Les amplificateurs - physique appliquée au LLA

BS 1 SE Les amplificateurs
Lycée Louis Armand - MULHOUSE
Physique Appliquée - HASSENBOEHLER page 1 / 7
Zs
Ze
Is
Vs
Ie
Ve
Av.Ve
amplificateur
Zs
Ze
Is
Vs
Ie
Ve
Av.Ve
amplificateur
source
charge
Zg
Vg
Zch
schéma électrique équivalent
1. Généralités sur les amplificateurs
Un amplificateur est un quadripôle
permettant d’augmenter soit la tension ve(t),
soit l’intensité ie(t), soit la puissance pe(t)
provenant d’un appareil générateur de
signal.
L’amplification est alors définie par le
rapport A = mesure en sortie
mesure à l'entrée .
C’est le nombre de fois que la sortie est plus grande que l’entrée.
En régime continu, l’amplification de tension est Av = Vs
Ve,
l’amplification en courant est Ai = Is
Ie et l’amplification de tension est Ap = Ps Pe.
Le gain est une autre façon d’exprimer le niveau d’amplification.
Il s’exprime en décibels dont le symbole est dB.
Le gain en tension est GdB = 20 log Vs
Ve, l’amplification en courant est GdB = 20 log Is Ie
alors que le gain en puissance GdB = 10 log Ps
Pe.
1.1. Modèle équivalent d’un amplificateur linéaire
Il est représenté par le schéma électrique équivalent ci-
contre. On remarque que l’alimentation n’est plus
représentée.
La notation complexe rappelle que les mesures se font sur
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
Ze est l’impédance d’entrée de l’amplificateur,
elle peut se mesurer en connaissant les paramètres Vg et Zg du
générateur, en mesurant Ve avec un voltmètre approprié et à l’aide de la
formule du diviseur de tension :
Ve = Vg . Ze
Ze+Zg  Ve(Ze+Zg) = VgZe  Ze(Vg-Ve)= VeZg  Ze = Zg . 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 :
Vs = Vs0 . Zch
Zs+Zch  Vs(Zs+Zch) = Vs0Zch  VsZs = Vs0Zch-VsZch  Zs = Zch . Vs0-Vs
Vs
amplificateur
alimentation
continue
polarisation
source
générateur du
signal ve(t)
charge
utilisation du
signal vs(t)
vs(t)
ve(t)
ie(t)
is(t)
+VCC
GND

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vs = ve
vs
ve
Vs0
1.2. L’amplificateur non linéaire, taux de distorsion, bande passante
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.
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)+ …
alors TDH = valeur efficace des harmoniques autres que le fondamental
valeur efficace du fondamental = V2
s2+V3 s3+…+ V2 sn+…
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 où fsup et finf sont appelées les
fréquences de coupure à – 3 dB.
1.4. Bilan énergétique
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,
en polarisation symétrique,
Vsmax = + VCC donc Psmax = (VCC
2)2
Rch = VCC2 2Rch
en polarisation asymétrique,
vs est la somme d’une composante continue VCC
2 et du signal sinusoïdal d’amplitude VCC 2
donc Psmax = 3VCC2
8Rch en tenant compte de la composante continue
et Psmax = VCC2
8Rch pour la composante alternative seule.
GdB
+20
+18
+16
finf
(rad/s)
Gmax-3 dB
fsup
B
Vmax
0
vs(V)
t(s)
VCC
0
vs(V)
t(s)

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2. 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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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) où Ad est l’amplification différentielle.
Le montage est soit à sorties flottantes soit à référence commune.
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DOCUMENT : Le câblage symétrique et asymétrique dans le domaine audio « balanced and unbalanced » in english
 connexion asymétrique (unbalanced) ... pour quelques mètres de liaison BF
 connexion symétrique (balanced) ... pour quelques dizaines de mètres de liaison BF
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vs
u2
Ad
u2
u1
u2
Ad
u2
u1
vs
parasite
ve
ve + parasite
câble
parasites
ve
ve + parasites
-1
- ve
ve
- ve + parasites
( ve+parasites)
-(-ve+parasites)
= 2 ve

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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
absolue u1 = e
2 et u2 = - e 2 .
Le mesurage de l’amplification en mode commun Ac est obtenu en appliquant des tensions identiques
u1 = u2 = e.
Le RRMC rapport de réjection en mode commun ou TRMC taux de réjection en mode commun
est défini comme suit : RRMC = 
Ad
Ac ou en décibels TRMC = 20 log 
Ad
Ac
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
boîtier, sur le même substrat, sont polarisé par une source de courant
continu {Io , Ro}. Les dispositifs sources de courants sont rappelés en
fin de paragraphe.
On a soit vs = vS2S1 si on veut la sortie flottante,
soit vs = vS2M si on veut la sortie référencée à la masse. Par symétrie
les courants dans les émetteurs sont égaux,
IE1 = IE2 = Io
2 d’où VCE = VCC - RCIo 2 + VBE en absence de signal
d’entrée (u1 = u2 = 0). Donc, pour que les transistors fonctionnent
dans le domaine linéaire, il faut que VCC - RCIo
2 + VBE > VCEsat.
vs
Ad
e
vs
Ad
e
Ro
Io
-VCC
+VCC
vs
u2
S2
RC
RC
A
B2
B1
-
+
S1
u1
vs