Legrand Gabriel

Legrand Gabriel
Planque Maxime
Régnier Jean-Philippe
ICAM 2, 109
Travail bibliographique :
L’amplification par tubes à
vide appliquée à l’audio.
Département Automatique.
Table des matières
Introduction
p.3
I)
Historique
p.4
II)
Structure et Fonctionnement
p.6
III)
Polarisation (« Biasing »)
p.6
IV)
Amplificateurs « single-ended » et « push-pull »
p.7
V)
Distorsion
p.11
VI)
Avantages – Inconvénients
p.12
VII)
Appendice : Classes d’amplificateurs
p.13
VIII) Références bibliographiques
p.14
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Introduction
Beaucoup de musiciens vous le diront, du jeune guitariste jouant seul dans sa
chambre à Jimmy Page, célèbre guitariste du groupe Led Zeppelin : un amplificateur
à « lampes » (ou amplificateur à tubes) n’a pas son pareil pour restituer le son d’une
guitare et apporte une chaleur dans le son que jamais un transistor n’égalera.
Jusque dans les années 50 et 60, les tubes à vide étaient l’unique moyen d’amplifier
un signal, mais la découverte et la généralisation du transistor ont largement réduit
leur utilisation, pour des raisons couvertes dans la partie « Avantages et
Inconvénients » plus tard dans ce dossier.
Ces amplificateurs étaient particulièrement utilisés dans le cas des signaux audio ou
radio pour des fréquences inférieures aux micro-ondes. Aujourd’hui, l’utilisation de
tubes à vide dans l’amplification reste réservée à des domaines peu connus du
grand public tels que l’amplification d’instrument de musique (en guitare
principalement), des transpondeurs satellites (pour l’utilisation du GPS par exemple),
des applications militaires (acquisition de cible, radar). Pour de nombreuses
personnes, c’est une technologie inconnue ou obsolète alors qu’elle entre en jeu
dans de nombreuses applications quotidiennes et reste une technologie utilisée dans
les domaines de pointe. Nous aborderons ici un problème plus léger : l’amplification
de signaux audio.
En effet, pour de nombreux audiophiles et musiciens, la technologie des tubes à vide
est un gage de qualité d’une installation audio. Mais comment fonctionne réellement
ce qu’on appelle plus vulgairement « l’amplification à lampes » ? Nous verrons plus
tard pourquoi nous utilisons le terme de « lampe ». Ce dossier couvrira une grande
partie des connaissances de base nécessaires pour aborder cette technologie peu
commune : notions historiques, structure d’un tube à vide, notion de polarisation
(« biasing »), amplificateurs « single-ended » et « push-pull », distorsion, classes
d’amplification, avantages et inconvenients de cette technologie. Ce travail repose
sur l’analyse de documents dont les références sont rapportées à la fin de ce
dossier. Peu d’articles en français abordent ce sujet, et toutes les publications
abordées sont en anglais.
Notions préliminaires : Ces notions ne sont abordées qu’en vu de la publication
de ce document sur l’Internet à destination des néophytes.

Attirance et repoussement des charges : le « courant » est un flux d’électrons,
c'est-à-dire de particules de matière chargées négativement, qui se déplacent
donc du moins vers le plus des bornes d’un circuit. Elles sont attirées par les
conducteurs chargés positivement et repoussés par les conducteurs chargés
négativement. Dans les deux cas, plus la charge est élevée, dans un sens ou
un autre, plus la force est importante.
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

La température fournit de l’énergie à la matière et excite ses particules, qui
deviennent moins cohérentes : la capacité à conduire le courant d’un matériau
augmente avec sa température car ses électrons pourront se détacher et se
déplacer plus facilement.
Une guitare électrique fournit un signal électrique par le biais de ses micros
magnétiques sous forme d’une tension alternative de la fréquence de la note
jouée (dont la tension varie entre le positif et le négatif au cours du temps, en
enchaînant les cycles positif-négatif autant de fois par seconde que l’indique
sa fréquence. (Exemple : La, 440 Hz : la vibration de la corde est convertie par
les micros magnétiques en une tension alternative oscillant 440 fois par
seconde).
Ces notions de base intégrée, nous pouvons nous consacrer à l’étude de
l’amplification par tube à vide.
I)
Historique :
Le premier tube à vide fut fabriqué par John Ambrose Fleming, ingénieur, alors qu’il
travaillait pour Marconi Company à Londres en 1904. Elle comportait deux électrodes
(anode et cathode) et tire de cette caractéristique ce nom de « Diode ». Comme la
diode que nous connaissons aujourd’hui, sa particularité était de ne laisser passer le
courant que dans un sens et était utilisée comme redresseuse de courant ou
détecteur d’ondes radio. Aussi simple que ce composant puisse paraître, il s’agissait
du premier composant actif et Fleming venait de donner naissance à l’ère
électronique.
S’il ne s’est peut-être pas rendu compte tout de suite de sa découverte, c’est Lee De
Forest qui a ajouté à la diode de Fleming sa troisième électrode (la grille) et a inventé
le premier amplificateur électronique, la « Triode », qu’il nomma « Audion ». Selon le
reste du circuit utilisé pour accompagner la triode, elle pouvait amplifier au choix
courant ou tension. Sa première application fut la ré-amplification de signaux
téléphoniques sur de longues distances puis elle connut un essor lors de la
naissance de la communication sans fil dans les années 30. Jusque dans les années
60, l’amplification audio ou télévisée était constituée exclusivement de circuits à
tubes. Les puissances efficaces n’étaient que de quelques watts et nourrissaient des
écouteurs plutôt que des haut-parleurs.
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Le circuit dominant à l’époque était le circuit à triode « single-ended », un
amplificateur de classe A qui donnait un excellent son (et une distorsion faible) avec
un circuit très simple et peu de composants, à une époque où les composants
étaient exclusivement fabriqués à la main, et de ce fait, étaient très chers.
Circuit à triode « single-ended ».
Avant la seconde guerre mondiale, la plupart des amplificateurs étaient d’un gain bas
et leur linéarité était entièrement basée sur la linéarité intrinsèque de la lampe (5%
de distorsion à pleine puissance en général).
Aujourd’hui, les lampes restent d’actualité grâce à la difficulté d’obtenir de bonnes
performances de gain à très hautes fréquences avec des transistors et leurs
problèmes de fuites dues à la température. Les lampes restent donc encore
largement utilisée dans le cas de hautes puissances et fréquences.
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II)
Structure et Fonctionnement :
Un tube à vide se présente généralement sous la forme d’un composant à 5 pattes
ressemblant fortement à une ampoule (d’où le terme « lampe ») de par son globe de
verre. Sur ces 5 pattes, 2 concernent le filament chauffant, une la cathode, une
l’anode (ou « plaque ») et une, la grille.
La cathode est recouverte d’un matériau très riche en électrons et est chauffée à très
haute température par le filament chauffant. Cette très haute température va exciter
les électrons de la cathode qui seront attirés par la plaque chargée positivement.
Entre la cathode et la plaque se trouve la grille, chargée négativement, juste un peu
plus négativement que la cathode et repousse alors une partie du nuage
électronique (en général, 50% du flux).
Le signal d’entrée va modifier la tension appliquée à la grille, et la moindre variation
de tension va entraîner une forte variation du flux traversant la grille et atteignant la
plaque : ce flux va augmenter à chaque fois qu’on appliquera un signal d’entrée à la
grille, c’est de l’amplification !
III)
Polarisation (« Biasing »)
Plus la grille sera chargée négativement, plus elle repoussera les électrons, et
inversement. La polarisation de la grille est le voltage fixé qui va équilibrer l’attraction
de la plaque et le repoussement de la grille quand aucun signal d’entrée n’est
appliqué, c'est-à-dire le courant qui circulera entre la cathode et la plaque lorsque
aucun signal d’entrée n’est appliqué. Par exemple, un amplificateur de classe B a
pour caractéristique d’avoir un flux électronique nul entre la cathode et la plaque au
repos. Dans le cas de l’amplification de guitare, cela signifie que le potentiel négatif
de la grille est si élevé que pas un électron ne la franchit tant qu’on ne joue pas une
note et donc qu’on ne modifie pas la tension de celle-ci. Dans un amplificateur de
classe A, il y a une infinité de courants de repos possibles. Nous verrons par ailleurs
que la valeur optimale de réglage du bias est de 50%.
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IV) Amplificateurs « single-ended » et « push-pull »
Le signal électrique sortant d’une guitare dépasse rarement les 1 ou 2 volts
d’amplitude. Ce n’est pas cette faible tension qui anime le haut-parleur, très
gourmand. Comme vu précédemment, cette tension n’est que la variation de tension
appliquée à la grille et qui modifie le courant passant de la cathode à la plaque. Et ce
courant est fourni par l’alimentation électrique, souvent grosse sur ce genre
d’installation.
Le transformateur d’entrée transforme les 220V d’entrée en 450V alternatifs (le
schéma provient d’une source américaine, et la tension d’entrée est donc de 120V
AC), puis un pont à diodes redresseur convertit cette tension alternative en une
tension continue. La capacité lisse la tension (pour que les seules variations du flux
de courant dans le tube soient dues à la grille, et pas à une instabilité du courant
continu d’entrée) et fournit un réservoir à courant en se chargeant et déchargeant. Le
signal d’entrée est appliqué directement à la grille du tube de pré-amplification, qui
l’amplifie afin qu’il soit suffisant pour attaquer la lampe de puissance. La plaque de la
lampe de pré-amplification est reliée à la grille de la lampe d’amplification (on parle
d’étage de puissance). Pour un La à 440 Hz, sur la lampe d’amplification de
puissance, 440 fois par seconde la tension de la grille permet un flux d’électrons plus
important puis moins important (car le signal est alternatif : pendant une partie du
cycle, il rend la grille moins négative, pendant l’autre il la rend plus négative). On a
alors un courant de sortie du tube d’amplification de puissance continu mais tout de
même variable. On ne parle pas de courant alternatif, car sa moyenne est positive,
néanmoins continu ne signifie pas invariable. Ici, on a donc un courant continu
variable, et sa particularité est de varier à raison de 440 fois par seconde. Ces
variations transmises au haut-parleur vont le faire vibrer à 440Hz. Comment
fonctionne un haut-parleur, c’est une autre histoire, toujours est-il qu’il va produire un
La 440, votre guitare est amplifiée ! C’est le fonctionnement d’un ampli dit « singleended ». Une seule lampe d’amplification de puissance, pas de séparation de phase.
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On a dit plus haut qu’en classe A, le bias était fixé de telle sorte que 50% du flux
traversait la grille quand aucun signal n’était appliqué à la grille. Pourtant, aucun son
ne sort du haut-parleur (hormis les buzz provoqués par les champs magnétiques
ambiants…) quand on ne joue pas. C’est du au fait que qu’il faut au haut-parleur une
variation de courant pour qu’il se mette en mouvement. Quand on ne joue pas, le flux
est constant, pas de variations du courant, donc pas de son sortant du haut-parleur !
Nous avons vu précédemment qu’il fallait régler la polarisation d’une lampe, c'est-àdire le courant qu’elle laisse passer au repos. Voilà maintenant pourquoi 50% est la
valeur optimale : le courant au repos est constant, à 50%. Quand on applique un
signal alternatif à la grille, ce courant va osciller à la même fréquence, il va
augmenter sur la partie positive du signal et diminuer sur la partie négative. Régler le
bias à 50% permet donc d’avoir un signal symétrique (important pour obtenir la
justesse bien sûr…) sur la plus grande plage d’amplitude (volume) possible. Mais on
voit que la plage exploitable est peu large et qu’on arrive vite à 100% des capacités
de la lampe rapidement, et utiliser un tube à 100% de sa capacité va dissiper
énormément de chaleur et l’user prématurément. Il faudrait trouver un moyen
d’augmenter cette plage d’utilisation. Imaginons qu’on place maintenant le bias à
0% : pour une même amplitude que précédemment, on se retrouve maintenant à
50% d’utilisation de la lampe, c’est ce qu’on trouve dans les amplificateurs de classe
B, et on comprend évidemment pourquoi ils ne sont pas utilisés en audio : les
amplificateurs de classe B single-ended ne dissipent pas beaucoup de chaleur et
n’usent pas les tubes, mais le son transmis n’est absolument pas juste (il manque la
moitié du signal, trop de distorsion !)
Ici, le courant de bias est fixé à 10% : la plage d’utilisation est accrue, mais le signal inexploitable.
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Nous avons vu précédemment l’utilisation de l’amplificateur de classe A en
configuration single-ended. Voyons maintenant la configuration « push-pull »
Au repos, les deux lampes consomment chacune 50% du courant au repos. Le
signal d’entrée est appliqué sur les deux lampes en opposition de phase. Donc
quand l’une charge positivement sa grille, l’autre la charge négativement et le
courant se répartit en conséquence : ici 90% du courant passe par la lampe du haut
et 10% par celle du bas, puis le signal change de sens, la charge des grilles
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respectives aussi, et par conséquent la répartition du courant passant également.
Ces oscillations se font à raison de 440 fois par seconde pour le cas d’un La à 440Hz
et donne donc en sortie un courant variable à 440 variations par seconde. Ici, l’utilité
n’est pas d’augmenter la plage d’utilisation ou de réduire la dissipation de
l’amplificateur (l’inconvénient principal d’un ampli de classe A est sa forte dissipation
de chaleur, les lampes étant toujours utilisées à forte capacité) mais de réduire la
distorsion du signal : comme c’est un système équilibré, des composantes
communes aux deux côtés du circuit sont annulées. Et ici, la composante commune
aux deux côtés du circuit quand les tubes sont poussés à la distorsion est la seconde
harmonique de distorsion, d’amplitude élevée. Avec ce type de circuit push-pull, on
réduit donc la distorsion.
C’est ici que le circuit « push-pull » et l’amplification de classe AB combinés trouvent
toute leur utilité. Ils répondent à la question « Comment produire un amplificateur à
large plage d’utilisation (haut volume et peu de distorsion) et dissipant peu de
chaleur au repos ? »
« Push-pull » est une configuration d’amplificateur et AB une classe, et ces deux
caractéristiques ne sont pas, théoriquement, liées : on peut trouver des push-pull de
classe A. Mais la classe AB d’amplification n’est réalisable et exploitable que grâce à
la configuration push-pull, et dans un sens, le circuit push-pull et la classe AB sont
liés. Ils concilient le meilleur des deux mondes : la large plage d’utilisation des classe
B et la faible distorsion des classe A en push-pull.
On peut régler le bias bas, et ainsi augmenter la plage d’utilisation. Chaque branche
amplifie une moitié de signal, pour obtenir un signal symétrique, et il y a toujours un
courant parcourant les lampes, afin d’éviter la distorsion due à l’allumage et la
coupure des tubes caractéristiques des amplificateurs de classe B (bias à 0%).
En matériel Hi-fi, l’amplification push-pull de classe AB est la plus répandue, car elle
permet une large plage d’utilisation, peu de distorsion et peu de dissipation
thermique. Actuellement, il semblerait que la mode chez les fabricants
d’amplificateurs destinés aux guitaristes soit d’intégrer à leur catalogue des
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amplificateurs de classe A single-ended, la distorsion de seconde harmonique étant
réputée très musicale et donc recherchée, nombre de guitaristes intégrant la
distorsion comme un effet de jeu à part entière et plus une gêne comme elle peut
l’être dans les transmissions radio ou l’écoute de documents audio (Pour résumer, en
suivant la chaîne du son, du guitariste à l’auditeur écoutant la chanson sur son
système Hi-fi, une distorsion peut être recherchée par le guitariste comme effet de
jeu, mais pas par l’auditeur, qui cherche à entendre la chanson telle qu’elle a été
enregistrée.)
V)
Distorsion
La distorsion du signal apparaît quand on demande au composant une amplification
dépasse les bornes de fonctionnement de l’amplificateur. C’est ce qui se passe
quand les plaques que forment la cathode et l’anode ne sont pas capables de laisser
passer un flux suffisant d’électrons proportionnel au signal, ni de créer un flux négatif
d’électrons.
Elle apparaît également à l’allumage et la coupure du tube dans le cas des
amplificateurs de classe B (bias réglé à 0%). Dans ce cas, elle est formée des
harmoniques de haut rang impair et n’est pas très musicale à l’oreille.
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VI) Avantages – Inconvénients
L’amplification par tubes à vide est donc une technologie bien différente du transistor
mais dont les applications diffèrent également largement. L’utilisation des tubes est
évidemment soumise à des avantages et des inconvénients, qui sont souvent liés.
On peut notamment citer :
Avantages :






Très linéaires
Très haute impédance d’entrée
Fonctionnent à très haut voltage
Taille importante qui permet une bonne dissipation de la chaleur (possibilité
même d’un refroidissement à l’eau)
Très robustes (elles peuvent encaisser des surtensions pendant quelques
minutes qui détruiraient un transistor bipolaire en quelques millisecondes)
Faciles à remplacer dans un circuit
Inconvénients :







Travaillent à des tensions dangereuses
Haute température
Encombrement
Inutilisables en sortie directe, sans transformateur, à cause du faible courant
de sortie, avec la plupart des appareils à forte charge (moteur électrique par
exemple)
Entraînent des circuits lourds à cause de la taille des transformateurs d’entrée
et de sortie qu’elles nécessitent
Une seule polarité disponible
Fragilité mécanique
Avec une utilisation encore très répandue dans les applications militaires ou de
communications à haute puissance, les tubes à vide ont encore une longue vie
devant eux. Comparée aux utilisations citées précédemment, l’application à l’audio et
l’amplification de guitare peut paraître « légère » et on peut se demander pourquoi
dans ces biens de consommation relativement répandus, l’utilisation des transistors
ne s’est pas généralisée. La réponse est certainement liée au fait que le signal
transmis est analysé par l’oreille humaine et pas par un ordinateur, et que la
« musicalité » d’une note dépend de paramètres différents de la seule propreté d’un
son ou de sa distorsion. On sait par exemple aujourd’hui que l’oreille humaine est
plus sensible aux harmoniques de rang pair qu’aux harmoniques de rang impair, et
tous ses secrets n’ont pas encore été percés.
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VII) Appendice : classes d’amplificateur
Classe A
La totalité du signal d’entrée (100 %) est utilisée (a = 360 °).
Dans un amplificateur de classe A, le ou les composants actifs sont toujours en
conduction. Ces amplificateurs amplifient tout le signal d’entrée, limitant ainsi les
distorsions sur le signal de sortie. Ils n’ont pas un bon rendement : ils dissipent une
puissance constante quelque soit l'amplitude du signal d'entrée.
Classe B
La moitié du signal (50 %) est utilisée (a = 180 °).
Les amplificateurs de classe B n’amplifient que la moitié du signal d’entrée. Ils créent
donc beaucoup de distorsion, mais leur rendement est grandement amélioré. Ils sont
utilisés dans le cas de basses ou moyennes fréquences, et peuvent se retrouver
dans des configurations dites « push-pull ». Les montages push-pull disposent de
deux lampes ou transistors : un pour amplifier la partie négative du signal et un
second pour sa partie positive. Chaque lampe fonctionne en « classe B ». La totalité
du signal étant amplifiée, les montages push-pull possèdent un faible taux de
distorsion.
Classe AB
Plus de la moitié mais pas la totalité du signal (50–100 %) est utilisée (180 ° < a <
360 °).
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La classe AB est un compromis entre la classe A et la classe B : le point de repos de
l'amplificateur se situe entre celui d'un amplificateur de classe A et celui d'un
amplificateur de classe B. Une telle méthode de polarisation permet à la classe AB
de fonctionner en classe A pour les signaux de faibles amplitudes puis de se
comporter comme un amplificateur de classe B pour les signaux de forte amplitudes.
Tout comme pour les amplificateurs de classe B, les amplificateurs de classe AB
sont souvent utilisés en configuration push-pull afin de diminuer le taux de distorsion
lors de l'amplification de signaux de forte amplitude.
Classe C
Moins de la moitié (0–50 %) du signal est utilisée (0 < a < 180 °). Ne nous concerne
pas.
VIII) Références bibliographiques
Randall Smith, Mesa Engineering, Class A, exposed and explained. A technical rap
for musicians : “How amps work ?” and “What is Class A ?”
Rod Elliott, ESP, Amplifier Basics, How an amp works : Part 1.
Wikipedia, the free encyclopaedia, Valve amplifier
John Harper, How Vacuum Tubes really work.
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