tandis que celle d’une triode est, aux capacités parasites près, infinie aux fréquences inférieures à 10 MHz ;

  2. parce qu’un transistor ne sépare pas son circuit de sortie de son circuit d’entrée comme le fait une triode : l’impédance de sortie d’un étage à transistor dépend de l’impédance de la source du signal qui débite dans l’entrée.

Une importante différence à noter est que la température extérieure n’influe pas sur le fonctionnement des triodes et que deux triodes de même désignation commerciale sont pratiquement interchangeables, tandis que les paramètres des transistors dépendent de la température ; de plus, ils changent d’un transistor à un autre de même type.

Il en résulte que les montages à transistors doivent à la fois être stabilisés contre les variations de températures et fonctionner correctement dans les limites de tolérances(assez larges) des paramètres indiqués par les fabricants de transistors.

4. Classes de fonctionnement

4.1. Gammes de fréquences

Suivant la fréquence des signaux à amplifier, on peut classer les amplificateurs électroniques pratiquement en quatre catégories :

  1. Amplificateurs très basses fréquences (TBF)

    De la fréquence nulle à quelques dizaines de hertz. Ces amplificateurs sont parfois désignés sous le nom d’amplificateurs en continu.

  2. Amplificateurs basses fréquences (BF), dites aussi audio-fréquences (AF)

    Dans la gamme de fréquences 30 Hz – 30 kHz. Utilisés essentiellement pour la reproduction des sons, enregistrements sonores et asservissements.

  3. Amplificateurs hautes fréquences (HF), dites aussi radio-fréquences (RF)

    Dans la gamme de fréquence 30 kHz – 30 MHz. Utilisés pour les transmissions en grandes ondes, petites ondes et ondes courtes.

  4. Amplificateurs à très hautes fréquences (VHF)

    Leur limite supérieure, qui augmente continuellement au fur et à mesure des progrès techniques, se situe actuellement aux environs d’une dizaine de gigaherz. Notamment utilisés en radio FM, télévision, communication par satellite, détection électromagnétique (radar).

4.2. Classes de fonctionnement

On répartit aussi les amplificateurs principalement dans trois classes dénommées A, B, C suivant la position du point de repos (\(Q\)) sur la caractéristique dynamique représentant la variation de l’intensité d’anode \(I_A\) en fonction de la tension de grille \(V_g\).

Concrètement, ce point de repos est obtenu comme l’intersection de la courbe de caractéristique dynamique avec la droite de charge : \[f(R_s,~I_A,~V_G)=0\]

4.2.1. Classe A

Le point de repos est situé au milieu de la caractéristique.

Si l’amplitude du signal appliqué est faible, les alternances positives et négatives du signal entraînent des variations égales du signal d’anode.

L’amplification est parfaitement linéaire.

4.2.2. Classe B

Le point de repos est situé à l’origine de la caractéristique dynamique.

Seule l’alternance positive du signal est amplifiée. Il en résulte une énorme distorsion rendant l’amplificateur inutilisable, à moins d’utiliser un deuxième étage identique amplifiant l’alternance négative.

On réalise ainsi un amplificateur symétrique (push-pull). Il s’agit d’un montage symétrique comportant deux tubes identiques recevant sur leur grille de commande deux signaux en opposition de phase.

La distorsion est réduite par élimination des harmoniques pairs et le rendement de l’amplificateur est maximal.

Le montage symétrique exige le recours à un circuit inverseur de phase, comportant soit un transformateur d’entrée à deux secondaires, soit un étage inverseur comportant un ou deux tubes.

4.2.3. Classe C

Le point de repos est situé au-delà de l’origine de la dynamique caractéristique. Ce type d’amplificateur, d’un rendement élevé, n’est utilisable qu’en radio-fréquences.

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