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.