Amplificateur de puissance classe B ( push pull )

Amplificateur de puissance classe B (''push puli"}.
·llntroductiOlq
Cet amplificateur pennet de fournir all signal la puissance necessaire pour faire fonctionner line charge telle
qu'un haut parleur. Il peut etre realise avec des composants discrets, mais il faut savoir qu'on le retrouve
egalement SOliSfOIl11eintegree dans I'etage de sortie des Amplificateurs operationnels (Cf Millmann).
• !Bibliographie I
[1]« Theorie du signal et compos ants »--Mrumeville-Esquieu-DUNOD
[2]« Electronique - Terminale Genie Electronique » -- Martin -- Hachette
·lPn?sentatiol1 I
Le schema de principe simplifie de l'amplificateur est le suivant:
Il est constitue d'un transistor NPN et d'un transistor PNP dont les caracteristiques sont identiques (meme 13).
Nous allons voir que suivant le signe de u., l'un des transistor fonctionne en regime lineaire pendant que l'autre
est bloque (penser a un interrupteur ouvert).
Quel que soit l'etat des transistors. on a :
ue- V
BE
= RL·i s et is = iEI - iE2
Supposons que u, proche de O. Dans ce cas. les deux transistors sont bloques. En effet, on a bien VCEI qui
est superieur a VCE•• t pour Tl (type NPN) et VEC2qui est superieur a VEC ..
t
pour T2 (type PNP). mais IB est nul
ce qui empeche le passage du courant dans les transistors. Cet etat de blocage persiste rant que - 0.7 V < u, < 0.7
V car tant qu'aucun transistor n'est passant, i, = 0 et U.=VBE.Le courant iBrestera proche de 0 dans les transistor
tant que la tension entre base et emetteur n'aura pas atteint 0.7 V (+ ou - suivant Ie type de transistor).
Supposons que u.> O,7V. Dans ce cas des que VBEatteint cette valeur. Ie transistor Tl se retrouve en regime
lineaire, i, augmente done Usaussi. Dans un meme temps comme VBE>0. Ie transistor PNP T2 est bloque. On a
alors :
L_j
Si uedevient trop elevee, alors Ie transistor Tl fini par saturer (Vcel = E-usdevient inferieure a 0.4 V) ce qui
fait que u, reste bloquee a une valeur proche de E (ega Ie a E - VCE•• U.
Supposons que 1I. < - O,7V. Dans ce cas des que VBEatteint cette valeur, Ie transistor T2 se retrouve en
regime lineaire, i, devient non nul done Usaussi. Dans un meme temps comme VBE<0. Ie transistor NPN Tl est
bloque. On a alors :

Quand u, devient fortement negative. T2 [mit par saturer, ce qui conduit i, a s'annuler, On a alors Us = -E +
VEe,al> soit us",,-E
Cela conduit a une caracteristique globale de la forme suivante :
u,
·O.7V
O.7V
E.VC£Ul ------------
---------~- ·IE,V
cuot
1
b!oqu~
• premiere amelioration I
Pour limiter la distorsion qui apparait pour les faibles valeurs de u e- on utilise plutot le montage suivant :
Les deux diodes sent toujours polarisees en direct et passantes (Vd =0,7 V), ce qui compense Ie VBE des
transistors, responsables de la distorsion.
La caracteristique dans ce cas est proche de la forme suivante :
Us
E --------
rq : Dans Ie cas ou ce circuit est l'etage de sortie d'un AO, on comprend la limitation en tension en sortie de
ce dernier, a des valeurs comprises entre les tensions de polarisation.
Ce montage est bien amplificateur de la puissance du signal. En effet, si la tension d'entree est presque egale
a la tension de sortie (en zone de fonctionnement lineaire), Ie courant de sortie est quant a lui beaucoup plus
2

important (is'" 13.4ntree ). De plus, il presente une faible resistance de sortie (resistance du generateur d'attaque sur
13 environ).
• ~eco/1de all1elioratiol~
On peut utiliser un AOP pour limiter les problemes de distorsion (Cf [1]). Pour cette fiche, il serait bon de
corriger la distorsion au moyen d'un push pull associe a un AOP ...
E
Si on considere un amplificateur operationnel a fort gain Ao dans la plage de frequence etudiee, alors, si v. est
la tension de sortie de I'AOP, on a
Ve +E = _ uL +E
R, R2
VS = AO·E
VS =uL +vbe
on en deduit que
R2 Ao·R,
vbe=-A
O'
.ve-(l+ ).uL
R, +R2 R, +R2
Etant donne les ordres de grandeur des differents parametres (Ao'"10
5).
si on prend R1=R
2,
on obtient
Ao Ao Ao
Yee = --.ve --,uL = --.(Ve + uL)
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En supposant. pow' simplifier que les transistors commutent a partir d'une tension Vile limite proche de 0.7V.
on constate que cette valeur sera atteinte pour de tres faibles valeurs de v, (2.0.7V/Ao soit quelques dizaines de
~1V).On constate alors que la distorsion pour les faibles valeur de tension d'entree a pratiquement ete eliminee.
En supposant I'AOP comme presque parfait (E=OV), le theoreme de Millman applique a lentree - conduit a
la relation R
uL = __ 2 .ve
R,
La tension n'est pas amplifiee (si R1=R
2),
en revanche. on a amplification de puissance car le courant
circulant dans la charge est beaucoup plus important que ce qui est foumi par v e-
• ICalclIl des p"issances lIIises en jew((cas dll lIIontage de depart;!
Dans III charge : On recupere la puissance utile P,
T 2
Pu= _!_f~.dt = _I-.ut or UL max est inferieur aE done U
2L
.tr<E
2
/2
T R R .If
o L L
Puissance fournie par les sources de polarlsartou :
On neglige les problemes de distorsion. Chaque source continue fournit de l'energie sur une demi period. Si
ve(t) = Ve'.J2. sinlro.t}, alors Ie courant dans la charge est apporte par I'alimentation reliee au NPN de 0 a T/2 et
par I'autre source de T/2 a T.
La puissance totale apportee est done donnee par:
T/2 T T/2
PE=~( fE.iL(t).dt+ f-E.iL(t).dt)=* fE.iL(t).dt
o T12 0
Sachant que V.""UL et que iL(t) = uL(t) ,on a
RL
3

T/2 r: t:
2 f E,U
L.
...,2 . E.UL. •.. ...,2
P
E
= - .if .sintro.tj.dt = 2. m
T RL 1t.RL
o
Puissance totale dissipee dans les transistors en conduction:
Si on suppose que la puissance apportee par le signal dentree est negligeable, cette puissance est Pr=PE-P
u'
Si on suppose que la tension sur la charge est a la valeur maximale autorisee par Ie montage (+E). alors. on a
2.E
2E2
P
T
=-----
1t.RL2.RL
ce qui nous conduit a un rendement theorique maximum de 1[/4soit 78.5% environ.
Ce sont les puissances mises en jeux qui vont permettre Ie dimensionnement du dispositif (choix des
composants ... ).
• lMesures interessantes que I'on peut faire sm' ce type de monta!Zel
On peut deja sinteresser a quelques parametres caracteristiques :
L'irnpedance d'entree.
L'impedance de sortie.
La bande passante.
La distorsion en fonction des montages et des conditions d 'utilisation.
On peut egalement sinteresser a l'aspect puissance du montage (et notamment au rendement qui depend
de la tension dentree ... ). On peut en effet deduire de la mesure de ULm ..x la puissance foumie par chacune des
alimentations continue ainsi que la puissance finalement dissipee dans la charge (faire une mesure de la
resistance de charge). Si l'unpedance d'entree est suffisamment grande. on peut dire que la puissance
apportee par Ie signal dentree est negligeable devant ce qu'apportent les alimentations. On a alors facilement
Ie rendement de l'ensemble. On peut alors Ie comparer a la valeur theorique attendue. d'apres les calculs faits
au paragraphe precedent. La difference peut s'expliquer pal' la puissance dissipee dans les deux resistances de
stabilisation en temperature. et pal' l'apparition de la distorsion due a la saturation des transistors (la
saturation u'apparait pas brutalernent comme on l'a suppose dans Ie modele). On peut alors regarder en
parallele l'evolution de la distorsion (analyse FFT avec rapport des harmoniques 3 et 5 sur Ie fondamental) et
du rendement lorsque I'on augmente Ie tension d' entree
Pour conclure, on peut essayer d'envoyer un signal de microphone stir haut parleur via un ampli de
tension et un amplificateur de puissance ...
• !Remarques pratique~
II faut noter que la resistance de sortie doit etre dimensionnee pour supporter le courant correspondant a
la puissance a transferer. II s'agit de resistances differentes de ce que I'on utilise habituellernent en
electronique ... Demandez a I'enseignant.
Pour eviter les problemes d'oscillations, frequents sur ce type de montage. il est souhaitable de placer
des capacites de decouplage sur les sorties dalimentation ... Demandez a I'enseignant.
Pour realiser ce montage, vous pouvez travailler a partir de la maquette ENSC339 (amplification de forte
puissance) ou avec les maquettes Phytex ENSC330 (qui disposent d'un amplificateur operationnel
integre).
Pour pouvoir observer Ie rendement en fonction du rapport entre la tension signal et la tension de
polarisation, on prendra une alimentation Fontaine a deux sorties flottantes afin de pouvoir polariser
entre 0, -lOV, et 10 V ce qui correspond a la tension maximale de sortie du GBF delivrant Ie signal.
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