amplificateur de puissance resume table des matieres

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
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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 compo​s 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
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424
429
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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
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