Les amplificateurs - physique appliquée au LLA

BS 1 SE
1.
Les amplificateurs
alimentation
continue
Généralités sur les amplificateurs
Un amplificateur est un quadripôle
permettant d’augmenter soit la tension ve(t),
polarisation
soit l’intensité ie(t), soit la puissance pe(t)
provenant d’un appareil générateur de
signal.
ie(t)
+VCC
GND
is(t)
source
charge
amplificateur
générateur du ve(t)
vs(t)
L’amplification est alors définie par le
signal ve(t)
mesure en sortie
rapport A =
.
mesure à l'entrée
C’est le nombre de fois que la sortie est plus grande que l’entrée.
Vs
En régime continu, l’amplification de tension est Av =
,
Ve
Is
Ps
l’amplification en courant est Ai = et l’amplification de tension est Ap =
.
Ie
Pe
Le gain est une autre façon d’exprimer le niveau d’amplification.
Il s’exprime en décibels dont le symbole est dB.
Vs
Is
Le gain en tension est GdB = 20 log
, l’amplification en courant est GdB = 20 log
Ve
Ie
Ps
alors que le gain en puissance GdB = 10 log
.
Pe
1.1.
Modèle équivalent d’un amplificateur linéaire
schéma électrique équivalent
Il est représenté par le schéma électrique équivalent cisource
amplificateur
Ie
contre. On remarque que l’alimentation n’est plus
représentée.
Zg
Zs
Ve
Ze
La notation complexe rappelle que les mesures se font sur
Av.Ve
Vg
des grandeurs sinusoïdales, notamment, s’il s’agit d’un
amplificateur audio, sur un signal sinusoïdal de fréquence
1 kHz.
Av est l’amplification en tension à vide de l’amplificateur
Ie
Ve
Ze
générateur, en mesurant Ve avec un voltmètre approprié et à l’aide de la
formule du diviseur de tension :
Ze
Ve = Vg . Z +Z  Ve(Ze+Zg) = VgZe  Ze(Vg-Ve)= VeZg 
e g
Ze = Zg .
Is charge
Vs
Zch
amplificateur
Ze est l’impédance d’entrée de l’amplificateur,
elle peut se mesurer en connaissant les paramètres Vg et Zg du
utilisation du
signal vs(t)
Is
Zs
Av.Ve
Vs
Ve
Vg-Ve
Zs est l’impédance de sortie de l’amplificateur,
elle peut se mesurer en connaissant les paramètres AvVg = Vs0 tension Vs mesurée à vide (en débranchant Zs),
Zch de la charge et en mesurant Vs en charge et à l’aide de la formule du diviseur de tension :
Vs0-Vs
Zch
Vs = Vs0 . Z +Z  Vs(Zs+Zch) = Vs0Zch  VsZs = Vs0Zch-VsZch  Zs = Zch .
Vs
s ch
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1.2.
Les amplificateurs
L’amplificateur non linéaire, taux de distorsion, bande passante
vs
La caractéristique vs en fonction de ve de l’amplificateur permet de mettre en
évidence la distorsion qu’il introduit et la tension au repos.
vs = ve
Vs0
ve
Le taux de distorsion harmonique TDH se mesure en appliquant un signal
purement sinusoïdal sur l’entrée : ve(t) = Vesin (t+)
Le signal de sortie est déformé et peut, d’après le théorème de Fourier,
s’écrire
vs(t) = Vs0 + Vs1sin (t+ 1)+ Vs2sin (2t+ 2)+ Vs3sin (3t+ 3)+…+ Vsnsin (t+ n)+ …
2
3
2
V +V +…+ V +…
valeur efficace des harmoniques autres que le fondamental
s2 s3
sn
alors TDH =
=
valeur efficace du fondamental
Vs1
Il s'exprime souvent en % et indique la pureté spectrale d'un signal :
le signal sinusoïdal qui n’a qu’une seule raie comme spectre a un TDH de 0%.
Pour un signal carré, TDH = 48,3 %
1.3.
La bande passante
Elle est définie le plus souvent à -3dB par rapport au gain maximal
de l’amplificateur.
Donc
B = fsup – finf
GdB
+20
+18
+16
Gmax-3 dB
B
où fsup et finf sont appelées les
(rad/s)
fréquences de coupure à – 3 dB.
1.4.
finf
Bilan énergétique
fsup
La puissance d’un amplificateur dépend de la tension d’alimentation VCC et de la résistance Rch de la charge.
Pour un amplificateur délivrant un signal sinusoïdal,
vs(V)
en polarisation symétrique,
VCC
)2
VCC2
2
Vsmax = + VCC donc Psmax = R
= 2R
ch
ch
(
Vmax
0
t(s)
en polarisation asymétrique,
VCC
VCC
vs est la somme d’une composante continue 2 et du signal sinusoïdal d’amplitude 2
vs(V)
3VCC2
donc Psmax = 8R
en tenant compte de la composante continue
VCC
ch
t(s)
2
VCC
et Psmax = 8R
pour la composante alternative seule.
0
ch
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2.
Les amplificateurs
Les amplificateurs de tension à circuits intégrés linéaires
2.1. L’amplificateur opérationnel et les montages de base
Voir le chapitre l’amplificateur opérationnel sur le site « hpallam »
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Les amplificateurs
2.2. L’amplificateur différentiel
le principe : l’amplificateur de différence est un dispositif destiné à fournir en sortie une tension proportionnelle à la
différence des deux signaux d’entrée,
vs = Ad (u1 - u2)
Le montage est soit à sorties flottantes
soit à référence commune.
vs
Ad
u1
où Ad est l’amplification différentielle.
Ad
u1
u2
u2
vs
________________________________________________________________________________________________
DOCUMENT : Le câblage symétrique et asymétrique dans le domaine audio « balanced and unbalanced » in english
 connexion asymétrique (unbalanced) ... pour quelques mètres de liaison BF
parasite
ve + parasite
ve
câble
 connexion symétrique (balanced) ... pour quelques dizaines de mètres de liaison BF
parasites
-1
- ve
ve
ve
- ve + parasites
ve + parasites
( ve+parasites)
-(-ve+parasites)
= 2 ve
_______________________________________________________________________________________
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Les amplificateurs
Performances : L’amplificateur différentiel réel a une tension de sortie qui dépend aussi de la somme des
tensions d’entrée,
vs = Ad (u1 - u2) + Ac (
u1 + u2
2
)
où Ac est l’amplification en mode commun
Le mesurage de l’amplification différentielle Ad est obtenu en appliquant des tensions identiques en valeur
e
e
absolue u1 = 2 et u2 = - 2 .
Ad
e
vs
Le mesurage de l’amplification en mode commun Ac est obtenu en appliquant des tensions identiques
Ad
u1 = u2 = e.
e
vs
Le RRMC rapport de réjection en mode commun ou TRMC taux de réjection en mode commun
est défini comme suit :
Ad
RRMC =  A  ou en décibels
 c
Ad
TRMC = 20 log  A 
 c
par exemple si Ad = 200 et Ac = - 0,2 on a RRMC = 1000 ou TRMC = 60 dB.
2.2.1. l’amplificateur différentiel à transistors bipolaires
Deux transistors T1 et T2 identiques, souvent dans un même
+VCC
boîtier, sur le même substrat, sont polarisé par une source de courant
continu {Io , Ro}. Les dispositifs sources de courants sont rappelés en
RC
fin de paragraphe.
On a soit vs = vS S si on veut la sortie flottante,
2 1
soit vs = vS M si on veut la sortie référencée à la masse. Par symétrie
2
les courants dans les émetteurs sont égaux,
Io
Io
IE = IE = 2 d’où VCE = VCC - RC 2 + VBE en absence de signal
1
2
d’entrée (u1 = u2 = 0). Donc, pour que les transistors fonctionnent
Io
dans le domaine linéaire, il faut que VCC - RC 2 + VBE > VCEsat.
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+
B1
S1
vs
RC
S2
B2
A
u1
-
vs
u2
Io
Ro
-VCC
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Les amplificateurs
2.2.2. L’amplificateur d’instrumentation
a)
Étude de l’amplificateur d’instrumentation
Aux bornes de R2 on a la tension (v1 – v2) produisant un
v1 - v2
courant R
dans R2.
2
v1
Ce courant traverse aussi les deux résistances R1.
La tension (v3 – v4) est alors v3 – v4 = (2R1 + R2)
v1 - v2
R2 .
R4
v1 - v2 R4
D’où vs = (v4 – v3) R = - (2R1 + R2) R

3
2 R3
v3
R3
R2
R1
- 
+ A2
R3
R4
vs
v4
amplificateur d’instrumentation
LH 0036 de National Semiconducteur
v2
vs = -
R4
- 
+ A3
R1
Le montage autour de l’amplificateur opérationnel A3 est un
R4
soustracteur : vs = (v4 – v3) R .
3
Comme on vient de trouver (v3 – v4),
v1 - v2
on a (v4 – v3) = - (2R1 + R2) R
.
2
b)
+ 
- A1
(2R1 + R2) R4
(v1 - v2)
R2 R3
Exemple de montage :
E
R + R
(v1 – v2) = 2 - E
R + R + R
(2R + R) (2R + 2R)
= E[
]
2(2R + R) 2(2R + R)
(2R + R) - (2R + 2R)
= E[
]
2(2R + R)
R
R
= - E[
]-E
4R
2(2R + R)
en négligeant R devant R
Conclusion : comme (v1 – v2)  R
E 4R on en déduit que
+E
v1
+ 
- A1
R
R + R
sonde
v3
R3
R
R2
R
R1
- 
+ A3
R1
- 
+ A2
v2
R4
R3
R4
v4
amplificateur d’instrumentation
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vs est proportionnelle à R, la
variation de résistance de la sonde
on peut donc mesurer la grandeur physique qui fait varier la résistance de la sonde.
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vs
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3.
Les amplificateurs
Les amplificateurs de puissance à transistors
3.1. Le transistor bipolaire
3.2. L’amplificateur de classe A
3.3. L’amplificateur de classe B ou « Push-pull »
3.4. L’amplificateur de classe C utilisé en HF
3.5. L’amplificateur de classe D ou à découpage MLI (PWM)
3.6. L’amplificateur à transistor à effet de champ (TEC FET CMOS)
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