amplificateur audiofréquence (suite)

Amplificateur à plusieurs étages

Pour obtenir un gain suffisant en tension et en puissance, il est indispensable d’utiliser plusieurs transistors montés en chaîne ; chaque transistor constitue un maillon de la chaîne et porte le nom d’étage. On peut alors définir une classification des amplificateurs en fonction du mode de liaison utilisé pour coupler les étages successifs de la chaîne d’amplification. Deux types de liaison ou de couplage sont utilisés, le couplage par résistance-capacité et le couplage par transformateur, moins courant parce que plus onéreux, et réservé en fait à l’étage de sortie pour adapter l’étage final à l’organe d’utilisation.

Amplificateur à couplage par résistance-capacité

Le couplage d’une électrode de sortie à une électrode d’entrée se fait par l’intermédiaire d’une capacité dite « de liaison » ou « de couplage ». Cette capacité élimine les composantes continues, ce qui permet de déterminer à l’avance le fonctionnement statique de chaque étage indépendamment des autres. En revanche, cette capacité de liaison, associée à la résistance de fuite et aux résistances de stabilisation thermique de l’étage suivant, forme un circuit qui freine l’amplification des fréquences les plus basses.

Amplificateur à couplage par transformateur

Le transformateur éliminant toute possibilité d’alimentation en courant continu, comme précédemment la capacité, on l’utilise plus particulièrement comme transformateur d’impédance, ce type d’étage étant, en général, destiné à permettre d’obtenir en sortie le maximum de puissance.

Chaîne d’amplification

Chaîne d’amplification ouverte

La chaîne est dite « ouverte » si la transmission des signaux ne peut se faire que dans le sens allant de l’entrée vers la sortie de la chaîne. En toute rigueur, il n’en est jamais ainsi : il existe presque toujours une liaison parasite qui ramène sur l’entrée d’un étage une fraction de la tension de sortie. On parle alors de chaîne ouverte, par opposition à chaîne fermée, ou bouclée, dans laquelle on ramène systématiquement une partie du signal de sortie sur un étage placé en amont (contre-réaction). Dans une chaîne d’amplification, le gain total Ā_V est égal au produit des gains Ā_V1 de chaque étage :

Représentation de la courbe de gain en régime harmonique

Le gain représenté par son module et son argument (valeur numérique et phase) est un nombre complexe, défini pour chaque valeur de la pulsation. Deux représentations graphiques propres aux nombres complexes sont utilisées de façon courante, la représentation polaire de Nyquist et la représentation logarithmique de Bode.

• Représentation de Nyquist. Elle fait appel au plan complexe : pour chaque valeur de la pulsation ω, le gain est représenté par un vecteur d’extrémité M, de module A_V et d’argument φ. Le lieu des points M, lorsque ω varie, porte le nom de courbe de Nyquist, et n’a d’intérêt que dans la mesure où il est gradué en pulsation ω. En revanche, cette courbe est facile à relever expérimentalement. La détermination du gain total A_V est obtenue en mesurant au voltmètre les tensions d’entrée et de sortie. La valeur de φ est obtenue avec un phasemètre. Cette courbe permet en outre d’étudier la stabilité de l’amplificateur. Dans ce type de représentation, un gain constant se traduit graphiquement par un arc de cercle, et une résonance (maximum de A_V) par l’apparition sur cette courbe d’une protubérance.

• Représentation de Bode. On trace, séparément, en fonction de la pulsation ω, les courbes représentatives de module du gain et de la phase. Au lieu de faire le produit des gains des différents étages, il suffit d’ajouter les ordonnées lorsque l’on a porté le logarithme des gains partiels. Cette représentation traduit un sens physique, car elle est liée à la notion musicale d’intervalle de fréquence. L’intervalle qui sépare les deux premiers la du piano a autant d’importance que celui qui sépare les deux derniers, et une graduation linéaire fait disparaître cette égalité. Une octave est l’intervalle de f à 2f, et une décade de f à 10f. Sur le plan physiologique, la loi de Fechner précise que la sensation physiologique est liée au logarithme de l’excitation dans le domaine auditif, qui est précisément celui des amplificateurs audiofréquence. Lorsque l’on double la puissance acoustique fournie par une chaîne d’amplification, la sensation auditive n’augmente que proportionnellement à log 2.

Distorsions dans les amplificateurs

Tout amplificateur provoque une distorsion du signal, dont les causes sont nombreuses.

Distorsion de fréquence ou distorsion linéaire

Traduisant la dépendance du gain de la fréquence, elle est d’autant plus faible que la bande passante est plus large.

Distorsion de phase

Elle est étroitement liée à la distorsion de fréquence, et provient du temps de décalage des différentes composantes. Dans les amplificateurs audiofréquence, cette distorsion est sans importance, l’oreille n’étant pas sensible à la phase des harmoniques.

Distorsion d’amplitude ou distorsion non linéaire

Due à la non-linéarité des caractéristiques de l’élément amplificateur, elle se traduit par des variations du gain A avec l’amplitude du signal d’entrée : le signal de sortie n’est plus homothétique au signal d’entrée.

Intermodulation

Elle provient de la non-linéarité des caractéristiques. Si l’on applique à l’entrée de l’amplificateur simultanément deux tensions sinusoïdales

la tension effective peut être considérée comme la somme de ces deux tensions, d’où génération non seulement de pulsations harmoniques, mais aussi de pulsations égales à la somme |ω + ω′| et à la différence |ω – ω′| des pulsations ω et ω′ des tensions appliquées. Dans les amplificateurs audiofréquence, les termes somme sont peu gênants : d’une part, il sont en général en dehors de la bande passante ; d’autre part, l’oreille peu sensible aux fréquences élevées peut ne pas les percevoir. En revanche, les termes différence peuvent être parfaitement audibles. Cela explique l’importance extrême attachée à la réduction des distorsions dans les amplificateurs à haute fidélité. Si l’on cherche à obtenir des taux de distorsion extrêmement faibles, ce n’est pas pour la distorsion en elle-même, car l’oreille n’est nullement sensible à des taux de quelques pour-cent, mais uniquement pour réduire l’intermodulation.