LES AMPLIFICATEURS

# LES AMPLIFICATEURS ## 5- Amplificateurs à composants discrets (classe A, B, AB; EM, CC, BC) ### Introduction Bienvenue à cette leçon sur les amplificateurs à composants discrets ! Dans le monde de l'électronique, les amplificateurs sont essentiels pour augmenter la puissance ou la tension d'un signal électrique. Plutôt que d'utiliser des circuits intégrés, nous allons nous concentrer sur les amplificateurs construits à partir de composants individuels comme des transistors, des résistances et des condensateurs. Nous explorerons les différentes "classes" de fonctionnement (A, B, AB) qui définissent comment ces amplificateurs gèrent le signal, ainsi que les "configurations" de base d'un transistor (Émetteur Commun, Collecteur Commun, Base Commune) qui influencent leurs caractéristiques. ### Concepts Clés #### Amplificateurs à Composants Discrets Un amplificateur à composants discrets est un circuit construit en utilisant des composants électroniques individuels (transistor, résistance, condensateur, etc.) plutôt qu'un circuit intégré (CI) qui regroupe de nombreux composants dans une seule puce. Ils offrent une grande flexibilité de conception et sont souvent utilisés pour des applications de haute puissance ou pour des besoins spécifiques non couverts par les CI standards. #### Classes d'Amplification (Classe A, B, AB) Les classes d'amplification décrivent la quantité du signal d'entrée sur laquelle le transistor est actif et conduit du courant. Cela impacte directement le rendement et la distorsion de l'amplificateur. ##### Amplificateur de Classe A * **Fonctionnement :** Le transistor est polarisé (réglé) de manière à être toujours en conduction, même en l'absence de signal. Il amplifie le signal sur 360° du cycle complet. C'est comme une voiture qui roule toujours, même au feu rouge. * **Avantages :** Très faible distorsion, excellente fidélité du signal de sortie. * **Inconvénients :** Très faible rendement énergétique (génère beaucoup de chaleur), ce qui signifie qu'une grande partie de l'énergie est dissipée plutôt qu'utilisée pour l'amplification. Le courant de repos est élevé. * **Applications :** Pré-amplificateurs, amplificateurs audio de haute fidélité où la qualité prime sur le rendement. ##### Amplificateur de Classe B * **Fonctionnement :** Utilise généralement deux transistors configurés en "push-pull". Chaque transistor amplifie seulement la moitié (180°) du signal d'entrée (l'un pour la partie positive, l'autre pour la partie négative). Ils sont polarisés pour ne conduire qu'en présence de signal. * **Avantages :** Rendement énergétique beaucoup plus élevé que la Classe A, génère moins de chaleur. * **Inconvénients :** Souffre de la **distorsion de croisement** (crossover distortion). C'est un petit "trou" dans le signal de sortie au moment où la conduction passe d'un transistor à l'autre, lorsque le signal traverse zéro. * **Applications :** Amplificateurs de puissance où le rendement est important. ##### Amplificateur de Classe AB * **Fonctionnement :** C'est un compromis entre la Classe A et la Classe B. Les transistors sont légèrement polarisés pour être légèrement conducteurs en l'absence de signal, mais moins que la Classe A. Chaque transistor conduit sur un peu plus de 180° (par exemple, 200°). Cela élimine la distorsion de croisement de la Classe B. * **Avantages :** Bon rendement énergétique (meilleur que la Classe A, un peu moins que la Classe B), très faible distorsion de croisement. * **Inconvénients :** Un peu plus complexe à concevoir que la Classe A ou B pure. * **Applications :** La majorité des amplificateurs de puissance audio grand public. #### Configurations de base d'un Transistor (EM, CC, BC) Un transistor bipolaire (BJT) possède trois bornes : la Base (B), le Collecteur (C) et l'Émetteur (E). Selon la borne qui est commune à l'entrée et à la sortie du signal, on distingue trois configurations de base, chacune avec des propriétés uniques. ##### Configuration Émetteur Commun (EC ou CE) * **Fonctionnement :** L'émetteur est la borne commune au signal d'entrée (appliqué à la base) et de sortie (prélevé sur le collecteur). L'émetteur est souvent mis à la masse (ou relié à une tension de référence). * **Caractéristiques :** * **Gain en tension** (\( A_v \)) : Élevé. C'est la configuration la plus courante pour amplifier la tension. * **Gain en courant** (\( A_i \)) : Élevé. * **Phase :** Le signal de sortie est déphasé de 180° par rapport au signal d'entrée (inversion de phase). * **Impédance d'entrée :** Moyenne. * **Impédance de sortie :** Moyenne. * **Applications :** Étages d'amplification de tension dans presque tous les circuits. \( A_v \) est typiquement négatif en raison de l'inversion de phase. ##### Configuration Collecteur Commun (CC ou CD) / Émetteur Suiveur * **Fonctionnement :** Le collecteur est la borne commune (souvent relié à l'alimentation DC). L'entrée est appliquée à la base et la sortie est prélevée sur l'émetteur. * **Caractéristiques :** * **Gain en tension** (\( A_v \)) : Proche de 1 (légèrement inférieur). Il n'y a pas d'amplification de tension. * **Gain en courant** (\( A_i \)) : Élevé. * **Phase :** Pas d'inversion de phase (le signal de sortie suit le signal d'entrée). * **Impédance d'entrée :** Très élevée. * **Impédance de sortie :** Très basse. * **Applications :** Principalement utilisé comme **adaptateur d'impédance** (ou "buffer") pour connecter une source à haute impédance à une charge à basse impédance, sans perdre de signal. Il fournit un gain de courant sans gain de tension. ##### Configuration Base Commune (BC ou CB) * **Fonctionnement :** La base est la borne commune (souvent mise à la masse AC). L'entrée est appliquée à l'émetteur et la sortie est prélevée sur le collecteur. * **Caractéristiques :** * **Gain en tension** (\( A_v \)) : Élevé. * **Gain en courant** (\( A_i \)) : Proche de 1 (légèrement inférieur). Pas d'amplification de courant. * **Phase :** Pas d'inversion de phase. * **Impédance d'entrée :** Très basse. * **Impédance de sortie :** Très élevée. * **Applications :** Amplificateurs de haute fréquence (RF), amplificateurs de courant. Moins courante que les deux autres pour les applications audio. ### Vocabulaire * **Amplificateur à composants discrets :** Circuit amplificateur construit avec des composants individuels (transistors, résistances, etc.) plutôt qu'un circuit intégré. * **Classe A :** Classe d'amplification où le transistor conduit sur 360° du signal, offrant une faible distorsion mais un faible rendement. * **Classe B :** Classe d'amplification où chaque transistor conduit sur 180° du signal, offrant un bon rendement mais souffrant de distorsion de croisement. * **Classe AB :** Compromis entre la Classe A et B, conduisant sur légèrement plus de 180° pour éliminer la distorsion de croisement avec un bon rendement. * **Distorsion de croisement (Crossover distortion) :** Distorsion qui se produit dans les amplificateurs de Classe B au moment où le signal d'entrée passe par zéro, dû au temps de commutation entre les deux transistors. * **Rendement (Efficiency) :** Rapport entre la puissance de sortie utile et la puissance d'entrée totale (généralement la puissance de l'alimentation DC). \( \text{Rendement} = \frac{P_{out}}{P_{in}} \) . * **Polarisation (Biasing) :** Application de tensions continues (DC) à un transistor pour établir son point de fonctionnement au repos, sans signal d'entrée. * **Émetteur Commun (EC ou CE) :** Configuration de transistor où l'émetteur est commun aux signaux d'entrée et de sortie. Offre des gains en tension et en courant élevés, avec inversion de phase. * **Collecteur Commun (CC ou CD) / Émetteur Suiveur :** Configuration de transistor où le collecteur est commun. Offre un gain en tension proche de 1, un gain en courant élevé, et est utilisé pour l'adaptation d'impédance. * **Base Commune (BC ou CB) :** Configuration de transistor où la base est commune. Offre un gain en tension élevé et un gain en courant proche de 1, souvent utilisée en haute fréquence. * **Gain en tension (\( A_v \)) :** Rapport de la tension de sortie sur la tension d'entrée. \( A_v = V_{out} / V_{in} \). * **Gain en courant (\( A_i \)) :** Rapport du courant de sortie sur le courant d'entrée. \( A_i = I_{out} / I_{in} \). * **Impédance d'entrée/sortie :** Mesure de l'opposition qu'un circuit présente au courant alternatif à son entrée/sortie. \( Z_{in} = V_{in} / I_{in} \) et \( Z_{out} = V_{out} / I_{out} \). ### Exemples d'Applications * **Amplificateur de Classe A :** Un préamplificateur dans un système audio haut de gamme où la pureté du son est primordiale, amplifiant des signaux très faibles sans distorsion. * **Amplificateur de Classe AB :** L'étage de sortie de la plupart des amplificateurs audio de maison (chaîne Hi-Fi), fournissant une bonne puissance avec une distorsion minimale. * **Configuration Émetteur Commun :** Le premier étage d'un microphone, amplifiant le petit signal vocal pour le rendre utilisable par les étages suivants. * **Configuration Collecteur Commun (Émetteur Suiveur) :** Pour connecter la sortie d'un circuit intégré (qui a une impédance de sortie élevée) à un haut-parleur (qui a une impédance d'entrée basse), en assurant un transfert de puissance efficace. * **Configuration Base Commune :** Dans des circuits d'amplification de fréquence radio (RF) pour leur bonne performance à haute fréquence et leur faible impédance d'entrée. ### Exercices 1. Décrivez la principale différence de fonctionnement entre un amplificateur de Classe A et un amplificateur de Classe B. 2. Quel est l'inconvénient majeur de la Classe B, et comment la Classe AB tente-t-elle de le résoudre ? 3. Vous devez concevoir un étage d'amplification qui offre un gain en tension important avec inversion de phase. Quelle configuration de transistor choisiriez-vous (EC, CC ou BC) et pourquoi ? 4. Expliquez pourquoi la configuration Collecteur Commun est souvent appelée "émetteur suiveur" et quelle est son application principale. 5. Si un amplificateur a un rendement de 25% et que la puissance dissipée en chaleur est de 75W, quelle est la puissance de sortie utile ? ### Devoirs 1. Recherchez et dessinez le schéma simplifié d'un étage amplificateur de Classe A avec un transistor NPN. Identifiez les bornes d'entrée et de sortie du signal, ainsi que les composants de polarisation DC. 2. Expliquez en vos propres mots le rôle de la polarisation DC dans un circuit amplificateur à transistor. Que se passerait-il sans elle ? 3. Imaginez que vous devez amplifier un signal vidéo (haute fréquence) avec un gain en tension mais sans inversion de phase, et que vous souhaitez une faible impédance d'entrée. Quelle configuration de transistor pourrait être un bon candidat ? Justifiez votre réponse. 4. Comparez les avantages et les inconvénients de l'utilisation d'amplificateurs à composants discrets par rapport aux amplificateurs basés sur des circuits intégrés. ### Résumé Dans cette leçon, nous avons exploré le monde des amplificateurs à composants discrets, des circuits fondamentaux de l'électronique. Nous avons distingué les classes d'amplification (A, B, AB) basées sur leur rendement et leur fidélité, comprenant les compromis entre la faible distorsion de la Classe A et le haut rendement de la Classe B, résolus par la Classe AB. Nous avons également étudié les trois configurations de base d'un transistor (Émetteur Commun, Collecteur Commun, Base Commune), chacune offrant des caractéristiques uniques en termes de gain en tension et en courant, d'impédance et de phase. Comprendre ces concepts est crucial pour la conception et l'analyse de nombreux circuits électroniques pratiques. ## 6- Amplificateurs à circuits intégrés (Etude de la boite noire, exemple TDA 2040) ### Introduction Bienvenue à cette leçon sur les amplificateurs à circuits intégrés ! Dans le monde de l'électronique, les amplificateurs sont essentiels pour augmenter la puissance ou l'amplitude d'un signal, que ce soit pour le son, la radio ou d'autres applications. Auparavant, ces amplificateurs étaient construits à partir de nombreux composants discrets (transistors, résistances, condensateurs). Aujourd'hui, grâce aux **circuits intégrés (CI)**, il est possible d'avoir un amplificateur complet sur une seule petite puce. Nous allons explorer le concept de la "boîte noire" pour comprendre comment utiliser ces CI sans se soucier de leurs détails internes complexes, en prenant l'exemple du **TDA 2040**, un amplificateur de puissance audio très courant. ### Concepts Clés #### Qu'est-ce qu'un Circuit Intégré (CI) ? Un circuit intégré est un circuit électronique miniaturisé fabriqué sur une petite plaque (puce) de matériau semi-conducteur, généralement du silicium. Il contient des milliers, voire des millions, de composants électroniques (transistors, diodes, résistances, condensateurs) connectés ensemble et gravés sur cette puce. * **Avantages :** * **Taille réduite :** Permet de construire des appareils plus compacts. * **Fiabilité accrue :** Moins de connexions externes, donc moins de points de défaillance. * **Coût réduit :** Production de masse plus économique. * **Meilleures performances :** Composants très proches, réduisant les parasites. #### L'amplificateur à circuit intégré : La "Boîte Noire" Le concept de "boîte noire" est très important pour les circuits intégrés. Lorsque nous utilisons un CI, nous n'avons généralement pas besoin de connaître les détails exacts de son fonctionnement interne (comment les transistors sont connectés, etc.). Nous nous intéressons plutôt à ses **entrées**, ses **sorties**, et à ses **caractéristiques externes**. * **Principe de la boîte noire :** * Nous connaissons ce qui entre (le signal d'entrée, l'alimentation électrique). * Nous connaissons ce qui sort (le signal amplifié). * Nous savons comment l'utiliser en nous basant sur sa documentation (la "fiche technique" ou *datasheet*). * Les détails internes sont "cachés" ou simplifiés pour l'utilisateur. * **Brochage (Pinout) :** Chaque CI possède un ensemble de broches (ou *pins*) qui servent à le connecter au reste du circuit. Chaque broche a une fonction spécifique (entrée, sortie, alimentation, masse, etc.). Comprendre le brochage est essentiel pour utiliser un CI correctement. #### Caractéristiques Générales des Amplificateurs à CI Les amplificateurs à circuits intégrés, comme tout amplificateur, sont caractérisés par plusieurs paramètres importants : * **Gain (Amplification) :** C'est le rapport entre le signal de sortie et le signal d'entrée. Il peut être en tension, en courant ou en puissance. * Gain en tension : \( A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}} \) * **Bande Passante :** La plage de fréquences que l'amplificateur peut amplifier sans distorsion significative. * **Puissance de Sortie :** La puissance maximale que l'amplificateur peut délivrer à la charge (par exemple, un haut-parleur). * **Tension d'Alimentation :** La plage de tensions électriques nécessaire pour faire fonctionner le CI (par exemple, \( \pm 15V \) ou \( 12V \)). * **Impédance d'Entrée/Sortie :** L'impédance que l'amplificateur présente à son entrée et à sa sortie, importante pour l'adaptation avec d'autres circuits. * **Rendement :** Efficacité avec laquelle l'amplificateur convertit la puissance d'alimentation en puissance utile. #### Exemple : L'amplificateur de puissance audio TDA 2040 Le TDA 2040 est un amplificateur de puissance audio très populaire, conçu pour des applications hi-fi ou des systèmes audio de taille moyenne. * **Fonctionnalités principales :** * **Puissance de sortie :** Typiquement jusqu'à 20W sur une charge de 4\( \Omega \) avec une alimentation de \( \pm 18V \). * **Alimentation :** Peut fonctionner avec une alimentation simple (par exemple, 28V) ou double (par exemple, \( \pm 14V \) à \( \pm 20V \)). * **Faible distorsion :** Permet une reproduction sonore de bonne qualité. * **Protections intégrées :** Contre les courts-circuits, la surchauffe (arrêt thermique). * **Boîtier :** Typiquement un Pentawatt (5 broches) qui facilite le montage sur un dissipateur thermique. * **Brochage typique (Pentawatt) :** 1. Entrée non-inverseuse (\( V_{in+} \)) 2. Entrée inverseuse (\( V_{in-} \)) 3. Masse (\( GND \) ou \( V_{EE} \) pour alimentation double) 4. Sortie (\( V_{out} \)) 5. Alimentation positive (\( V_{CC} \)) * **Circuit d'application simplifié :** Pour fonctionner, le TDA 2040 nécessite quelques composants externes (condensateurs de découplage, résistances pour le réglage du gain, réseau Zobel en sortie). Le gain est souvent ajusté par deux résistances configurées en boucle de rétroaction. ### Vocabulaire * **Circuit Intégré (CI) :** Composant électronique regroupant de nombreux éléments sur une seule puce. * **Boîte Noire :** Modèle d'un système dont on connaît les entrées/sorties sans les détails internes. * **Brochage (Pinout) :** Disposition et fonction des broches de connexion d'un CI. * **Gain :** Rapport entre la sortie et l'entrée d'un amplificateur (sans unité ou en décibels). * **Bande Passante :** Plage de fréquences sur laquelle un circuit fonctionne efficacement. * **Puissance de Sortie :** Puissance maximale que l'amplificateur peut fournir à sa charge. * **Impédance :** Résistance électrique à un courant alternatif (en Ohms \( \Omega \)). * **Alimentation Simple/Double :** Source de tension avec une ou deux polarités par rapport à la masse. * **Dissipateur Thermique (Heatsink) :** Composant métallique utilisé pour évacuer la chaleur des circuits et éviter la surchauffe. * **Datasheet :** Document technique décrivant les caractéristiques et l'utilisation d'un composant. ### Exemples #### 1. Calcul du Gain en Tension Considérons un TDA 2040 configuré comme un amplificateur non-inverseur où le gain est fixé par deux résistances \( R_f \) (résistance de rétroaction) et \( R_i \) (résistance d'entrée). La formule pour le gain en tension est : \[ A_v = 1 + \frac{R_f}{R_i} \] Si \( R_f = 22k\Omega \) et \( R_i = 1k\Omega \), le gain en tension sera : \[ A_v = 1 + \frac{22000}{1000} = 1 + 22 = 23 \] Cela signifie que la tension de sortie sera 23 fois plus grande que la tension d'entrée. #### 2. Branchement de Base du TDA 2040 Pour un montage simple alimenté en double (par exemple, \( \pm 15V \)) : * La broche 5 est connectée à \( +15V \). * La broche 3 est connectée à \( -15V \). * La broche 1 reçoit le signal audio d'entrée (non-inverseur). * La broche 2 est connectée à la masse via une résistance \( R_i \) et à la broche 4 via la résistance \( R_f \) (pour la rétroaction). * La broche 4 est la sortie, connectée au haut-parleur (via un condensateur de découplage si nécessaire). ### Exercices 1. Quels sont les trois principaux avantages des circuits intégrés par rapport aux circuits à composants discrets ? 2. Expliquez ce que signifie le concept de "boîte noire" appliqué à un circuit intégré comme le TDA 2040. 3. Si un TDA 2040 a un gain en tension de 25 et qu'il reçoit un signal d'entrée de 100mV, quelle sera la tension de sortie ? 4. Pourquoi est-il crucial de monter un dissipateur thermique sur un amplificateur de puissance comme le TDA 2040 ? 5. Sur le brochage du TDA 2040 (Pentawatt), à quelles broches connecteriez-vous les tensions d'alimentation positive et négative dans un montage double alimentation ? ### Devoirs 1. Faites une recherche sur un autre amplificateur de puissance audio à circuit intégré (par exemple, le LM386 ou le TDA7294). Notez sa puissance de sortie typique, sa tension d'alimentation et le nombre de broches. 2. Dessinez un schéma fonctionnel simplifié du TDA 2040, en indiquant les entrées, la sortie, l'alimentation et la boucle de rétroaction avec les résistances \( R_f \) et \( R_i \). 3. Expliquez le rôle des condensateurs de découplage d'alimentation (souvent plusieurs \( \mu F \) en parallèle avec des condensateurs céramiques de \( 100nF \)) dans un circuit d'amplificateur audio. ### Résumé Dans cette leçon, nous avons découvert les **amplificateurs à circuits intégrés**, des composants électroniques compacts et performants. Nous avons abordé le concept de la **"boîte noire"**, qui nous permet d'utiliser ces CI en nous concentrant sur leurs entrées, sorties et caractéristiques externes, sans nous soucier de leur complexité interne. L'exemple du **TDA 2040** a illustré comment un tel CI est utilisé pour amplifier des signaux audio, en soulignant l'importance du brochage, des caractéristiques clés comme le gain et la puissance, et la nécessité de composants externes pour son bon fonctionnement. La compréhension de ces principes est fondamentale pour la conception et la maintenance de circuits électroniques modernes.