- Contre réaction
-
En électronique le principe de la contre-réaction permet le contrôle des montages amplificateurs, filtre ou d'asservissement. Elle permet de rendre leur caractéristiques de fonctionnement indépendantes, dans une large mesure, des différents composants de ces montages.
Sommaire
Historique
Le principe de la contre-réaction a été découvert par Harold Stephen Black le 2 août 1927. Cette idée lui serait venue alors qu'il se rendait à son travail aux laboratoires Bell [1], [2]. Ses précédents travaux sur la réduction des distorsions dans les amplificateurs lui avaient déjà permis de découvrir les amplificateurs « a priori » (feedforward en anglais) qui modifient le signal à amplifier de façon à compenser les distorsions dues aux composants de puissance[3]. Bien qu'ayant refait surface dans les années 1970 pour compenser les distorsions des amplificateurs BLU, dans les années 1920 la réalisation pratique des amplificateurs « a priori » s'avère difficile et ils ne fonctionnent pas très bien. En 1927, la demande de brevet Black pour la contre-réaction fut accueillie comme une demande d'invention de mouvement perpétuel. Elle fut finalement acceptée neuf ans plus tard,[4],[5] en décembre 1931, après que Black et d'autres membres des laboratoires Bell aient développé la théorie relative à la contre-réaction.
Fonctionnement
Dans un amplificateur ou un asservissement, par l'intermédiaire d'un circuit annexe, appelé boucle de contre-réaction, on réinjecte à l'entrée du signal à amplifier, ou de la commande du processus, une partie du signal de sortie inversé, qui en s'additionnant au signal d'entrée (ou de « consigne »), diminue l'amplitude du signal réel sur l'entrée du circuit.
Dans les filtres actifs, la boucle de contre-réaction est constituée d'un filtre qui ne réinjecte sur l'entrée que les signaux indésirables, les maintenant ainsi à un niveau très faible en sortie, pendant que l'on peut amplifier fortement les signaux désirés.
La contre réaction dans les amplificateurs électroniques
Le principal effet de la contre-réaction est de diminuer le gain du système. Simultanément, les distorsions dues aux composants de l’amplificateur sont elles aussi soustraites au signal d’entrée. De cette façon, l’amplificateur amplifie une image réduite et inversée des distorsions. La contre-réaction permet aussi de compenser les dérives thermiques ou la non-linéarité des composants. Bien que les composants actifs soient considérés comme linéaires sur une partie de leur fonction de transfert, ils sont en réalité toujours non linéaires ; leur lois de comportement variant comme la puissance de 2. Le résultat de ces non-linéarités est une distorsion de l'amplification.
Un amplificateur de conception soignée, ayant tous ses étages en boucle ouverte (sans contre-réaction), peut arriver à un taux de distorsion de l’ordre de 1 %. À l’aide de la contre-réaction, un taux de 0,001 % est courant. Le bruit, y compris les distorsions de croisement, peut être pratiquement éliminé.
C’est l’application qui dicte le taux de distorsion que l’on peut tolérer. Pour les applications de type Hi-Fi ou amplificateur d’instrumentation, le taux de distorsion doit être minimal, souvent moins de 1 %.
Le concept de contre-réaction est utilisé avec les amplificateurs opérationnels pour définir précisément le gain, la bande passante et de nombreux autres paramètres. En particulier, la contre-réaction modifie l’impédance de sortie de l’amplificateur et par conséquent, son facteur d’amortissement. En simplifiant, le facteur d’amortissement caractérise l’habileté d’un amplificateur à contrôler une enceinte acoustique. Normalement, plus la contre-réaction est forte, plus l’impédance de sortie est faible et plus le facteur d’amortissement est grand. Cela a un effet sur les performances de beaucoup d’enceintes qui ont un rendu des basses irrégulier si le facteur d’amortissement de l’amplificateur est trop faible.
Controverse de la fin des années 1970 concernant les amplificateurs audio
Alors que la contre-réaction a semblé pendant plusieurs décennies être le remède miracle à tous les défauts des amplificateurs, et tout particulièrement les amplificateurs audio, les spécialistes du traitement du signal, les ingénieurs du son, les audiophiles et autres mélomanes ont pris la mesure de ses limites et de ses défauts à la fin des années 70, suscitant études et interminables débats sur le sujet (il faut préciser que la technologie Hi-Fi avait considérablement progressé durant cette décennie, avec l'apparition des cassettes audio métal et autres réducteurs de bruit de fond; les défauts des amplificateurs audio qui étaient jusqu'alors passés inaperçus devenaient maintenant audibles). Beaucoup pensent aujourd'hui que la contre-réaction est une mauvaise chose.
En effet, comme elle utilise une boucle, il lui faut un temps non nul pour réagir à un signal d’entrée et pendant cette courte période, l’amplificateur est « hors de contrôle ». Une transitoire musicale dont la durée est du même ordre de grandeur que cette période sera donc grossièrement distordue. Et cela, même si l’amplificateur possède un taux de distorsion faible en régime permanent. C’est essentiellement cela qui explique l’existence des « distorsions d’intermodulations transitoires » dans les amplificateurs. En outre, un amplificateur audio alimente généralement des transducteurs électrodynamiques, qui ne sont pas de simples impédances passives, mais qui génèrent une contre-tension, cette dernière s'insérant dans la boucle et étant donc prise en compte par elle, avec pour résultat de la perturber considérablement. [6],[7],[8],[9],[10].
Cette prise de conscience a amené au milieu des années 80 certains fabricants (peu à vrai dire) à commercialiser des amplificateurs (modèles AM-U5 et AM-U7 du constructeur Akaï notamment, qui firent l'effet d'une bombe) sans contre-réaction (en fait avec une contre-réaction, mais quasi continue - par exemple < 0,5 Hz pour les 2 modèles d'Akaï), dont les qualités musicales nettement supérieures à celles des amplificateurs conventionnels ont démontré le bien-fondé de cette remise en cause.
De fait, la majorité des amplificateurs modernes utilisent de fortes contre-réactions, alors que les amplificateurs audio haut de gamme l'utilisent de manière modérée (comme ceux de Harman-Kardon), voire y renoncent (comme sur les 2 modèles d'Akaï sus-mentionnés).
Notes et références
- (en) Ronald Kline, Harold Black and the negative-feedback amplifier, IEEE Control Systems Magazine, Volume : 13(4), pages : 82-85, août 1993
- (en) Ron Mancini, Op Amps for Everyone, second edition, page : 1-1
- (en) Brevet U.S. 1686792
- (en) Brevet U.S. 2102671
- (en) Texte du brevet : US Patent 2,102,671 Wave Translation System, Harold S. Black
- (en) Otala, M., and E. Leinonen, The Theory of Transient Intermodulation Distortion, IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, ASSP-25 (1), février 1977
- (en) Petri-Larmi, M. Otala, M. Leinonen, E. Lammasniemi, J. : Audibility of transient intermodulation distortion, IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP ’78), Volume : 3, pp. 255-262, avril 1978
- (en) Cherry, E : Comments on « The theory of transient intermodulation distortion », IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Volume : 27 (6), pp. 653-654, décembre 1979
- (en) Matti Otala : Transient Distortion in Transistorized Audio Power Amplifiers, IEEE Transactions on Audio Electroacoustics, Volume : AU-18, pp. 234-239, septembre 1970
- (en) Cherry, E : Transient Intermodulation Distortion-Part I: Hard Nonlinearity, IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Volume : 29 (2), pp. 137-146, avril 1981
Voir aussi
Portail de l’électricité et de l’électronique
Portail de la robotique
Wikimedia Foundation. 2010.
