Classes d'amplificateurs

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

Les classes d'amplificateurs sont un moyen de décrire le fonctionnement d'un amplificateur électronique.

Sommaire 1 Introduction 2 Classe A 3 Classe B et AB 4 Classe C 5 Classe D 6 Les classes spéciales 6.1 Les classes E et F 6.2 Classe G 6.3 Classe H 6.4 Les autres classes 7 Bibliographie 7.1 En français 7.2 En anglais 7.3 Références 7.4 Liens externes

[modifier] Introduction

Les circuits amplificateurs sont classés dans les catégories A, B, AB et C pour les amplificateurs analogiques, et D ou E pour les amplificateurs à découpage. Pour les amplificateurs analogiques, chaque classe définit la proportion du signal d’entrée qui est utilisée par chaque composant actif pour arriver au signal amplifié (voir figure ci-contre), ce qui est aussi donné par l’angle de conduction a :

Classe A 

La totalité du signal d’entrée (100%) est utilisée (a = 360°).

Classe B 

La moitié du signal (50%) est utilisée (a = 180°).

Classe AB 

Plus de la moitié mais pas la totalité du signal (50–100%) est utilisée (180° < a < 360°).

Classe C 

Moins de la moitié (0–50%) du signal est utilisée (0 < a < 180°).

Les amplificateurs de classe AB se nomment ainsi car ils fonctionnent comme des classe A pour les signaux de faible amplitude, puis ils passent progressivement en classe B au fur et à mesure que l’amplitude du signal augmente. On rajoute parfois deux sous-classes à la classe AB :

Classe AB1 

La tension de base ou de grille est toujours négative. Le montage n’absorbe pas de courant de l’étage précédent.

Classe AB2 

La tension de base ou de grille peut devenir positive, l’amplificateur absorbe alors du courant de l’étage précédent.

Il est possible, suivant le niveau du signal d’entrée, qu’un amplificateur passe de AB1 à AB2 lors de son fonctionnement. Ces deux sous-classes n’ont de sens que pour les amplificateurs à tube. En effet, il existe toujours un courant de base dans un transistor bipolaire, et toute variation de tension sur la base d’un transistor à effet de champ nécessitera un courant afin de charger ou décharger la capacité de base inhérente à cette technologie de transistor.

Le système des classes d’amplification peut être compris plus facilement en utilisant les diagrammes des paragraphes ci-dessous. Afin de simplifier les illustrations, un transistor bipolaire est utilisé comme composant amplificateur, mais il peut être remplacé par un MOSFET ou un tube. Dans un amplificateur analogique, le signal est appliqué à l’électrode d’entrée (base ou grille) provoquant une augmentation proportionnelle du courant à travers l’électrode de sortie. Le courant de sortie est obtenu à partir de l’alimentation. Le signal de sortie est une image amplifiée de l’entrée, mais de signe contraire (amplificateur inverseur). Il existe d’autres configurations possibles, mais celles utilisées ici (émetteur commun, source commune et collecteur commun) sont les plus simples pour comprendre le système des classes d’amplification. Si le composant d’amplification est linéaire, alors la sortie sera inversement proportionnelle à l’entrée. En pratique, les composants actifs ne sont pas linéaires. La sortie n’est qu’une approximation de l’entrée. Les non-linéarités sont à l’origine des distorsions dans un amplificateur. La classe d’un amplificateur (A, B, AB ou C) dépend de la polarisation du composant amplificateur. Dans les schémas ci-dessous, le circuit de polarisation a été omis pour des raisons de simplicité.

Tous les amplificateurs ne sont qu’une réalisation imparfaite d’un amplificateur idéal. La limitation la plus importante vient de la puissance de sortie qui est limitée par la puissance maximale que peut fournir l’alimentation. Un amplificateur peut saturer et écrêter la sortie si le signal demandé est trop important pour que l’amplificateur puisse le reproduire.

[modifier] Classe A

Un amplificateur de classe A amplifie tout le signal d’entrée, de sorte que le signal de sortie est une homothétie exacte de l’entrée. Les amplificateurs de classe A sont généralement utilisés pour faire des amplificateurs de petits signaux. Ils n’ont pas un bon rendement (moins de 30 %), mais pour les petits signaux, la dissipation de puissance reste faible et peut donc être tolérée. Par contre, si les niveaux de tension et de courant demandés en sortie sont élevés, la mise en place d’un classe A peut devenir problématique. Dans un circuit de classe A, le composant actif est polarisé de façon à ce qu’il conduise toujours, et qu’il fonctionne dans la zone la plus linéaire de sa fonction de transfert (ou transconductance). Comme le composant actif conduit toujours, même sans charge, il dissipe toujours de la puissance. C’est la raison de son faible rendement.

Si on a besoin d’un classe A de forte puissance, les pertes énergétiques vont devenir très importantes. Pour chaque watt délivré à la charge, l’amplificateur en dissipera, au mieux, un autre watt. Les classe A de puissance importante vont avoir besoin d’alimentations de très forte puissance mais aussi de larges dissipateurs afin de dissiper l’énergie perdue. Les amplificateurs de classe A ont presque disparu des amplificateurs audio, bien que beaucoup d’audiophiles considèrent que ce sont ceux qui donnent la meilleure qualité sonore, de par leur linéarité. De plus, certains passionnés préfèrent les tubes aux transistors pour plusieurs raisons :les tubes sont plus souvent utilisés dans des circuits de classe A car ils possèdent une fonction de transfert asymétrique. Cela veut dire que la distorsion d’un signal sinusoïdal contiendra à la fois des harmoniques pairs et impairs. Ils affirment que le son produit est plus « musical » que celui d’un amplificateur push-pull symétrique qui ne contient que des harmoniques impairs ^{[1] [2]}. Bien qu’un bon amplificateur réduise tous les harmoniques dus à la distorsion à un niveau inaudible, le contenu harmonique est essentiel quand la distorsion est intentionnelle comme dans le cas d’une guitare électrique. Un autre argument est que les tubes utilisent plus d’électrons que les transistors, amenant à une approximation statistique « plus douce » du signal d’entrée (voir bruit grenaille pour plus d’information). Les transistors à effet de champ possèdent des caractéristiques similaires aux tubes, on les retrouve donc plus souvent dans les amplificateurs haut de gamme que les transistors bipolaires. Historiquement, les amplificateurs à tubes sont souvent des classe A car les tubes sont volumineux et chers et les schémas de classe A n’utilisent qu’un seul composant actif. Les transistors sont moins chers, et les schémas plus élaborés donnant un meilleur rendement utilisent plus de composants mais restent meilleur marché. Une application classique des classe A est la paire différentielle, qui est exceptionnellement linéaire, et constitue l’étage de base de beaucoup de circuits plus complexes, comme beaucoup d’amplificateurs audio et la majorité des amplificateurs opérationnels.

[modifier] Classe B et AB

Les amplificateurs de classe B n’amplifient que la moitié du signal d’entrée. Ils créent donc beaucoup de distorsion, mais leur rendement est grandement amélioré. Cela est possible car le composant actif est bloqué pendant la moitié de la période. En pratique, on trouve rarement un classe B seul, bien qu’il puisse être employé dans les amplificateurs radio où la distorsion n’est pas importante. Cependant, la classe C est utilisée plus fréquemment pour ce genre d’application.

Un circuit pratique employant des éléments de classe B est l’utilisation de paire complémentaire ou montage « push-pull ». Dans ce cas, chaque composant complémentaire amplifie une moitié différente du signal, qui sont ensuite recombinées en sortie. Ce montage possède un excellent rendement mais peut souffrir d’une discontinuité de signal à l’endroit où les deux moitiés de signal se rejoignent. Ce phénomène s’appelle la distorsion de croisement. Une solution pour réduire ce problème consiste à polariser légèrement les composants actifs afin qu’ils soient légèrement passants et non bloqués quand on ne les utilise pas. On parle alors de classe AB. Chaque composant fonctionne dans une zone non-linéaire qui est linéaire uniquement pour un peu plus de la moitié du signal d’entrée, mais il continue à conduire durant une partie de la seconde moitié du signal. De tels circuits se comportent comme des classe A quand les deux composants sont dans leur zone linéaire. Toutefois, le circuit ne mérite pas strictement l’appellation de classe A car si le signal dépasse cette zone, un seul des deux composants sera alors dans sa zone linéaire et on retrouvera les distorsions typiques d’un classe B. Toutefois, quand les deux moitiés de signal sont combinées, les distorsions de croisement diminuent fortement ou s’annulent entre elles.

Les push-pull de classe B ou AB sont les circuits les plus couramment utilisés en audio. La classe AB est souvent considérée comme le meilleur compromis pour les amplificateurs audio. En effet, il se comporte comme un classe A si le volume est faible et comme un classe B pour les volumes plus importants. De cette façon, les signaux de faible amplitude sont reproduits avec la plus grande fidélité possible tandis que les signaux de forte amplitude sont reproduits avec des distorsions négligeables. Les classes B et AB sont parfois utilisées pour faire des amplificateurs linéaires d’ondes radio.

[modifier] Classe C

Les amplificateurs de classe C amplifient moins de 50% du signal d’entrée. Le taux de distorsion est important, mais on peut atteindre un rendement de 90%. Certaines applications comme les mégaphones peuvent tolérer un taux de distorsion important. Les amplificateurs de classe C sont plus couramment utilisés dans les émetteurs radio, où le taux de distorsion peut être réduit grâce à l’utilisation d’une charge accordée dans l’amplificateur. Le signal d’entrée est utilisé pour faire commuter le composant actif de passant à bloqué. Cette tension pulsation crée un courant à travers un circuit accordé. Le circuit accordé ne résonne que pour une gamme de fréquences, éliminant ainsi les fréquences non désirées. Le signal désiré (une sinusoïde) est alors transmis à la charge accordée. Si la gamme de fréquences à amplifier n’est pas très importante, ce genre de système fonctionne parfaitement. Les derniers harmoniques résiduels peuvent être éliminés à l’aide d’un filtre.

[modifier] Classe D

Un amplificateur de classe D est un amplificateur dont tous les composants de puissance sont utilisés comme des interrupteurs. De tels étages de sortie sont utilisés, par exemple, dans les générateurs d’impulsions. Cependant, la plupart du temps, ce terme s’applique à des amplificateurs qui doivent reproduire des signaux dont la bande passante est plus faible que la fréquence de commutation. Ces amplificateurs utilisent la modulation de largeur d’impulsion, la modulation de densité d’impulsion ou des formes plus avancées de modulation comme la modulation Sigma delta (voir par exemple, l’amplificateur audio AD1990 de Analog Devices). Le signal d’entrée est converti en une série d’impulsions dont la valeur moyenne est directement proportionnelle à l’amplitude du signal à l’instant considéré. La fréquence des impulsions est généralement au moins dix fois supérieure à la plus haute fréquence que l’on veut reproduire. Le spectre de la sortie d’un tel amplificateur contient des fréquences non désirées (par exemple, la fréquence de découpage et ses harmoniques) qui doivent être enlevés par filtrage.

Le principal avantage des amplificateurs de classe D est leur rendement. Les impulsions de sorties étant d’amplitude constante, les interrupteurs (en général des MOSFETs, mais les tubes ou les transistors bipolaires sont aussi utilisés) travaillent en mode bloqué ou saturé plutôt qu’en mode linéaire. Cela signifie qu’en dehors de leurs ouvertures ou fermetures, les composants actifs en mode saturé dissipent très peu d’énergie. La puissance instantanée dissipée dans un transistor, qui est le produit courant tension, est faible lors des états saturé et bloqué car l’une ou l’autre des deux unités est quasiment nulle lors de ces états. Le peu de pertes engendrées par ce type d’amplificateur permet d’utiliser des dissipateurs et des alimentations plus petits.

Les amplificateurs de classe D peuvent être contrôlés par un circuit analogique ou numérique. Un contrôleur numérique introduit une distorsion supplémentaire appelée « erreur de quantification » causée par la conversion numérique du signal d’entrée.

Les amplificateurs de classe D étaient couramment utilisés pour le contrôle des moteurs électriques, et presque exclusivement des moteurs à courant continu. Mais ils sont actuellement aussi utilisés comme amplificateurs audio. La difficulté relative pour obtenir une bonne qualité audio implique qu’ils sont généralement utilisés dans des applications où la qualité sonore n’est pas un facteur déterminant comme les systèmes audio miniatures. Dans les années 2000, on commence a voir apparaître sur le marché des amplificateurs de classe D de haute qualité, certains d’entre eux dépassant même les circuits classiques. Plusieurs constructeurs proposent des modules déjà construits et prêts à être utilisés dans un système audio intégré. Un des premiers et prolifique secteur d’application fut les subwoofers de fortes puissances pour l'automobile. Les subwoofers ayant généralement une bande passante limitée à moins de 150 Hz, la fréquence de commutation de l’amplificateur n’a pas besoin d’être aussi élevée que pour un amplificateur audio « normal ». Ils sont devenus si peu coûteux que l’on peut trouver en 2006 des amplificateurs ayant une puissance de sortie réelle d’un kW pour moins de 200 €. Leur rendement se situe entre 80 % et 95 %.

Note : La lettre D est utilisée pour désigner ce type d’amplificateur car c’est la lettre qui vient après C, cela n’est pas une abréviation de « digital ». Les amplificateurs de classe D et E sont parfois qualifiés, à tort, de numériques. Cette confusion vient de la forme d’onde de la sortie qui ressemble à un train d’impulsions numérique. En fait, ces amplificateurs fonctionnent sur le principe de la modulation de largeur d’impulsion. Un signal de sortie numérique serait en modulation d’impulsion codée.

[modifier] Les classes spéciales

[modifier] Les classes E et F

Les amplificateurs de classe E et F sont des amplificateurs à haut rendement. Ils sont généralement utilisés pour amplifier les fréquences radio. Le principe des amplificateurs de classe E a été publié pour la première fois en 1975 par Nathan O. Sokal et Alan D. Sokal ^[3]. Les amplificateurs de classe F reprennent le même principe que les amplificateurs de classe E mais avec une charge accordée à une fréquence et à quelques uns de ses harmoniques, tandis que la charge des amplificateurs de classe E n’est accordée que pour la fréquence fondamentale. Le concept de base de ces amplificateurs est que le modèle des composants actifs, un transistor par exemple, est une combinaison linéaire de deux parties : (1) un interrupteur théorique « parfait », et (2) un réseau complexe d’éléments parasites qui lui sont attachés (capacités, inductances et résistances). Après cette décomposition, il est possible d’éliminer les pertes de chaque composant :

1. L’interrupteur « parfait » doit devenir passant lors d’un zéro de tension et doit être bloqué lors d’un zéro de courant. Ainsi, l’interrupteur laisse passer du courant ou a une tension à ses bornes non nulle, mais jamais les deux à la fois. La puissance dissipée étant égale au produit courant tension, elle devient nulle. Cela peut se réaliser en modifiant la phase (condensateur) ou la composante continue (résistance) du signal d’entrée du transistor.
2. La partie imaginaire de l’impédance des éléments parasites peut être modifiée, un à un, en les associant à un autre composant passif qui possède une impédance conjuguée, laissant ainsi seulement la partie réelle de l’impédance complexe.

En théorie, les seules pertes restantes sont dues à la partie réelle des impédances parasites du système, qui ne peuvent être éliminées. Cette classe d’amplificateurs est uniquement utilisée pour la gamme de fréquences radioélectriques, où l’analyse de l’amplificateur se fait dans le domaine fréquentiel et non dans le domaine tension/courant. Cette classe est encore divisée en sous-classes en fonction des harmoniques qui sont pris en compte durant la commutation au zéro de tension (Zero-Voltage Switching en anglais) et la commutation au zéro de courant (Zero-Current Switching en anglais). On parle alors de classe E/F2, de classe F^-1, ….

La figure ci-dessous montre le schéma d’un amplificateur de classe E/F utilisant les principes exposés plus haut pour augmenter son rendement.

L’interrupteur est périodiquement ouvert et fermé à la fréquence de fonctionnement. En général, le rapport cyclique est de 50 %. La bobine d’arrêt possède une forte impédance afin d’assurer une fonction de source de courant. Les autres composants passifs sont choisis afin de satisfaire les conditions suivantes : (1) la tension aux bornes de l’interrupteur est nulle au moment de sa fermeture ; (2) la dérivée temporelle de la tension est nulle lorsque l’interrupteur devient passant. De plus, Ls et Cs forment un circuit résonnant à la fréquence de fonctionnement.

En pratique, l’interrupteur est remplacé par un transistor qui fonctionne en mode saturé (passant) ou bloqué. Le rendement théorique d’un amplificateur de classe E utilisant des composants parfaits est de 100 %. Cependant, les circuits réels souffrent de nombreuses imperfections les empêchant d’atteindre un rendement de 100 %. Ces imperfections incluent les temps de commutation finis, la résistance interne et la tension de saturation non nulle du transistor, ainsi que les pertes dans les composants passifs utilisés à haute fréquence. En pratique, le rendement est de 60 % pour les fréquences allant de 1 à 2 GHz.

Cette classe d’amplificateurs est spécialement étudiée pour amplifier les trains d’ondes rectangulaires, comme ceux utilisés pour la transmission de données numériques. Les trains d’ondes ou d’impulsions rectangulaires ont des besoins spécifiques à cause de leur contenu spectral. En effet, ils exigent une reproduction fidèle des hautes fréquences présentes dans leurs fronts montants et descendants, sans rajouter d’artefact (dépassements, oscillations, …) pendant le processus d’amplification. De plus, les basses fréquences doivent aussi être prises en considération à cause des variations que peut engendrer la charge (une ligne de transmission en général).

[modifier] Classe G

Les amplificateurs de classe G sont des amplificateurs de classe AB à fort rendement. Ces amplificateurs possèdent plusieurs bus de tensions différentes et passent de l’un à l’autre en fonction de la puissance demandée en sortie. Cela permet d’augmenter le rendement en diminuant la puissance « perdue » dans les transistors de sortie.

[modifier] Classe H

Les amplificateurs de classe H sont similaires à ceux de classe G, à la différence près que la tension d’alimentation « suit », ou est modulée par le signal d’entrée. L’alimentation maintient en permanence sa tension de sortie à un niveau légèrement plus élevé que ce qui est nécessaire. En général, ils possèdent deux tensions d’alimentation, comme ceux de la classe G, mais seule la tension d'alimentation la plus élevée est modulée. L’alimentation modulée est généralement réalisée grâce à un amplificateur de classe D.

[modifier] Les autres classes

Plusieurs fabricants ont inventé de nouvelles classes afin de se différencier des autres. Ces nouvelles classes ne reflètent généralement aucune idée d’amplification révolutionnaire, mais sont plutôt utilisées à des fins de marketing. Cela s’exprime souvent par le fait que le nom de la classe est une marque déposée ou sous copyright. Par exemple, « classe T » est une marque déposée de TriPath qui fabrique des amplificateurs audio. Cette nouvelle classe T est en fait un amplificateur de classe D standard fonctionnant à une fréquence de 650 kHz, avec un système de modulation propriétaire ^{[4] [5] [6]}.

[modifier] Bibliographie

[modifier] En français

• Paul Horowitz, Winfield Hill, Traité de l’électronique analogique et numérique (The Art of Electronics), vol. 1 : Techniques analogiques, Publitronic, 1996 (ISBN 2866610709)
• Tien Lang Tran, Électronique analogique des circuits intégrés, Masson, 1997 (ISBN 2225853061)
• Jean Hiraga, Initiation aux amplis à tubes, Dunod, 1998. (ISBN 2100052691)
• Albert Paul Malvino, Principes d’électronique, Dunod, 2002, 6^e édition. (ISBN 210005810X) (traduction de la 6^e édition de l’ouvrage anglais)

[modifier] En anglais

• Ron Mancini, Op Amps for Everyone, Newnes, 2003, second edition. (ISBN 0750677015) (Disponible sur le site de TI (PDF))
• Douglas Self, Audio Power Amplifier Design Handbook, Newnes, 2006. (ISBN 0750680725)
• Albert Paul Malvino and David J. Bates, Electronic Principles, McGraw-Hill Science, 2006, seventh edition. (ISBN 0073222771)

[modifier] Références

[modifier] Liens externes

• (en) Rane audio’s guide to amplifier classes ;
• (en) Design and analysis of a basic class D amplifier ;
• (en) Conversion: distortion factor to distortion attenuation and THD ;
• (en) Why Class D Amplifiers May Test Well But Often Sound Terrible ;
• (en) An alternate topology called the grounded bridge amplifier (PDF) ;
• (en) Contains an explanation of different amplifier classes (PDF) ;
• (en) Reinventing the power amplifier (PDF) ;
• (en) Anatomy of the power amplifier, including information about classes ;
• (en) Tons of Tones !! : Site explaining non linear distortion stages in Amplifier Models ;

• (en) International Rectifier application note 1071 : Class D Audio Amplifier Basics
• (en) National semiconductors application note A: The Monolithic Operational Amplifier: A Tutorial Study (PDF) ;
• (en) Texas Instruments white paper SLOA011: Understanding Operational Amplifier Specifications (PDF) ;
• (en) National semiconductors application note 20: An Applications Guide for Op Amps (PDF) ;
• (en) National semiconductors application note 30: Log Converters (PDF) ;
• (en) Analog Devices technical article: A Practical Review of Common Mode and Instrumentation Amplifiers (PDF).

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article en anglais : « Electronic amplifier. »