Amplificateur de classe AB

Les amplificateurs de classe B et les amplificateurs de classe AB possèdent une étape de sortie push-pull composée de deux transistors de puissance (ou FET) configurés de manière à reconstruire l’onde d’entrée complète de 360° à la sortie, avec ou sans distorsion.

Le but de tout amplificateur est de produire une sortie qui suit les caractéristiques du signal d’entrée, mais qui est suffisamment grande pour répondre aux besoins de la charge qui lui est connectée. Nous avons vu que la puissance de sortie d’un amplificateur est le produit de la tension et du courant (P = V*I) appliqués à la charge, tandis que la puissance d’entrée est le produit de la tension et du courant continue prélevés de l’alimentation électrique.

Bien que l’amplification d’un amplificateur de classe A (où le transistor de sortie conduit 100 % du temps) puisse être élevée, l’efficacité de la conversion de l’alimentation continue en sortie de puissance alternative est généralement assez faible, inférieure à 50 %.

Cependant, si nous modifions le circuit de l’amplificateur de classe A pour fonctionner en mode classe B (où chaque transistor conduit uniquement 50 % du temps), le courant du collecteur circule dans chaque transistor pendant seulement 180° du cycle. L’avantage ici est que l’efficacité de conversion CC-CA est beaucoup plus élevée, atteignant environ 75 %. Cependant, la configuration de classe B entraîne une distorsion de croisement du signal de sortie, ce qui peut être inacceptable.

Une façon de produire un amplificateur avec l’efficience élevée de la configuration de classe B tout en maintenant la faible distorsion de la configuration de classe A, est de créer un circuit amplificateur qui est une combinaison des deux classes précédentes, résultant en un nouveau type de circuit amplificateur appelé amplificateur de classe AB.

Bien qu’il ne s’agisse pas vraiment d’une classe d’amplificateur distincte, les amplificateurs de classe AB possèdent une étape de sortie qui combine les avantages de l’amplificateur de classe A et de l’amplificateur de classe B tout en minimisant les problèmes de faible efficacité et de distorsion associés à chacun d’eux.

Comme mentionné précédemment, l’amplificateur de classe AB est une combinaison de classe A et de classe B. Pour de faibles puissances de sortie, les deux dispositifs de sortie conduisent et l’amplificateur fonctionne comme un amplificateur de classe A. Si l’amplificateur est polarisé en classe B, et la polarisation est augmentée pour de grandes puissances de sortie, il pénétrera en mode classe AB. C’est-à-dire que la configuration de classe AB partage les caractéristiques des deux autres classes et est réalisée en pré-polarisant les deux transistors dans l’étage de sortie de l’amplificateur.

Chaque transistor de sortie conduit entre 180° et 360° du temps en fonction du courant de charge de sortie et de l’agencement de prépolarisation permettant à l’étage de sortie de l’amplificateur de fonctionner comme un amplificateur de classe AB.

Comparaison des Différentes Classes d’Amplificateurs

Puis les classes d’amplificateurs sont toujours définies comme suit :

• Classe A : – Le transistor de sortie unique de l’amplificateur conduit pendant les 360° complets du cycle de l’onde d’entrée.
• Classe B : – Les deux transistors de sortie de l’amplificateur ne conduisent que pendant la moitié, c’est-à-dire 180° de l’onde d’entrée.
• Classe AB : – Les deux transistors de sortie des amplificateurs conduisent quelque part entre 180° et 360° de l’onde d’entrée.

Fonctionnement de l’Amplificateur de Classe A

Pour le fonctionnement de l’amplificateur de classe A, le point Q des transistors de commutation est situé près du centre de la ligne de charge caractéristique de sortie du transistor et dans la région linéaire. Cela permet au transistor de conduire pendant les 360° complets, donc le signal de sortie varie sur l’ensemble du cycle du signal d’entrée.

Le principal avantage de la classe A est que le signal de sortie sera toujours une reproduction exacte du signal d’entrée, réduisant ainsi la distorsion. Cependant, il souffre d’une mauvaise efficacité, car pour polariser le transistor au centre de la ligne de charge, il doit toujours y avoir un courant continu approprié circulant à travers le transistor de commutation, même s’il n’y a aucun signal d’entrée à amplifier.

Fonctionnement de l’Amplificateur de Classe B

Pour le fonctionnement de l’amplificateur de classe B, deux transistors de commutation complémentaires sont utilisés, avec le point Q (c’est-à-dire son point de polarisation) de chaque transistor situé à son point de coupure.

Cela permet à un transistor d’amplifier le signal pendant une moitié de l’onde d’entrée, tandis que l’autre transistor amplifie l’autre moitié. Ces deux moitiés amplifiées sont ensuite combinées au niveau de la charge pour produire un cycle complet de l’onde. Cet arrangement complémentaire NPN-PNP est également connu sous le nom de configuration push-pull.

En raison de la polarisation en coupure, le courant de repos est nul lorsqu’il n’y a pas de signal d’entrée, donc aucune puissance n’est dissipée ou gaspillée lorsque les transistors sont en condition de repos, augmentant ainsi l’efficacité globale d’un amplificateur de classe B par rapport à un amplificateur de classe A.

Cependant, comme l’amplificateur de classe B est polarisé de sorte que le courant de sortie passe par chaque transistor pendant seulement la moitié du cycle d’entrée, la forme d’onde de sortie n’est donc pas une réplique exacte de la forme d’onde d’entrée, car le signal de sortie est déformé. Cette distorsion se produit à chaque passage par zéro du signal d’entrée, produisant ce que l’on appelle généralement une distorsion de croisement, alors que les deux transistors s’allument l’un après l’autre.

Ce problème de distorsion peut être facilement surmonté en plaçant le point de polarisation du transistor légèrement au-dessus de la coupure. En polarisant légèrement le transistor au-dessus de son point de coupure, mais bien en-dessous du point Q centre de l’amplificateur de classe A, nous pouvons créer un circuit amplificateur de classe AB. Le but principal d’un amplificateur de classe AB est de préserver la configuration de base de classe B tout en améliorant sa linéarité en polarisant chaque transistor de commutation légèrement au-dessus du seuil.

Polarisation d’un Amplificateur de Classe AB

Alors comment faisons-nous cela? Un amplificateur de classe AB peut être fabriqué à partir d’une étape push-pull standard de classe B en polarisant les deux transistors de commutation dans une légère conduction, même en l’absence de signal d’entrée. Ce petit arrangement de polarisation assure que les deux transistors conduisent simultanément pendant une très petite partie de l’onde d’entrée, soit plus de 50 % du cycle d’entrée, mais moins de 100 %.

La zone morte de 0,6 à 0,7 V (une chute de tension de diode en avant) qui produit l’effet de distorsion de croisement dans les amplificateurs de classe B est considérablement réduite grâce à l’utilisation d’une polarisation appropriée. La pré-polarisation des dispositifs à transistors peut être réalisée de plusieurs manières différentes, en utilisant soit une polarisation de tension fixe, un réseau de diviseur de tension, ou par un arrangement de diodes connectées en série.

Polarisation de Tension d’un Amplificateur de Classe AB

Ici, la polarisation des transistors est réalisée à l’aide d’une tension de polarisation fixe appropriée appliquée aux bases de TR1 et TR2. Il existe alors une région où les deux transistors sont en conduction et le petit courant de collecteur de repos circulant par TR1 s’additionne au petit courant de collecteur de repos circulant par TR2 et arrive à la charge.

Lorsque le signal d’entrée devient positif, la tension à la base de TR1 augmente, produisant une sortie positive d’un montant similaire, ce qui augmente le courant de collecteur circulant par TR1, fournissant un courant à la charge, R_L. Cependant, comme la tension entre les deux bases est fixe et constante, toute augmentation de la conduction de TR1 entraînera une diminution égale et opposée de la conduction de TR2 pendant le demi-cycle positif.

En conséquence, le transistor TR2 finit par s’éteindre, laissant le transistor en polarisation directe TR1 fournir tout le gain de courant à la charge. De même, pour la moitié négative de la tension d’entrée, l’inverse se produit. C’est-à-dire que TR2 conduit en absorbant le courant de charge tandis que TR1 s’éteint lorsque le signal d’entrée devient plus négatif.

Nous pouvons alors voir que lorsque la tension d’entrée, V_IN, est nulle, les deux transistors conduisent légèrement en raison de leur polarisation en tension, mais à mesure que la tension d’entrée devient plus positive ou négative, l’un des deux transistors conduit davantage, drainant ou fournissant le courant de charge.

Comme la commutation entre les deux transistors se produit presque instantanément et de manière fluide, la distorsion de croisement qui affecte la configuration de classe B est grandement réduite. Cependant, une polarisation incorrecte peut causer des pics de distorsion de croisement brusques lorsque les deux transistors comparent.

L’utilisation d’une tension de polarisation fixe permet à chaque transistor de conduire pendant plus d’une moitié du cycle d’entrée (fonctionnement classe AB). Cependant, il n’est pas très pratique d’avoir des batteries supplémentaires dans le design de l’étape de sortie de l’amplificateur.

Une façon très simple et facile de produire deux tensions de polarisation fixes pour définir un point Q stable près du point de coupure des transistors est d’utiliser un réseau de diviseur de tension résistif à travers une seule alimentation.

Polarisation Résistive de l’Amplificateur

Lorsqu’un courant passe par une résistance, une chute de tension se développe à travers la résistance comme défini par la loi d’Ohm. Ainsi, en plaçant deux résistances ou plus en série à travers une tension d’alimentation, nous pouvons créer un réseau de diviseur de tension qui produit un ensemble de tensions fixes selon nos valeurs choisies.

Le circuit de base est similaire au circuit de polarisation de tension ci-dessus en ce sens que les transistors, TR1 et TR2, conduisent pendant les demi-cycles opposés de l’onde d’entrée. C’est-à-dire que lorsque V_IN est positif, TR1 conduit, et lorsque V_IN est négatif, TR2 conduit.

Les quatre résistances R1 à R4 sont connectées à travers la tension d’alimentation Vcc pour fournir la polarisation résistive appropriée. Les deux résistances, R1 et R4, sont choisies pour définir le point Q légèrement au-dessus de la coupure, avec la valeur correcte de V_BE étant réglée à environ 0,6 V, de sorte que les chutes de tension à travers le réseau résistif amènent la base de TR1 à environ 0,6 V, et celle de TR2 à environ -0,6 V.

Ensuite, la chute de tension totale à travers les résistances de polarisation R2 et R3 est d’environ 1,2 volts, ce qui est juste en dessous de la valeur requise pour activer complètement chaque transistor. En polarisant légèrement les transistors au-dessus de la coupure, la valeur du courant de collecteur de repos, I_CQ, devrait être nulle.

De plus, comme les deux transistors de commutation sont effectivement connectés en série à travers l’alimentation, la chute de tension V_CEQ à travers chaque transistor sera d’environ la moitié de Vcc.

Bien que la polarisation résistive d’un amplificateur de classe AB fonctionne en théorie, le courant de collecteur d’un transistor est très sensible aux variations de sa tension de polarisation de base, V_BE. De plus, le point de coupure des deux transistors complémentaires peut ne pas être le même, donc trouver la combinaison correcte de résistances au sein du réseau de diviseur de tension peut être problématique. Une façon de contourner cela est d’utiliser une résistance ajustable pour définir le point Q correct comme montré.

Polarisation Ajustable de l’Amplificateur

Une résistance ajustable, ou potentiomètre, peut être utilisée pour polariser les deux transistors sur le bord de la conduction. Ensuite, les transistors TR1 et TR2 sont polarisés via R_B1-VR1-R_B2, de sorte que leurs sorties soient équilibrées et qu’aucun courant de repos ne circule dans la charge.

Le signal d’entrée qui est appliqué via les condensateurs C1 et C2 est superposé aux tensions de polarisation et appliqué aux bases des deux transistors. Notez que les signaux appliqués à chaque base ont la même fréquence et amplitude car ils proviennent de V_IN.

L’avantage de cet agencement de polarisation ajustable est que le circuit amplificateur de base n’exige pas l’utilisation de transistors complémentaires ayant des caractéristiques électriques étroitement assorties ou un rapport exact de résistances dans le réseau de diviseur de tension, car le potentiomètre peut être ajusté pour compenser.

Comme les résistances sont des dispositifs passifs qui convertissent la puissance électrique en chaleur en raison de leur puissance nominale, la polarisation résistive d’un amplificateur de classe AB, fixe ou ajustable, peut être très sensible aux changements de température. Les petites variations de la température de fonctionnement des résistances de polarisation (ou des transistors) peuvent affecter leur valeur, produisant des changements indésirables dans le courant de collecteur de repos de chaque transistor. Une façon de surmonter ce problème lié à la température est de remplacer les résistances par des diodes afin d’utiliser une polarisation par diode.

Polarisation par Diode de l’Amplificateur

Bien que l’utilisation de résistances de polarisation puisse ne pas résoudre le problème de température, une façon de compenser toute variation liée à la température dans la tension base-émetteur, (V_BE), est d’utiliser une paire de diodes normaux polarisés en direct dans l’arrangement de polarisation de l’amplificateur comme le montre l’exemple ci-dessus.

Un petit courant constant circule à travers le circuit en série de R1-D1-D2-R2, produisant des chutes de tension qui sont symétriques de part et d’autre de l’entrée. En l’absence de tension de signal d’entrée, le point entre les deux diodes est à zéro volt. Lorsque le courant circule à travers la chaîne, il y a une chute de tension de polarisation en avant d’environ 0,7V à travers les diodes qui est appliquée aux jonctions base-émetteur des transistors de commutation.

Par conséquent, la chute de tension à travers les diodes polarise la base du transistor TR1 à environ 0,7 volts, et la base du transistor TR2 à environ -0,7 volts. Ainsi, les deux diodes en silicium fournissent une chute de tension constante d’environ 1,4 volts entre les deux bases, les polarisant au-dessus de la coupure.

À mesure que la température du circuit augmente, celle des diodes augmente aussi, car elles sont situées à côté des transistors. La tension aux jonctions PN de la diode diminue alors, détournant une partie du courant de base des transistors, stabilisant ainsi le courant de collecteur des transistors.

Si les caractéristiques électriques des diodes correspondent étroitement à celles des jonctions base-émetteur des transistors, le courant circulant dans les diodes et le courant dans les transistors seront identiques, créant ce que l’on appelle un miroir de courant. L’effet de ce miroir de courant compense les variations de température, produisant le fonctionnement requis de classe AB et, par conséquent, éliminant toute distorsion de croisement.

En pratique, la polarisation par diode est facilement réalisée dans les amplificateurs modernes à circuit intégré, car la diode et le transistor de commutation sont fabriqués sur la même puce, comme dans le célèbre amplificateur audio LM386. Cela signifie qu’ils ont tous les deux des courbes de caractéristiques identiques sur une large plage de températures, fournissant une stabilisation thermique du courant de repos.

La polarisation d’une étape de sortie d’amplificateur de classe AB est généralement ajustée pour convenir à une application amplificatrice particulière. Le courant de repos de l’amplificateur est ajusté à zéro pour minimiser la consommation d’énergie, comme dans le fonctionnement en classe B, ou ajusté pour qu’un très petit courant de repos circule, minimisant ainsi la distorsion de croisement pour produire un véritable fonctionnement d’amplificateur de classe AB.

Dans les exemples de polarisation de classe AB ci-dessus, le signal d’entrée est directement couplé aux bases des transistors de commutation en utilisant des condensateurs. Mais nous pouvons améliorer l’étage de sortie de l’amplificateur de classe AB encore un peu plus par l’ajout d’un simple étage pilote à émetteur commun comme le montre l’exemple.

Étape Pilote de l’Amplificateur de Classe AB

Le transistor TR3 agit comme une source de courant qui établit le courant de polarisation CC requis circulant à travers les diodes. Cela fixe la tension de sortie de repos à Vcc/2. À mesure que le signal d’entrée entraîne la base de TR3, il agit comme un étage amplificateur entraînant les bases de TR1 et TR2, le demi-cycle positif du signal d’entrée entraînant TR1 tandis que TR2 est éteint, et le demi-cycle négatif du signal d’entrée entraînant TR2 tandis que TR1 est éteint, comme précédemment.

Comme avec la plupart des circuits électroniques, il existe plusieurs façons de concevoir une étape de sortie d’amplificateur de puissance, car de nombreuses variations et modifications peuvent être apportées à un circuit amplificateur de sortie de base.

Le rôle d’un amplificateur de puissance est de fournir un niveau appréciable de puissance de sortie (à la fois courant et tension) à la charge connectée avec un degré raisonnable d’efficacité. Cela peut être réalisé en faisant fonctionner le(s) transistor(s) dans l’un des deux modes de fonctionnement de base, Classe A ou Classe B.

Une façon de faire fonctionner un amplificateur avec un niveau raisonnable d’efficacité est d’utiliser une étape de sortie de classe B symétrique basée sur des transistors complémentaires NPN et PNP. Avec un niveau approprié de polarisation directe, il est possible de réduire toute distorsion de croisement résultant de la courte période pendant laquelle les deux transistors sont en coupure à chaque cycle, et comme nous l’avons vu ci-dessus, un tel circuit est connu sous le nom d’amplificateur de classe AB.

En rassemblant le tout, nous pouvons maintenant concevoir un circuit amplificateur de puissance de classe AB simple comme montré, produisant environ un watt dans une charge de 16 ohms avec une réponse en fréquence d’environ 20 Hz à 20 kHz.

Amplificateur de Classe AB

Résumé de l’Amplificateur

Nous avons vu ici qu’un amplificateur de classe AB est polarisé de manière à ce que le courant de sortie circule pendant moins d’un cycle complet de l’onde d’entrée, mais plus de la moitié d’un cycle. L’implémentation des amplificateurs de classe AB est très similaire aux configurations standards de classe B en ce sens qu’elles utilisent deux transistors de commutation dans le cadre d’une étape de sortie complémentaire, chaque transistor conduisant aux demi-cycles opposés de l’onde d’entrée avant d’être combinés à la charge.