Tous les designs d’amplificateurs ne sont pas identiques. Il existe une distinction claire entre les diverses classes d’amplificateurs en ce qui concerne la configuration et le fonctionnement de leurs étapes de sortie. Les principales caractéristiques de fonctionnement d’un amplificateur idéal sont la linéarité, le gain du signal, l’efficacité et la puissance de sortie. Cependant, dans les amplificateurs du monde réel, il y a toujours un compromis entre ces différentes caractéristiques distinctes.

En général, les amplificateurs à grand signal ou de puissance sont utilisés dans les étapes de sortie des systèmes d’amplificateurs audio pour piloter une charge de haut-parleur. Un haut-parleur typique peut avoir une impédance terminale comprise entre 4Ω et 8Ω, donc un amplificateur de puissance doit être capable de fournir les forts courants de crête nécessaires pour piloter ces haut-parleurs à faible impédance.

Une méthode permettant de distinguer les caractéristiques électriques des différents types d’amplificateurs est ce que l’on appelle la “classe”, et ainsi les amplificateurs sont classés selon leur configuration de circuit et leur méthode de fonctionnement. Le terme classes d’amplificateurs est utilisé pour différencier les différents types d’amplificateurs.

Les classes d’amplificateurs représentent la quantité du signal de sortie qui varie au sein du circuit amplificateur sur un cycle d’opération lorsqu’il est excité par un signal d’entrée sinusoïdal. La classification des amplificateurs varie d’une opération totalement linéaire (pour une amplification de signal haute-fidélité) avec une efficacité très faible, à une opération entièrement non linéaire (où une reproduction fidèle du signal n’est pas si importante) mais avec une efficacité beaucoup plus élevée, tandis que d’autres sont un compromis entre les deux.

Les Classes d’Amplificateurs

Les classes d’amplificateurs sont principalement regroupées en deux catégories de base. La première est celle des amplificateurs à angle de conduction contrôlé de manière classique, formant les configurations d’amplificateurs les plus courantes des classes A, B, AB et C. Ces classes sont définies par la durée de l’état de conduction de leurs transistors de puissance sur une partie de l’onde de sortie, où le fonctionnement du transistor de sortie se situe entre un état “totale­ment ON” et “totalement OFF”.

Le deuxième ensemble d’amplificateurs est constitué des nouvelles classes d’amplificateurs dits “à commutation” ou numériques. Celles-ci comprennent les classes D, E, F, G, S, T, etc. Ces classes d’amplificateurs utilisent des circuits numériques et la modulation de largeur d’impulsions (PWM) pour commuter en permanence les dispositifs de sortie entre leurs états “totalement ON” et “totalement OFF”, poussant la sortie fermement dans les régions de saturation et de coupure des transistors.

Les Classes d’Amplificateurs de Classe A

Les amplificateurs de classe A sont le type d’amplificateur le plus courant car ils utilisent un seul transistor de commutation de sortie (bipolaire, FET, IGBT, etc.) dans leur conception. Ce transistor de sortie unique est polarisé autour du point Q au milieu de sa ligne de charge et n’est donc jamais conduit dans ses régions de coupure ou de saturation, lui permettant ainsi de conduire du courant sur l’ensemble des 360 degrés du cycle d’entrée. Le transistor de sortie d’un amplificateur de classe A ne s’éteint jamais, ce qui constitue l’un de ses principaux inconvénients.

Les amplificateurs de classe “A” sont considérés comme la meilleure classe de conception d’amplificateur principalement en raison de leur excellente linéarité, de leur gain élevé et de leur faible niveau de distorsion de signal lorsqu’ils sont correctement conçus. Bien qu’ils soient rarement utilisés dans des applications d’amplificateur haute puissance en raison des considérations d’alimentation thermique, les amplificateurs de classe A sont probablement les meilleurs en termes de qualité sonore par rapport à toutes les classes d’amplificateurs mentionnées ici et sont donc utilisés dans les conceptions d’amplificateurs audio haute-fidélité.

Amplificateur de Classe A

Pour obtenir une haute linéarité et un gain, l’étage de sortie d’un amplificateur de classe A est polarisé “ON” (conducteur) en permanence. Ainsi, pour qu’un amplificateur soit classé comme “classe A”, le courant de repos sans signal dans l’étage de sortie doit être égal ou supérieur au courant maximal requis par la charge (généralement un haut-parleur) pour produire le plus grand signal de sortie.

Comme un amplificateur de classe A fonctionne dans la portion linéaire de ses courbes caractéristiques, le voltage de polarisation de base (ou de porte) des transistors doit être choisi correctement pour assurer un bon fonctionnement et une faible distorsion. Cependant, comme le dispositif de sortie est “ON” en permanence, il transporte constamment du courant, ce qui représente une perte continue de puissance dans l’amplificateur.

En raison de cette perte continue de puissance, les amplificateurs de classe A produisent d’importantes quantités de chaleur, ce qui contribue à leur très faible efficacité d’environ 30%, rendant leur utilisation impratique pour des amplifications à haute puissance. De plus, en raison du courant de repos élevé de l’amplificateur, l’alimentation doit être dimensionnée en conséquence et bien filtrée pour éviter tout bourdonnement ou bruit de l’amplificateur. Par conséquent, en raison de l’efficacité faible et des problèmes de surchauffe des amplificateurs de classe A, des classes d’amplificateurs plus efficaces ont été développées.

Les Classes d’Amplificateurs de Classe B

Les amplificateurs de classe B ont été inventés comme solution aux problèmes d’efficacité et de chaleur associés aux amplificateurs de classe A précédents. L’amplificateur de classe B de base utilise deux transistors complémentaires, soit bipolaires soit FET, pour chaque moitié de l’onde, son étage de sortie étant configuré en arrangement de type “push-pull”, de sorte que chaque appareil transistor amplifie seulement la moitié de l’onde de sortie.

Dans l’amplificateur de classe B, il n’y a pas de courant de polarisation DC car son courant de repos est nul, ce qui rend l’alimentation DC faible, et donc son efficacité est beaucoup plus élevée que celle de l’amplificateur de classe A. Cependant, le prix à payer pour l’amélioration de l’efficacité se situe dans la linéarité du dispositif de commutation.

Amplificateur de Classe B

Lorsque le signal d’entrée devient positif, le transistor polarisé positivement conduit tandis que le transistor négatif est éteint. De même, lorsque le signal d’entrée devient négatif, le transistor positif se coupe tandis que le transistor négatif est activé et conduit la partie négative du signal. Ainsi, le transistor ne conduit que la moitié du temps, soit sur la moitié positive ou négative du cycle d’entrée.

Nous pouvons voir que chaque dispositif transistor de l’amplificateur de classe B ne conduit que pendant la moitié ou 180 degrés de l’onde de sortie en alternance stricte, mais comme l’étage de sortie a des dispositifs pour les deux moitiés de l’onde du signal, les deux moitiés sont combinées pour produire l’onde de sortie linéaire complète.

Ce design de type push-pull d’amplificateur est évidemment plus efficace que la classe A, avec environ 50%, mais le problème avec la conception de l’amplificateur de classe B est qu’il peut créer de la distorsion au point de passage zéro de l’onde à cause du temps mort des tensions de base des transistors, allant de -0.7V à +0.7V.

Nous nous souvenons du tutoriel sur le transistor qu’il faut une tension de base-emetteur d’environ 0.7 volts pour qu’un transistor bipolaire commence à conduire. Donc, dans un amplificateur de classe B, le transistor de sortie n’est pas “polarisé” pour un état “ON” d’opération tant que cette tension n’est pas dépassée.

Cela signifie que la partie de l’onde qui se situe dans cette fenêtre de 0.7 volts ne sera pas reproduite avec précision, rendant l’amplificateur de classe B inadapté pour des applications d’amplificateurs audio de précision.

Pour surmonter cette distorsion au passage zéro (également connue sous le nom de distorsion de croisement), des amplificateurs de classe AB ont été développés.

Les Classes d’Amplificateurs de Classe AB

Comme son nom l’indique, l’amplificateur de Classe AB est une combinaison des amplificateurs de type “Classe A” et “Classe B” que nous avons examinés ci-dessus. La classification AB des amplificateurs est actuellement l’un des types les plus courants de conception d’amplificateurs de puissance audio.

L’amplificateur de classe AB est une variation d’un amplificateur de classe B comme décrit ci-dessus, sauf que les deux dispositifs sont autorisés à conduire en même temps autour du point de croisement de l’onde, éliminant ainsi les problèmes de distorsion de croisement associés aux amplificateurs de classe B précédents.

Les deux transistors ont une très faible tension de polarisation, généralement entre 5 et 10 % du courant de repos pour polariser les transistors juste au-dessus de leur point de coupure. Ainsi, le dispositif conducteur, soit bipolaire soit FET, sera “ON” pendant plus de la moitié d’un cycle, mais bien moins qu’un cycle complet du signal d’entrée. Par conséquent, dans une conception d’amplificateur de classe AB, chacun des transistors push-pull conduit légèrement plus que la moitié du cycle de conduction d’un amplificateur de classe B, mais bien moins que l’intégralité du cycle de conduction d’un amplificateur de classe A.

Autrement dit, l’angle de conduction d’un amplificateur de classe AB se situe entre 180^o et 360^o selon le point de polarisation choisi, comme illustré.

Amplificateur de Classe AB

L’avantage de cette faible tension de polarisation, fournie par des diodes ou des résistances en série, est que les distorsions de croisement créées par les caractéristiques de l’amplificateur de classe B sont surmontées, sans les inefficacités de la conception d’amplificateur de classe A. Ainsi, l’amplificateur de classe AB constitue un bon compromis entre la classe A et la classe B en termes d’efficacité et de linéarité, avec des rendements de conversion atteignant environ 50 % à 60 %.

Les Classes d’Amplificateurs de Classe C

Le design de l’amplificateur de classe C a l’efficacité la plus élevée mais la plus faible linéarité des classes d’amplificateurs mentionnées ici. Les classes précédentes, A, B et AB, sont considérées comme des amplificateurs linéaires, car l’amplitude et la phase des signaux de sortie sont linéairement liées à l’amplitude et à la phase des signaux d’entrée.

Résumé des Classes d’Amplificateurs

Nous avons donc vu que le point de fonctionnement DC au repos (Q-point) d’un amplificateur détermine sa classification. En plaçant le Q-point à mi-chemin sur la ligne de charge de la courbe caractéristique de l’amplificateur, celui-ci fonctionnera comme un amplificateur de classe A. En déplaçant le Q-point plus bas sur la ligne de charge, cela transforme l’amplificateur en classe AB, B ou C.

Ensuite, la classe de fonctionnement de l’amplificateur concernant son point de fonctionnement DC peut être exprimée comme suit :

Classes d’Amplificateurs et Efficacité

En plus des amplificateurs audio, il existe un certain nombre de classes d’amplificateurs à haute efficacité liées aux conceptions d’amplificateurs à commutation qui utilisent différentes techniques de commutation pour réduire les pertes de puissance et augmenter l’efficacité. Certaines conceptions de classes d’amplificateurs listées ci-dessous utilisent des résonateurs RLC ou plusieurs tensions d’alimentation pour réduire les pertes de puissance, ou sont des amplificateurs de type DSP (traitement de signal numérique) qui utilisent des techniques de commutation PWM.

D’autres Classes d’Amplificateurs Courantes

• Amplificateur de Classe D – Un amplificateur audio de classe D est essentiellement un amplificateur à commutation non linéaire ou amplificateur PWM. Les amplificateurs de classe D peuvent théoriquement atteindre 100 % d’efficacité, car il n’y a pas de période durant un cycle où les formes d’onde de tension et de courant se chevauchent car le courant est tiré uniquement à travers le transistor qui est en marche.
• Amplificateur de Classe F – Les amplificateurs de classe F améliorent à la fois l’efficacité et la sortie en utilisant des résonateurs harmoniques dans le réseau de sortie pour façonner l’onde de sortie en une onde carrée. Les amplificateurs de classe F sont capables de hautes efficacités de plus de 90 % si un réglage harmonique infini est utilisé.
• Amplificateur de Classe G – La classe G offre des améliorations à la conception de l’amplificateur de base de classe AB. La classe G utilise plusieurs rails d’alimentation de différentes tensions et commute automatiquement entre ces rails d’alimentation à mesure que le signal d’entrée change. Cette commutation constante réduit la consommation moyenne de puissance et, par conséquent, les pertes de puissance causées par la chaleur perdue.
• Amplificateur de Classe I – L’amplificateur de classe I dispose de deux ensembles de dispositifs de commutation de sortie complémentaires disposés dans un type de configuration parallèle push-pull. Les deux ensembles de dispositifs de commutation échantillonnent la même forme d’onde d’entrée. Ainsi, un appareil commute la moitié positive de la forme d’onde, tandis que l’autre commute la moitié négative. Cette action de commutation est similaire à celle de l’amplificateur de classe B.
   
  Sans signal d’entrée appliqué, ou lorsque un signal atteint le point de croisement zéro, les dispositifs de commutation sont tous deux actionnés en marche et hors tension simultanément avec un cycle de travail PWM de 50 % annulant tout signal haute fréquence.
   
  Pour produire la moitié positive du signal de sortie, la sortie de l’appareil de commutation positif est augmentée dans son cycle de travail tandis que l’appareil de commutation négatif est diminué autant, et vice versa. Les courants des signaux de commutation sont dits entrelacés à la sortie, donnant à l’amplificateur de classe I le nom d’”amplificateur PWM entrelacé” fonctionnant à des fréquences de commutation dépassant 250 kHz.
• Amplificateur de Classe S – Un amplificateur de puissance de classe S est un amplificateur à mode de commutation non linéaire similaire en fonctionnement à l’amplificateur de classe D. L’amplificateur de classe S convertit les signaux d’entrée analogiques en impulsions carrées numériques par un modulateur delta-sigma et les amplifie pour augmenter la puissance de sortie avant d’être finalement démodulé par un filtre passe-bande. Comme le signal numérique de cet amplificateur à commutation est toujours soit complètement “ON” soit “OFF” (théoriquement aucune dissipation de puissance), des efficacités atteignant 100 % sont possibles.
• Amplificateur de Classe T – L’amplificateur de classe T est un autre type de conception d’amplificateur à commutation numérique. Les amplificateurs de classe T commencent à devenir de plus en plus populaires de nos jours en tant que conception d’amplificateur audio grâce à l’existence de puces de traitement de signal numérique (DSP) et d’amplificateurs surround multicanaux, car ils convertissent des signaux analogiques en signaux modulés en largeur d’impulsions (PWM) pour l’amplification, augmentant l’efficacité des amplificateurs. Les conceptions d’amplificateurs de classe T combinent à la fois les faibles niveaux de distorsion de signal de l’amplificateur de classe AB et l’efficacité de l’amplificateur de classe D.

Nous avons ici vu un certain nombre de classifications d’amplificateurs allant des amplificateurs de puissance linéaire aux amplificateurs à découpage non linéaires, et avons vu comment une classe d’amplificateur diffère le long de la ligne de charge de l’amplificateur. Les amplificateurs AB, B et C peuvent être définis en termes d’angle de conduction, θ comme suit :

Classe d’Amplificateur par Angle de Conduction