AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE RESUME L’électronique analogique date du début du siècle avec, comme premier composant actif, le tube. Recherche fondamentale et évolution des technologies ont fait apparaître les transistors dans les années 50, les circuits intégrés de « petite intégration» dans les années 60 et de «grande intégration» dans les années 70. Depuis plus d’une décennie, l’électronique numériques a « écrasé» l’électronique analogique avec l’avènement du microprocesseur et de l’informatique industrielle. Cependant, l’électronique analogique est toujours d’actualité, et l’industrie réclame des techniciens connaissant cette discipline. Aussi la collection Electronique analogique a pour objectif de sensibiliser les étudiants de première formation, à formation permanente ainsi que les professeurs et les techniciens de l’industrie. Chaque tome de la collection traite un sujet bien défini tel que l’électronique industrielle, la boucle à verrouillage de phase l’amplificateur de puissance, l’amplification opérationnel, les composant, actifs discrets, les alimentations électriques, les filtres électriques , horloges et oscillateurs, les oscillateurs et les horloges. Dans ces ouvrages l’accent est mis sur l’application. Chaque thème est présent qualitativement d’abord et quantitativement ensuite. Les composants sont soit idéalisés, soit étudiés à partir caractéristiques réelles. Les nombreux schémas d’application constituant un atout pédagogique exceptionnel. TABLE DES MATIERES Chapitre 1 Généralités 1.1 1.2 Présentation de la fonction amplification 1.1.1 Pourquoi amplifier? 1.1.2 Schéma électrique équivalent d'un amplificateur 1.1.2.1 Détermination de la résistance d'entrée 1.1.2.2 Détermination du gain en tension à vide 1.1.2.3 Détermination de la résistance de sortie 1.1.3 Mise en cascade d'étages amplificateurs 1.1.4 Amplificateur idéal 1.1.4.1 Idéalisation théorique 1.1.4.2 Approche pratique 1.1.5 Domaines des fréquences et des puissances 1.1.6 Rôle de la contre-réaction 1.1.7 Convention d'écriture 1.1.8 Exercice Puissances et alimentation des amplificateurs 1.2.1 Bilan des puissances 1.2.2 Calcul des puissances 1.2.2.1 Puissance instantanée 1.2.2.2 Puissance moyenne 1.2.2.3 Puissance moyenne généralisée et cas particuliers 1.2.3 Rendement et gains 1.2.3.1 Rendement d'un amplificateur 1.2.3.2 Gains en puissance, tension et courant 1.2.4 Alimentation et dynamique de sortie 1.2.4.1 Alimentation symétrique 1.2.4.2 Alimentation dissymétrique Puissance de sortie maximale 1.2.5.1 Fonctionnement en basse fréquence 1.2.5.2 Fonctionnement en haute fréquence 1.2.6 Exercices Distorsion 1.2.5 1.3 1 1 1 3 3 4 4 5 6 6 7 7 9 9 10 10 10 11 11 12 12 13 13 14 15 15 15 16 16 16 18 21 1.3 1.4 1.5 1.6 Distorsion 1.3.1 Distorsion harmonique de non-linéarité 1.3.1.1 Définition de la distorsion harmonique 1.3.1.2 Mesure de la distorsion harmonique 1.3.2 Distorsion harmonique et d'intermodulation 1.3.2.1 Présentation mathématique 1.3.2.2 Signal d'entrée sinusoïdal 1.3.2.3 Influence de deux signaux sinusoïdaux 1.3.2.4 Mesure de la distorsion d'intermodulation 1.3.3 Distorsion d'intermodulation transitoire 1.3.4 Limitation des distorsions 1.3.5 Exercices Classes de fonctionnement. 1.4.1 Classes A, B et C théoriques 1.4.1.1 Montage d'étude 1.4.1.2 Classe A théorique 1.4.1.3 Classe B théorique 1.4.1.4 Classe C théorique 1.4.1.5 Regroupement des résultats 1.4.2 Classes B, AB et A réelles 1.4.2.1 Classe B réelle 1.4.2.2 Classe AB réelle 1.4.2.3 Classe A réelle 1.4.3 Classes G et H, réunion des classes A et B 1.4.4 Classe D ou amplification à découpage 1.4.4.1 Réalité de la classe D 1.4.4.2 Principe simplifié 1.4.5 Classes C, D et E en haute fréquence Composants de puissance 1.5.1 Composants pour petites et moyennes puissances de sortie 1.5.1.1 Transistors bipolaires complémentaires 1.5.1.2 Transistors Darlington monolithiques 1.5.1.3 Transistors bipolaires NPN rapides 1.5.1.4 Transistors MOS de puissance 1.5.1.5 Circuits intégrés de puissance 1.5.2 Composants pour moyennes et grandes puissances de sortie 1.5.2.1 Redresseurs 1.5.2.2 Transistors bipolaires et Darlington 1.5.2.3 Transistors à effet de champ MOS 1.5.2.4 Associations bipolaire - MOS 1.5.2.5 Thyristors 1.5.2.6 Thyristors spéciaux 1.5.3 Composants marginaux 1.5.4 Problème thermique et calcul simple des radiateurs ou dissipateurs 1.5.4.1 Loi d'Ohm thermique 1.5.4.2 Cas des transistors faible ou forte puissance 1.5.4:3 Détermination simple des radiateurs ou dissipateurs 1.5.4.4 Exercices Les amplificateurs de puissance en régime dynamique 1.6.1 Régime harmonique 1.6.1.1 Rappels sur les fonctions de transfert et réponses en fréquence 1.6.1.2 Réponses typiques de Bode 1.6.1.3 Réponses en fréquence d'un amplificateur BF 1.6.2 Régime impulsionnel 1.6.2.1 Temps de montée 1.6.2.2 Slew rate 1.6.3 Exercice 21 22 22 23 25 25 26 28 31 31 32 32 38 38 38 39 40 42 43 44 45 46 47 48 48 48 50 51 53 53 53 58 59 59 64 64 65 65 65 66 67 67 67 68 68 69 70 72 74 75 75 77 77 80 80 81 81 Chapitre 2 Amplificateurs classe B (montages push-pull) 83 2.1 Présentation et évolution de l'amplificateur classe B série élémentaire 84 2.1.1 2.1.2 Schéma de base Amplificateur classe B série théorique 84 85 2.1.2.1 Analyse de fonctionnement 2.1.2.2 Paramètres électriques 2.1.2.3 Dynamique de sortie maximale et puissance associée 2.1.2.4 Puissance fournie et rendement 2.1.2.5 Exercices Polarisation par diodes 2.1.3.1 Présentation et détermination des éléments 2.1.3.2 Caractéristiques essentielles 2.1.3.3 Exemple de calcul Limitation du courant de repos 2.1.4.1 Détermination du courant de repos et de la puissance Dissipée dans les transistors 85 85 86 87 88 93 93 95 96 97 2.1.3 2.1.4 97 2.2 2.3 2.4 2.5 Dissipée dans les transistors 2.1.4.2 Détermination pratique de la résistance RE 2.1.4.3 Détermination théorique de la résistance RE 2.1.4.4 Application numérique 2.1.4.5 Nouvelles caractéristiques de l'amplificateur 2.1.4:6 Insuffisance du montage 2.1.4.7 Exercices Attaque des amplificateurs push-pull série 2.2.1 Push-pull série piloté par un amplificateur opérationnel 2.2.1.1 Présentation 2.2.1.2 Caractéristiques électriques 2.2.2 Push-pull série piloté par émetteur commun 2.2.2.1 Présentation 2.2.2.2 Caractéristiques électriques 2.2.3 Push-pull série piloté par transformateur 2.2.4 Exercices Push-pull série à liaison capacitive de sortie 2.3.1 Montage classique 2.3.1.1 Analyse de fonctionnement 2.3.1.2 Caractéristiques électriques 2.3.1.3 Détermination de la valeur de C 2.3.2 Autre solution 2.3.3 Exercices Améliorations du montage push-pull série élémentaire 2.4.1 Polarisation des diodes par générateurs de courant 2.4.1.1 Schéma de principe 2.4.1.2 Schémas réels 2.4.1.3 Attaque du push-pull par émetteur commun 2.4.1.4 Exercices 2.4.2 Utilisation des transistors Darlington 2.4.2.1 Darlington simples 2.4.2.2 Darlington composites 2.4.2.3 Problèmes spécifiques aux montages Darlington 2.4.2.4 Applications des Darlington dans les montages push-pull série 2.4.2.5 Exercices 2.4.3 Montage bootstrapp 2.4.3.1 Montage de base 2.4.3.2 Détermination des éléments 2.4.3.3 Cas de l'attaque par émetteur commun 2.4.3.4 Applications spéciales 2.4.3.5 Exercices 2.4.4 Cas des très fortes puissances 2.4.4.1 Mise en parallèle des transistors 2.4.4.2 Exercice 2.4.5 Ajustement du point de repos 2.4.5.1 Ajustement par résistance parallèle 2.4.5.2 Ajustement par résistance série 2.4.5.3 Ajustement par thermistance 2.4.5.4 Ajustement par mulplicateur de jonctions 2.4.5.5 Exercice 2.4.6 Push-pull à gain en tension supérieur à l'unité 2.4.6.1 Augmentation du gain par émetteur commun 2.4.6.2 Contre-réaction partielle sur le push-pull 2.4.6.3 Exercice 97 98 99 101 101 102 103 107 107 107 108 108 108 109 110 111 113 113 113 114 115 117 118 119 120 120 121 121 122 127 127 129 130 133 134 139 139 141 142 142 144 147 147 148 149 149 150 151 151 152 153 154 155 156 Protection des amplificateurs 2.5.1 Protection par transistors sur l'étage de sortie 2.5.1.1 Protection en intensité 158 159 159 2.5.1.2 Protection en puissance Protection par anticipation 2.5.2.1 Protection en intensité 2.5.2.2 Protection en puissance 2.5.3 Protection par diodes 2.5.4 Protection par thyristor 2.5.5 Exercice Amplificateurs classe B série à transistors MOS 2.6.1 Rappel des caractéristiques 2.6.1.1 Caractéristiques statiques des MOS 2.6.1.2 Montages fondamentaux petits signaux 2.6.2 Push-pull série symétrique 2.6.3 Push-pull série dissymétrique 2.6.4 Exercices Push-pull parallèle à transformateur de sortie 2.7.1 Transformateur audiofréquence idéalisé 2.7.2 Principe simplifié du push-pull parallèle 2.7.3 Performances électriques en régime sinusoïdal 161 162 162 163 164 165 166 167 167 167 168 170 171 172 175 175 176 178 2.5.2 2.6 2.7 2.7.3 2.8 Performances électriques en régime sinusoïdal 2.7.3.1 Puissance de sortie maximale 2.7.3.2 Rendement maximum 2.7.4 Push-pull parallèle à transistors MOS 2.7.5 Exercice Augmentation de la puissance de sortie (booster) 2.8.1 Amplificateur en pont ou en H 2.8.2 Emploi d'une alimentation à découpage 2.8.3 Push-pull parallèle à transformateurs 2.8.4 Exercice 178 178 179 179 180 181 182 183 183 184 Chapitre 3 Amplificateurs à découpage (classe D) 187 3.1 187 187 188 188 189 189 190 190 191 192 193 194 194 196 197 198 199 199 201 202 204 204 205 206 206 207 208 208 209 209 212 213 214 215 216 216 217 218 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Présentation 3.1.1 Historique de la classe D 3.1.2 Modulation d'impulsions 3.1.2.1 Schéma de principe d'un amplificateur classe D 3.1.2.2 Procédés de modulation d'impulsions 3.1.2.3 Choix du procédé 3.1.3 Caractéristiques technologiques des amplificateurs classe D 3.1.3.1 Choix de la fréquence de découpage fd 3.1.3.2 Puissance et rendement 3.1.3.3 Asservissement des amplificateurs classe D 3.1.3.4 Parasites causés par la classe D Aspect mathématique 3.2.1 Spectre d'un train d'impulsions non modulées 3.2.2 Modulation par une fonction sinusoïdale 3.2.3 Expression de la tension de sortie s(t) 3.2.4 Exercice Modulateurs de largeur d'impulsions 3.3.1 Principes utilisés 3.2.2 Quelques schémas de modulateurs 3.3.3 Exercice Etages de sortie - Puissance et commande 3.4.1 Etages de puissance 3.4.2 Circuits de commande 3.4.2.1 Schéma à bootstrapp 3.4.2.2 Schéma à générateur de courant 3.4.2.3 Schéma à bootstrapp et collecteur commun 3.4.2.4 Schéma à inductance 3.4.2.5 Schéma à MOS complémentaires 3.4.2.6 Commandes isolées 3.4.3 Exercice Filtres pour amplificateurs à découpage 3.5.1 Filtrage de l'intensité (lissage) 3.5.2 Filtrage de la tension 3.5.3 Exercice Caractéristiques de l'amplificateur à découpage 3.6.1 Caractéristiques électriques 3.6.2 Fonction de transfert de la chaîne directe 3.6.3 Exercice Chapitre 4 Classes A et C 219 4.1 219 219 220 220 223 226 229 231 232 233 233 233 236 246 246 246 249 250 251 252 253 253 4.2 Amplification classe A 4.1.1 Pourquoi la classe A ? 4.1.2 Configurations rencontrées 4.1.2.1 Liaison directe 4.1.2.2 Liaison capacitive 4.1.2.3 Liaison par transformateur 4.1.2.4 Push-pull série en classe A 4.1.2.5 Push-pull parallèle en classe A 4.1.2.6 Remarques générales concernant la classe A 4.1.3 Aspect réel 4.1.3.1 Distorsion en petits signaux 4.1.3.2 Distorsion en grands signaux, méthode des 5 points 4.1.4 Exercices Amplification classe C 4.2.1 Aspect théorique 4.2.1.1 Montage de base 4.2.1.2 Analyse spectrale du courant collecteur 4.2.1.3 Amplificateur sélectif 4.2.1.4 Puissances et rendement 4.2.1.5 Gain en tension 4.2.2 Réalités technologiques 4.2.2.1 Imperfections d'un circuit accordé 4.2.3 4.2.2.1 Imperfections d'un circuit accordé 4.2.2.2 Distorsion du signal de sortie 4.2.2.3 Polarisation du transistor en classe C 4.2.2.4 Polarisation automatique 4.2.2.5 Phénomène de clamping Exercices 253 253 254 254 256 257 Chapitre 5 Asservissement des amplificateurs 261 5.1 Rappels concernant les asservissements 5.1.1 Pourquoi asservir un système ? 5.1.2 Présentation d'un asservissement électronique 5.1.3 Précision d'un asservissement 5.1.4 Stabilité d'un asservissement 5.1.5 Compensation d'un asservissement Performances d'un système asservi électronique 5.2.1 Avantages de l'asservissement en régime statique 5.2.1.1 Asservissement du point de repos en tension 5.2.1.2 Asservissement du point de repos en courant 5.2.2 Avantages de l'asservissement en régime dynamique 5.2.2.1 Constance de gain en tension 5.2.2.2 Diminution de la distorsion harmonique 5.2.2.3 Diminution de la distorsion de phase 5.2.2.4 Diminution de l'influence de certaines perturbations 5.2.2.5 Augmentation de la résistance d'entrée 5.2.2.6 Diminution de la résistance de sortie 5.2.2.7 Augmentation de la bande passante 5.2.2:8 Diminution de la constante de temps 5.2.2.9 Exercices Eléments des systèmes asservis électroniques 5.3.1 Description des éléments fondamentaux d'un système asservi électronique 5.3.2 Comparateur à circuits intégrés analogiques 5.3.3 Amplificateur différentiel utilisant deux transistors 5.3.4 Amplificateur différentiel utilisant un transistor 5.3.4.1 Retour direct sur l'émetteur 5.3.4.2 Retour par diviseur de tension sur l'émetteur 5.3.4.3 Retour sur la base 5.3.5 Exercices Causes d'instabilité et remèdes 261 261 261 262 263 263 264 264 264 265 266 266 267 268 270 271 273 274 275 275 280 280 280 281 281 281 283 284 286 292 5.4.1 Quelques rappels 5.4.1.1 Stabilité par l'étude de la marge de phase 5.4.1.2 Théorème de Miller Instabilités inhérentes au système 5.4.2.1 Influence de l'émetteur commun intermédiaire et compensation 292 292 293 294 294 5.4.2.2 Influence de l'amplificateur différentiel d'entrée et améliorations 5.4.2.3 Influence du push-pull à double collecteur commun 5.4.2.4 Influence du push-pull à double Darlington compos ite Instabilité liée à la charge 5.4.3.1 Charge capacitive 5.4.3.2 Compensation Instabilité liée au découplage d'alimentation Exercices 295 296 300 303 303 304 305 306 5.2 5.3 5.4 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 Chapitre 6 Domaines d'applications des amplificateurs de puissance 311 6.1 311 311 311 312 315 315 317 317 318 319 321 322 323 324 327 330 330 331 332 332 6.2 Amplification audiofréquence 6.1.1 Contraintes de l'audiofréquence 6.1.1.1 Caractéristiques et normalisation des amplificateurs de puissance 6.1.1.2 Haut-parleurs 6.1.1.3 Liaisons amplificateur - haut-parleur, filtres 6.1.1.4 Enceintes asservies 6.1.2 Exemples d'amplificateurs linéaires en classe AB 6.1.2.1 Amplificateur à éléments discrets et à transistors bipolaires de puissance 6.1.2.2 Amplificateur à éléments discrets et à transistors MOS de puissance 6.1.2.3 Amplificateur à circuits intégrés 6.1.2.4 Amplificateur en technologie hybride 6.1.2.5 Amplificateur booster 6.1.3 Exemple d'amplificateur linéaire en classe A 6.1.4 Exemples d'amplificateurs à découpage en classe D 6.1.5 Exercice Amplificateurs pour asservissements électromécaniques (servomé - canismes) 6.2.1 Contraintes des actionneurs électromécaniques 6.2.1.1 Moteurs à courant continu 6.2.1.2 Moteurs à courant alternatif 6.2.1.3 Moteurs pas à pas et actionneurs linéaires 6.2.1.3 Moteurs pas à pas et actionneurs linéaires Exemples d'amplificateurs pour moteurs à courant continu de fortes puissances 6.2.2.1 Convertisseur à redressement triphasé commandé 6.2.2.2 Convertisseur à hacheur 6.2.3 Exemples d'amplificateurs pour moteurs à courant continu de faibles puissances 6.2.3.1 Amplificateurs à circuits intégrés linéaires 6.2.3.2 Amplificateurs hybrides 6.2.3.3 Amplificateurs à circuits intégrés à découpage 6.2.3.4 Amplificateurs pilotés par microprocesseur 6.2.4 Exemple d'amplificateur pour moteur synchrone auto-piloté 6.2.5 Exemple d'amplificateur pour moteur asynchrone 6.2.6 Exemple d'amplificateur pour moteurs pas à pas 6.2.7 Exemple d'amplificateur pour actionneur linéaire 6.2.8 Amplificateurs « en voie de disparition » 6.2.8.1 Amplificateurs magnétiques 6.2.8.2 Amplificateur Ward-Léonard 6.2.9 Exercices Amplificateurs d'instrumentation 6.3.1 Contraintes des amplificateurs d'instrumentation 6.3.2 Exemples d'amplificateurs utilisant des circuits intégrés 6.3.3 Exemple d'amplificateur en technologie mixte 6.3.4 Exemples d'amplificateurs à éléments discrets 6.3.4.1 Amplificateur de bande passante supérieure à1 MHz 6.3.4.2 Amplificateur de bande passante supérieure à10 MHz 6.3.5 Amplificateur haute tension 6.3.6 Exercice Amplificateurs pour applications ultrasonores 6.4.1 Présentation des applications ultrasonores 6.4.2 Contraintes des amplificateurs ultrasonores 6.4.3 Exemples d'amplificateurs - Générateurs ultrasonores 6.4.3.1 Amplificateurs 50 W, 25 kHz 6.4.3.2 Amplificateurs 50 W, 900 kHz 332 333 333 336 337 337 347 340 344 346 348 351 351 352 352 353 353 359 359 359 361 362 362 363 364 364 366 366 367 370 370 371 6.4.3.3 Technologie à circuits intégrés 6.4.3.4 Fonctionnement en pont 6.4.4 Exercice Amplificateurs radiofréquences 6.5.1 Considérations générales 6.5.1.1 Position du problème 371 372 372 373 374 374 6.2.2 6.3 6.4 6.5 6.5.2 6.5.1.2 Contraintes des radiofréquences 6.5.1.3 Outils mathématiques utilisés en radiofréquence 6.5.1.4 Composants actifs en radiofréquence 6.5.1.5 Composants passifs en radiofréquence Exemples d'amplificateurs radiofréquences 6.5.2.1 Amplificateurs large bande 6.5.2.2 Amplificateur à bande étroite 6.5.2.3 Amplificateur en technologie microstrip 375 377 378 380 383 383 385 387 Chapitre 7 Réalisations - Circuits intégrés de puissance 389 7.1 7.2 389 395 395 401 401 403 405 405 407 408 412 413 417 417 418 422 422 424 429 429 429 431 431 432 432 432 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 Premiers amplificateurs de puissance à transistors Génération actuelle d'amplificateurs de puissance à transistors 7.2.1 Push-pull à transistors bipolaires 7.2.2Push-pull à transistors MOS de puissance 7.2.2.1 Transistors MOS complémentaires 7.2.2.2 Transistors MOS canal N Amplificateurs de puissance à transistors pilotés par amplificateurs opérationnels 7.3.1 Montages simples 7.3.2 Montages en pont 7.3.3 Amplificateurs de puissance spéciaux 7.3.4 Amplificateurs classe G ou H Amplificateurs d'instrumentation Amplificateurs de puissance classe D 7.5.1 Amplificateur audiofréquence 7.5.2 Amplificateur pour moteurs 7.5.3 Amplificateur d'instrumentation haute tension Amplificateurs de puissance classe B (ou AB) pour moteurs Amplificateurs de puissance haute fréquence Circuits intégrés de puissance 7.8.1 Amplificateurs opérationnels de puissance 7.8.2 Amplificateurs audiofréquences linéaires 7.8.3 Circuits intégrés PWM pour moteurs à courant continu 7.8.4 Circuits intégrés pour commande de moteurs pas à pas 7.8.5 Circuits intégrés pour commande de moteurs sans balais 7.8.6 Circuits intégrés pour commande de bobines 7.8.7 Circuits de puissance en ponts intégrés 7.8.7 7.8.8 Bibliographie TOP Circuits de puissance en ponts intégrés Aperçu sur la technologie des circuits intégrés linéaires 432 432 435