Qu'est-ce qu'un amplificateur? Introduction à l'amplificateur

Un amplificateur est un appareil ou un circuit électronique utilisé pour augmenter la magnitude du signal appliqué à son entrée

Amplificateur est le terme générique utilisé pour décrire un circuit qui produit et augmente la version de son signal d'entrée. Cependant, tous les circuits amplificateurs ne sont pas identiques car ils sont classés en fonction de leurs configurations de circuits et de leurs modes de fonctionnement.

En «électronique», les petits amplificateurs de signal sont des appareils couramment utilisés car ils ont la capacité d'amplifier un signal d'entrée relativement petit, par exemple à partir d'un capteur tel qu'un appareil photo, en un signal de sortie beaucoup plus grand pour piloter un relais, une lampe ou haut-parleur par exemple.

Il existe de nombreuses formes de circuits électroniques classés comme amplificateurs, des amplificateurs opérationnels aux petits amplificateurs de signaux jusqu'aux grands amplificateurs de signaux et de puissance. 

La classification d'un amplificateur dépend de la taille du signal, grand ou petit, de sa configuration physique et de la façon dont il traite le signal d'entrée, c'est-à-dire la relation entre le signal d'entrée et le courant circulant dans la charge.

Le type ou la classification d'un amplificateur est donné dans le tableau suivant.

Classification de l'amplificateur de signal

Les amplificateurs peuvent être considérés comme une simple boîte ou un bloc contenant le dispositif d'amplification, tel qu'un transistor bipolaire, un transistor à effet de champ ou un amplificateur opérationnel, qui a deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie (la masse étant commune), le signal de sortie étant beaucoup plus important que celle du signal d'entrée car il a été «amplifié».

Un amplificateur de signal idéal aura trois propriétés principales: la résistance d'entrée ou (RIN), la résistance de sortie ou (ROUT) et bien sûr l'amplification connue sous le nom de gain ou (A). Peu importe la complexité d'un circuit amplificateur, un modèle d'amplificateur général peut toujours être utilisé pour montrer la relation entre ces trois propriétés.

Modèle d'amplificateur idéal

La différence amplifiée entre les signaux d'entrée et de sortie est connue sous le nom de gain de l'amplificateur. Le gain est essentiellement une mesure de l'amplitude d'un amplificateur «amplifie» le signal d'entrée. 

Par exemple, si nous avons un signal d'entrée de 1 volt et une sortie de 50 volts, alors le gain de l'amplificateur serait "50". En d'autres termes, le signal d'entrée a été augmenté d'un facteur 50. Cette augmentation est appelée gain.

Le gain de l'amplificateur est simplement le rapport de la sortie divisé par l'entrée. Le gain n'a pas d'unités comme rapport, mais en électronique, il est communément appelé le symbole «A», pour l'amplification. Ensuite, le gain d'un amplificateur est simplement calculé comme le «signal de sortie divisé par le signal d'entrée».

Gain d'amplificateur

L'introduction du gain de l'amplificateur peut être considérée comme la relation qui existe entre le signal mesuré à la sortie et le signal mesuré à l'entrée. 

Il existe trois types différents de gain d'amplificateur qui peuvent être mesurés et ce sont: le gain de tension (Av), le gain de courant (Ai) et le gain de puissance (Ap) selon la quantité mesurée, des exemples de ces différents types de gains sont donnés ci-dessous. .

Gain de l'amplificateur du signal d'entrée

Gain d'amplificateur de tension

Gain actuel de l'amplificateur

Gain de l'amplificateur de puissance

Notez que pour le Power Gain, vous pouvez également diviser la puissance obtenue à la sortie avec la puissance obtenue à l'entrée. Également lors du calcul du gain d'un amplificateur, les indices v, i et p sont utilisés pour désigner le type de gain de signal utilisé.

Le gain de puissance (Ap) ou le niveau de puissance de l'amplificateur peut également être exprimé en décibels (dB). Le Bel (B) est une unité de mesure logarithmique (base 10) qui n'a pas d'unités. 

Étant donné que le Bel est une unité de mesure trop grande, il est préfixé par deci, ce qui en fait un décibel, un décibel étant un dixième (1/10) d'un Bel. Pour calculer le gain de l'amplificateur en décibels ou dB, nous pouvons utiliser les expressions suivantes.

Gain de tension en dB: av = 20 * log (Av)

Gain actuel en dB: ai = 20 * log (Ai)

Gain de puissance en dB: ap = 10 * log (Ap)

Notez que le gain de puissance CC d'un amplificateur est égal à dix fois le journal commun du rapport sortie / entrée, alors que les gains de tension et de courant sont 20 fois le journal commun du rapport. Notez cependant que 20 dB n'est pas deux fois plus de puissance que 10 dB en raison de l'échelle logarithmique.

De plus, une valeur positive de dB représente un gain et une valeur négative de dB représente une perte au sein de l'amplificateur. Par exemple, un gain d'amplificateur de +3 dB indique que le signal de sortie des amplificateurs a "doublé", (x2) tandis qu'un gain d'amplificateur de -3 dB indique que le signal a "divisé par deux", (x0.5) ou en d'autres termes une perte .

Le point -3dB d'un amplificateur est appelé le point à mi-puissance qui est de -3dB par rapport au maximum, en prenant 0 dB comme valeur de sortie maximale.

Exemple d'amplificateur No1
Déterminez la tension, le courant et le gain de puissance d'un amplificateur qui a un signal d'entrée de 1mA à 10mV et un signal de sortie correspondant de 10mA à 1V. Exprimez également les trois gains en décibels (dB).

Les différents gains de l'amplificateur:

Gains d'amplificateur donnés en décibels (dB):

L'amplificateur a alors un gain de tension (Av) de 100, un gain de courant (Ai) de 10 et un gain de puissance (Ap) de 1,000

Généralement, les amplificateurs peuvent être subdivisés en deux types distincts en fonction de leur gain de puissance ou de tension. Un type est appelé petit amplificateur de signal qui comprend des préamplificateurs, des amplificateurs d'instrumentation, etc. Les petits amplificateurs de signal sont conçus pour amplifier des niveaux de tension de signal très faibles de seulement quelques micro-volts (μV) à partir de capteurs ou de signaux audio.

L'autre type est appelé amplificateurs de signal de grande taille tels que les amplificateurs de puissance audio ou les amplificateurs à commutation de puissance. Les grands amplificateurs de signal sont conçus pour amplifier des signaux de tension d'entrée importants ou commuter des courants de charge élevés comme vous le feriez avec des haut-parleurs de conduite.

Amplificateurs de puissance
Le petit amplificateur de signal est généralement appelé amplificateur «tension» car il convertit généralement une petite tension d'entrée en une tension de sortie beaucoup plus élevée. Parfois, un circuit d'amplification est nécessaire pour piloter un moteur ou alimenter un haut-parleur et pour ces types d'applications où des courants de commutation élevés sont nécessaires. Des amplificateurs de puissance sont nécessaires.

Comme leur nom l'indique, la tâche principale d'un «amplificateur de puissance» (également connu sous le nom d'un grand amplificateur de signal) est de fournir de l'énergie à la charge et, comme nous le savons ci-dessus, est le produit de la tension et du courant appliqués au charge avec la puissance du signal de sortie supérieure à la puissance du signal d'entrée. En d'autres termes, un amplificateur de puissance amplifie la puissance du signal d'entrée, c'est pourquoi ces types de circuits amplificateurs sont utilisés dans les étages de sortie de l'amplificateur audio pour piloter des haut-parleurs.

L'amplificateur de puissance fonctionne sur le principe de base de la conversion de la puissance continue tirée de l'alimentation en un signal de tension alternative délivré à la charge. Bien que l'amplification soit élevée, l'efficacité de la conversion de l'entrée d'alimentation CC à la sortie du signal de tension CA est généralement médiocre.

L'amplificateur parfait ou idéal nous donnerait une cote d'efficacité de 100% ou au moins la puissance "IN" serait égale à la puissance "OUT". Cependant, en réalité, cela ne peut jamais se produire car une partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur et aussi, l'amplificateur lui-même consomme de l'énergie pendant le processus d'amplification. L'efficacité d'un amplificateur est alors donnée comme suit:

Efficacité de l'amplificateur

Amplificateur idéal
Nous pouvons savoir spécifier les caractéristiques d'un amplificateur idéal à partir de notre discussion ci-dessus en ce qui concerne son gain, c'est-à-dire le gain de tension:

* L'amplifiLeur gain, (A) doit rester constant pour différentes valeurs du signal d'entrée.

*Gagner n'est pas affecté par la fréquence. Les signaux de toutes les fréquences doivent être amplifiés exactement de la même quantité.

* Le gain des amplificateurs ne doit pas ajouter de bruit à l'osignal de sortie. Il devrait supprimer tout bruit qui existe déjà dans le signal d'entrée.

* Le gain des amplificateurs ne doit pas être affectépar des changements de température donnant une bonne stabilité en température.

* Le gain de l'amplificateur doit rester stable sur lpériodes de temps.

Classes d'amplificateurs électroniques
La classification d'un amplificateur en tant qu'amplificateur de tension ou amplificateur de puissance se fait en comparant les caractéristiques des signaux d'entrée et de sortie en mesurant la quantité de temps par rapport au signal d'entrée que le courant circule dans le circuit de sortie.

Nous avons vu dans le didacticiel Common Emitter Transistor que pour que le transistor fonctionne dans sa «région active», une certaine forme de «polarisation de base» était nécessaire. Cette petite tension de polarisation de base ajoutée au signal d'entrée a permis au transistor de reproduire la forme d'onde d'entrée complète à sa sortie sans perte de signal.

Cependant, en modifiant la position de cette tension de polarisation de base, il est possible de faire fonctionner un amplificateur dans un mode d'amplification autre que celui pour une reproduction complète de la forme d'onde. 

Avec l'introduction à l'amplificateur d'une tension de polarisation de base, différentes gammes de fonctionnement et modes de fonctionnement peuvent être obtenus qui sont classés en fonction de leur classification. Ces différents modes de fonctionnement sont mieux connus sous le nom de classe d'amplificateur.

Les amplificateurs de puissance audio sont classés par ordre alphabétique en fonction de leur configuration de circuit et de leur mode de fonctionnement. Les amplificateurs sont désignés par différentes classes de fonctionnement telles que la classe «A», la classe «B», la classe «C», la classe «AB», etc. Ces différentes classes d'amplificateurs vont d'une sortie quasi linéaire mais avec une faible efficacité à une non sortie linéaire mais avec un rendement élevé.

Aucune classe de fonctionnement n'est «meilleure» ou «pire» que toute autre classe, le type de fonctionnement étant déterminé par l'utilisation du circuit amplificateur. Il existe des rendements de conversion maximaux typiques pour les différents types ou classes d'amplificateurs, les plus couramment utilisés étant:

* Amplificateur de classe A  - a une faible efficacité inférieure à 40% mais une bonne reproduction du signal et une bonne linéarité.
* Amplificateur de classe B  - est deux fois plus efficace que les amplificateurs de classe A avec une efficacité théorique maximale d'environ 70% car le dispositif d'amplification ne conduit (et n'utilise de l'énergie) que pour la moitié du signal d'entrée.
* Amplificateur de classe AB  - a un rendement évalué entre celui de la classe A et de la classe B mais une reproduction du signal plus faible que les amplificateurs de classe A.

* Amplificateur de classe C  - est la classe d'amplificateur la plus efficace mais la distorsion est très élevée car seule une petite partie du signal d'entrée est amplifiée, donc le signal de sortie a très peu de ressemblance avec le signal d'entrée. Les amplificateurs de classe C ont la pire reproduction du signal.

Fonctionnement de l'amplificateur de classe A

Le fonctionnement de l'amplificateur de classe A est l'endroit où toute la forme d'onde du signal d'entrée est fidèlement reproduite à la borne de sortie de l'amplificateur, car le transistor est parfaitement polarisé dans sa région active. Cela signifie que le transistor de commutation n'est jamais entraîné dans ses régions de coupure ou de saturation. Le résultat est que le signal d'entrée AC est parfaitement «centré» entre les limites de signal supérieure et inférieure de l'amplificateur, comme illustré ci-dessous.

Forme d'onde de sortie d'un amplificateur de classe A

Une configuration d'amplificateur de classe A utilise le même transistor de commutation pour les deux moitiés de la forme d'onde de sortie et en raison de sa disposition de polarisation centrale, le transistor de sortie a toujours un courant de polarisation CC constant (ICQ) qui le traverse, même s'il n'y a pas d'entrée signal présent. En d'autres termes, les transistors de sortie ne se désactivent jamais et sont dans un état permanent de repos.

Il en résulte que le type de fonctionnement de classe A est quelque peu inefficace car sa conversion de l'alimentation en courant continu en la puissance du signal alternatif délivré à la charge est généralement très faible.

En raison de ce point de polarisation centré, le transistor de sortie d'un amplificateur de classe A peut devenir très chaud, même en l'absence de signal d'entrée, de sorte qu'une certaine dissipation thermique est nécessaire. 

Le courant de polarisation CC traversant le collecteur du transistor (ICQ) est égal au courant traversant la charge du collecteur. Ainsi, un amplificateur de classe A est très inefficace car la majeure partie de cette puissance CC est convertie en chaleur.

Fonctionnement de l'amplificateur de classe B
Contrairement au mode de fonctionnement de l'amplificateur de classe A ci-dessus qui utilise un seul transistor pour son étage de puissance de sortie, l'amplificateur de classe B utilise deux transistors complémentaires (soit un NPN et un PNP ou un NMOS et un PMOS) pour amplifier chaque moitié du forme d'onde de sortie.

Un transistor conduit pour seulement la moitié de la forme d'onde du signal tandis que l'autre conduit pour l'autre moitié ou la moitié opposée de la forme d'onde du signal. Cela signifie que chaque transistor passe la moitié de son temps dans la région active et la moitié de son temps dans la région de coupure, amplifiant ainsi seulement 50% du signal d'entrée.

Le fonctionnement de classe B n'a pas de tension de polarisation continue directe contrairement à l'amplificateur de classe A, mais le transistor ne conduit que lorsque le signal d'entrée est supérieur à la tension de base-émetteur (VBE) et pour les transistors au silicium, il s'agit d'environ 0.7 V. 

Par conséquent, avec un signal d'entrée nul, il n'y a aucune sortie. Comme seulement la moitié du signal d'entrée est présenté à la sortie des amplificateurs, cela améliore l'efficacité de l'amplificateur par rapport à la configuration de classe A précédente, comme illustré ci-dessous.

Forme d'onde de sortie de l'amplificateur de classe B

Dans un amplificateur de classe B, aucune tension continue n'est utilisée pour polariser les transistors, donc pour que les transistors de sortie commencent à conduire chaque moitié de la forme d'onde, à la fois positive et négative, ils ont besoin que la tension de base-émetteur VBE soit supérieure à la Chute de tension directe de 0.7 V requise pour qu'un transistor bipolaire standard commence à conduire.

Ainsi, la partie inférieure de la forme d'onde de sortie qui est inférieure à cette fenêtre de 0.7 V ne sera pas reproduite avec précision. Cela se traduit par une zone déformée de la forme d'onde de sortie lorsqu'un transistor se met en "OFF" en attendant que l'autre se remette en "ON" une fois VBE> 0.7V. Le résultat est qu'il y a une petite partie de la forme d'onde de sortie au point de croisement de tension nulle qui sera déformée. 

Ce type de distorsion est appelé distorsion croisée et est examiné plus loin dans cette section.

Fonctionnement de l'amplificateur de classe AB
L'amplificateur de classe AB est un compromis entre les configurations de classe A et de classe B ci-dessus. Alors que le fonctionnement de classe AB utilise toujours deux transistors complémentaires dans son étage de sortie, une très faible tension de polarisation est appliquée à la base de chaque transistor pour les polariser près de leur région de coupure en l'absence de signal d'entrée.

Un signal d'entrée fera fonctionner le transistor normalement dans sa région active, éliminant toute distorsion de croisement qui est toujours présente dans la configuration de classe B. Un petit courant de collecteur de polarisation (ICQ) traversera le transistor en l'absence de signal d'entrée, mais il est généralement bien inférieur à celui de la configuration de l'amplificateur de classe A.

Ainsi, chaque transistor est conducteur, "ON" pendant un peu plus d'un demi-cycle de la forme d'onde d'entrée. La faible polarisation de la configuration de l'amplificateur de classe AB améliore à la fois l'efficacité et la linéarité du circuit amplificateur par rapport à une configuration de classe A pure ci-dessus.

Forme d'onde de sortie de l'amplificateur de classe AB

Lors de la conception de circuits amplificateurs, la classe de fonctionnement d'un amplificateur est très importante car elle détermine la quantité de polarisation du transistor requise pour son fonctionnement ainsi que l'amplitude maximale du signal d'entrée.

La classification de l'amplificateur prend en compte la partie du signal d'entrée dans laquelle le transistor de sortie conduit et détermine à la fois l'efficacité et la quantité d'énergie que le transistor de commutation consomme et dissipe sous forme de chaleur perdue. Ici, nous pouvons faire une comparaison entre les types de classification d'amplificateurs les plus courants dans le tableau suivant.

Classes d'amplificateurs de puissance

Les amplificateurs mal conçus, en particulier les types de classe «A», peuvent également nécessiter des transistors de puissance plus grands, des dissipateurs de chaleur plus chers, des ventilateurs de refroidissement ou même une augmentation de la taille de l'alimentation nécessaire pour fournir la puissance gaspillée supplémentaire requise par l'amplificateur. 

La puissance convertie en chaleur par les transistors, les résistances ou tout autre composant d'ailleurs, rend tout circuit électronique inefficace et entraînera la défaillance prématurée de l'appareil.

Alors pourquoi utiliser un amplificateur de classe A si son efficacité est inférieure à 40% par rapport à un amplificateur de classe B qui a une cote d'efficacité plus élevée de plus de 70%. Fondamentalement, un amplificateur de classe A donne une sortie beaucoup plus linéaire, ce qui signifie qu'il a une linéarité sur une réponse en fréquence plus grande, même s'il consomme de grandes quantités de courant continu.

Dans cette introduction au didacticiel sur les amplificateurs, nous avons vu qu'il existe différents types de circuits amplificateurs, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients. Dans le prochain didacticiel sur les amplificateurs, nous examinerons le type de circuit amplificateur à transistor le plus couramment connecté, l'amplificateur à émetteur commun.

 La plupart des amplificateurs à transistor sont du type émetteur commun ou de type CE en raison de leurs gains importants en tension, courant et puissance ainsi que de leurs excellentes caractéristiques d'entrée / sortie.

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