{"id":43523,"date":"2024-10-29T16:00:20","date_gmt":"2024-10-29T20:00:20","guid":{"rendered":"https:\/\/www.tedpublications.com\/fr\/?p=43523"},"modified":"2025-02-19T13:43:04","modified_gmt":"2025-02-19T18:43:04","slug":"les-amplificateurs-en-classe-a","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.tedpublications.com\/fr\/les-amplificateurs-en-classe-a\/","title":{"rendered":"Les amplificateurs en Classe A"},"content":{"rendered":"

Croquis\u00a0:<\/span> Normand Daigle<\/em><\/span><\/strong><\/p>\n

Le premier article de cette s\u00e9rie nous a permis de pr\u00e9ciser certains points techniques pour aider \u00e0 la compr\u00e9hension des circuits d\u2019amplification que nous allons analyser, et le second a abord\u00e9 la section alimentation, qui est d\u2019une importance primordiale pour une performance de qualit\u00e9. Aujourd\u2019hui, nous embarquons finalement de plein pied dans l\u2019\u00e9tude des diff\u00e9rentes classes d\u2019op\u00e9ration des amplificateurs de puissance, en d\u00e9butant avec la classe\u00a0A<\/em>. Mais avant d\u2019aller plus loin, nous allons regarder deux autres notions qui seront tr\u00e8s utiles pour la compr\u00e9hension des circuits, soit le concept du diviseur de tension et les sources de courant qui sont tr\u00e8s fr\u00e9quemment utilis\u00e9es dans les \u00e9tages de sortie des amplis en classe\u00a0A<\/em>.<\/span><\/strong><\/p>\n

Un diviseur de tension<\/em> est essentiellement une cha\u00eene de deux r\u00e9sistances ou plus, qui agit sur la r\u00e9partition du voltage, comme son nom l\u2019indique. Dans le circuit qui suit, si la valeur des r\u00e9sistances R1<\/em> et R2<\/em> \u00e9tait identique, le voltage r\u00e9f\u00e9renc\u00e9 \u00e0 la masse mesur\u00e9 au point commun serait exactement la moiti\u00e9 de celui de l\u2019alimentation. Si par contre on diminuait la valeur de R2<\/em>, le voltage obtenu diminuerait en cons\u00e9quence, et vice-versa. Comme nous le verrons plus loin, cette caract\u00e9ristique s\u2019av\u00e9rera fondamentale dans la polarisation des transistors pour une application sp\u00e9cifique.<\/p>\n

\"\"<\/em><\/strong><\/p>\n

Diviseur de tension<\/strong><\/p>\n

Le concept de la source de courant, dont le but est de fournir un courant constant, est un peu plus difficile \u00e0 saisir car il peut sembler contre-intuitif. Dans sa plus simple expression, et comme on le voit sur le circuit qui suit, elle consistera uniquement en une r\u00e9sistance (R1<\/em>) plac\u00e9e en s\u00e9rie avec l\u2019alimentation ainsi qu\u2019avec la charge (R2<\/em> o\u00f9 la fl\u00e8che diagonale indique que sa valeur r\u00e9sistive est variable). Dans un tel cas, R1<\/em> devra avoir une valeur nettement plus \u00e9lev\u00e9e que R2<\/em> si on veut que les variations de R2<\/em> affectent peu le courant global, car ce dernier est d\u00e9termin\u00e9 par l\u2019\u00e9quation I<\/em>\u00a0= V\u00a0\/\u00a0R<\/em> o\u00f9 R <\/em>est la somme de R1<\/em> et R2<\/em>. Cette configuration a l\u2019avantage d\u2019\u00eatre tr\u00e8s simple, mais elle est loin d\u2019\u00eatre id\u00e9ale, surtout lorsque nous sommes en pr\u00e9sence d\u2019une charge de basse imp\u00e9dance comme c’est le cas pour un haut-parleur. La solution sera alors une source dite active<\/em>, qui fournira un courant stable et tr\u00e8s pr\u00e9cis, peu importe la charge, gr\u00e2ce \u00e0 l\u2019utilisation de semiconducteurs, que ce soit dans une unit\u00e9 int\u00e9gr\u00e9e ou avec des composants discrets. Tout v\u00e9ritable ampli en classe\u00a0A<\/em> utilisera obligatoirement une source de courant dans son \u00e9tage de sortie. Je pr\u00e9cise ici v\u00e9ritable<\/em> car de nombreux amplificateurs annonc\u00e9s comme \u00e9tant en classe\u00a0A<\/em> sont en fait en classe AB<\/em> avanc\u00e9e; c’est-\u00e0-dire, que leur courant de repos sera tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9, mais gardons ce point pour plus tard.<\/p>\n\n\n\n
\"\"<\/td>\n\"\"<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Sources de courant active VS passive<\/strong><\/p>\n

Comme nous l\u2019avons pr\u00e9c\u00e9demment mentionn\u00e9, un circuit d\u2019amplification doit \u00eatre con\u00e7u de fa\u00e7on \u00e0 pouvoir reproduire l\u2019int\u00e9gralit\u00e9 de l\u2019onde audio, c\u2019est \u00e0 dire sa moiti\u00e9 n\u00e9gative autant que la positive. \u00c0 cet effet et dans sa plus simple expression, un amplificateur polaris\u00e9 en classe\u00a0A<\/em> ressemblera au sch\u00e9ma qui suit. Ici, un seul transistor NPN<\/em> en configuration d\u2019\u00e9metteur commun est utilis\u00e9 avec une alimentation \u00e0 simple polarit\u00e9 de 20\u00a0Vcc. Les valeurs des r\u00e9sistances R1<\/em> et R2<\/em> forment un diviseur de tension qui polarise le transistor et sont choisies pour obtenir un point central de 10\u00a0Vcc au collecteur, permettant ainsi d\u2019atteindre une amplitude maximale de l\u2019onde amplifi\u00e9e avec un \u00e9cr\u00eatage sym\u00e9trique. Le rapport des r\u00e9sistances R3<\/em> et R4<\/em> d\u00e9termine le gain en voltage (Av<\/em>) du circuit; c\u2019est-\u00e0-dire, le facteur par lequel le signal d\u2019entr\u00e9e sera multipli\u00e9. L\u2019imp\u00e9dance d\u2019entr\u00e9e du circuit sera essentiellement \u00e9quivalente \u00e0 R2<\/em>, et celle de sortie \u00e0 R3<\/em> qui agit comme source de courant. Les condensateurs de couplage C1<\/em> et C2<\/em> servent \u00e0 s\u00e9parer le signal audio des voltages de polarisation, de fa\u00e7on \u00e0 ce que seul l’audio transite d’un \u00e9tage \u00e0 l’autre ou vers la sortie, soit l’enceinte acoustique dans le cas qui nous int\u00e9resse. En supposant que les valeurs r\u00e9sistives s\u00e9lectionn\u00e9es nous donnent un gain de\u00a010, un signal d\u2019entr\u00e9e de 2\u00a0Vpp (Vpp<\/em> signifiant peak to peak<\/em> ou de cr\u00eate \u00e0 cr\u00eate de l\u2019onde) donnera un maximum de 20\u00a0Vpp (ou 7.07\u00a0Vrms, soit .707\u00a0x 20\u00a0V\u00a0\/\u00a02) \u00e0 la sortie avant l’\u00e9cr\u00eatage, valeur impos\u00e9e par le voltage d’alimentation. Un fait important \u00e0 noter, dans ce circuit le signal de sortie verra sa phase invers\u00e9e par rapport \u00e0 l’entr\u00e9e, tel qu’illustr\u00e9.<\/p>\n

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Circuit d’amplification simple en classe A<\/em><\/strong><\/p>\n


\n<\/em><\/strong>Une fa\u00e7on relativement simple d’am\u00e9liorer la performance de ce circuit sera de remplacer R3<\/em> par une source de courant active. Parmi les avantages de ce genre de composant, on retrouve une imp\u00e9dance interne tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9e, de m\u00eame qu’une bonne immunit\u00e9 contre les fluctuations de l’alimentation, permettant une nette am\u00e9lioration de la lin\u00e9arit\u00e9 du circuit. Dans le circuit modifi\u00e9 qui suit, on peut consid\u00e9rer que le transistor agit comme une r\u00e9sistance variable qui serait contr\u00f4l\u00e9e par le signal d’entr\u00e9e. Le signal apparaissant au collecteur variera donc en fonction de cette fluctuation de r\u00e9sistance, comme s’il s’agissait d’un diviseur de tension. Par contre, puisque la r\u00e9sistance interne du transistor diminuera avec une augmentation du signal \u00e0 la base, la r\u00e9sultante amplifi\u00e9e au collecteur sera de phase inverse \u00e0 l’originale.<\/p>\n

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Int\u00e9gration d’une source de courant active<\/strong><\/p>\n

Jusque-l\u00e0, tout est relativement simple, et on retrouve cette configuration et ses multiples variantes dans la quasi-totalit\u00e9 des circuits d\u2019amplification lin\u00e9aire dont l\u2019imp\u00e9dance de sortie est relativement \u00e9lev\u00e9e, incluant les \u00e9tages d’entr\u00e9e et interm\u00e9diaire d’un ampli de puissance. Par contre, dans le cas de ces derniers, la situation se corse car nous introduisons \u00e0 l’\u00e9tage de sortie la notion de courants importants et de puissance, puisque ces appareils sont destin\u00e9s \u00e0 attaquer des enceintes dont l\u2019imp\u00e9dance peut descendre sous la barre du 4\u00a0\u03a9. Les courants en cause deviennent alors tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9s, avec comme cons\u00e9quence cette dissipation thermique importante, qui caract\u00e9rise les amplis en classe\u00a0A<\/em> et qui fait rapidement grimper leur co\u00fbt de fabrication. Leur efficacit\u00e9 th\u00e9orique \u00e9tant de seulement 25\u00a0%, 3\u00a0W de chaleur devront \u00eatre dissip\u00e9s pour chaque watt de signal audio, des chiffres impressionnants lorsqu’on les compare au 75\u00a0% d’efficacit\u00e9 pour la configuration en classe AB<\/em> et 95\u00a0% pour la classe\u00a0D<\/em>.<\/p>\n

Le circuit simplifi\u00e9 qui suit, nous montre un amplificateur de puissance avec son \u00e9tage de sortie en classe\u00a0A<\/em>, avec des valeurs permettant de v\u00e9rifier ce qui vient d’\u00eatre mentionn\u00e9. Pour simplifier les choses, la r\u00e9sistance d’\u00e9metteur a, ici, \u00e9t\u00e9 \u00e9limin\u00e9e. En faisant des calculs qui ne tiennent pas compte des pertes internes des diff\u00e9rents composants, nous d\u00e9duisons que l’alimentation de 20\u00a0Vcc permet un signal maximal de 7.07\u00a0Vrms, tel que vu pr\u00e9c\u00e9demment. Le courant r\u00e9sultant sera donc de .88\u00a0Acc, (7.07\u00a0Rrms\u00a0\/ 8\u03a9), pour une puissance disponible maximale de 6.22\u00a0Wrms (7.07\u00a0Vrms\u00a0x .88\u00a0Acc). Afin d’atteindre cette puissance, la source de courant devra en tout temps fournir .88\u00a0Acc. Au repos (\u00e9tat statique, sans signal), ce courant circulera de l’alimentation vers la masse \u00e0 travers le transistor, cr\u00e9ant donc une dissipation de 8.8\u00a0Wcc (10V\u00a0cc\u00a0X .88\u00a0Acc) autant dans la source que le transistor, soit 17.6\u00a0Wcc au total. En faisant le rapport entre la puissance audio maximale et la dissipation continue des composants, nous obtenons environ 35\u00a0% d’efficacit\u00e9 (100\u00a0X 6.22\u00a0Wrms\u00a0\/ 17.6\u00a0Wcc). Par contre, autant le transistor que la source de courant n’\u00e9tant pas des composants id\u00e9aux, ils introduiront des pertes qui r\u00e9duiront l’efficacit\u00e9 \u00e0 25\u00a0%. Ces chiffres peuvent para\u00eetre insignifiants \u00e0 premi\u00e8re vue, mais les enceintes modernes sont en r\u00e8gle g\u00e9n\u00e9rale peu efficaces et exigent beaucoup plus que 6.22\u00a0Wrms pour atteindre un niveau acoustique et une dynamique raisonnables. Une puissance plus r\u00e9aliste serait d’environ 50\u00a0Wrms, avec comme cons\u00e9quence 150\u00a0Wcc de dissipation continue sur chaque canal, ce qui est loin d’\u00eatre n\u00e9gligeable. Un autre facteur non n\u00e9gligeable est que les amplis en classe\u00a0A<\/em> sont souvent optimis\u00e9s pour pouvoir doubler ou presque leur puissance sur une charge de 4\u00a0\u03a9, comme c’est le cas pour un classe\u00a0AB<\/em> (pourvu que son bloc d’alimentation le permette), ce qui implique de doubler le courant statique et de faire tomber l’efficacit\u00e9 \u00e0 12.5\u00a0%, soit 300\u00a0Wcc de dissipation pour 50\u00a0Wrms de puissance audio. Pour ces raisons, il n’est pas rare de mesurer des temp\u00e9ratures autour de 60\u00b0\u00a0C sur les drains de dissipation de chaleur de ces amplis.<\/p>\n

NB<\/strong>\u00a0: les suffixes cc<\/em> (courant continu) et rms<\/em> (root mean square<\/em> ou puissance moyenne) utilis\u00e9s pour le voltage, le courant et la puissance font r\u00e9f\u00e9rence respectivement aux valeurs statiques et audio.<\/p>\n

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Amplificateur de puissance simple<\/strong><\/p>\n

Quoique fonctionnel, le circuit simplifi\u00e9 que nous venons de voir pr\u00e9sente un d\u00e9savantage\u00a0; puisqu’on retrouve la moiti\u00e9 du voltage d’alimentation (1\/2\u00a0Vcc) \u00e0 sa sortie, un condensateur est requis pour d\u00e9coupler l’enceinte afin de ne laisser passer que l’audio et il doit \u00eatre d’une valeur tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9e, de l’ordre de plusieurs milliers de\u00a0uF<\/em> si on ne veut pas que la r\u00e9ponse dans le grave soit affect\u00e9e outre mesure. Pour une charge de 4\u00a0\u03a9 et un point de coupure de \u2013\u00a03\u00a0db \u00e0 10\u00a0Hz avec une pente de 6\u00a0db\u00a0\/ oct (d\u00e9cibels par octave, donc –\u00a09\u00a0dB \u00e0 5\u00a0Hz), une valeur d’environ 4\u00a0000\u00a0uF sera requise, ce qui implique un condensateur \u00e9lectrolytique co\u00fbteux et non id\u00e9al pour une performance optimale. La solution sera alors d’adopter, comme nous l’avons vu dans la partie\u00a02<\/em> de cette s\u00e9rie, une configuration avec alimentation sym\u00e9trique, tel que repr\u00e9sent\u00e9 dans l’image qui suit. Le condensateur de sortie pourra alors \u00eatre \u00e9limin\u00e9 car le point commun entre le transistor et la source de courant se trouvera \u00e0 0\u00a0Vcc. Malgr\u00e9 l’ajout de complexit\u00e9 de l’alimentation, la performance se trouvera am\u00e9lior\u00e9e par le couplage direct et par la meilleure performance de l’alimentation sym\u00e9trique au niveau du rapport signal bruit.<\/p>\n

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Amplificateur en classe A avec alimentation sym\u00e9trique<\/strong><\/p>\n

Comme nous venons de le voir, la demande en courant d’un amplificateur en classe\u00a0A<\/em> est tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9e, ce qui pose des probl\u00e8mes importants du c\u00f4t\u00e9 de l’alimentation. Afin de r\u00e9duire le ronflement \u00e0 un niveau acceptable, le niveau de filtration devra \u00eatre tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9, souvent de l’ordre des centaines de milliers de\u00a0uF<\/em>, avec un co\u00fbt associ\u00e9 tr\u00e8s cons\u00e9quent. Puisque cette demande est permanente et ne varie pas avec la demande en puissance audio, tous les composants de la section alimentation sont grandement sollicit\u00e9s, ce qui affecte leur dur\u00e9e de vie. En cons\u00e9quence, les transformateurs atteignent des temp\u00e9ratures d’op\u00e9ration tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9es, et m\u00eame les condensateurs de filtration peuvent surchauffer \u00e0 cause du ripple current<\/em> (le courant qui circule dans le condensateur lorsqu’il se charge et se d\u00e9charge \u00e0 chaque demi-cycle du 60\u00a0Hz d’alimentation secteur).<\/p>\n

Une solution int\u00e9ressante pour l’alimentation des amplificateurs en classe\u00a0A<\/em> est l’utilisation d’une version r\u00e9gul\u00e9e, comme celles qui ont \u00e9t\u00e9 mentionn\u00e9es dans la seconde rubrique. Le circuit actif de r\u00e9gulation agit comme un multiplicateur de capacitance, ce qui permet de diminuer la valeur des condensateurs de filtration, et il permet une r\u00e9duction suppl\u00e9mentaire de l’ondulation qui cause le ronflement. Il y a cependant un co\u00fbt \u00e0 tout, et non seulement ces r\u00e9gulateurs augmentent la complexit\u00e9 du circuit, mais ils seront eux aussi une source de production de chaleur car leur fonctionnement exige une chute de voltage qui, multipli\u00e9e par le courant qui y circule repr\u00e9sente une puissance dissip\u00e9e non n\u00e9gligeable qui s’ajoute \u00e0 celle de l’ampli.<\/p>\n

Malgr\u00e9 les nombreuses contraintes inh\u00e9rentes \u00e0 la conception et \u00e0 l’utilisation de la classe\u00a0A<\/em> dans les \u00e9tages de sortie des amplis de puissance, ils demeurent tr\u00e8s pris\u00e9s des audiophiles et m\u00e9lomanes. Leur co\u00fbt de fabrication \u00e9lev\u00e9, justifi\u00e9 par des alimentations et des dissipateurs thermiques surdimensionn\u00e9s, est contr\u00e9 par un excellent rendu audio et une couleur tr\u00e8s particuli\u00e8re. Parmi les points forts de cette configuration, on retrouve leur demande constante de courant sur l’alimentation, qu’elle soit r\u00e9gul\u00e9e ou non, ce qui l’avantage de ne pas provoquer de fluctuations li\u00e9es \u00e0 la demande en puissance audio comme sur les autres types d’amplis. Ces variations ont tendance \u00e0 affecter n\u00e9gativement la reproduction des \u00e9carts dynamiques, sans compter qu’elles peuvent nuire \u00e0 la lin\u00e9arit\u00e9 et la stabilit\u00e9 de l’ampli. L’autre point majeur en faveur de la classe\u00a0A<\/em> est une meilleure lin\u00e9arit\u00e9 inh\u00e9rente du circuit qui permet une conception plus simple sans avoir recours \u00e0 un taux de contre-r\u00e9action trop \u00e9lev\u00e9 qui peut g\u00e9n\u00e9rer d’autres probl\u00e8mes.<\/p>\n

Ceci \u00e9tant dit, l’utilisation de la classe\u00a0A<\/em> \u00e0 l’\u00e9tage de sortie d’un amplificateur de puissance est obligatoirement li\u00e9e \u00e0 un prix de vente \u00e9lev\u00e9 qui n’est pas \u00e0 la port\u00e9e de tous. Il va donc de soi qu’une approche diff\u00e9rente, mais tout de m\u00eame tr\u00e8s performante et moins co\u00fbteuse, est souhaitable pour r\u00e9pondre \u00e0 la demande du march\u00e9, et c’est l\u00e0 qu’interviennent les autres classes d’op\u00e9ration que nous \u00e9tudierons lors de nos prochaines rencontres.<\/p>\n

Pour r\u00e9f\u00e9rance;<\/em> Parlons technologie – Partie 2<\/span><\/span><\/em><\/span><\/a><\/p>\n

Parlons technologie – Partie 4<\/span><\/em><\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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