Amplificateur est le terme générique utilisé pour décrire un circuit qui produit une version augmentée de son signal d’entrée. Cependant, comme nous le verrons dans cette introduction au tutoriel sur les amplificateurs, tous les circuits amplificateurs ne sont pas identiques car ils sont classés selon leurs configurations de circuit et leurs modes de fonctionnement.

Dans le domaine de l’« Électronique », les amplificateurs à petit signal sont des appareils couramment utilisés car ils ont la capacité d’amplifier un signal d’entrée relativement faible, par exemple provenant d’un Senseur tel qu’un dispositif photo, en un signal de sortie beaucoup plus important pour piloter un relais, une lampe ou un haut-parleur, par exemple.

Il existe de nombreuses formes de circuits électroniques classés comme amplificateurs, allant des amplificateurs opérationnels et des amplificateurs à petit signal aux amplificateurs à grand signal et amplificateurs de puissance. La classification d’un amplificateur dépend de la taille du signal, grande ou petite, de sa configuration physique et de la manière dont il traite le signal d’entrée, c’est-à-dire la relation entre le signal d’entrée et le courant circulant dans la charge.

Le type ou la classification d’un Amplificateur est donné dans le tableau suivant.

Les amplificateurs peuvent être considérés comme une simple boîte ou un bloc contenant le dispositif amplificateur, tel qu’un Transistor Bipolaire, un Transistor à Effet de Champ ou un Amplificateur Opérationnel, ayant deux bornes d’entrée et deux bornes de sortie (la masse étant commune) avec le signal de sortie étant beaucoup plus grand que celui du signal d’entrée car il a été « Amplifié ».

Un amplificateur de signal idéal aura trois propriétés principales : Résistance d’Entrée ou (R_IN), Résistance de Sortie ou (R_OUT) et bien sûr amplification, communément connue sous le nom de Gain ou (A). Peu importe à quel point un circuit amplificateur est compliqué, un modèle d’amplificateur général peut toujours être utilisé pour montrer la relation entre ces trois propriétés.

Modèle d’Amplificateur Idéal

La différence amplifiée entre les signaux d’entrée et de sortie est connue sous le nom de Gain de l’amplificateur. Le gain est essentiellement une mesure de combien un amplificateur « amplifie » le signal d’entrée. Par exemple, si nous avons un signal d’entrée de 1 volt et une sortie de 50 volts, alors le gain de l’amplificateur serait « 50 ». En d’autres termes, le signal d’entrée a été augmenté d’un facteur de 50. Cette augmentation est appelée Gain.

Le gain de l’amplificateur est simplement le rapport entre la sortie et l’entrée. Le gain n’a pas d’unités car c’est un ratio, mais en électronique, il est couramment donné le symbole « A », pour Amplification. Ensuite, le gain d’un amplificateur est simplement calculé comme le « signal de sortie divisé par le signal d’entrée ».

Gain de l’Amplificateur

L’introduction au gain de l’amplificateur peut être considérée comme la relation qui existe entre le signal mesuré à la sortie et le signal mesuré à l’entrée. Il existe trois types différents de gain amplificateur qui peuvent être mesurés et ceux-ci sont : Gain de Tension (Av), Gain de Courant (Ai) et Gain de Puissance (Ap) selon la quantité mesurée avec des exemples de ces différents types de gains donnés ci-dessous.

Gain de l’Énergie du Signal d’Entrée

Gain de Tension de l’Amplificateur

Gain de Courant de l’Amplificateur

Gain de Puissance de l’Amplificateur

Notez que pour le gain de puissance, vous pouvez également diviser la puissance obtenue à la sortie par la puissance obtenue à l’entrée. Lorsque vous calculez le gain d’un amplificateur, les indices v, i et p sont utilisés pour désigner le type de gain de signal utilisé.

Le gain de puissance (Ap) ou le niveau de puissance de l’amplificateur peut également être exprimé en Décibels (dB). Le Bel (B) est une unité de mesure logarithmique (base 10) qui n’a pas d’unités. Comme le Bel est une unité de mesure trop grande, il est préfixé par déci en faisant de lui un Décibel, un décibel étant un dixième (1/10) d’un Bel. Pour calculer le gain de l’amplificateur en Décibels ou dB, nous pouvons utiliser les expressions suivantes.

•   Gain de Tension en dB :   a_v  =  20*log(Av)
•   Gain de Courant en dB :   a_i  =  20*log(Ai)
•   Gain de Puissance en dB :   a_p  =  10*log(Ap)

Notez que le gain de puissance DC d’un amplificateur est égal à dix fois le logarithme commun du ratio de sortie à entrée, tandis que les gains de tension et de courant sont 20 fois le logarithme commun du ratio. Notez cependant que 20 dB n’est pas deux fois plus de puissance que 10 dB en raison de l’échelle logarithmique.

De plus, un valeur positive de dB représente un Gain et une valeur négative de dB représente une Pertes au sein de l’amplificateur. Par exemple, un gain d’amplificateur de +3 dB indique que le signal de sortie de l’amplificateur a « doublé » (x2), tandis qu’un gain d’amplificateur de -3 dB indique que le signal a « diminué de moitié » (x0.5) ou en d’autres termes, une perte.

Le point -3 dB d’un amplificateur est appelé le point de demi-puissance, qui est à -3 dB en dessous du maximum, en considérant 0 dB comme la valeur de sortie maximum.

Introduction à l’Amplificateur Exemple No1

Déterminez le gain de tension, de courant et de puissance d’un amplificateur qui a un signal d’entrée de 1 mA à 10 mV et un signal de sortie correspondant de 10 mA à 1 V. De plus, exprimez les trois gains en décibels (dB).

Les Différents Gains d’Amplificateur :

Gains d’Amplificateur exprimés en Décibels (dB) :

Alors, l’amplificateur a un gain de tension (Av) de 100, un gain de courant (Ai) de 10 et un gain de puissance (Ap) de 1 000.

En général, les amplificateurs peuvent être subdivisés en deux types distincts selon leur gain de puissance ou de tension. Un type est appelé Amplificateur à Petit Signal qui inclut des amplificateurs préalables, des amplificateurs d’instrumentation, etc. Les amplificateurs à petit signal sont conçus pour amplifier des niveaux de tension de signal très faibles d’à peine quelques micro-volts (μV) provenant de capteurs ou de signaux audio.

L’autre type est appelé Amplificateurs à Grand Signal tels que les amplificateurs de puissance audio ou les amplificateurs de commutation de puissance. Les amplificateurs à grand signal sont conçus pour amplifier de grands signaux de tension d’entrée ou commuter de forts courants de charge comme on trouve en alimentant des haut-parleurs.

Introduction à l’Amplificateur de Puissance

L’Amplificateur à Petit Signal est généralement référencé comme un amplificateur de « Tension » car ils convertissent habituellement une petite tension d’entrée en une tension de sortie beaucoup plus grande. Parfois, un circuit amplificateur est requis pour entraîner un moteur ou alimenter un haut-parleur et pour ces types d’applications où de forts courants de commutation sont nécessaires, des Amplificateurs de Puissance sont requis.

Comme leur nom l’indique, le principal travail d’un « Amplificateur de Puissance » (également connu sous le nom d’amplificateur de grand signal) est de fournir de l’énergie à la charge, et comme nous le savons, est le produit de la tension et du courant appliqués à la charge avec la puissance du signal de sortie étant supérieure à celle de l’entrée. En d’autres termes, un amplificateur de puissance amplifie la puissance du signal d’entrée, c’est pourquoi ces types de circuits amplificateurs sont utilisés dans les étages de sortie des amplificateurs audio pour alimenter des haut-parleurs.

L’amplificateur de puissance fonctionne selon le principe de base de convertir la puissance DC tirée de l’alimentation en un signal de tension AC délivré à la charge. Bien que l’amplification soit élevées, l’efficacité de conversion de l’entrée de l’alimentation en puissance de signal de tension AC est généralement mauvaise.

L’amplificateur parfait ou idéal nous donnerait un rendement de 100 % ou du moins la puissance « EN » serait égale à la puissance « SORTIE ». Cependant, en réalité, cela ne peut jamais se produire car une partie de la puissance est perdue sous forme de chaleur et aussi, l’amplificateur lui-même consomme de la puissance pendant le processus d’amplification. Alors, l’efficacité d’un amplificateur est donnée comme suit :

Efficacité de l’Amplificateur

Amplificateur Idéal

Nous pouvons maintenant spécifier les caractéristiques d’un amplificateur idéal à partir de notre discussion ci-dessus concernant son Gain, c’est-à-dire le gain de tension :

• Le gain des amplificateurs, ( A ) doit rester constant pour des valeurs variées de signal d’entrée.
• Le gain ne doit pas être affecté par la fréquence. Les signaux de toutes les fréquences doivent être amplifiés de la même manière.
• Le gain de l’amplificateur ne doit pas ajouter de bruit au signal de sortie. Il devrait retirer tout bruit qui existe déjà dans le signal d’entrée.
• Le gain de l’amplificateur ne devrait pas être affecté par les variations de température, offrant une bonne stabilité thermique.
• Le gain de l’amplificateur doit rester stable sur de longues périodes.

Classes d’Amplificateurs Électroniques

La classification d’un amplificateur en tant qu’amplificateur de tension ou de puissance est effectuée en comparant les caractéristiques des signaux d’entrée et de sortie en mesurant la durée pendant laquelle le courant circule dans le circuit de sortie par rapport au signal d’entrée.

Nous avons vu dans le tutoriel sur le Transistor à Émetteur Commun que pour que le transistor fonctionne dans sa « Région Active », une forme de « Polarisation de Base » était requise. Cette petite tension de polarisation de base ajoutée au signal d’entrée a permis au transistor de reproduire complètement la forme d’onde d’entrée à sa sortie sans perte de signal.

Cependant, en modifiant la position de cette tension de polarisation de base, il est possible de faire fonctionner un amplificateur dans un mode d’amplification autre que celui de la reproduction complète de l’onde. Avec l’introduction du voltage de polarisation de base dans l’amplificateur, différents intervalles de fonctionnement et modes de fonctionnement peuvent être obtenus, qui sont classés selon leur classification. Ces différents modes de fonctionnement sont mieux connus sous le nom de Classe d’Amplificateur.

Les amplificateurs de puissance audio sont classés dans un ordre alphabétique selon leurs configurations de circuit et leur mode de fonctionnement. Les amplificateurs sont désignés par différentes classes de fonctionnement telles que classe « A », classe « B », classe « C », classe « AB », etc. Ces différentes classes d’amplificateurs varient d’une sortie presque linéaire mais avec une faible efficacité à une sortie non linéaire mais avec une haute efficacité.

Aucune classe de fonctionnement n’est « meilleure » ou « pire » qu’une autre classe, le type d’opération étant déterminé par l’utilisation du circuit amplificateur. Il existe des efficacités de conversion maximales typiques pour les différents types ou classes d’amplificateurs, avec les plus couramment utilisées étant :

• Amplificateur de Classe A  –  a une faible efficacité de moins de 40 % mais bonne reproduction du signal et linéarité.
• Amplificateur de Classe B  –  est deux fois plus efficace que les amplificateurs de classe A avec une efficacité théorique maximale d’environ 70 % parce que le dispositif amplificateur ne conduit (et n’utilise de la puissance) que pour la moitié du signal d’entrée.
• Amplificateur de Classe AB  –  a un niveau d’efficacité entre celui de Classe A et Classe B mais une reproduction du signal moins bonne que les amplificateurs de Classe A.
• Amplificateur de Classe C  –  est la classe d’amplificateur la plus efficace, mais la distorsion est très élevée car seule une petite partie du signal d’entrée est amplifiée, donc le signal de sortie ressemble très peu au signal d’entrée. Les amplificateurs de Classe C ont la pire reproduction de signal.

Introduction à l’Amplificateur – L’Amplificateur de Classe A

La configuration de base d’un amplificateur de classe A fournit une bonne introduction au circuit amplificateur. Le fonctionnement de l’Amplificateur de Classe A est tel que l’ensemble du signal d’entrée est fidèlement reproduit à la borne de sortie de l’amplificateur car le transistor est parfaitement polarisé dans sa région active. Cela signifie que le transistor de commutation n’est jamais entraîné dans ses régions d’arrêt ou de saturation. Le résultat est que le signal d’entrée AC est parfaitement « centré » entre les limites de signal supérieures et inférieures de l’amplificateur comme indiqué ci-dessous.

Forme d’Onde de Sortie de l’Amplificateur de Classe A

Une configuration d’amplificateur de Classe A utilise le même transistor de commutation pour les deux moitiés de la forme d’onde de sortie et, en raison de son arrangement de polarisation central, le transistor de sortie a toujours un courant de polarisation DC constant, (I_CQ) circulant à travers lui, même en l’absence de signal d’entrée. En d’autres termes, le transistor de sortie ne s’éteint jamais et est dans un état de repos permanent.

Cela signifie que le type de fonctionnement Classe A est quelque peu inefficace car sa conversion de la puissance de l’alimentation DC à la puissance du signal AC délivré à la charge est généralement très faible.

En raison de ce point de polarisation centré, le transistor de sortie d’un amplificateur de Classe A peut être très chaud, même en l’absence de signal d’entrée, donc une forme de refroidissement est nécessaire. Le courant de polarisation DC circulant à travers le collecteur du transistor (I_CQ) est égal au courant circulant à travers la charge du collecteur. Ainsi, un amplificateur de Classe A est très inefficace car la plupart de cette puissance DC est convertie en chaleur.

Introduction à l’Amplificateur – Amplificateur de Classe B

Contrairement au mode de fonctionnement de l’amplificateur de Classe A ci-dessus qui utilise un seul transistor pour son étage de puissance de sortie, l’Amplificateur de Classe B utilise deux transistors complémentaires (soit un NPN et un PNP ou un NMOS et un PMOS) pour amplifier chaque moitié de la forme d’onde de sortie.

Un transistor conduit uniquement pour une moitié de la forme de onde du signal tandis que l’autre conduit pour l’autre moitié. Cela signifie que chaque transistor passe la moitié de son temps dans la région active et l’autre moitié dans la région d’arrêt, amplifiant ainsi seulement 50 % du signal d’entrée.

Le fonctionnement en Classe B n’a pas de tension de polarisation DC directe contrairement à l’amplificateur de Classe A, mais au lieu de cela, le transistor ne conduit que lorsque le signal d’entrée est supérieur à la tension base-émetteur (V_BE) et pour les transistors en silicium, cela représente environ 0,7 V. Par conséquent, avec zéro signal d’entrée, il n’y a zéro sortie. Comme seule la moitié du signal d’entrée est présentée à la sortie de l’amplificateur, cela améliore l’efficacité de l’amplificateur par rapport à la configuration de Classe A précédente, comme le montre ci-dessous.

Forme d’Onde de Sortie de l’Amplificateur de Classe B

Dans un amplificateur de Classe B, aucune tension DC n’est utilisée pour polariser les transistors, donc pour que les transistors de sortie commencent à conduire chaque moitié de l’onde, tant positive que négative, ils doivent avoir la tension de base-émetteur V_BE supérieure à la chute de tension directe de 0,7 V requise pour un transistor bipolaire standard pour commencer à conduire.

Ainsi, la partie inférieure de la forme d’onde de sortie qui est en dessous de cette fenêtre de 0,7 V ne sera pas reproduite avec précision. Cela résulte en une zone déformée de la forme d’onde de sortie alors qu’un transistor se met « OFF » en attendant que l’autre se remette « ON » une fois que V_BE > 0,7V. Ce type de distorsion est appelé Distorsion de Croisement et sera examiné plus tard dans cette section.

Introduction à l’Amplificateur – Amplificateur de Classe AB

L’Amplificateur de Classe AB est un compromis entre les configurations de Classe A et Classe B ci-dessus. Bien que le fonctionnement de Classe AB utilise encore deux transistors complémentaires dans son étage de sortie, une très petite tension de polarisation est appliquée à la Base de chaque transistor pour les polariser près de leur région d’arrêt lorsque aucun signal d’entrée n’est présent.

Un signal d’entrée fera fonctionner le transistor normalement au sein de sa région active, éliminant ainsi toute distorsion de croisement qui est toujours présente dans la configuration de Classe B. Un petit courant de polarisation Collecteur (I_CQ) circulera à travers le transistor en l’absence de signal d’entrée, mais en général, il est bien moindre que celui de la configuration d’amplificateur de Classe A.

Ainsi, chaque transistor est « ALLUMÉ » pour un peu plus de la moitié d’un cycle de la forme d’onde d’entrée. La petite polarisation de l’amplificateur de Classe AB améliore à la fois l’efficacité et la linéarité du circuit amplificateur par rapport à une configuration pure de Classe A ci-dessus.

Forme d’Onde de Sortie de l’Amplificateur de Classe AB

En tant qu’introduction à l’amplificateur, lors de la conception de circuits amplificateurs, la classe de fonctionnement d’un amplificateur est très importante car elle détermine la quantité de polarisation du transistor requise pour son fonctionnement ainsi que l’amplitude maximale du signal d’entrée.

La classification des amplificateurs prend en compte la portion du signal d’entrée pendant laquelle le transistor de sortie conduit ainsi que la détermination à la fois de l’efficacité et de la quantité de puissance que le transistor de commutation consomme et dissipe sous forme de chaleur. Ici, nous pouvons établir une comparaison entre les types de classifications d’amplificateur les plus courants dans le tableau suivant.

Classes d’Amplificateurs de Puissance

Des amplificateurs mal conçus, en particulier les types de Classe « A », peuvent également nécessiter des transistors de puissance plus importants, des dissipateurs thermiques plus coûteux, des ventilateurs de refroidissement, voire une augmentation de la taille de l’alimentation requise pour fournir l’énergie perdue supplémentaire demandée par l’amplificateur. La puissance convertie en chaleur par les transistors, les résistances ou tout autre composant, rend tout circuit électronique inefficace et entraînera une défaillance prématurée de l’appareil.

Alors pourquoi utiliser un Amplificateur de Classe A si son efficacité est inférieure à 40 % par rapport à un Amplificateur de Classe B, qui a une efficacité supérieure de plus de 70 %. Fondamentalement, un Amplificateur de Classe A fournit une sortie beaucoup plus linéaire, ce qui signifie qu’il a, Linéarité sur une plus large réponse en fréquence, même s’il consomme de grandes quantités de puissance DC.

Dans ce tutoriel sur l’Introduction à l’Amplificateur, nous avons vu qu’il existe différents types de circuits amplificateurs, chacun avec ses propres avantages et inconvénients. Dans le prochain tutoriel sur les amplificateurs, nous examinerons le type de circuit amplificateur à transistor le plus couramment connecté, l’amplificateur à émetteur commun. La plupart des amplificateurs à transistors sont de type Commutateur Émetteur ou CE en raison de leurs grands gains en tension, courant et puissance ainsi que de leurs excellentes caractéristiques d’entrée/sortie.