Amplificateurs

Un amplificateur électronique (ou amplificateur, ou ampli) est un système électronique augmentant la tension et/ou l’intensité d’un signal électrique. L’énergie nécessaire à l’amplification est tirée de l’alimentation du système. Un amplificateur parfait ne déforme pas le signal d’entrée : sa sortie est une réplique exacte de l’entrée mais d’amplitude majorée.

Les amplificateurs électroniques sont utilisés dans quasiment tous les circuits électroniques : ils permettent d’élever un signal électrique, comme la sortie d’un capteur, vers un niveau de tension exploitable par le reste du système. Ils permettent aussi d’augmenter la puissance maximale disponible que peut fournir un système afin d’alimenter une charge comme une antenne ou une enceinte électroacoustique.

Sommaire 1 Historique 2 Principe de fonctionnement et théorie 3 Le bruit dans les amplificateurs électroniques 3.1 Le bruit thermique 3.2 Le bruit grenaille 3.3 Le bruit de scintillation 3.4 Le bruit en créneaux 3.5 Le bruit d’avalanche 3.6 Les autres types de bruits 3.7 Rapport signal sur bruit 4 Classification des systèmes et étages amplificateurs 4.1 Classification par angle de conduction : les classes d’amplificateurs 4.2 Classification par méthode de couplage 4.3 Classification par gamme de fréquences 4.4 Classification des amplificateurs par leur électrode reliée au zéro 4.5 Inverseur et non-inverseur 4.6 Classification par fonction 5 La contre-réaction 6 Un exemple de montage amplificateur 7 Les amplificateurs intégrés 8 Les amplificateurs opérationnels 9 Les amplificateurs d’instrumentation 10 Bibliographie 10.1 En français 10.2 En anglais 11 Voir aussi 11.1 Articles connexes 11.2 Liens externes 11.3 Notes et références

Historique

Le premier amplificateur électronique fut réalisé en 1906 par l’inventeur américain Lee De Forest, à l’aide de la première version d’une de ses inventions : l’audion^[1]. En 1908, Lee De Forest perfectionna l’audion en lui rajoutant une électrode, donnant ainsi naissance à la première triode^[2],[3]. La triode fut vite perfectionnée par l’ajout d’une (pour la tétrode) puis de deux grilles supplémentaires, palliant certains effets indésirables, notamment l’effet « dynatron » (zone où le tube présente une résistance négative). Ce tube pentode est ensuite rapidement adopté pour la plupart des amplificateurs à tubes, pour son meilleur rendement. Les amplificateurs à tubes sont aussi connus sous le nom d’amplificateurs à « lampes », en raison de la forme des tubes et de la lumière qu’ils émettent lorsqu’ils fonctionnent (voir photo ci-contre).

Depuis le début des années 1960, grâce l’apparition des premiers transistors de puissance vraiment fiables et au coût réduit, la majorité des amplificateurs utilise des transistors^[4]. On préfère les transistors aux tubes dans la majorité des cas car ils sont moins encombrants, fonctionnent à des tensions plus faibles et sont immédiatement opérationnels une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui nécessitent une dizaine de secondes de chauffage.

Les tubes sont toujours utilisés dans des applications spécifiques comme les amplificateurs audio, surtout ceux destinés aux guitares électriques^[5], et les applications de « très » forte puissance ou à haute fréquence^[6] comme pour les fours à micro-ondes, le chauffage par radiofréquence industriel, et l’amplification de puissance pour les émetteurs de radio et de télévision.

Dans le domaine des télécommunications spatiales demandant de fortes puissances, on utilise également des amplificateurs à klystron et des tubes à ondes progressives (ATOP). Il existe en outre, embarqués à bord des satellites, des amplificateurs de type SSPA (Solid State Power Amplifier).

Principe de fonctionnement et théorie

Un amplificateur électronique utilise un ou plusieurs composants actifs (transistor ou tube électronique) afin d’augmenter la puissance électrique du signal présent en entrée. Les composants actifs utilisés dans les amplificateurs électroniques permettent de contrôler leur courant de sortie en fonction d’une grandeur électrique (courant ou tension), image du signal à amplifier. Le courant de sortie des composants actifs est directement tiré de l’alimentation de l’amplificateur. Suivant la façon dont ils sont implémentés dans l’amplificateur, les composants actifs permettent ainsi d’augmenter la tension et/ou le courant du signal électrique d’entrée. Le principe de fonctionnement d’un amplificateur est présenté dans le schéma simplifié présent ci-contre. Ce schéma utilise un transistor bipolaire comme composant amplificateur, mais il peut être remplacé par un MOSFET ou un tube électronique. Le circuit de polarisation assurant le réglage de la tension au repos a été omis pour des raisons de simplification. Dans ce circuit, le courant produit par la tension d’entrée sera amplifié de β (avec β >> 1) par le transistor. Ce courant amplifié traverse alors la résistance de sortie et l’on récupere en sortie la tension − β.R.i_e^[7]. Avec i_e le courant d’entrée et R la valeur de la résistance.

Les amplificateurs peuvent être conçus pour augmenter la tension (amplificateur de tension), le courant (amplificateur suiveur) ou les deux (amplificateur de puissance) d’un signal. Les amplificateurs électroniques peuvent être alimentés par une tension simple (une alimentation positive ou négative, et le zéro) ou une tension symétrique (une alimentation positive, une négative et le zéro). L’alimentation peut aussi porter le nom de « bus » ou « rail ». On parle alors de bus positif ou négatif et de rail de tension positive ou négative.

Les amplificateurs sont souvent composés de plusieurs étages disposés en série afin d’augmenter le gain global. Chaque étage d’amplification est généralement différent des autres afin qu’il corresponde aux besoins spécifiques de l’étage considéré. On peut ainsi tirer avantage des points forts de chaque montage tout en minimisant leurs faiblesses.

Si l’on considère que l’alimentation d’un amplificateur est indépendante du signal d’entrée et de sortie de l’amplificateur, on peut représenter cet amplificateur par un quadripôle. Le formalisme des quadripôles permet d’obtenir une relation matricielle entre les courants et les tensions d’entrée et de sortie. Il a été introduit dans les années 1920 par le mathématicien allemand Franz Breisig. Dans le cas d’un amplificateur de tension, les grandeurs électriques sont définis par quatre paramètres : l’impédance d’entrée Ze, l’impédance de sortie Zs, le gain de transconductance G et le paramètre de réaction G₁₂. On a alors :

.

Pour un amplificateur parfait, G₁₂ est nul (la sortie n’influence pas l’entrée), Zs est également nul (la tension de sortie ne dépend pas du courant de sortie), et le gain G est constant. On a alors le gain de l’amplificateur :

.

En pratique ces conditions ne sont pas tout à fait respectées, entraînant de ce fait des caractéristiques altérées concernant la bande passante, le gain en puissance, le bruit dû au facteur température, ou encore la distorsion du signal. On évalue les performances d’un amplificateur en étudiant son rendement, sa linéarité, sa bande passante et le rapport signal sur bruit entre l’entrée et la sortie.

La « bande passante à -3 dB » (décibel) d’un amplificateur est la gamme de fréquences où le gain en tension de l’amplificateur est supérieur au gain maximum moins trois décibels^[8]. Si on ne raisonne pas en décibel, cela correspond à la gamme de fréquences où le gain en tension est supérieur au gain maximum divisé par racine de deux^[9], ce qui correspond à une division de la puissance fournie à la charge par deux^[10],[11]. La bande passante est habituellement notée B ou BP. Occasionnellement on rencontre des bandes passantes plus larges, par exemple la bande passante à -6 dB, gamme de fréquences où le gain en tension est supérieur à la moitié du gain maximum.

La linéarité d’un amplificateur correspond à sa capacité à garder son gain constant quel que soit l’entrée. La plus grande limitation de linéarité vient de l’alimentation de l’amplificateur : la tension d’entrée ainsi que celle de sortie ne peuvent dépasser la tension d’alimentation de l’amplificateur. Lorsque cela arrive, on parle de saturation de l’amplificateur. La linéarité d’un amplificateur est aussi limitée par sa vitesse de balayage (ou slew rate) qui représente la vitesse de variation maximale qu’il peut reproduire. Lorsque que la variation du signal d’entrée d’un amplificateur est supérieure à sa vitesse de balayage, sa sortie est une droite de pente SR.

.

La vitesse de balayage est exprimée en V/µs.

Le bruit dans les amplificateurs électroniques

En électronique, le bruit désigne les signaux aléatoires et non désirés, voire parasites, se superposant aux signaux utiles. Dans un amplificateur ces signaux parasites peuvent venir de son environnement ou des composants le constituant. Il existe cinq types de bruit en électronique : le bruit thermique, le bruit grenaille, le Bruit de scintillation (« bruit flicker »), le bruit en créneaux et le bruit d'avalanche^[12]. Il est possible de réduire le bruit dans un amplificateur en s’attaquant directement à ses origines (voir ci-dessous) mais aussi en limitant le plus possible la bande passante de l’amplificateur, afin d’éliminer le bruit présent en dehors de ses fréquences de travail^[13].

Le bruit thermique

Le bruit thermique, également nommé bruit de résistance, ou bruit Johnson ou bruit de Johnson-Nyquist est le bruit produit par l'agitation thermique des porteurs de charges, c’est-à-dire des électrons dans une résistance électrique en équilibre thermique. Le bruit thermique est un bruit blanc dont la densité spectrale de puissance dépend uniquement de la valeur de la résistance. Le bruit thermique peut être modélisé par une source de tension en série avec la résistance qui produit le bruit.

Le bruit thermique a été mesuré pour la première fois en 1927 par le physicien John Bertrand Johnson aux Bell Labs ^[14]. Son article Thermal Agitation of Electricity in Conductors montrait que des fluctuations statistiques se produisaient dans tous les conducteurs électriques, produisant une variation aléatoire de potentiel aux bornes de ce conducteur. Ce bruit thermique était donc identique pour toutes les résistances de la même valeur et n’était donc pas imputable à une fabrication médiocre. Johnson décrivit ses observations à son collègue Harry Nyquist qui fut capable d’en donner une explication théorique^[15].

Le bruit grenaille

Le bruit grenaille a été mis en évidence en 1918 par Walter Schottky. Ce bruit apparaît dans les dispositifs où le nombre d’électrons est assez faible pour donner une fluctuation statistique détectable. En électronique, ce bruit apparaît dans les dispositifs à base de semi-conducteur (transistors, etc.) et les tubes électroniques. Le bruit grenaille est un bruit blanc dont la densité spectrale de puissance dépend uniquement de la valeur moyenne du courant traversant le composant bruyant.

Note : Le bruit thermique et le bruit grenaille sont tous les deux dus à des fluctutations quantiques, et certaines formulations permettent de les regrouper dans un seul et unique concept^[16].

Le bruit de scintillation

Le bruit de scintillation, également nommé bruit en 1/f, bruit en excès, bruit de flicker ou bruit rose est un bruit dont la densité spectrale de puissance est en 1/f. Cela signifie que plus la fréquence augmente, plus l’amplitude de ce bruit diminue. Ce type de bruit existe dans tous les composants actifs et a des origines très variées, comme des impuretés dans les matériaux ou des créations et recombinaisons parasites dues au courant de base d’un transistor. Ce bruit est toujours relatif à un courant continu. Il peut être réduit en améliorant les procédés de fabrication des semi-conducteurs et diminuant la consommation de l’amplificateur^[17]. Malheureusement, la réduction de la consommation d'un amplificateur passe par une augmentation de la valeur de certaines résistances ce qui va augmenter le bruit thermique^[17].

Le bruit de scintillation se rencontre aussi avec les résistances au carbone, où il est désigné comme bruit en excès car il s’additionne au bruit thermique. Le bruit de scintillement étant proportionnel à la composante continue du courant, si le courant est faible, le bruit thermique prédominera quel que soit le type de résistance.

Le bruit en créneaux

Le bruit en créneaux est également nommé burst noise, ou bruit popcorn, ou crépitement. Il a été découvert lors du développement de l’un des premiers amplificateurs opérationnels : le µA709. Il s’agit essentiellement de créneaux de tension (ou de courant) dont l’amplitude s’étend de moins d’un microvolt à plusieurs centaines de microvolts. L’intervalle entre les créneaux est de l’ordre de la milliseconde ^[18]. Le bruit en créneaux, dans un amplificateur audio, produit des « pops » qui lui ont valu le nom de bruit popcorn^[19]. L’apparition de ces « pops » est aléatoire : ils peuvent se manifester plusieurs fois par seconde puis disparaître pendant plusieurs minutes.

Les origines de ce bruit ne sont pas actuellement connues, mais il semble qu’elles soient liées à des imperfections dans les semi-conducteurs et à l’implant d’ions lourds ^[20],[21]. Les conditions les plus favorables à l’apparition de ce bruit semblent être de basses températures et la présence de résistances de forte valeur^[18].

Le bruit d’avalanche

Le bruit d’avalanche a lieu dans les semi-conducteurs : le champ électrique accélère certains électrons au point de déloger d’autres électrons de valence et de créer des porteurs de charge supplémentaires. Ce bruit devient important pour les champs électriques élevés, au voisinage de l’effet d’avalanche.

Les autres types de bruits

On peut rencontrer d’autres types de bruits dans un amplificateur électronique. Ces bruits ne sont généralement pas dus à l’amplificateur lui-même mais à son environnement. On citera, par exemple, les bruits de quantification et d'échantillonnage engendrés par les convertisseurs numérique analogique et tous les bruits CEM attribués à la présence d’alimentations à découpage, d’émetteurs radio et de télévision et autres appareils sources d’interférences à proximité de l’amplificateur. La plupart de ces bruits peuvent être maîtrisés à l’aide d’un blindage et/ou d’un filtrage des signaux d’entrée et d’alimentation. Dans les cas les plus sensibles, il est parfois nécessaire d’avoir recours à de lourdes tables pour absorber les vibrations, des cages de Faraday, des chambres sourdes et des pièces climatisées^[22],[23].

Rapport signal sur bruit

Le rapport signal-bruit est un terme utilisé en ingénierie, en traitement du signal ou en théorie de l’information pour désigner le rapport entre la grandeur d’un signal (information utile, significative) et celle du bruit (information inutile, non significative). Comme de nombreux signaux ont une échelle dynamique élevée, les rapports signal-bruit sont souvent exprimés en décibels. Le rapport signal sur bruit désigne la qualité d’une transmission d’information par rapport aux parasites. On définit ainsi la qualité d’un amplificateur, quel que soit son type et la catégorie de signaux qu’il traite. Plus le rapport est élevé, moins l’appareil dénature le signal d’origine.

Classification des systèmes et étages amplificateurs

Il existe une grande quantité de classifications, elles découlent souvent des différentes caractéristiques du schéma d’un amplificateur. Toutes ces caractéristiques ont une influence sur les paramètres et les performances de l’amplificateur. La conception d’un amplificateur est toujours un compromis entre plusieurs facteurs comme le coût, la consommation énergétique, les imperfections des composants et, le besoin de rendre l’amplificateur compatible avec le générateur du signal d’entrée et la charge en sortie. Afin de décrire un amplificateur, on parle généralement de sa classe, de la méthode de couplage qui a été utilisée entre ces différents étages ainsi que la gamme de fréquences pour laquelle il est prévu^[24].

Classification par angle de conduction : les classes d’amplificateurs

Le système de lettres, ou classe, utilisé pour caractériser les amplificateurs assigne une lettre pour chaque schéma d’amplificateur électronique. Ces schémas sont caractérisés par la relation entre la forme du signal d’entrée et celui de sortie, mais aussi par la durée pendant laquelle un composant actif est utilisé lors de l’amplification d’un signal. Cette durée est mesurée en degrés d’un signal sinusoïdal test appliqué à l’entrée de l’amplificateur, 360 degrés représentant un cycle complet^{[25],[26],[27]}. En pratique la classe d’amplification est déterminée par la polarisation des composants (tubes, transistors bipolaires, transistors à effet de champ, etc.) de l’amplificateur, ou le calcul du point de repos.

Les circuits amplificateurs sont classés dans les catégories A, B, AB et C pour les amplificateurs analogiques, et D, E et F pour les amplificateurs à découpage. Pour les amplificateurs analogiques, chaque classe définit la proportion du signal d’entrée qui est utilisée par chaque composant actif pour arriver au signal amplifié (voir figure ci-contre), ce qui est aussi donné par l’angle de conduction a :

Classe A 

La totalité du signal d’entrée (100 %)^[26],[27] est utilisée (a = 360°).

Classe B 

La moitié du signal (50 %)^[26],[27] est utilisée (a = 180°).

Classe AB 

Plus de la moitié mais pas la totalité du signal (50–100 %)^[26],[27] est utilisée (180° < a < 360°).

Classe C 

Moins de la moitié (0–50 %)^[26],[27] du signal est utilisée (0 < a < 180°).

Les amplificateurs de classe AB se nomment ainsi car ils fonctionnent comme des classe A pour les signaux de faible amplitude, puis ils passent progressivement en classe B au fur et à mesure que l’amplitude du signal augmente.

Il existe d’autres classes pour les amplificateurs analogiques : G et H. Ces classes ne se distinguent plus des autres grâces à leur angle de conduction mais grâce à leur rendement. La classe G a été introduite en 1976 par Hitachi^[28]. Les amplificateurs de classe G possèdent plusieurs bus de tensions différentes et passent de l’un à l’autre en fonction de la puissance demandée en sortie. Cela permet d’augmenter le rendement en diminuant la puissance « perdue » dans les transistors de sortie. Les amplificateurs de classe H sont similaires à ceux de classe G, à la différence près que la tension d’alimentation « suit », ou est modulée par le signal d’entrée.

À l’inverse des amplificateurs analogiques qui utilisent leurs composants actifs dans leur zone linéaire, les amplificateurs à découpages utilisent leurs composants actifs comme des interrupteurs en les amenant dans leur zone saturée. Quand ils sont utilisés ainsi, on peut distinguer deux modes de fonctionnement pour les composants actifs : passant (ou saturé) et bloqué. Quand un composant actif est bloqué, le courant qui le traverse est nul tandis que lorsqu’il est saturé, la chute de tension à ces bornes est faible. Dans chaque mode de fonctionnement, les pertes de puissances sont très faible permettant ainsi aux amplificateurs à découpage d’avoir un fort rendement. Cette augmentation du rendement permet de demander moins de puissance à l’alimentation et d’utiliser des dissipateurs plus petits que pour un amplificateur analogique de puissance équivalente. C’est grâce à ces avantages en termes de rendement et de volume que les amplificateurs de classe D concurrencent les amplificateurs de classe AB dans beaucoup d’applications ^[29].

Les amplificateurs de classe E et F sont des amplificateurs à haut rendement qui sont optimisés pour n’amplifier qu’une faible gamme de fréquences. Ils sont généralement utilisés pour amplifier les fréquences radio. Le principe des amplificateurs de classe E a été publié pour la première fois en 1975 par Nathan O. Sokal et Alan D. Sokal ^[30]. Les amplificateurs de classe F reprennent le même principe que les amplificateurs de classe E mais avec une charge accordée à une fréquence et à quelques uns de ses harmoniques, tandis que la charge des amplificateurs de classe E n’est accordée que pour la fréquence fondamentale.

Classification par méthode de couplage

Les amplificateurs sont parfois classés par leur méthode de couplage entre l’entrée et la sortie ou entre les différents étages de l’amplificateur. Ces différentes méthodes incluent les couplages capacitif, inductif (transformateur) et le couplage direct^[24].

Le couplage capacitif permet d'isoler la polarisation des étages entre eux, par contre il ne permet pas d'amplifier le continu. L’utilisation d’un couplage direct permet de se passer des condensateurs de liaisons et d'amplifier le continu, mais implique l’utilisation d’une alimentation symétrique^[31],[32]. Le couplage inductif permet de réaliser une adaptation d'impédance entre les étages ou de réaliser un circuit résonant. La plupart des amplificateurs intégrés utilisent un couplage direct entre leurs étages^[24].

Classification par gamme de fréquences

On peut aussi décrire les amplificateur en fonction de leur bande passante. Par exemple, les amplificateurs audio sont conçus pour amplifier les signaux à des fréquences sonores audibles (20 Hz à 20 kHz) tandis que les amplificateurs d’ondes radio peuvent amplifier des fréquences allant bien au-dela des 20 kHz. Les amplificateurs d’ondes radio peuvent aussi être classés suivant la largeur de leur bande passante. On parle alors d’amplificateurs à bande étroite (narrowband en anglais) ou large bande (wideband en anglais). Les amplificateurs à bande étroite ne travaillent que sur une faible gamme de fréquences (par exemple de 450 à 460 KHz) tandis que les amplificateurs large bande peuvent amplifier une grande gamme de fréquences^[24]. En général, les amplificateurs à bande étroite utilisent une charge accordée. Les charges accordées sont des filtres passe-bande : elles ne laissent passer qu’une seule fréquence ou une bande de fréquences et permettent d’utiliser des montage de classe E ou F qui sont intéressant car ils possèdent de forts rendements.

Classification des amplificateurs par leur électrode reliée au zéro

Une de ces classifications se réfère à « l’électrode reliée au zéro » : le schéma de l’amplificateur est alors décrit par l’électrode du composant actif qui est reliée au plus court au zéro. Ainsi, on parle d’amplificateur à émetteur commun, à plaque commune ou à drain commun. Ces noms renseignent aussi sur le type de technologie utilisée. Par exemple, un amplificateur à émetteur commun utilisera un transistor bipolaire, celui à plaque commune un tube tandis qu’un amplificateur à drain commun utilisera un MOSFET ou un JFET. Quelle que soit l’électrode d’un composant actif, il existe certainement une application ayant amené à la création d’un montage où elle est reliée au zéro. Voir aussi : collecteur commun, base commune.

Inverseur et non-inverseur

Une autre façon de classer les amplificateurs est d’utiliser la phase entre le signal d’entrée et celui de sortie. Un amplificateur inverseur produira un signal de sortie déphasé de 180 degrés par rapport au signal d’entrée, ou une image miroir de l’entrée si on visualise l’entrée et la sortie sur un oscilloscope. Un amplificateur non-inverseur produira quant à lui un signal de sortie ayant la même phase que l’entrée. Un montage émetteur suiveur (ou collecteur commun), est un type d’amplificateur dont le signal sur l’émetteur suit (même phase et même amplitude en tension) le signal d’entrée. Les montages qualifiés de « suiveur » sont des amplificateurs de courant : ils permettent d’obtenir un courant de sortie élevé tout en absorbant un courant d’entrée quasiment négligeable.

Cette description peut s’appliquer à un simple étage ou à un système complet.

Classification par fonction

Les amplificateurs peuvent aussi être classés par fonctions ou caractéristiques de sortie. Ces descriptions fonctionnelles s’appliquent souvent à un système complet et non à un étage unique.

• un servo-amplificateur possède une boucle de contre réaction afin d’asservir la sortie à une consigne. Certains servo-amplificateurs n’amplifient que le continu et les basses fréquences (jusqu'à quelques centaines de Hz), ignorant ainsi toute perturbation haute fréquence. Ils sont souvent utilisés dans les actionneurs mécaniques, ou avec des moteurs à courant continu qui doivent maintenir une vitesse ou un couple constant. Un servo-amplificateur amplifiant l’alternatif pourra faire de même avec certaines machines à courant alternatif.

• Un amplificateur linéaire ne produit pas de distorsion harmonique: Un signal sinusoîdal sur son entrée donne un signal toujours sinusoîdal en sortie. Voir distorsion.

• Un amplificateur large bande possède un facteur d’amplification précis sur une large bande de fréquences. Il est généralement linéaire. On en trouve pour amplifier l'ensemble des canaux TV reçus, pour amplifier un signal à large spectre, pour amplifier les signaux multifréquence dans les relais d’un système de télécommunication.

• Un amplificateur sélectif ou bande étroite est conçu de façon à n’amplifier qu’une bande de fréquences étroite ou unique à l’exception de toutes les autres fréquences. Par exemple la fréquence intermédiaire des récepteurs.

• Les amplificateurs radioélectriques sont conçus pour amplifier les signaux générant des ondes radio. Ils sont souvent spécialement étudiés pour alimenter une antenne radioélectrique: Pour les émetteurs, ce sont les amplificateurs RF de puissance, et pour les récepteurs, ce sont les amplificateurs faible bruit .

• Les amplificateurs audio sont étudiés spécialement pour reproduire les fréquences audibles par l’intermédiaire d’enceintes électroacoustiques. Ils possèdent souvent plusieurs amplificateurs regroupés ensemble comme canaux séparés ou « bridgeables » afin de pouvoir s’adapter à différents systèmes de reproduction sonore.

• Un type spécial d’amplificateur basse puissance aux caractéristiques idéales est souvent utilisé dans les instruments, le traitement du signal et bien d’autres applications. Ces amplificateurs sont connus sous le nom d’amplificateurs opérationnels. Ils portent ce nom car ils servent majoritairement à réaliser des algorithmes mathématiques, ou « opérations » sur le signal d’entrée afin d’obtenir le signal de sortie voulu.

La contre-réaction

La contre-réaction soustrait au signal d’entrée une image réduite du signal de sortie avant de l’amplifier. Son principal effet est de diminuer le gain du système. Cependant, les distorsions dues à 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 étant en puissance de deux. Le résultat de ces non-linéarités est une distorsion de l’amplification.

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 ^[33],[34]. 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 ^[35]. 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 ^[36],[37], en décembre 1931, après que Black et d’autres membres des laboratoires Bell aient développé la théorie relative à la contre-réaction.

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 du « pour cent ». 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 %.

Alors que la contre-réaction semble être le remède à tous les maux d’un amplificateur, beaucoup pensent que c’est une mauvaise chose. Comme elle utilise une boucle, il lui faut un temps fini pour réagir à un signal d’entrée et pendant cette courte période, l’amplificateur est « hors de contrôle ». Un transitoire musical dont la durée est du même ordre de grandeur que cette période sera donc grossièrement distordu. 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. Ce sujet a été largement débattu à la fin des années 1970 et pendant un grande partie des années 1980 ^{[38], [39],[40]}.

Ces arguments ont été sources de controverses pendant des années, et ont amené à prendre en compte ces phénomènes lors de la conception d’un amplificateur afin de les éliminer ^[41],[42]. Dans les faits, la majorité des amplificateurs modernes utilisent de fortes contre-réactions, alors que les schémas utilisés pour les amplificateurs audio haut de gamme cherchent à la minimiser.

Quels que soient les mérites de ces arguments sur la façon dont elle modifie la distorsion, 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 la faculté d’un amplificateur à contrôler une enceinte. Si tout se passe bien, 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 en basses fréquences de beaucoup d’enceintes qui ont un rendu des basses irrégulier si le facteur d’amortissement de l’amplificateur est trop faible.

Le concept de contre-réaction est utilisé avec les amplificateurs opérationnels pour définir précisément le gain, la bande passante et beaucoup d’autres paramètres.

Un exemple de montage amplificateur

À des fins d’illustration, on utilisera cet exemple pratique d’amplificateur. Il peut servir de base à un amplificateur audio de puissance modérée. Son schéma, bien que sensiblement simplifié, est typique de ce que l’on retrouve dans un amplificateur moderne grâce à son push-pull de classe AB^[43] en sortie et à l’utilisation d’une contre-réaction. Il utilise des transistors bipolaires, mais il peut tout aussi bien être réalisé avec des transistors à effet de champ ou des tubes.

Le signal d’entrée est couplé à la base du transistor Q1 à travers le condensateur de liaison C1. Le condensateur permet au signal alternatif de passer, mais il bloque la tension continue due à la polarisation de Q1 par le pont diviseur R1-R2. Grâce à C1, aucun circuit précédent n’est affecté par la tension de polarisation de Q1. Q1 et Q2 forment un amplificateur différentiel (un amplificateur différentiel multiplie par une constante (appelée gain en tension) la différence entre ses deux entrées). Le schéma utilisé ici pour faire un amplificateur différentiel est aussi connu sous le nom de paire différentielle. Cette configuration est utilisée pour implémenter facilement la contre-réaction, qui est fournie à Q2 grâce à R7 et R8. La contre-réaction dans l’amplificateur différentiel permet à l’amplificateur de comparer l’entrée à la sortie actuelle. Le signal amplifié par Q1 est envoyé directement au second étage, Q3, qui amplifie davantage le signal et fournit la tension continue de polarisation de l’étage de sortie (Q4 et Q5). R6 sert de charge à Q3. Un montage plus évolué utiliserait probablement une charge active, une source de courant constant par exemple. Jusqu’à présent, l’amplificateur travaille en classe A. La paire de sortie est câblée en push-pull de classe AB, aussi appelé paire complémentaire. Ils fournissent la majorité du courant de l’application et pilotent directement la charge à travers le condensateur de liaison C2 qui bloque la composante continue. Les diodes D1 et D2 fournissent une petite tension continue afin de polariser la paire de sortie, de sorte que la distorsion de sortie est minimisée.

Ce schéma est simple, mais c’est une bonne base pour la réalisation d’un véritable amplificateur car il stabilise automatiquement son point de fonctionnement grâce à sa boucle de contre-réaction, qui fonctionne du continu jusqu’au-delà de la bande audio. Un véritable amplificateur utiliserait probablement un circuit supplémentaire faisant baisser le gain au-delà de la bande de fréquences utile afin d’éviter la possibilité d’oscillations non désirées. De plus, l’utilisation de diodes fixes pour la polarisation peut poser des problèmes si les diodes ne sont pas thermiquement et électriquement assorties aux transistors de sortie. En effet, si les transistors deviennent trop passants, ils risquent de se détruire par emballement thermique. La solution traditionnelle pour stabiliser les composants de sortie est d'ajouter des résistances d’un ohm ou plus en série avec les émetteurs. Le calcul des résistances et des condensateurs du circuit se fait en fonction des composants actifs utilisés et de l’utilisation future de l’amplificateur .

Les amplificateurs intégrés

On appelle amplificateur intégré un amplificateur se présentant sous la forme d’un circuit intégré. Un circuit intégré (CI ou puce électronique) est lui-même un type de composant constitué de plusieurs composants électroniques sous forme miniaturisée. Le circuit intégré permet de reproduire une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, facilitant sa mise en œuvre. Ils contient principalement des transistors, des diodes, des résistances, des condensateurs, plus rarement des inductances car elles sont plus difficilement miniaturisables.

Le premier circuit intégré a été inventé par Jack Kilby en 1958 ^[44], jetant ainsi les bases de l’informatique moderne. Pour la petite histoire Jack Kilby, qui venait de rejoindre la compagnie, a fait cette découverte alors que la plupart de ses collègues profitaient de vacances organisées par Texas Instruments. À l’époque, Kilby avait tout simplement relié entre eux différents transistors en les câblant à la main. Il ne fallut par la suite que quelques mois pour passer du stade de prototype à la production de masse de puces en silicium contenant plusieurs transistors. Cette découverte a valu à Kilby un prix Nobel de physique en 2000 ^[45], alors que ce dernier siégeait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de 60 brevets à son nom ^[44].

Le plus connu des amplificateurs intégrés est l’amplificateur opérationnel (appelé « ampli-op » dans le jargon des électroniciens), mais il existe une multitude d’amplificateurs intégrés spécialement conçus pour une application précise. On citera par exemple, les amplificateurs d’instrumentations pour amplifier les signaux issus de capteurs, les « gainclones » en audio ou les drivers de lignes ADSL pour amplifier les signaux ADSL avant qu’ils ne soient envoyés sur une ligne téléphonique.

Les amplificateurs opérationnels

Les amplificateurs opérationnels (aussi dénommé ampli-op ou ampli op, AO, AOP, ALI, AIL ou encore CIL) ont été initialement conçus pour effectuer des opérations mathématiques en utilisant la tension comme image d’une autre grandeur. C’est le concept de base des calculateurs analogiques dans lesquels les amplificateurs opérationnels sont utilisés pour modéliser les opérations mathématiques de base (addition, soustraction, intégration, dérivation, …). Cependant, un amplificateur opérationnel idéal est extrêmement souple d’utilisation et peut effectuer bien d’autres applications que les opérations mathématiques de base ^{[46],[47],[48],[49]}. En pratique, les amplificateurs opérationnels sont constitués de transistors, tubes électroniques ou de n’importe quels autres composants amplificateurs et ils sont implémentés dans des circuits discrets ou intégrés.

Les amplificateurs opérationnels ont été initialement développés à l’ère des tubes électroniques, ils étaient alors utilisés dans les calculateurs analogiques. Actuellement, les amplificateurs opérationnels sont disponibles sous forme de circuits intégrés, bien que des versions sous forme de composants discrets soient utilisés pour des applications spécifiques.

Le premier AOP intégré disponible en grande quantité, à la fin des années 1960, fut l’AOP bipolaire Fairchild μA709, crée par Bob Widlar en 1965 ; il a été rapidement remplacé par le μA741 qui offrait de meilleures performances tout en étant plus stable et plus simple à mettre en œuvre^[50]. Le μA741 est encore fabriqué de nos jours, et est devenu omniprésent en électronique. Plusieurs fabricants produisent une version améliorée de cet AOP, reconnaissable grâce au « 741 » présent dans leur dénomination. Depuis, des circuits plus performants ont été développés, certains basés sur des JFET (fin des années 1970), ou sur des MOSFET (début des années 1980). La plupart de ces AOP modernes peuvent se substituer à un μA741, dans un circuit de conception ancienne, afin d’en améliorer les performances.

Les amplificateurs opérationnels sont disponibles sous des formats, brochages, et niveaux de tensions d’alimentation standardisés. Avec quelques composants externes, ils peuvent réaliser une grande variété de fonctionnalités utiles en traitement du signal. La plupart des AOP standard ne coûtent que quelques dizaines de centimes d’euros, mais un AOP discret ou intégré avec des caractéristiques non-standard et de faible volume de production peut coûter plus de 100 euros pièce.

Les principaux fabricants d’amplificateurs opérationnels sont : Analog Devices, Linear Technology, Maxim, National Semiconductor, STMicroelectronics et Texas Instruments^[51].

Les amplificateurs d’instrumentation

Un amplificateur d’instrumentation est un dispositif électronique destiné au traitement de faibles signaux électriques. L’application typique est le traitement de signaux issus de capteurs de mesure. Son fonctionnement est basé sur le principe de l’amplification différentielle.

L’amplificateur d’instrumentation est généralement réalisé à partir d’un ou de plusieurs amplificateurs opérationnels, de telle manière qu’il améliore leurs caractéristiques intrinsèques : offset, dérive, bruit d’amplification, gain en boucle ouverte, taux de réjection du mode commun, impédance d’entrée.

Le gain idéal en mode commun de l’amplificateur d’instrumentation est minimisé. Dans le circuit ci-contre, le gain en mode commun est causé par les différences de valeur entre les résistances portant le même nom et le gain en mode commun non-nul des deux AOP d’entrées. La réalisation de résistances appairées en valeur est la principale contrainte de fabrication des circuits d’instrumentation^[52].

Les amplificateurs d’instrumentation peuvent être réalisés avec plusieurs AOP et des résistances de précision, mais ils sont aussi disponibles sous forme de circuits intégrés dans les catalogues de plusieurs fabricants (dont Texas Instruments, Analog Devices, et Linear Technology). Un amplificateur d’instrumentation intégré contient généralement des résistances dont les valeurs ont été ajustées avec précision à l’aide d’un laser, et offre donc un excellent taux de réjection du mode commun.

Bibliographie

En français

• Michel Girard, Amplificateurs de puissance, Ediscience International, 1993, 435 p. (ISBN 2840740419 et ISBN 978-2840740414).
  précédemment (1988) chez McGraw-Hill, ISBN 2-7042-1180-9
   
• Paul Horowitz, Winfield Hill, Traité de l’électronique analogique et numérique [« The Art of Electronics »], vol. 1 : Techniques analogiques, Publitronic, 1996 (ISBN 2866610709) 
• Tien Lang Tran, Électronique analogique des circuits intégrés, Masson, 1997 (ISBN 2225853061) 
• Jean Hiraga, Initiation aux amplis à tubes, Dunod, 1998 (ISBN 2100052691) 
• Albert Paul Malvino, David J. Bates, Principes d’électronique [« Electronic principles »], Dunod, 2002 (ISBN 210005810X).
  6 ème édition (traduction de la 6 ème édition de l’ouvrage anglais)
   

En anglais

• (en) Ron Mancini, Op Amps for Everyone, Newnes, 2003 (ISBN 0750677015 et ISBN 978-0750677011).
  second edition.(Disponible sur le site de TI (PDF))
   
• (en) Walt Jung, Op Amp Applications Handbook, Newnes, 2004 (ISBN 0750678445 et ISBN 978-0750678445).
  Disponible sur le site de Analog Devices (PDF)
   
• (en) Douglas Self, Audio Power Amplifier Design Handbook, Newnes, 2006 (ISBN 0750680725) 
• (en) Albert Paul Malvino, David J. Bates, Electronic principles, McGraw-Hill Science, 2006 (ISBN 0073222771 et ISBN 0071108467).
  seventh edition
   

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Electronic amplifier ».

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Operational amplifier ».

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Instrumentation amplifier ».

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Burst noise ».

Voir aussi

Articles connexes

• Amplificateurs :
  • Amplificateur audio
  • Amplificateur d’instrumentation
  • Amplificateur opérationnel
  • Amplificateur optique
  • Préamplificateur d'antenne UHF
• Montages amplificateurs :
  • Pour transistor bipolaire :
    • Base commune
    • Collecteur commun
    • Émetteur commun
  • Pour transistor à effet de champ :
    • Drain commun
    • Grille commune
    • Source commune
• Composants :
  • Transistor
  • Tube électronique
  • Gyrotron
  • Klystron
  • Tube à ondes progressives

Liens externes

• (en) Conversion : distortion factor to distortion attenuation and THD
• (en) [pdf] An alternate topology called the grounded bridge amplifier
• (en) [pdf] Reinventing the power amplifier
• (en) Tons of Tones !! : Site explaining non linear distortion stages in Amplifier Models
• (en) [pdf] International Rectifier application note 1071 : Class D Audio Amplifier Basics
• (en) [pdf] National semiconductors application note A : The Monolithic Operational Amplifier: A Tutorial Study
• (en) [pdf] Texas Instruments white paper SLOA011 : Understanding Operational Amplifier Specifications
• (en) [pdf] Texas Intruments application report slva043a : Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits
• (en) [pdf] National semiconductors application note 20 : An Applications Guide for Op Amps
• (en) [pdf] National semiconductors application note 30 : Log Converters
• (en) [pdf] Analog Devices technical article : A Practical Review of Common Mode and Instrumentation Amplifiers.

Notes et références

Électromagnétisme • Électricité • Électronique • Électrotechnique • Électrochimie • Automatique • Traitement du signal
Analogique : Amplificateur • Commutateur • Filtre • Radiophonie • Transistor • Tube
Numérique : DSP • Porte logique • µP • µContrôleur • ASIC • FPGA • CPLD • Ordinateur • Réseaux programmables
Optoélectronique : Fibre optique • LED • Phototransistor • Cellule photovoltaïque
Micro-électronique : MEMS

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