Pour qu’un amplificateur de signal fonctionne correctement sans aucune distorsion de l’amplificateur, il nécessite une forme de polarité continue (DC) sur sa borne de base ou de grille. Une polarité DC est requise afin que l’amplificateur puisse amplifier le signal d’entrée sur l’ensemble de son cycle, avec le point de polarisation “Q” réglé aussi près que possible du milieu de la ligne de charge.

Le réglage du point de polarisation Q nous donnera une configuration d’amplification de type “Classe A”, où l’arrangement le plus courant est l’émetteur commun pour les transistors bipolaires ou la configuration à source commune pour les transistors FET unipolaires.

Le gain de puissance, de tension ou de courant (amplification) fourni par l’amplificateur est le rapport de la valeur de sortie maximale à sa valeur d’entrée maximale (Sortie ÷ Entrée).

Cependant, si nous concevons incorrectement notre circuit amplificateur et réglons le point de polarisation Q à la mauvaise position sur la ligne de charge ou appliquons un signal d’entrée trop grand à l’amplificateur, le signal de sortie résultant peut ne pas être une reproduction exacte de la forme d’onde du signal d’entrée d’origine. En d’autres termes, l’amplificateur souffrira de ce que l’on appelle couramment la distorsion d’amplificateur. Considérons le circuit amplificateur à émetteur commun ci-dessous.

Amplificateur à Émetteur Commun

La distorsion de la forme d’onde du signal de sortie peut se produire parce que :

• L’amplification peut ne pas avoir lieu sur l’ensemble du cycle du signal en raison de niveaux de polarisation incorrects.
• Le signal d’entrée peut être trop grand, empêchant ainsi les transistors de l’amplificateur d’être limités par la tension d’alimentation.
• L’amplification peut ne pas être un signal linéaire sur toute la plage de fréquence des entrées.

Cela signifie alors que pendant le processus d’amplification de la forme d’onde du signal, une forme de distorsion d’amplificateur a eu lieu.

Les amplificateurs sont fondamentalement conçus pour amplifier de petits signaux d’entrée en signaux de sortie beaucoup plus grands, ce qui signifie que le signal de sortie change constamment par un facteur ou une valeur, appelée gain, multiplié par le signal d’entrée pour toutes les fréquences d’entrée. Nous avons vu précédemment que ce facteur de multiplication est appelé la valeur Beta, β du transistor.

Les circuits de transistor à émetteur commun ou même à source commune fonctionnent bien pour de petits signaux d’entrée CA mais souffrent d’un inconvénient majeur, la position calculée du point de polarisation Q d’un amplificateur bipolaire dépend de la même valeur Beta pour tous les transistors. Cependant, cette valeur Beta variera d’un transistor à un autre du même type, en d’autres termes, le point Q d’un transistor n’est pas nécessairement le même que celui d’un autre transistor de même type en raison des tolérances de fabrication inhérentes.

Ensuite, la distorsion d’amplificateur se produit parce que l’amplificateur n’est pas linéaire et une forme de distorsion d’amplificateur appelée distorsion d’amplitude en résultera. Un choix judicieux du transistor et des composants de polarisation peut aider à minimiser l’effet de la distorsion de l’amplificateur.

Distorsion d’Amplificateur Due à la Distorsion d’Amplitude

La distorsion d’amplitude se produit lorsque les valeurs maximales de la forme d’onde de fréquence sont atténuées, entraînant une distorsion due à un déplacement du point Q et l’amplification peut ne pas avoir lieu sur l’ensemble du cycle du signal. Cette non-linéarité de la forme d’onde de sortie est montrée ci-dessous.

Distorsion d’Amplitude due à une Polarisation Incorrecte

Si le point de polarisation des transistors est correct, la forme d’onde de sortie devrait avoir la même forme que celle de la forme d’onde d’entrée, seulement plus grande (amplifiée). S’il y a une insuffisance de polarisation et que le point Q se trouve dans la moitié inférieure de la ligne de charge, alors la forme d’onde de sortie ressemblera à celle de droite, avec la moitié négative de la forme d’onde de sortie “coupée” ou limitée. De même, s’il y a trop de polarisation et que le point Q se trouve dans la moitié supérieure de la ligne de charge, alors la forme d’onde de sortie ressemblera à celle de gauche avec la moitié positive “coupée” ou limitée.

De plus, lorsque la tension de polarisation est réglée trop basse, pendant la moitié négative du cycle, le transistor ne conduit pas complètement, donc la sortie est définie par la tension d’alimentation. Lorsque la polarisation est trop élevée, la moitié positive du cycle saturera le transistor et la sortie chutera presque à zéro.

Même avec le niveau de tension de polarisation correct, il est encore possible que la forme d’onde de sortie soit distordue en raison d’un signal d’entrée important amplifié par le gain du circuit. Le signal de tension de sortie devient limité dans les deux parties positive et négative de la forme d’onde et ne ressemble plus à une onde sinusoïdale, même lorsque la polarisation est correcte. Ce type de distorsion d’amplitude est appelé limitation et est le résultat d’un “sur-amplissage” de l’entrée de l’amplificateur.

Lorsque l’amplitude d’entrée devient trop grande, la limitation devient substantielle et force le signal de la forme d’onde de sortie à dépasser les rails de tension de l’alimentation avec les parties máximales (moitié positive) et les creux (moitié négative) de la forme d’onde devenant aplaties ou “coupées”. Pour éviter cela, la valeur maximale du signal d’entrée doit être limitée à un niveau qui empêchera cet effet de limitation comme montré ci-dessus.

Distorsion d’Amplitude due à la Limitation

La distorsion d’amplitude réduit considérablement l’efficacité d’un circuit amplificateur. Ces “sommet plat” de la forme d’onde de sortie distordue, qu’ils résultent d’une polarisation incorrecte ou d’un sur-amplissage de l’entrée, n’apportent rien à la force du signal de sortie à la fréquence souhaitée.

Cela dit, certains guitaristes et groupes de rock bien connus préfèrent que leur son distinctif soit fortement distordu ou “sur-amplifié” en coupant fortement la forme d’onde de sortie à la fois aux rails d’alimentation positive et négative. De plus, augmenter les niveaux de limitation sur une sinusoïdale produira une telle distorsion d’amplificateur qu’elle produira finalement une forme d’onde de sortie qui ressemble à celle d’une forme d’onde “carrée” qui peut ensuite être utilisée dans des circuits de synthétiseurs électroniques ou numériques.

Nous avons vu qu’avec un signal DC, le niveau de gain de l’amplificateur peut varier avec l’amplitude du signal, mais en plus de la distorsion d’amplitude, d’autres types de distorsion de l’amplificateur peuvent se produire avec des signaux CA dans les circuits amplificateurs, tels que la distorsion de fréquence et la distorsion de phase.

Distorsion d’Amplificateur Due à la Distorsion de Fréquence

La distorsion de fréquence est un autre type de distorsion d’amplificateur qui survient dans un amplificateur à transistor lorsque le niveau d’amplification varie avec la fréquence. De nombreux signaux d’entrée qu’un amplificateur pratique va amplifier consistent en la forme d’onde de signal requise appelée “Fréquence Fondamentale” plus un certain nombre de fréquences différentes appelées “Harmoniques” superposées à celle-ci.

Normalement, l’amplitude de ces harmoniques est une fraction de l’amplitude fondamentale et donc a très peu ou pas d’effet sur la forme d’onde de sortie. Cependant, la forme d’onde de sortie peut devenir distordue si ces fréquences harmoniques augmentent en amplitude par rapport à la fréquence fondamentale. Par exemple, considérons la forme d’onde ci-dessous :

Distorsion de Fréquence due aux Harmoniques

Dans l’exemple ci-dessus, la forme d’onde d’entrée se compose de la fréquence fondamentale plus un signal harmonic de second ordre. La forme d’onde de sortie résultante est montrée sur le côté droit. La distorsion de fréquence se produit lorsque la fréquence fondamentale se combine avec la seconde harmonique pour distordre le signal de sortie. Les harmoniques sont donc des multiples de la fréquence fondamentale et dans notre exemple simple, une seconde harmonique a été utilisée.

Par conséquent, la fréquence de l’harmonique est le double de la fondamentale, 2*ƒ ou 2ƒ. Ensuite, une troisième harmonique serait 3ƒ, une quatrième, 4ƒ, et ainsi de suite. La distorsion de fréquence due aux harmoniques est toujours une possibilité dans les circuits amplificateurs contenant des éléments réactifs tels que la capacité ou l’inductance.

Distorsion d’Amplificateur Due à la Distorsion de Phase

La distorsion de phase ou la distorsion de délai est un type de distorsion d’amplificateur qui se produit dans un amplificateur à transistor non linéaire lorsqu’il y a un délai temporel entre le signal d’entrée et son apparition à la sortie.

Si nous disons que le changement de phase entre l’entrée et la sortie est nul à la fréquence fondamentale, l’angle de phase résultant sera la différence entre l’harmonique et la fondamentale. Ce délai dépendra de la construction de l’amplificateur et augmentera progressivement avec la fréquence dans la bande passante de l’amplificateur. Par exemple, considérons la forme d’onde ci-dessous :

Distorsion de Phase due au Délai

À part les amplificateurs audio haut de gamme, la plupart des amplificateurs pratiques auront une certaine forme de distorsion d’amplificateur constituée d’une combinaison à la fois de “distorsion de fréquence” et de “distorsion de phase”, avec en plus de la distorsion d’amplitude. Dans la plupart des applications, telles que dans les amplificateurs audio ou les amplificateurs de puissance, à moins que la distorsion de l’amplificateur ne soit excessive ou sévère, elle n’affectera généralement pas le fonctionnement ou le son de sortie de l’amplificateur.

Dans le prochain tutoriel sur les amplificateurs, nous examinerons l’amplificateur de classe A. Les amplificateurs de classe A sont le type d’étage de sortie amplificateur le plus courant, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans des amplificateurs de puissance audio.