Laboratoire 4 : L’amplificateur audio Chapitre 5 Sommaire

Chapitre 5
Laboratoire 4 : L’amplificateur
audio
Sommaire
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Compléments . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 La contre-réaction négative . . . . . . . . . .
5.2.2 La configuration Darlington . . . . . . . . . .
Équipement nécessaire pour le laboratoire .
L’amplificateur audio . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1 Circuit d’amplification . . . . . . . . . . . . .
5.4.2 Alimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.1 Alimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.2 Sources de courant . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.3 Polarisation de Q1 , Q2 et Q5 . . . . . . . . .
5.5.4 Polarisation du Push-pull . . . . . . . . . . .
5.5.5 Distorsion de croisement . . . . . . . . . . . .
Analyse en petit-signal . . . . . . . . . . . . .
5.6.1 Gain en tension . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.2 Gain en courant . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.3 Fréquences de coupure . . . . . . . . . . . . .
5.6.4 The real thing . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bilan du laboratoire . . . . . . . . . . . . . . .
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56
56
Introduction
Ce laboratoire vous permettra de comprendre le fonctionnement d’un amplificateur
audio à transistors bipolaires dont la conception est relativement simple. Bien que le cir47
CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO
48
cuit d’amplification puisse vous paraı̂tre compliqué à première vue, vous verrez qu’une
bonne partie du travail est déjà accomplie, le circuit étant composé de sous-circuits
que vous avez étudiés dans les laboratoires précédents. Ce laboratoire-ci vous permettra de comprendre comment intégrer l’ensemble des concepts abordés dans les séances
précédentes pour obtenir un amplificateur de puissance performant.
Le circuit analogique étudié est emprunté du site web “Audiophile et D(o)I(t)Y(ourself)”
de J.-M. Plantefève, qui s’est lui-même inspiré de l’amplificateur historique A40 de Nelson Pass. Nous avons sélectionné ce circuit pour sa simplicité et son efficacité.
Nous n’aborderons ici que quelques aspects fondamentaux. Les audiophiles ou électroniciens
dans l’âme sont invités à découvrir les aspects plus pointus et bon nombre d’astuces sur
les sites de Plantefève et Pass,
– http://jm.plantefeve.pagesperso-orange.fr,
– http://www.passlabs.com/
ainsi que dans la littérature d’amplification audio.
Préparation de ce laboratoire
Ce laboratoire traite un amplificateur opérationnel élémentaire, dont la
théorie apparaı̂t au chapitre 8 des notes de cours.
– Lire sections 8.1 (introduction), 8.2.1 (principe élémentaire de l’amplificateur différentiel), 8.3.2 (sources de courant), 8.4.2 et 8.4.3 (étages de
sortie de classe B et AB).
– Lire la section “Compléments” ci-dessous.
– Vérifier le résultat de l’équation (5.3).
5.2
5.2.1
Compléments
La contre-réaction négative
La contre-réaction négative consiste à coupler la tension de sortie d’un amplificateur
à sa tension d’entrée de façon à annuler une partie de l’entrée. Ainsi, par exemple, dans
le circuit de la figure 5.1, les résistances R1 et R2 constituent un chemin de retour de
contre-réaction négative pour l’amplificateur opérationnel.
Quels sont les effets d’une contre-réaction négative sur ce circuit ? Les principaux
effets sont les suivants :
1. Diminution du gain en tension
CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO
V+
Vin
49
A
+
Vout
−
V−
R2
RL
VA
R1
Fig. 5.1 – Contre réaction négative à base d’un ampli-op
En effet, si le gain en tension de l’ampi-op est noté A, on a successivement :
Vout = A (V+ − V− ),
R1
V− = VA =
Vout ,
R1 + R2
A
Vout =
V+ ,
(1 + A) B
(5.1)
(5.2)
(5.3)
où B = R1 /(R1 + R2 ) est le facteur de réduction du diviseur potentiométrique
R1 -R2 .
En définitive, comme
A
< A.
1 + AB
(5.4)
le gain total du montage est inférieur à celui de l’ampli-op.
2. Meilleure stabilité
Au vu du résultat précédent, vous pourriez penser que la contre-réaction négative
est une idée assez stupide !
En réalité, son intérêt principal est la faible sensibilité du gain en tension de
l’équation (5.3) vis-à-vis des variations des caractéristiques internes ou thermiques
de l’ampi-op (ces variations sont difficiles à contrôler avec précision). En effet, dans
la limite où A 1, le gain total converge vers A/(1 + AB) ≈ 1/B = 1 + R2 /R1 ,
un rapport qui est entièrement fixé par les résistances R1 et R2 (dont la précision
est bien plus facile à contrôler).
Quatre autres avantages de la contre-réaction négative :
1. accroissement de la résistance d’entrée, par un facteur 1 + AB ;
2. diminution de la résistance de sortie, par un facteur 1 + AB ;
CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO
50
3. accroissement de la largeur de la bande passante, par un facteur 1 + AB ;
4. réduction des distorsions et des non-linéarités introduites dans le circuit interne à l’ampli-op.
Cette dernière propriété est parmi les plus intéressantes : d’une façon schématique,
les déformations du signal introduites par l’ampli-op lui-même sont réacheminées par le
circuit de contre-réaction à l’entrée inverseuse V− de façon les soustraire partiellement
du signal de sortie.
Notez qu’une contre-réaction à l’entrée non-inverseuse V+ aurait pour effet d’amplifier des déformations du signal. Cet effet est utilisé dans les oscillateurs, mais ne sera
pas abordé dans ce laboratoire.
5.2.2
La configuration Darlington
L’étage de sortie d’un amplificateur est celui qui doit débiter le courant le plus
intense. C’est la raison pour laquelle on rencontre souvent la configuration Darlington
de la figure 5.2.
iC1
iC2
iB1
Q1
iE1
Q2
iE2
Fig. 5.2 – Circuit Darlington
Analyse rapide : le courant d’émetteur de Q1 ,
iE1 = (1 + β1 ) iB1 ,
(5.5)
alimente la base de Q2 pour donner un courant de collecteur
iC2 = β2 iB2 .
(5.6)
La configuration se comporte donc comme un seul transistor de gain
β=
iC2
= (1 + β1 ) β2 ≈ β1 β2 .
iB1
(5.7)
Une configuration Darlington permet ainsi de débiter un grand courant de collecteur
iC2 sans “tirer” un courant de base trop important des étages précédents.
Notez que la chute de tension VB1E2 ≈ 1, 4 V est ici deux fois supérieure à celle d’un
seul transistor.
CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO
5.3
–
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–
–
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5.4
51
Équipement nécessaire pour le laboratoire
Une valisette contenant les câbles de connexions
Un oscilloscope double trace
La carte électronique nommée “Amplificateur audio”
Un multimètre
Un générateur de signaux
Un lecteur MP3 avec une bonne bibliothèque musicale !
L’amplificateur audio
Le schéma de la figure 5.3 représente l’amplificateur audio que vous allez étudier
dans ce laboratoire. Il s’agit d’un circuit électronique relativement simple, qui n’utilise
que des transistors bipolaires, des résistances ainsi que des condensateurs de couplages
et de dérivation.
Fig. 5.3 – Schéma électronique de l’amplificateur audio
5.4.1
Circuit d’amplification
Le signal à amplifier (un signal audio par exemple) est appliqué à l’entrée noninverseuse vin de l’amplificateur différentiel Q1 − Q2 . Remarquez que le condensateur C1
ne laisse passer que la composante petit-signal de la tension d’entrée.
CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO
52
Cette composante est amplifiée en tension au niveau du collecteur de Q1 . Le signal
subit ensuite une deuxième amplification en tension grâce au transistor Q5 . La tension
résultante se retrouve au collecteur de Q5 (attention, ce dernier transistor est du type
pnp !). Le signal résultant est injecté dans le dernier étage, un Push-Pull, afin d’y subir
une dernière amplification de puissance, cette fois via une amplification en courant.
Au niveau de la boucle de rétro-action, une fraction de la tension de sortie Vout
est réinjectée à la base du transistor Q2 , qui joue le rôle de l’entrée inverseuse V− de
l’amplificateur.
Les transistors Q3 et Q4 constituent deux sources de courant servant à polariser
le montage différentiel (Q1 et Q2 ), le transistor Q5 , ainsi que la chaı̂ne formée par les
trois diodes et la résistance R7 . Ces quatre derniers éléments (diodes et R7 ) placent le
Push-pull à la limite de la conduction.
Fig. 5.4 – Circuit électrique de l’amplificateur audio
5.4.2
Alimentation
L’amplificateur audio nécessite une alimentation continue à trois bornes (figure 5.5) : une borne de tension positive (V+DC = +24 V), une borne de tension négative
(V−DC = −24 V) et une borne de référence avec un potentiel médian VGRD = 0 V.
L’alimentation est protégée par des fusibles.
L’alimentation est obtenue à partir d’un transformateur toroı̈dal dont la puissance
CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO
53
est limitée à 40 W, ce qui correspond à un courant maximal débité d’environ 0, 7 A
par ligne. La tension du secondaire est redressée par un pont de Graetz et est ensuite
“lissée” par des condensateurs de grande capacité (4700 µF).
24V AC
220V AC
24V AC
V+ DC
C1
GRD
C2
V− DC
Fig. 5.5 – Transformateur et circuit de redressement
5.5
Polarisation
5.5.1
Alimentation
1. Mesurez les tensions d’ondulation sur les deux tensions d’alimentation (V+DC −
VGRD ) et (V−DC − VGRD ).
2. Quel est le niveau d’ondulation de ces alimentations ?
5.5.2
Sources de courant
Les transistors Q3 et Q4 constituent des sources de courant alimentant différents
éléments du circuit.
1. Quel est le rôle joué par les diodes D1 et D2 sur les transistors Q3 et Q4 ? Mesurez
la chute de tension entre les deux diodes. Que constatez-vous ?
2. Mesurez le courant IC3 à l’aide de la résistance RE3 . Faut-il augmenter ou diminuer
RE4 si l’on souhaite accroı̂tre IC3 ? Justifiez.
3. Mesurez la tension VCE et VBE du transistor Q3 . Dans quel mode le transistor estil polarisé ? Justifiez. Quelles sont les éléments polarisés par la source de courant
Q3 ?
4. Mesurez le courant IC4 de la 2ème source de courant. Quels sont les éléments
polarisés par cette source de courant ? Faut-il augmenter ou diminuer RE4 si l’on
souhaite accroı̂tre IC4 ? Justifiez.
CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO
5.5.3
54
Polarisation de Q1 , Q2 et Q5
1. A partir du courant IC3 , calculez les courants de polarisation du collecteur de Q1
et Q2 si on les suppose parfaitement symétriques.
2. Comparez vos résultats à une mesure du courant traversant RC1 .
3. En analysant les tensions de polarisation de Q5 , déterminez l’avantage que l’on
tire à utiliser un transistor de type pnp plutôt qu’un transistor de type npn pour
le deuxième étage. Justifiez.
4. A l’ordinateur, ouvrez le schéma nommé amplificateur audio.asc. Calculez les
tensions de polarisation du circuit et comparez-les aux valeurs réelles. Qu’observezvous ?
5.5.4
Polarisation du Push-pull
1. Mesurez la tension entre les deux bornes d’entrée du Push-pull. Expliquez votre
résultat.
2. Pourquoi utiliser des diodes à la place de résistances pour polariser l’étage de
sortie ? Que se passe-t-il si la température venait à augmenter au niveau du Darlington ? Justifiez.
5.5.5
Distorsion de croisement
+24 V
R2 = 100 k
D1
R1 = 10 k
Vin
V−
−
390
Vout
+
V+
RL = 560
D2
-24 V
Fig. 5.6 – Amplificateur avec distorsion de croisement
CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO
55
Sur Ltspice, chargez le fichier appelé Distorsion de croisement.asc qui représente
le circuit de la figure 5.6. Il s’agit d’un amplificateur de tension réalisé à partir d’un
ampli-op.
Le gain en tension du circuit est déterminé par le rapport R2 /R1 . Le but de cette
simulation est de vous montrer la conséquence d’une distorsion de croisement sur le
signal de sortie.
1. Appliquez à l’entrée un signal sinusoı̈dal de tension crête-à-crête de 300 mV et de
fréquence 440 Hz. A la sortie, ajoutez une résistance de 560 Ω. Observez la sortie
et déterminez le gain du circuit.
2. Qu’observez-vous de particulier au niveau de la tension de sortie ? Quelle en est la
cause ? Quelle en sera la conséquence sur un signal sonore ?
5.6
5.6.1
Analyse en petit-signal
Gain en tension
1. En vous référant à la théorie de la rétro-action, quel est le gain en tension du circuit
d’amplification en boucle fermée ? En particulier, où se situe le pont diviseur de
tension qui alimente l’entrée inverseuse en boucle fermée ? Quelle est le rapport de
division B ? Justifiez.
2. Vérifiez vos résultats en alimentant l’entrée avec un signal sinusoı̈dal de tension
crête-à-crête de 300 mV et de fréquence 10 kHz. A l’oscilloscope, observez la sortie
en boucle fermée et comparez ces résultats à vos calculs. Commentez. (Le baffle
doit être déconnecté).
3. A l’ordinateur, ouvrez le schéma nommé amplificateur audio.asc. A l’aide de
la fonction “transient”, évaluez le gain en tension pour un signal d’entrée de
300 mV crête-à-crête, 10 kHz. Comparez avec vos résultats précédents.
5.6.2
Gain en courant
1. A l’ordinateur, ouvrez le schéma nommé amplificateur audio.asc. A l’aide de
la fonction “ac dec 100 1k 20k”, évaluez le gain en courant IC1 /IB1 pour un
signal d’entrée de 300 mV crête-à-crête. Evaluez ensuite le gain entre le courant
de base et de collecteur de D1 : IxU 1:C /IxU 1:B . Que constatez-vous ? Quel est le
rôle de l’étage de sortie ?
CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO
5.6.3
56
Fréquences de coupure
1. A l’ordinateur, ouvrez le schéma nommé amplificateur audio.asc. A l’aide de
la fonction “AC Analysis”, évaluez le gain vout /vin sur une plage de fréquence
allant de 1 Hz à 1 MHz et remplissez le tableau ci-dessous.
Fréquence (Hz)
1
5
10
100
1k
10k
20k
100k
300k
Gain en tension
2. Quelles sont les fréquences de coupures inférieure et supérieure ? Ces valeurs vous
paraissent-elles adaptées à un usage audio ?
3. Essayer d’identifier par simulation le condensateur qui est responsable de la fréquence
de coupure supérieure. Le résultat est surprenant !
5.6.4
The real thing
L’amplificateur est-il suffisant pour écouter votre lecteur MP3 ? Essayez-le !
5.7
Bilan du laboratoire
Résumez le rôle joué par chacun des transistors dans le circuit d’amplification.
700k