AMPLIFICATEURS

AMPLIFICATEURS

Un amplificateur est un dispositif électronique qui réalise sur une grandeur électrique – tension ou intensité – porteuse d’information l’opération mathématique élémentaire: multiplication par une constante, et qui accroît l’énergie véhiculée par cette grandeur. L’amplification est une fonction fondamentale qui intervient explicitement (par exemple: amplificateur haute fidélité) ou implicitement (par exemple: oscillateurs, modulateurs, asservissements...) dans la plupart des systèmes électroniques. Le nombre de dispositifs répondant à la définition précédente est trop important pour en faire ici l’étude exhaustive. Les technologies mises en œuvre pour leur réalisation sont très variées, évoluent continuellement et leur choix dépend du domaine d’utilisation de l’amplificateur à réaliser (fréquence, niveau des signaux à traiter, puissance...). De nos jours, le transistor utilisé en composant élémentaire ou intégré au sein d’un macrocomposant (amplificateur opérationnel) est fréquemment employé pour réaliser des amplificateurs compacts et à bon marché, répondant aux besoins courants (électronique grand public, instrumentation...). Les tubes électroniques ne sont plus guère employés que pour des applications très spécifiques. D’autres articles présentant par ailleurs des amplificateurs utilisant des principes différents (cf. HYPERFRÉQUENCES, MASER...), on se limitera ici à l’exposé de généralités sur l’amplification et les principes de base mis en œuvre pour réaliser des amplificateurs à partir de composants usuels (transistor, amplificateur opérationnel).

1. Amplificateur idéal

Contexte de fonctionnement

Un amplificateur effectue un traitement (multiplication par une constante) sur une grandeur électrique. Pour fonctionner de manière cohérente, il doit nécessairement être inséré entre deux dispositifs: la source , qui lui fournit la grandeur à amplifier, et la charge , qui exploite cette grandeur après traitement (fig. 1). Le système constituant la source (capteur, sortie d’un autre opérateur...) est vu par l’amplificateur comme un dipôle modélisable par une représentation de Thévenin (e ^g et R^g ) ou de Norton (j ^g et G^g = 1/R^g ). De même, la charge constitue un dipôle modélisable par une impédance R^u . L’amplificateur idéal peut être considéré comme un quadripôle qui prélève à la source la grandeur à amplifier, lui fait subir un accroissement défini par un coefficient multiplicateur, caractéristique principale de l’amplificateur, appelé gain , et la restitue à la charge, qui peut en exploiter l’information ou l’énergie contenue.

Les dipôles d’entrée et de sortie ne sont pas équivalents. L’amplificateur est un élément prévu pour fonctionner dans le sens entréesortie. Le fonctionnement de la source doit rester insensible à l’évolution des dispositifs situés en aval de la chaîne de traitement. L’amplificateur idéal est donc nécessairement unidirectionnel.

L’acquisition de la grandeur à amplifier ne doit pas perturber le fonctionnement de la source. L’amplificateur doit prélever la grandeur à amplifier sans échanger d’énergie avec la source. Le prélèvement d’une tension (respectivement, d’un courant) doit donc s’effectuer à courant nul (respectivement, à tension nulle).

En vertu du principe de conservation de l’énergie, l’accroissement de la grandeur à amplifier ne peut se faire qu’aux dépens d’une source d’énergie extérieure dont le «débit» est proportionnel à la grandeur d’entrée. Un amplificateur peut donc être considéré comme une source de tension (ou de courant) commandée par une tension (ou un courant) et modélisable par un des quadripôles de la figure 2, désignés par la suite par SCV (ou SCI)V (ou I). Par exemple, SCIV signifie source commandée par un courant I délivrant une tension V.

Gain d’un amplificateur

Pour évaluer la fonction amplification, on peut comparer les différentes grandeurs électriques (tension, courant, puissance) délivrées à la charge à celles qui sont appliquées à l’entrée de l’amplificateur, et définir formellement des gains en tension (respectivement, en courant, en puissance) comme le rapport des tensions (respectivement, des courants, des puissances) de sortie et d’entrée. Ces gains sont usuellement exprimés en décibels (symbole: dB) en utilisant une échelle logarithmique. Le nombre de décibels correspond à 20 log v^s /v^e pour un gain en tension, à 20 log i ^s /i ^e pour un gain en courant, et à 10 log P^s /P^e pour un gain en puissance puisque la puissance varie comme le carré de la tension ou du courant. En pratique, et parfois par abus de langage, on appelle également gain le coefficient multiplicateur traduisant la fonction principale de l’opérateur «source commandée» idéalisé. Il est alors homogène à une impédance (SCIV), à une admittance (SCVI) ou sans dimension (SCVV ou SCII).

Sources commandées opérationnelles

Le fonctionnement des quadripôles de la figure 2 peut être représenté par une matrice admittance [Y ], une matrice impédance [Z ], ou une matrice hybride [G ] ou [H ], dans laquelle seul le terme traduisant la fonction principale est non nul, ou par une matrice chaîne:

Lorsque le gain tend vers l’infini, la matrice de chaîne tend vers la matrice nulle quel que soit le type initial de source commandée. Une telle source commandée est dite opérationnelle . Lorsque cette structure est incluse dans un circuit, la tension et le courant d’entrée sont maintenus identiquement nuls; la tension et le courant de sortie sont déterminés par le circuit extérieur. Autrement dit, la source commandée opérationnelle délivre en sortie une tension et un courant permettant d’asservir la tension et le courant d’entrée à zéro.

Amplificateur différentiel

Les potentiels électriques ne sont définis qu’à une constante près. Les tensions intervenant dans les schémas de la figure 2 sont nécessairement définies par rapport à une référence (masse). L’une des bornes du dipôle d’entrée (ou de sortie) est souvent reliée à la masse. La tension d’entrée (ou de sortie) est alors référencée. Certains amplificateurs dits différentiels traitent une tension utile apparemment «flottante» par rapport à la masse. De tels systèmes amplifient en réalité la différence de deux tensions référencées (tension de mode différentiel) indépendamment de la valeur moyenne de ces deux tensions (tension de mode commun). Ils trouvent des applications importantes sous forme d’amplificateurs d’instrumentation pour traiter les signaux issus de capteurs (thermocouples, jauges de contraintes...), où il est nécessaire d’extraire un signal généralement faible d’une tension de mode commun parfois élevée, de l’amplifier avec un gain stable et précis, et de garantir un bon isolement entre la source et les dispositifs situés en aval dans la chaîne de mesure.

Un amplificateur différentiel présentant un gain très grand (idéalement infini) constitue une approche de source commandée opérationnelle facile à exploiter, appelée amplificateur opérationnel. Fabriquée sous forme d’un circuit intégré, cette structure, utilisée avec un réseau de réaction, permet de réaliser des amplificateurs économiques et performants et des structures plus complexes. Son importance justifie d’ailleurs la présence d’un article séparé, AMPLIFICATEURS OPÉRATIONNELS.

2. Sources commandées réelles

En pratique, aucune propagation d’information ne peut être effectuée sans échange d’énergie. L’apparition d’une tension (respectivement, d’un courant) à l’entrée ne peut avoir lieu sans l’apparition d’un courant (respectivement, d’une tension). L’impédance d’entrée des sources commandées réelles n’est donc pas idéale. Elle constitue avec l’impédance de la source un pont diviseur de tension ou de courant qui, vis-à-vis de l’entrée de l’amplificateur, atténue la grandeur fournie par la source. On retrouve à la sortie de l’amplificateur un phénomène d’atténuation analogue (fig. 3). Une source commandée sera dite idéale si ces effets d’atténuation sont nuls, et performante si, compte tenu de la source et de la charge, ils sont suffisamment limités pour être négligés. L’impédance de sortie d’une source commandée de tension SC...V (respectivement, de courant SC...I) devra donc être nulle ou au moins très faible (respectivement, infinie ou au moins élevée) devant l’impédance de charge. De même, l’impédance d’entrée d’une source commandée par une tension SCV 轢... (respectivement, par un courant SCI 轢...) devra être infinie ou élevée (respectivement, nulle ou faible) devant l’impédance de la source. Ces critères de performance ne tiennent évidemment pas compte des autres imperfections liées à l’emploi de composants non linéaires pour la réalisation pratique de ces sources.

Par ailleurs, en l’absence de tout signal utile (v^e ou i ^e nul), on constate, en règle générale, que le signal de sortie (v^s ou i ^s ) n’est pas identiquement nul. Tout se passe comme si on avait intercalé entre la source et l’entrée de l’amplificateur un quadripôle constitué d’une source de tension – tension de décalage ramenée en entrée – et d’une source de courant – courant de polarisation (fig. 4).

Le gain d’un amplificateur réel dépend de la fréquence du signal d’entrée. La fonction filtrage est donc implicitement associée à la fonction amplification. On caractérise le domaine d’utilisation de l’amplificateur dans l’espace des fréquences par sa bande passante, définie comme l’intervalle [f ^cb , f ^ch ] dans lequel le gain est supérieur à un certain seuil généralement fixé à 3 décibels au-dessous de la valeur maximale. f ^cb et f ^ch sont respectivement les fréquences de coupures basse et haute de l’amplificateur. Les limitations de la bande passante peuvent être volontaires ou dues exclusivement aux imperfections des composants utilisés. La fréquence de coupure haute existe toujours. Certains amplificateurs dits continus ne présentent pas de fréquence de coupure basse et peuvent traiter des signaux infiniment lents. En fonction de la position de la bande passante dans l’espace des fréquences, on parle d’amplificateurs basse fréquence (B.F.) ou haute fréquence (H.F.). De même, selon la valeur du rapport (f ^ch 漣 f ^cb )/(f ^ch + f ^cb ), on distingue les amplificateurs sélectifs (utilisés dans les récepteurs radio) des amplificateurs à large bande (amplificateurs audio ou vidéo).

3. Principe de réalisation d’amplificateurs

Pour réaliser un amplificateur, le concepteur dispose de composants élémentaires que l’on peut classer en trois familles: les composants passifs (résistances, capacités...), les composants actifs (transistors, tubes électroniques...), les macrocomposants (amplificateurs opérationnels...).

À eux seuls, les premiers ne permettent pas de réaliser des amplificateurs performants. En effet, ils ne peuvent pas effectuer l’apport d’énergie nécessaire à une réelle amplification. Ils peuvent tout au plus réaliser un opérateur bidirectionnel (donc non performant) réalisant la multiplication par une constante avec atténuation de l’énergie du signal traité. Cependant, en les associant à des structures actives ou opérationnelles, on peut minimiser l’effet de leurs nombreuses imperfections et exploiter leur bonne linéarité et la bonne définition de leurs paramètres pour réaliser des approches satisfaisantes des modèles de la figure 2.

Réalisation à l’aide de composants actifs discrets

Les composants actifs sont fondamentalement non linéaires et pratiquement unidirectionnels. Ils n’apportent pas directement d’énergie mais jouent le rôle de «robinets» modulant le débit d’une source externe en fonction de la grandeur qui leur est appliquée en entrée. Prenons l’exemple du transistor bipolaire de type NPN. Le comportement de ce composant polarisé en régime de fonctionnement normal est voisin de celui du circuit de la figure 5. La caractéristique de la diode base-émetteur est exponentielle (fig. 6), donc non linéaire, mais, pour des variations très petites autour d’un point de repos (i ^E0, v^BE0), on peut la confondre avec la tangente en ce point et adopter le modèle très simple de la figure 6. Pour réaliser la fonction «source commandée», il faut tout d’abord placer le composant en régime de fonctionnement normal en insérant des sources continues de tension ou de courant entre certains nœuds. On peut ensuite imaginer plusieurs réalisations.

En utilisant directement l’effet transistor, on peut réaliser une SCII de gain unitaire en adoptant le schéma de principe de la figure 7, où les sources assurant la bonne polarisation du montage ont été volontairement omises. En vertu du principe de superposition, applicable au montage linéarisé, on étudie souvent séparément le régime statique de polarisation du composant et le régime dynamique traduisant la fonction principale de l’étage. Le transistor est alors représenté par un modèle petits signaux traduisant son comportement vis-à-vis des variations autour du point de repos. Compte tenu des imperfections du transistor, la SCII ainsi réalisée présente un gain en courant pratiquement égal à 1, une impédance d’entrée faible (égale à la résistance dynamique d’émetteur r ^E) et une impédance de sortie élevée, due principalement à la pente non nulle des caractéristiques i ^C = f (v^CE) à i ^B donné du transistor en régime linéaire (effet Early).

On peut également générer le courant émetteur en utilisant une résistance R^E pour effectuer une conversion tensioncourant (fig. 8). On réalise ainsi une SCVI, de transconductance 1/(r ^E + R^E), d’impédance d’entrée ( 廓 + 1)(r ^E + R^E) et d’impédance de sortie élevée (due à l’effet Early). Il est possible d’augmenter la transconductance en court-circuitant, vis-à-vis du régime alternatif, tout ou partie de la résistance R^E à l’aide d’un condensateur de découplage.

Enfin, on peut utiliser le transistor en SCVV de gain unitaire (fig. 9). L’impédance d’entrée est pratiquement égale à l’impédance de charge multipliée par le gain en courant 廓 du transistor. L’impédance de sortie est voisine de l’impédance de la source divisée par 廓. Ce type de montage réalise donc une adaptation d’impédance.

Ces trois structures de base correspondent respectivement aux montages base commune, émetteur commun, collecteur commun, dont les noms, consacrés par l’usage, ne traduisent pas explicitement la fonction principale. Leurs schémas de principe (fig. 7 à 9) ne sont pas directement exploitables. Le concepteur doit les adapter pour synthétiser de manière astucieuse les décalages de tension ou de courant nécessaires à la bonne polarisation du montage et exploiter simplement les variations utiles de la grandeur de sortie, souvent superposées à une composante continue. Les caractéristiques des composants actifs (V^d , 廓) sont très mal définies et fortement dépendantes de l’environnement extérieur (notamment de la température). Le point de repos doit donc être indépendant de ces caractéristiques et être fixé par la valeur de composants passifs bien définis.

Le raisonnement précédent peut être transposé au cas des transistors à effet de champ. Ainsi, chaque dispositif technologique permet de réaliser une approche de certaines des sources commandées définies à la figure 2. Les critères permettant de minimiser les imperfections de ces structures élémentaires sont souvent antinomiques. Pour réaliser des sources commandées de type et de gain quelconques, on peut associer en cascade des structures élémentaires actives ou passives en optimisant chaque étage vis-à-vis d’une imperfection pour répondre globalement aux exigences du cahier des charges. Les solutions possibles sont trop nombreuses pour être présentées ici. La figure 10 donne un exemple réaliste et simple d’étage de type émetteur commun.

Réalisation à l’aide d’amplificateurs opérationnels

De nos jours, la microélectronique permet d’intégrer un nombre important de composants élémentaires au sein d’un circuit intégré afin de réaliser des fonctions complexes. L’amplificateur opérationnel est fréquemment utilisé pour réaliser des sources commandées de faible puissance répondant aux besoins courants (signaux à basse fréquence). On peut montrer qu’un quadripôle passif de transmittance H, placé en réaction sur une source commandée opérationnelle, réalise une source commandée performante de transmittance 1/H. La figure 11 présente deux réalisations possibles. Chacun de ces schémas peut également être analysé en considérant que l’amplificateur opérationnel délivre une tension de sortie garantissant l’asservissement des grandeurs d’entrée (tension et courant) à zéro. Les performances de la source commandée ainsi réalisée sont liées aux imperfections de l’amplificateur opérationnel ^{[cf. AMPLIFICATEURS OPÉRATIONNELS]}.

4. Limitation du domaine de fonctionnement

À l’intérieur d’un certain domaine de fonctionnement (amplitude, fréquence...), un amplificateur réalisé à partir des principes qui viennent d’être exposés peut être considéré comme une bonne approche de la notion de source commandée. Nous allons maintenant essayer de définir les limites de ce domaine et en indiquer les origines.

Saturation

Lorsqu’on augmente l’amplitude des variations du signal d’entrée, on passe progressivement d’un régime de fonctionnement quasi linéaire (régime de petits signaux), pour lequel on peut linéariser les caractéristiques des éléments non linéaires autour de leur point de fonctionnement, à un régime de fonctionnement non linéaire (saturation de l’amplificateur), où le signal de sortie (tension ou courant) atteint une valeur maximale qu’il ne peut dépasser, quel que soit l’accroissement du signal d’entrée. Les composants actifs ne fonctionnent plus en régime normal mais en régime de saturation, où leur comportement doit être représenté par un modèle différent.

Limitation de la bande passante

Les limitations de la bande passante d’un amplificateur peuvent être dues à un choix délibéré du concepteur, qui associe volontairement la fonction filtrage à la fonction amplification (amplification sélective en H.F. ...), ou à la structure adoptée (présence ou non de condensateurs de liaison ou de découplage), ou encore aux imperfections des différents composants. On ne s’intéressera ici qu’à ce dernier cas. Les phénomènes parasites limitant la vitesse de variation des signaux peuvent être linéaires ou non linéaires.

Dans le premier cas, le comportement de l’amplificateur est pratiquement linéaire. Il ne dépend donc pas de l’amplitude des signaux mais de leur composition spectrale. Dans un domaine de fréquences allant de 0 à 100 mégahertz, la limitation de la fréquence de coupure haute provient essentiellement des capacités parasites des éléments actifs (capacités base-collecteur et base-émetteur pour un transistor bipolaire). Lorsque ces éléments parasites réactifs sont placés en parallèle sur l’entrée (ou la sortie) d’une source commandée, ils constituent, avec les impédances de source et d’entrée (ou de sortie et de charge) un filtre passe-bas, de fréquence de coupure inversement proportionnelle à la valeur de la capacité parasite. Leur influence est encore plus grande lorsqu’ils sont placés entre l’entrée et la sortie d’une source commandée de gain négatif élevé (structure émetteur commun, par exemple). Tout se passe alors comme si cette capacité était ramenée en parallèle sur l’entrée et multipliée par le gain (effet Miller). L’effet de filtrage décrit précédemment devient alors très important et impose pratiquement la bande passante de l’étage.

L’amplitude de la grandeur de sortie est limitée par le phénomène de saturation. De même, sa vitesse de variation est limitée à une valeur maximale appelée vitesse de balayage, liée à la structure du montage et au sens de variation du signal. Lorsque cette valeur est atteinte, le fonctionnement de l’amplificateur n’est plus linéaire et le signal de sortie est déformé. Ce phénomène, qui constitue une limitation à l’excursion en fréquence du signal à traiter, apparaît à des fréquences d’autant plus basses que l’amplitude du signal est élevée.

Bruit de fond et signaux parasites

Les différents composants produisent des signaux parasites aléatoires résultant de l’agitation thermique des électrons ou d’autres phénomènes microscopiques liés à la structure de la matière. Globalement, ces signaux parasites se traduisent à la sortie de l’amplificateur par un bruit qui se superpose au signal de sortie utile et ils altèrent l’information traitée. Ils déterminent la limite de résolution de l’amplificateur. Lorsque le signal d’entrée est très faible, le signal utile de sortie est entièrement masqué par ce signal aléatoire parasite. Pour apprécier le niveau de contamination du signal par le bruit, on peut évaluer le rapport signal sur bruit défini comme le quotient de la puissance du signal utile sur la puissance des bruits parasites. Ce rapport est généralement exprimé en décibels en adoptant la même convention que pour les gains en puissance.

De manière plus générale, la grandeur de sortie S varie linéairement avec la grandeur utile d’entrée E mais dépend également de grandeurs parasites P¹, P²... (variations de la tension d’alimentation, tension de mode commun d’un amplificateur différentiel): S = G . E + K¹ . P¹ + K² . P² + ... On peut quantifier ce type d’imperfection en définissant un taux de réjection pour chacune des grandeurs P¹, P²... comme le rapport G/Kⁱ , exprimé habituellement en décibels.

Distorsion

Les amplificateurs dits de puissance doivent pouvoir délivrer en sortie une puissance importante, donc un signal d’une amplitude importante. Lorsque le niveau des signaux devient élevé, l’effet de la courbure des caractéristiques des composants actifs ne peut plus être négligé. Des phénomènes de distorsion divers apparaissent (distorsion harmonique, d’intermodulation...). En particulier, si on applique en entrée un signal sinusoïdal de fréquence f ⁰, le signal de sortie n’est plus tout à fait sinusoïdal. Il peut être décomposé en série de Fourier pour faire apparaître des harmoniques de fréquences 2f ⁰, 3f ⁰... qui viennent altérer l’information véhiculée par le signal à traiter. On peut quantifier l’importance de ce phénomène en évaluant le taux de distorsion harmonique défini à partir du rapport de la puissance des harmoniques sur la puissance du fondamental (fréquence f ⁰). Les structures réalisées à partir d’un amplificateur de gain très grand associé à un réseau de réaction constitué d’éléments passifs et linéaires ^{[cf. AMPLIFICATEURS OPÉRATIONNELS]} présentent une caractéristique qui ne dépend idéalement que du réseau de réaction. Elles constituent une solution efficace pour minimiser le taux de distorsion.

Un amplificateur ne se limite pas au traitement de signaux purement sinusoïdaux. En pratique, les signaux appliqués comportent plusieurs fréquences élémentaires. Les différentes non-linéarités produisent un phénomène de distorsion d’intermodulation qui se manifeste par la présence dans le signal de sortie de combinaisons linéaires des composantes fréquentielles du signal d’entrée.

Classes de fonctionnement et rendement

Entre les deux cas limites de fonctionnement (petits signaux et saturation), on peut distinguer plusieurs régimes de fonctionnement (classes) en considérant, pour un signal d’entrée sinusoïdal, le temps de conduction des éléments actifs et leur régime de conduction (régime de fonctionnement normal ou saturé). Un étage amplificateur appartient à la classe A (fig. 12) si l’élément actif qui le constitue conduit pendant toute la période du signal à amplifier. Les amplificateurs de classe B sont constitués de deux éléments actifs (fig. 13: structure push-pull) conduisant pendant une demi-période chacun. En pratique, ce type de fonctionnement entraîne une distorsion de raccordement que l’on peut réduire en augmentant légèrement le temps de conduction (classe AB). Lorsque le temps de conduction est inférieur à la demi-période du signal d’entrée, le fonctionnement passe en classe C (fig. 14); le signal de sortie contient alors de nombreux harmoniques qui sont généralement filtrés par un circuit de charge très sélectif accordé à la fréquence centrale du signal à amplifier. Enfin, appartiennent à la classe D les amplificateurs dans lesquels les éléments actifs de puissance fonctionnent en régime bloqué ou saturé; ce type d’amplificateur utilise un principe différent: les composants actifs de puissance génèrent un signal rectangulaire de fréquence élevée par rapport au signal d’entrée et dont le rapport cyclique est proportionnel au signal à amplifier; un filtre passe-bas placé en sortie ou la simple inertie de la charge permet de ne conserver que les composantes spectrales correspondant aux basses fréquences du signal.

On appelle rendement d’un amplificateur le pourcentage de la puissance absorbée par l’amplificateur effectivement restituée à la charge. Les régimes de fonctionnement en classe B, C ou D permettent d’obtenir des rendements élevés. Les dispositifs de classe B sont fréquemment utilisés pour effectuer une amplification de puissance sur des signaux à large bande (amplificateur haute fidélité) alors que la classe C est réservée à l’amplification de signaux à bande étroite, généralement en radiofréquence.

Encyclopédie Universelle. 2012.