Lea Amplificateurs de puissance

1 CD:\SE\Cours\Chap2 Marc Correvon Syst mes lectroniques _____ Chapitre 2 LES Amplificateurs de puissance TABLE DES MATIERES PAGE 2. LES Amplificateurs de puissance ..3 RAPPEL DES RELATIONS FONDAMENTALES POUR LE CALCUL DE CIRCUITS DE Valeur moyenne d'un signal p riodique .. 3 Valeur moyenne d'un signal 3 puissance dissip e par un signal p riodique quelconque .. 3 CLASSIFICATION DES Amplificateurs DE Amplificateurs de puissance Classe A .. 5 Amplificateurs de puissance Classe 5 Amplificateurs de puissance Classe 5 Amplificateurs de puissance Classe D .. 5 CRIT RES DE S LECTION D'UNE CLASSE D' CARACT RISTIQUES G N RALES D'UN AMPLIFICATEUR AUDIO DE AMPLIFICATEUR DE CLASSE A ..7 Amplificateur montage metteur commun ..7 Amplificateur montage collecteur commun.

2 17 AMPLIFICATEUR DE CLASSE B ET Amplificateur Classe B .. 19 Les Amplificateurs Classe AB .. 20 Emballement thermique des Amplificateurs push-pull en classe 34 AMPLIFICATEUR CLASSE C ..38 G n ralit s .. 38 39 puissance et rendement dans les Amplificateurs classe C .. 41 Utilisation de l'amplificateur classe C comme multiplicateur de fr 43 AMPLIFICATEUR CLASSE D ..44 G n ralit s .. 44 Structure de la commande de l' tage de 45 Rendement de l' tage de sortie .. 45 Choix de la fr quence de pulsation .. 45 Distorsion de l'amplificateur classe D .. 45 Exemple de r alisation .. 46 Bibliographie LES Amplificateurs de puissance Page 3 CD:\SE\Cours\Chap2 2. LES Amplificateurs de puissance . RAPPEL DES RELATIONS FONDAMENTALES POUR LE CALCUL DE CIRCUITS de puissance Valeur moyenne d'un signal p riodique Un signal p riodique est d fini par la relation )()()(TktxTtxtx +=+= La valeur moyenne TX sur la p riode T vaut + = =TttTTdttxTdttxTX11)(1)(10 La valeur moyenne est ind pendante du temps de r f rence partir duquel on mesure T.

3 Valeur moyenne d'un signal alternatif Par d finition, un signal alternatif est un signal p riodique particulier dont la valeur moyenne est nulle t [ms] x(t) Figure 2-1 : Amplificateur Classe A puissance dissip e par un signal p riodique quelconque D finition Sur la base des d finitions pr c dentes, on voit que tout signal p riodique x(t) peut tre d compos en deux parties : une composante continue : X0 une composante alternative : x(t) LES Amplificateurs de puissance Page 4 CD:\SE\Cours\Chap2 de sorte que x(t) peut s' crire : )()(0txXtx += puissance instantan e et puissance moyenne la puissance instantan e d'un signal p riodique quelconque est d finie par la relation ))(())(()()()(00tiItuUtitutp + +== et selon la d finition de la valeur moyenne, on obtient pour la puissance moyenne ++ + + + = =TttTttdttuItiUtituIUTdttituTP)()()()((1 )()(10000 et sachant que la valeur moyenne d'un signal alternatif est nulle ACDCTttPPdttituTIUP+= + = +)()(100 la puissance moyenne d'un signal p riodique est donc donn e par la somme de la puissance li e la composante continue du signal PDC et la puissance moyenne de la composante alternative de ce signal PAC.)

4 Les termes mixtes disparaissent. Cette propri t importante simplifiera consid rablement le calcul de la puissance dans les circuits transistors o le petit signal alternatif amplifier est le plus souvent superpos une polarisation continue qui fixe le point de fonctionnement de l' l ment actif. Cas particulier d'un signal sinuso dal La tension et le courant s'expriment l'aide des relations )sin()()sin()( + = = t tit tu la puissance moyenne alternative PAC prend la forme )cos()cos(2)sin()sin(1 = = + = +IU dtttT PTttAC o U et I sont les valeurs efficaces de u(t) et i(t) 22 Iet U== LES Amplificateurs de puissance Page 5 CD:\SE\Cours\Chap2 CLASSIFICATION DES Amplificateurs de puissance Amplificateurs de puissance Classe A Les Amplificateurs de classe A sont les Amplificateurs lin aires les plus fid les, c'est- -dire pr sentant le taux de distorsion harmonique le plus faible, m me en l'absence de r action n gative.

5 Leur rendement est toutefois tellement faible que leur usage est g n ralement limit aux Amplificateurs de tr s faible puissance ou encore aux Amplificateurs haute-fid lit haut de gamme de puissance moyenne. L'amplificateur est constitu d'un tage de sortie ne comportant qu'un seul transistor. Le point de repos se situe approximativement au milieu de la droite de charge. En fonction du signal amplifier, il peut donc se d placer de part et d'autre de ce point le long de la droite de charge. Amplificateurs de puissance Classe B Les Amplificateurs classe B (et surtout leur variante de classe AB) sont de loin les Amplificateurs les plus utilis s. Quand on leurs associe une boucle de r action n gative, leur distorsion tombe un niveau extr mement faible. Leur rendement est tr s bon et ils peuvent ais ment fournir des puissances de sortie lev es.

6 L'amplificateur est constitu d'un tage de sortie comportant deux transistors compl mentaires. Le point de repos se situe la limite du blocage de chaque transistor. Pour pouvoir amplifier les deux alternances d'un signal sinuso dal, il faut que l'un des transistors amplifie les alternances positives et le second les alternances n gatives. Amplificateurs de puissance Classe C Les Amplificateurs de classe C sont des Amplificateurs non-lin aires tr s haut rendement. Ils ne sont toutefois utilisables que dans les Amplificateurs HF ( metteur radio) avec des porteuses non modul es en amplitude. Ils g n rent un nombre consid rable d'harmoniques qui doivent tre filtr es la sortie l'aide de circuits accord s appropri s. L' tage de sortie est constitu d'un seul transistor. Le point de repos se situe largement dans la r gion bloqu e des caract ristiques de ce dernier.

7 Seules les cr tes des alternances positives du signal d'entr e feront appara tre un signal de sortie. Ce type d'amplificateur ne s'emploie que pour des applications particuli res, parmi lesquelles on peut citer les Amplificateurs HF accord s (pour signaux non-modul s en amplitude), les multiplicateurs de fr quence, etc .. Amplificateurs de puissance Classe D Les Amplificateurs classe D ont le rendement le plus lev de tous les Amplificateurs lin aires, mais ils pr sentent un taux de distorsion harmonique l g rement sup rieur aux Amplificateurs de la classe B ou AB. Ils sont utilis s par exemple dans les Amplificateurs d'autoradio. L' tage de sortie fonctionne en commutation, c'est- -dire entre deux niveaux de tension. La fr quence de commutation est fixe mais le rapport cyclique de commutation est variable. Le signal BF amplifier est donc cod en modulation de largeurs d'impulsions (MLI ou PWM : Pulse-Width-Modulation).

8 La fr quence de commutation est au moins d'un ordre de grandeur sup rieur la fr quence maximum du signal BF. Ce signal est reconstitu par filtrage passe-bas la sortie. LES Amplificateurs de puissance Page 6 CD:\SE\Cours\Chap2 CRIT RES DE S LECTION D'UNE CLASSE D'AMPLIFICATEUR De nombreux crit res peuvent tre pris en compte lors de la s lection d'un amplificateur. Les points importants tant : la puissance de sortie. Le rendement. la puissance maximale que peut dissiper l' l ment actif. Le gain (en tension, en puissance ). La distorsion. La fr quence maximale de travail. CARACT RISTIQUES G N RALES D'UN AMPLIFICATEUR AUDIO de puissance Un amplificateur audio de puissance re oit g n ralement son entr e un signal de faible amplitude (inf rieur 1V) et de faible puissance et doit d livrer sa sortie un signal de forte puissance (g n ralement entre 10W et 100W) dans une charge dont l'imp dance est relativement faible (l'imp dance nominale typique d'un haut-parleur est de 4 16 ).

9 L' tage de sortie doit donc produire un signal dont la tension et le courant ont des amplitudes lev es. En principe, il est souhaitable que le gain en tension de l' tage de sortie soit ind pendant de l'imp dance de la charge, ce qui lui permet de s'adapter des haut-parleurs de diff rentes imp dances sans modifier l'amplitude de la tension de sortie et donc sans provoquer de saturation ou de distorsion inacceptable. Pour satisfaire cette condition, il faut une configuration pr sentant une imp dance de sortie tr s faible. En effet, dans un amplificateur pr sentant une imp dance de sortie lev e, le gain en tension sera directement proportionnel RL. Par contre, pour un amplificateur faible imp dance de sortie, le gain en tension sera pratiquement ind pendant de RL. RiR0uiu0A'Vuii0 RLAmplificateurii Figure 2-2 : Amplificateur de tension )(00'0 LVLLViVRRsiARRRAuuA<< + == Les montages Amplificateurs faible imp dance de sortie sont du type collecteur commun (bipolaire) ou drain commun (MOS).

10 C'est g n ralement ce type de configuration que l'on retrouvera dans les tages de sortie de puissance . Un montage collecteur ou drain commun offre un gain unitaire en tension. Son r le sera donc de reproduire la tension appliqu e son entr e, mais avec un courant de sortie lev . L' tage pr c dant l' tage de sortie, souvent appel tage "driver", devra donc d livrer la pleine tension du signal de sortie, mais sous une puissance limit e. Cet tage driver aura donc g n ralement un gain en tension lev et devra offrir une dynamique maximale pour le signal de sortie. LES Amplificateurs de puissance Page 7 CD:\SE\Cours\Chap2 Un tage d'entr e pr c de g n ralement l' tage driver. Celui-ci joue le r le d'interface entre la source ext rieure amplifier et l'entr e de l' tage driver. L' tage d'entr e permet galement de r aliser une boucle de r action n gative en combinant le signal de r troaction avec le signal d'entr e.