Les classes d'amplification

• Ne pas confondre montage du transistor (électrode sur laquelle le signal n’est ni appliqué ni recueilli, voir chapitre 6) et classe d’amplification (tension de repos de l’amplificateur, voir ci-après).

- on peut "mixer" les montages avec les classes d’amplification

- le montage d’amplificateur le plus courant est l’émetteur commun dont le signal d’entrée est alimenté en classe A

• La tension de repos est la tension en l’absence de signal à l’entrée du circuit.

• Le niveau de cette tension par rapport à la plage de fonctionnement de l’amplificateur définit la classe d’amplification.

Classe A

• la tension de repos au milieu de la plage de fonctionnement
• montage linéaire et très courant
• rendement faible (50% maxi théorique, 30% en pratique)
• le déphasage du signal de 180° est dû au montage en émetteur commun (et non pas à la classe d’amplification).

Classe B

• utilise 2 transistors qui amplifient chacun une alternance du signal.
• la tension de repos est à la limite de la plage de fonctionnement
• encombrant et difficile à régler
• harmoniques impaires (3F, 5F)
• rendement moyen (78,6% en théorie, 50% en pratique)
• nécessite des transistors appairés et/ou complémentaires (PNP/NPN).

Classe C

• la tension de repos est en dessous de la plage de fonctionnement
• montage peu courant (CW, FM)
• fort rendement (80% et +)
• génère un fort niveau d’harmoniques
• seule une partie du signal est amplifiée le reste du signal est restitué par le circuit oscillant
• pas de courant de repos (le transistor reste bloqué jusqu’à la tension B).

Classe D (impulsion à largeur variable - PWM)

• utilisée essentiellement en BF
• montage avec un ampli op (comparateur).

Les autres classes se basent sur les principes des 4 classes de base (A, B, C et D). Par exemple, on trouve les classes AB :

• la tension de repos est inférieure à celle de la classe A, ce qui augmente le rendement de l’amplificateur sans trop détériorer sa linéarité
- AB1 : pas d'absorption du courant de l'étage précédent amplificateur à haute impédance, utilisé en HF suivi d’un filtre
- AB2 : absorption d’une partie du courant de l'étage précédent, utilisé en HF comme les montages en classe C (CW, FM). Le signal à amplifier n’est pas intégralement compris dans la plage d’amplification (écrêtage du bas du signal).

Résistance de charge

• La résistance de charge est le dispositif normalement utilisé pour récupérer les variations de tension aux bornes de sortie du transistor. Cette résistance est responsable du déphasage de 180° du montage en émetteur commun.

• Les paramètres de fonctionnement du transistor et du montage sont regroupés dans un graphique qui détermine la tension de sortie issue de la droite de charge en fonction de la tension d’entrée.

Application pratique

• Impédance d’entrée : 1 V / 30 μA = 33 kΩ sur la base

• Impédance de sortie : 5 V / 3 mA = 1666Ω sur le collecteur

• Résistance de charge : (12 V – 5 V) / 3 mA = 2333Ω

Liaisons entre les étages

• Les différents étages d'un montage peuvent être liés de différentes manières.

- En direct, le collecteur est relié à la base du transistor de l'étage suivant

- Mais ce montage reste peu utilisé

• Pour éviter des problèmes de niveau de tension,

- en courant continu
> une ou plusieurs diodes sont rajoutées en série

- en courant alternatif

> un condensateur en série séparera les étages

> afin d’adapter des impédances, la liaison par transformateur est utilisée.

• Un étage spécifique qui prend le nom de séparateur (ou tampon) sert à adapter les niveaux de puissances ou de tensions et/ou les impédances entre deux étages.

Amplificateur RF (radio fréquences)

• L’amplificateur RF amplifie de la HF. Il est constitué de filtres HF (circuit bouchon) et de circuits spécifiques :

• Malgré les précautions prises, il arrive souvent qu'un amplificateur RF ne soit pas linéaire. Dans ce cas des distorsions se produisent : le signal de sortie n’est plus identique (proportionnel) à celui d’entrée.

• Distorsion de fréquences

- dans notre exemple, les fréquences élevées sont moins amplifiées que les fréquences basses.

- mais l’inverse peut se produire

- ou encore le cas où une bande de fréquence est plus (ou moins) amplifiée que les autres.

• ce type de distorsion ne génère pas trop de problèmes sauf si les fréquences sont proches.

• Distorsion harmonique (ou d’amplitude)

- s'il n'existe qu'une fréquence en entrée, plusieurs signaux harmoniques (en général 2F et 3F) seront présents en sortie.

- Le taux de distorsion harmonique (TDH, en %) est le rapport obtenu en divisant

> la tension du signal parasite (harmonique n)
> par la tension du signal désiré (fréquence F)
>> TDH (%) = U_nF (V) / U_F (V)
>> On doit donc définir la tension parasite (2F ou 3F par exemple)
>> Lorsque l’on parle de taux de distorsion harmonique total , on prend en compte l’ensemble des signaux parasites. On n’additionne pas leur tension mais on retient pour les signaux parasites : U = √(2F² + 3F² + …), c’est-à-dire la somme des puissances exprimées en Volts.

• Les signaux parasites sont produits par la déformation du signal d’entrée après son passage dans l’amplificateur mal réglé

- par exemple, dans le schéma ci-dessous, saturation lors de l’amplification des alternances de sortie positives.
> le signal parasite est un harmonique 2 avec TDH = 50%
> le signal de sortie est déphasé de 180° (montage en émetteur commun).

- la déformation du signal est asymétrique (comme dans l’exemple ci-dessous) lorsque la ou les sinusoïdes parasites sont des harmoniques pairs (2, 4, …)

• la fonction Graphiques d’Excel simule des distorsions harmoniques.

- Cliquez ici pour télécharger le document excel : les données, résultat et graphique sont dans l’onglet "distorsions". C'est pour le Fun !

• Distorsion quadratique (ou distorsion d’intermodulation)

- l’amplificateur non linéaire se comporte en partie comme un mélangeur (voir § 7-7, séance de la semaine prochaine) générant des produits du second ordre (ou produits quadratiques).

- si on applique deux fréquences F1 et F2 à l’entrée d’un étage non linéaire, on trouvera en sortie :
> F1 et F2 (c’est normal pour un amplificateur),
> 2 x F1 et 2 x F2 (comme l’amplificateur à distorsion d’amplitude)
> et les mélanges "classiques" F1 + F2 et F1 – F2 (ou F2 – F1).

• Distorsion cubique

- un circuit amplificateur génère des distorsions cubiques (ou distorsions du 3ème ordre) lorsque, en plus des fréquences F1 et F2, on trouve en sortie des mélanges qui font intervenir trois fois les fréquences présentes à l’entrée :
> 3F1 et 3F2,
> 2F1+F2 et 2F2+F1
>> Élimination grâce à un filtre passe bas en sortie
> 2F1-F2 et 2F2-F1 ces deux derniers mélanges sont difficiles à éliminer.

Exemple

• A l’entrée d’un amplificateur non linéaire générant des distorsions quadratiques, les fréquences 1 kHz et 100 kHz sont présentes. Quelles sont les fréquences en sortie ?

- Réponse : 1, 2, 99, 100, 101 et 200 kHz

• Même question avec 99 et 100 kHz

- Réponse : 1, 99, 100, 198, 199 et 200 kHz

• L’amplificateur génère à présent des distorsions cubiques. Quelles sont les fréquences en sortie (avec toujours 99 et 100 kHz) ?

- Réponse :
98 (2F1-F2), 99 (F1), 100 (F2), 101 (2F2-F1)
297 (3F1), 298 (2F1+F2), 299 (2F2+F1) et 300 (3F2) kHz. Ces mélanges peuvent être éliminés par filtrage après l’amplificateur.

Chapitre 7

Deuxième partie
Etages spécifiques Radio Fréquences (RF)

- Oscillateurs
- multiplicateurs de fréquences
- Mélangeurs

Oscillateurs

• Un oscillateur est un circuit générateur de signaux périodiques (sinusoïdaux dans le monde de la radio) de fréquence calculée. Il existe des oscillateurs.

- à fréquence fixe (à quartz) (VXO)

- à fréquence variable commandés
> mécaniquement avec un condensateur variable (VFO),
> par la variation de tension sur une diode Varicap (VCO)
> électroniquement
>> avec un synthétiseur (PLL)
>> et plus récemment par traitement numérique (DDS)

- Le fréquencemètre mesure la fréquence d’un signal en comptant les périodes pendant une durée de référence connue et stable.

> plus cette durée est longue, plus l’affichage de la fréquence mesurée est fin.
> la précision de l’instrument dépend de l’oscillateur générant la durée de référence.

Les quartz

• Le quartz se trouve à l’état naturel sous forme de cristaux de silice (SiO2). Le composant nommé quartz est constitué :

- d'une lamelle de roche de quartz coincée entre les deux plaques d'un condensateur.

- schéma

- le courant circule à vitesse très réduite dans le quartz (environ 5700 m/s)

- la fréquence dépend de l’épaisseur de la lamelle utilisée

• Les quartz fonctionnent grâce à l'effet piézo-électrique du matériau.

- du grec (piézein) : presser, appuyer

- lors d’une pression (on applique une tension sur notre quartz), des charges électriques apparaissent sur les faces. Plus la tension est forte, plus le quartz se contracte et plus elle est basse, plus le quartz se dilate.

Les Oscillateurs

• Les schémas fonctionnels ne sont pas au programme de l’examen. Seuls les schémas de principe du PLL et du DDS sont au programme (voir plus loin). Les principaux montages sont :

• Un oscillateur fonctionne grâce à la réinjection en phase d’une partie du signal amplifié sur l’entrée du circuit.

• Les facteurs affectant les conditions de stabilité des oscillateurs sont :

- les variations de la tension d’alimentation,

- les variations de température des composants
> en particulier des transistors
> et des quartz

- les défauts de blindage des boîtiers contenant le montage (effet de main).

• Analyse du schéma synoptique d’un PLL (Phase Lock Loop, boucle à verrouillage de phase).

• Principe de fonctionnement

 • Analyse du schéma synoptique d’un DDS (Direct Digital Synthesis, synthèse digitale directe)

• Principe de fonctionnement

• Notions complémentaires :

- algorithme

- échantillonnage

- crénelage

- ces notions seront revues en détail au §8-5

Multiplicateurs de fréquences

• Un multiplicateur de fréquence est un circuit amplificateur RF monté en classe C (générateur de très fortes distorsions harmoniques) dont le filtre de sortie est accordé sur un des harmoniques de la fréquence d'entrée :

- x 2

- x 3

- ou x 5 maximum
> si la fréquence doit être multipliée par 9, deux multiplicateurs par 3 seront montés à la suite l’un de l’autre.

• le spectre d'un signal passant par un multiplicateur est modifié :

- en FM, l’excursion du signal est augmentée mais le signal reste "démodulable"

- en AM ou en BLU, seules les crêtes du signal sont amplifiées (montage en classe C) ce qui rend le signal transmis inexploitable.

• Exemple : quel est l’étage marqué ?

• Réponse : l’oscillateur génère du 3,5 MHz et la fréquence de sortie est 21 MHz. La fréquence de l’oscillateur est donc multipliée par 6 (21 / 3,5 = 6). Un multiplicateur par 2 est déjà représenté. L’étage marqué ? est donc un étage multiplicateur par 3.

Mélangeurs

• Un mélangeur est un circuit multiplicateur de tension :

- l’amplificateur n’est pas linéaire et la distorsion particulière du circuit (distorsion quadratique) nous permettra de récupérer en sortie un mélange de fréquences.

- le filtre de sortie sélectionne une des deux fréquences.

- soient F1 et F2 deux fréquences présentes aux entrées du mélangeur.
> à la sortie du mélangeur, deux fréquences sont générées :
>> Fmax = F1 + F2 (somme)
>> Fmin = F1 – F2 (différence)

• Le schéma du mélangeur n’est pas à connaître pour l’examen

• Pour trouver les fréquences d’entrée (F1 et F2) à partir des fréquences de sortie:

- F₁ = (F_max – F_min) / 2 (moitié de la différence)

- F₂ = F_max – F₁ (puisque Fmax = F₁+F₂)

• Exemple 1 : à l'entrée d'un mélangeur, on a 5 MHz et 8 MHz. Quelles fréquences trouve-t-on à la sortie du mélangeur ?

- F_max = 5 + 8 MHz = 13 MHz

- F_min = 5 – 8 MHz (ou 8 – 5 MHz) = 3 MHz

• Exemple 2 : à la sortie d'un mélangeur, on a 2 MHz et 22 MHz. Quelles sont les fréquences d’entrée du mélangeur ?

- F₁ = (F_max – F_min) / 2 = (22 – 2) / 2 = 20 / 2 = 10 MHz

- F₂ = F_max – F₁ = 22 – 10 = 12 MHz
> Vérification
>> F1 + F2 = 10 + 12 = 22
>> F2 – F1 = 12 – 10 = 2

• Lorsque le mélangeur n’est pas parfait, il ne multiplie pas exactement les tensions présentes à son entrée et on trouvera à sa sortie :

- les mélanges "classiques" F1 + F2 et F1 – F2 (mélanges du 2nd ordre) mais, comme pour les distorsions harmoniques d’un amplificateur linéaire, (voir le cours précédent) nous trouverons aussi :

- les fréquences F1 et F2 et leurs harmoniques
> s’il n’y a que les harmoniques 2 (2xF1 et 2xF2) ou paires, ce sont des distorsions quadratiques (qui sont une forme de distorsion harmonique)

- ainsi que d’autres combinaisons comme par exemple :

> [(2 x F1) + F2] ou [(2 x F1) – F2] (mélanges du 3ème ordre ou distorsions cubiques, une autre forme de distorsion harmonique).

• Les mélangeurs équilibrés ont des caractéristiques particulières

- ils sont constitués de diodes montées "en anneau"

- ils seront étudiés en détail au chapitre 12 (modulateur BLU)

• pour exemple, voici une fonction Graphiques  qui simule le signal en sortie de mélangeur avec F1 =5 et F2 =9 ; fréquences de sorties : 14 (9+5) et 4 (9–5)