Pour améliorer l’efficacité énergétique de l’amplificateur de Classe A précédent en réduisant la puissance perdue sous forme de chaleur, il est possible de concevoir le circuit de l’amplificateur de puissance avec deux transistors dans son étage de sortie. Cela crée ce que l’on appelle communément un Amplificateur de Classe B, également connu sous le nom de configuration d’amplificateur push-pull.

Les amplificateurs push-pull utilisent deux transistors « complémentaires » ou appariés, l’un étant de type NPN et l’autre de type PNP, les deux transistors de puissance recevant le même signal d’entrée ensemble, égal en magnitude, mais en opposition de phase. Cela signifie qu’un transistor amplifie uniquement une moitié ou 180^o du cycle de la forme d’onde d’entrée, tandis que l’autre transistor amplifie l’autre moitié ou les 180^o restants, avec les deux « moitiés » étant remises ensemble à la sortie.

La plage de conduction pour ce type de circuit amplificateur est donc seulement de 180^o ou 50% du signal d’entrée. Cet effet de poussée et de traction des cycles alternés par les transistors donne à ce type de circuit son amusant nom de « push-pull », mais est plus généralement connu sous le nom d’Amplificateur de Classe B, comme indiqué ci-dessous.

Circuit Amplificateur à Transformateur de Classe B

Le circuit ci-dessus montre un circuit d’Amplificateur de Classe B standard qui utilise un transformateur d’entrée à prise centrale équilibrée, qui divise le signal de forme d’onde entrant en deux moitiés égales et qui sont en opposition de phase de 180^o l’une par rapport à l’autre. Un autre transformateur à prise centrale à la sortie est utilisé pour recombiner les deux signaux, fournissant ainsi une puissance accrue à la charge. Les transistors utilisés pour ce type de circuit amplificateur push-pull à transformateur sont tous deux des transistors NPN avec leurs terminaux émetteurs connectés ensemble.

Ici, le courant de charge est partagé entre les deux dispositifs de transistor de puissance, diminuant dans un dispositif et augmentant dans l’autre tout au long du cycle du signal, réduisant ainsi la tension et le courant de sortie à zéro. Le résultat est que les deux moitiés de la forme d’onde de sortie oscillent maintenant de zéro à deux fois le courant de repos, réduisant ainsi la dissipation. Cela a pour effet d’augmenter presque de moitié l’efficacité de l’amplificateur à environ 70%.

En supposant qu’aucun signal d’entrée ne soit présent, chaque transistor porte alors le courant collecteur de repos normal, dont la valeur est déterminée par le biais de base qui est au point de coupure. Si le transformateur est précisément à prise centrale, alors les deux courants collecteurs circuleront dans des directions opposées (condition idéale) et il n’y aura pas de magnétisation du noyau du transformateur, minimisant ainsi la possibilité de distorsion.

Lorsque qu’un signal d’entrée est présent à travers le secondaire du transformateur pilote T1, les entrées de base des transistors sont en « anti-phase » entre elles, comme illustré, donc si la base de TR1 devient positive, entraînant le transistor dans une forte conduction, son courant collecteur augmentera mais, en même temps, le courant de base de TR2 deviendra négatif, le poussant encore plus à la coupure et le courant collecteur de ce transistor diminuera d’une quantité égale, et vice versa. Ainsi, les moitiés négatives sont amplifiées par un transistor et les moitiés positives par l’autre, donnant cet effet push-pull.

Contrairement à la condition CC, ces courants alternatifs sont ADDITIFS, entraînant la combinaison des deux demi-cycles de sortie pour reformer l’onde sinusoïdale dans l’enroulement primaire du transformateur de sortie, qui apparaît ensuite à la charge.

Le fonctionnement de l’Amplificateur de Classe B présente un biais CC nul, car les transistors sont biaisés au point de coupure, de sorte que chaque transistor ne conduit que lorsque le signal d’entrée est supérieur à la tension Base-émetteur. Par conséquent, à zéro entrée, il n’y a zéro sortie et aucune puissance n’est consommée. Cela signifie alors que le point Q réel d’un amplificateur de Classe B se trouve sur la partie Vce de la ligne de charge, comme indiqué ci-dessous.

Courbes de Caractéristiques de Sortie de Classe B

L’Amplificateur de Classe B a l’énorme avantage par rapport à leurs homologues amplificateurs de Classe A en ce sens qu’aucun courant ne circule à travers les transistors lorsqu’ils sont dans leur état de repos (c’est-à-dire sans signal d’entrée), donc aucune énergie n’est dissipée dans les transistors de sortie ou le transformateur lorsqu’il n’y a pas de signal présent, contrairement aux étages d’amplificateurs de Classe A qui nécessitent un biais de base significatif, dissipant ainsi beaucoup de chaleur – même sans signal d’entrée présent.

Ainsi, l’efficacité globale de conversion ( η ) de l’amplificateur est supérieure à celle de l’équivalent Classe A avec des efficacités atteignant jusqu’à 70 %, ce qui fait que presque tous les types modernes d’amplificateurs push-pull fonctionnent en mode Classe B.

Amplificateur Push-Pull Sans Transformateur

Un des principaux inconvénients du circuit d’amplificateur de Classe B ci-dessus est qu’il utilise des transformateurs équilibrés à prise centrale dans sa conception, rendant sa construction coûteuse. Cependant, il existe un autre type d’amplificateur de Classe B appelé Amplificateur de Classe B à Symétrie Complémentaire qui n’utilise pas de transformateurs dans sa conception, étant donc sans transformateur et utilisant à la place des paires de transistors de puissance complémentaires ou appariés.

Puisque les transformateurs ne sont pas nécessaires, cela rend le circuit amplificateur beaucoup plus petit pour la même quantité de sortie, et il n’y a pas non plus d’effets magnétiques indésirables ou de distorsion de transformateur pouvant affecter la qualité du signal de sortie. Un exemple de circuit d’amplificateur de Classe B « sans transformateur » est donné ci-dessous.

Étape de Sortie Sans Transformateur

Le circuit d’amplificateur de Classe B ci-dessus utilise des transistors complémentaires pour chaque moitié de la forme d’onde et, bien que les amplificateurs de Classe B aient un gain beaucoup plus élevé que les types Classe A, l’un des principaux inconvénients des amplificateurs push-pull de classe B est qu’ils souffrent d’un effet communément appelé Distorsion de Croisement.

Nous nous souvenons probablement de nos tutoriels sur les transistors qu’il faut environ 0,7 volts (mesuré de la base à l’émetteur) pour qu’un transistor bipolaire commence à conduire. Dans un amplificateur de classe B pur, les transistors de sortie ne sont pas « pré-biaisés » dans un état de fonctionnement « ON ».

Cela signifie que la partie de la forme d’onde de sortie qui tombe en dessous de cette fenêtre de 0,7 volt ne sera pas reproduite avec précision. En effet, lors de la transition entre les deux transistors (lorsqu’ils passent d’un transistor à l’autre), les transistors ne s’arrêtent ou ne commencent pas à conduire exactement au point de croisement zéro, même s’ils sont spécialement appariés.

Les transistors de sortie pour chaque moitié de la forme d’onde (positive et négative) auront chacun une zone de 0,7 volt dans laquelle ils ne conduisent pas. Le résultat est que les deux transistors sont mis « OFF » exactement en même temps.

Une manière simple d’éliminer la distorsion de croisement dans un amplificateur de Classe B est d’ajouter deux petites sources de tension au circuit pour biaiser les deux transistors à un point légèrement au-dessus de leur point de coupure. Cela nous donnerait ce que l’on appelle couramment un circuit d’Amplificateur de Classe AB. Cependant, il est peu pratique d’ajouter des sources de tension supplémentaires au circuit amplificateur, donc des jonctions PN sont utilisées pour fournir le biais supplémentaire sous forme de diodes en silicium.

L’Amplificateur de Classe AB

Nous savons que nous avons besoin que la tension base-émetteur soit supérieure à 0,7v pour qu’un transistor bipolaire en silicium commence à conduire, donc si nous remplaçons les deux résistances de diviseur de tension connectées aux bornes de base des transistors par deux diodes en silicium. La tension de biais appliquée aux transistors serait désormais égale à la chute de tension directe de ces diodes. Ces deux diodes sont généralement appelées Diodes de Biais ou Diodes de Compensation et sont choisies pour correspondre aux caractéristiques des transistors appariés. Le circuit ci-dessous montre le biaisage par diode.

Amplificateur de Classe AB

Le circuit d’Amplificateur de Classe AB est un compromis entre les configurations Classe A et Classe B. Cette très faible tension de biais des diodes entraîne une légère conduction des deux transistors même en l’absence de signal d’entrée. Une forme d’onde de signal d’entrée fera fonctionner les transistors normalement dans leur région active, éliminant ainsi toute distorsion de croisement présente dans les conceptions pures d’amplificateur de Classe B.

Un petit courant collecteur circulera lorsqu’il n’y a pas de signal d’entrée, mais il est beaucoup moins élevé que celui de la configuration d’amplificateur de Classe A. Cela signifie que le transistor sera « ON » pendant plus de la moitié d’un cycle de la forme d’onde, mais beaucoup moins qu’un cycle complet, donnant un angle de conduction de 180^o à 360^o ou de 50% à 100% du signal d’entrée selon le montant de biais supplémentaire utilisé. Le montant de la tension de biais de diode présente au terminal de base du transistor peut être augmenté en ajoutant des diodes supplémentaires en série.

Les amplificateurs de Classe B sont largement préférés aux conceptions de Classe A pour les applications à haute puissance telles que les amplificateurs de puissance audio et les systèmes de sonorisation. Comme pour le circuit amplificateur de Classe A, l’une des manières d’augmenter considérablement le gain de courant (A_i) d’un amplificateur push-pull de Classe B est d’utiliser des paires de transistors Darlington au lieu de transistors uniques dans son circuit de sortie.

Dans le prochain tutoriel sur les amplificateurs, nous examinerons de plus près les effets de la distorsion de croisement dans les circuits amplificateurs de Classe B et les moyens de réduire son impact.