9-EN2-Amplification de Puissance

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Fonction
Amplification de Puissance
EN2- IUT GEII
Juan Bravo
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Généralités
Pourquoi amplifier un signal en puissance?
 Entrée : Signal issu d’un transducteur
o
signal en mV ou V et mA ⇒ μW ou mW en entrée
 Sortie : Dispositif Electromécanique (Haut parleur 100W)
o
signal en V et qq centaines de mA voir qq A⇒ W
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Généralités
Architecture typique d’un ampli
de puissance
Miroir
de
courant
 Etage d’entrée: amplificateur de
Driver puissance type
AB
tension
Impédance d’entrée élevée
o Gain en tension élevée indépendant
de la source d’entrée en entrée
o
Quadripôle de
contre-réaction H
 Etage de sortie : amplificateur de
courant
o
Impédance de sortie
– Adaptation d’impédance vis-à-vis
de la charge
Paire différentielle
o Amplification en courant
=Av1(Ve- H.Vs)
– Transistor de puissance
– Classification de la structure en
fonction de la durée de conduction
Polarisation de Q1 et Q2 en
limite de conduction
Paire différentielle
amplification en tension
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Juan Bravo
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Généralités
Classification
 On classe les amplificateurs en fonction de l’angle de conduction des transistors : les
caractéristiques essentielles sont le rendement et la distortion


T est la période du signal à reproduire
α est l’angle d’ouverture c’est l’angle
électrique pendant lequel le transistor
est actif sur une période
Classe A :
α = 360° ⇒ très faible distorsion - mauvais rendement
Classe B push-pull : α = 180⇒ distorsion importante - bon rendement
Classe AB push-pull : α = 180°+ ε, ⇒ distorsion faible - bon rendement
Classe C : α < 180°, ⇒ distorsion très importante - très bon rendement
Classe D: α ≈0°, ⇒ Transistor en commutation- très forte puissance, très bon rendement
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Classification des amplificateurs de puissance
Calcul de puissance
Boîte à outils
Influence des impédances
Dynamique de sortie d’un amplificateur
Classes d’amplificateur
Puissances
Bilan de puissance d’un amplificateur
 La puissance active fournie par l’alimentation : (Vcc, Ialim) en monotension
 La puissance fournie par la source d’entrée: négligeable en général
 La puissance délivrée à la charge qui se décompose en 2 termes:
Une puissance ‘de polarisation’ (non utile): PDC
o Une puissance utile: PU
o
alimentation en énergie
ve1
is1
amplificateur
ie2
is2
vs1
GND
GND
η 
PU
PTOTAL
PU
Palim
Ne pas confondre le bilan de
puissance avec le gain en
puissance de la source
d’entrée par rapport à la sortie
𝐺𝑃𝑑𝐵 = 10log(𝐴𝑣 𝐴𝑖 )
source
ie1
Le rendement est défini par:
charge
GND
calcul d’une puissance active
 Soit des signaux électriques X(t) décomposable en
une composante continue : X0
o une composante alternative : Δx(t)
o
–
Valeur moyenne NULLE!
 Pour des grandeurs sinusoïdales
o
𝑇
PU= 0 ∆𝑣(𝑡)∆𝑖
𝑇
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1
1 𝑇
𝑣 𝑡 𝑖 𝑡 𝑑𝑡 =
(𝑉 +∆𝑣(𝑡))(𝐼0 + ∆𝑖 𝑡 )𝑑𝑡
𝑇 0 0
0
1 𝑇
𝑃 = 𝑉0 𝐼0 +
∆𝑣(𝑡)∆𝑖 𝑡 𝑑𝑡
𝑇 0
1
𝑃=
𝑇
PDC
1
𝑡 𝑑𝑡=VeffIeffcosϕ=
𝑇
Re(V.I*)
PAC= Pu
2
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Calcul de puissance
Influence des impédances
Dynamique de sortie d’un amplificateur
Impédances
Adaptation d’impédance
 Ps est maxi lorsque Z1=Z2*
Solution : R1=R2
Correcteur d’impédance
 Se rapprocher de l’adaptation
d’impédance pour une bande de
fréquence
 Assurer la stabilité des ampli qui
sont rebouclés en général
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Calcul de puissance
Influence des impédances
Dynamique de sortie d’un amplificateur
Dynamique de sortie
Droite de charge
 STATIQUE
o
Défini le point de repos
 DYNAMIQUE
o
trajectoire du point de fonctionnement instantané
– Passe par (VCE0,IC0)
– Défini l’excursion des signaux
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Calcul de puissance
Influence des impédances
Dynamique de sortie d’un amplificateur
Dynamique de sortie
Excursion maximale de sortie
 Influence du point de repos
o
Ecrêtage au blocage du transistor
Ic=0
o
Ecrêtage à la saturation du transistor
VCE=0
 Point optimal pour un maximum d’excursion
VCE0=
𝑽𝑪𝑪
𝟐
Influence du point Q
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B ou AB
Amplificateur de classe D
Classe A
Structure de base
 Point de repos
o
o
ic(t)
fixer par la droite de
charge STATIQUE
Un optimum:
IC(t)
vce(t)
𝑉𝐶𝐶
2
 Dynamique de sortie
VCE(t)∈ 0; 𝑉𝐶𝐶 IC(t)∈
0; 2𝐼𝐶0
o 𝑣𝑐𝑒 dépend de la droite de
charge dynamique
o
o
Un optimum: 𝑣𝑐𝑒=
𝑣𝑐𝑒
𝑉𝐶𝐶
2
ic(t)
vce(t)
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𝑖𝑐
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B ou AB
Amplificateur de classe D
Calcul de rendement
Bilan de puissance
 Puissance utile
T
PRL  (VCC  VCE 0 ) I C 0 
 Rendement
PUmax
Palim
ηmax
T
1
1
PRL   (VCC  VCE (t )).I C (t )dt   (VCC  VCE 0  vce (t )).( I C 0  ic (t ))dt
T0
T0
PU 
vce .ic
2
vce .ic
2
VCC
.I C 0
2
1
2

  25%!
VCC .I C 0 4
 Conclusion
Montage assez peu utilisé car rendement exécrable
o Impossible à utiliser pour de très forte puissance (perte transistor trop grande)
o
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B ou AB
Amplificateur de classe D
Classe A modifiée
Variante Classe A
 Dispositif d’adaptation de charge
𝐕𝐂𝐄 𝐭 − 𝐕𝐂𝐄𝟎 = −𝐑𝐋′(𝐈𝐂𝐄 𝐭 − 𝐈𝐂𝟎)
2
Pumax
EN2- IUT GEII
2

VSeff 

RL
 mVpmax 


2

mVcc 
2 



RL
2 RL
Juan Bravo
Point de repos
optimal lorsque la
droite dynamique
coupe l’axe Vce en
2VCC
=> Vcc=RL’IC0
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B ou AB
Amplificateur de classe D
Classe A modifiée: courbes de puissances
Puissances
PAL= VCC(IAL)moyen
PTmax

Rendement
100%
 = 0,5
PTR = PAL - Pu
Le rendement maximum est de 50%
50%
Pumax
PU
PU
Pu
0
Pumax=0,5 PTmax
Pu
0
Pumax
C’est au repos que le transistor chauffe le plus
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B ou AB
Amplificateur de classe D
push-pull classe B
Fonctionnement PUSH-PULL
Grosse distorsion:
PEU utilisé
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B et AB
Amplificateur de classe D
Influence du point de repos
Push-Pull en classe B ou AB
 En fonction de I0
o
Transistor en limite de conduction
– classe B (α = 180°)
o
Transistor légèrement passant
– Classe AB (α = 180°+ ε)
Classe A
Classe AB
Classe B
Classe B*( crossover)
EN2- IUT GEII
Difficulté de polariser en classe B
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B ou AB
Amplificateur de classe D
Principe de fonctionnement
Source: Marc Correvon (HES)
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B ou AB
Amplificateur de classe D
Calcul du rendement
Puissance en classe B ou AB
Intégrale calculée pour 1 transistor
Q=Q1+Q2
Puissance fournie par l’alim
rendement
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B ou AB
Amplificateur de classe D
Courbes des puissances
Dimensionnement du
dissipateur (2 transistors sur
un dissipateur par exemple)
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B ou AB
Amplificateur de classe D
Mise en œuvre
Stabilisation en température(anti
emballement thermique)
Réalisations pratiques
Réglage du point de repos
Alimentation mono-tension
Couplage capacitif
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B ou AB
Amplificateur de classe D
Mise en œuvre
Polarisation par contre réaction
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Préampli de driver push-pull
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Classification des amplificateurs de puissance
Boîte à outils
Classes d’amplificateur
Amplificateur de classe A
Amplificateur de classe B ou AB
Amplificateur de classe D
Principe de fonctionnement
Structure
 Transistors en commutation
p(t)=v(t).i(t)=0 en théorie => ηthéorique=100%
o Commande par Modulation de Largeur d’Impulsions
o
 Filtre passe-bas
o
Suppression des harmoniques de découpages
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