TABLE DES MATIERES. Chapitre 1 Généralités 1

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1 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 Présentation de la fonction amplification Pourquoi amplifier? Schéma électrique équivalent d'un amplificateur Détermination de la résistance d'entrée Détermination du gain en tension à vide Détermination de la résistance de sortie Mise en cascade d'étages amplificateurs Amplificateur idéal Idéalisation théorique Approche pratique Domaines des fréquences et des puissances Rôle de la contre-réaction Convention d'écriture Exercice Puissances et alimentation des amplificateurs Bilan des puissances Calcul des puissances Puissance instantanée Puissance moyenne Puissance moyenne généralisée et cas particuliers Rendement et gains Rendement d'un amplificateur Gains en puissance, tension et courant Alimentation et dynamique de sortie Alimentation symétrique Alimentation dissymétrique Puissance de sortie maximale Fonctionnement en basse fréquence Fonctionnement en haute fréquence Exercices Distorsion 21

2 1.3 Distorsion Distorsion harmonique de non-linéarité Définition de la distorsion harmonique Mesure de la distorsion harmonique Distorsion harmonique et d'intermodulation Présentation mathématique Signal d'entrée sinusoïdal Influence de deux signaux sinusoïdaux Mesure de la distorsion d'intermodulation Distorsion d'intermodulation transitoire Limitation des distorsions Exercices Classes de fonctionnement Classes A, B et C théoriques Montage d'étude Classe A théorique Classe B théorique Classe C théorique Regroupement des résultats Classes B, AB et A réelles Classe B réelle Classe AB réelle Classe A réelle Classes G et H, réunion des classes A et B Classe D ou amplification à découpage Réalité de la classe D Principe simplifié Classes C, D et E en haute fréquence Composants de puissance Composants pour petites et moyennes puissances de sortie Transistors bipolaires complémentaires Transistors Darlington monolithiques Transistors bipolaires NPN rapides Transistors MOS de puissance Circuits intégrés de puissance Composants pour moyennes et grandes puissances de sortie Redresseurs Transistors bipolaires et Darlington Transistors à effet de champ MOS Associations bipolaire - MOS Thyristors Thyristors spéciaux Composants marginaux Problème thermique et calcul simple des radiateurs ou dissipateurs Loi d'ohm thermique Cas des transistors faible ou forte puissance :3 Détermination simple des radiateurs ou dissipateurs Exercices Les amplificateurs de puissance en régime dynamique Régime harmonique Rappels sur les fonctions de transfert et réponses en fréquence Réponses typiques de Bode Réponses en fréquence d'un amplificateur BF Régime impulsionnel Temps de montée Slew rate Exercice 81 Chapitre 2 Amplificateurs classe B (montages push-pull) Présentation et évolution de l'amplificateur classe B série élémentaire Schéma de base Amplificateur classe B série théorique Analyse de fonctionnement Paramètres électriques Dynamique de sortie maximale et puissance associée Puissance fournie et rendement Exercices Polarisation par diodes Présentation et détermination des éléments Caractéristiques essentielles Exemple de calcul Limitation du courant de repos Détermination du courant de repos et de la puissance Dissipée dans les transistors 97

3 Dissipée dans les transistors Détermination pratique de la résistance RE Détermination théorique de la résistance RE Application numérique Nouvelles caractéristiques de l'amplificateur :6 Insuffisance du montage Exercices Attaque des amplificateurs push-pull série Push-pull série piloté par un amplificateur opérationnel Présentation Caractéristiques électriques Push-pull série piloté par émetteur commun Présentation Caractéristiques électriques Push-pull série piloté par transformateur Exercices Push-pull série à liaison capacitive de sortie Montage classique Analyse de fonctionnement Caractéristiques électriques Détermination de la valeur de C Autre solution Exercices Améliorations du montage push-pull série élémentaire Polarisation des diodes par générateurs de courant Schéma de principe Schémas réels Attaque du push-pull par émetteur commun Exercices Utilisation des transistors Darlington Darlington simples Darlington composites Problèmes spécifiques aux montages Darlington Applications des Darlington dans les montages push-pull série Exercices Montage bootstrapp Montage de base Détermination des éléments Cas de l'attaque par émetteur commun Applications spéciales Exercices Cas des très fortes puissances Mise en parallèle des transistors Exercice Ajustement du point de repos Ajustement par résistance parallèle Ajustement par résistance série Ajustement par thermistance Ajustement par mulplicateur de jonctions Exercice Push-pull à gain en tension supérieur à l'unité Augmentation du gain par émetteur commun Contre-réaction partielle sur le push-pull Exercice Protection des amplificateurs Protection par transistors sur l'étage de sortie Protection en intensité Protection en puissance Protection par anticipation Protection en intensité Protection en puissance Protection par diodes Protection par thyristor Exercice Amplificateurs classe B série à transistors MOS Rappel des caractéristiques Caractéristiques statiques des MOS Montages fondamentaux petits signaux Push-pull série symétrique Push-pull série dissymétrique Exercices Push-pull parallèle à transformateur de sortie Transformateur audiofréquence idéalisé Principe simplifié du push-pull parallèle Performances électriques en régime sinusoïdal 178

4 2.7.3 Performances électriques en régime sinusoïdal Puissance de sortie maximale Rendement maximum Push-pull parallèle à transistors MOS Exercice Augmentation de la puissance de sortie (booster) Amplificateur en pont ou en H Emploi d'une alimentation à découpage Push-pull parallèle à transformateurs Exercice 184 Chapitre 3 Amplificateurs à découpage (classe D) Présentation Historique de la classe D Modulation d'impulsions Schéma de principe d'un amplificateur classe D Procédés de modulation d'impulsions Choix du procédé Caractéristiques technologiques des amplificateurs classe D Choix de la fréquence de découpage f d Puissance et rendement Asservissement des amplificateurs classe D Parasites causés par la classe D Aspect mathématique Spectre d'un train d'impulsions non modulées Modulation par une fonction sinusoïdale Expression de la tension de sortie s(t) Exercice Modulateurs de largeur d'impulsions Principes utilisés Quelques schémas de modulateurs Exercice Etages de sortie - Puissance et commande Etages de puissance Circuits de commande Schéma à bootstrapp Schéma à générateur de courant Schéma à bootstrapp et collecteur commun Schéma à inductance Schéma à MOS complémentaires Commandes isolées Exercice Filtres pour amplificateurs à découpage Filtrage de l'intensité (lissage) Filtrage de la tension Exercice Caractéristiques de l'amplificateur à découpage Caractéristiques électriques Fonction de transfert de la chaîne directe Exercice 218 Chapitre 4 Classes A et C Amplification classe A Pourquoi la classe A? Configurations rencontrées Liaison directe Liaison capacitive Liaison par transformateur Push-pull série en classe A Push-pull parallèle en classe A Remarques générales concernant la classe A Aspect réel Distorsion en petits signaux Distorsion en grands signaux, méthode des 5 points Exercices Amplification classe C Aspect théorique Montage de base Analyse spectrale du courant collecteur Amplificateur sélectif Puissances et rendement Gain en tension Réalités technologiques Imperfections d'un circuit accordé 253

5 Imperfections d'un circuit accordé Distorsion du signal de sortie Polarisation du transistor en classe C Polarisation automatique Phénomène de clamping Exercices 257 Chapitre 5 Asservissement des amplificateurs Rappels concernant les asservissements Pourquoi asservir un système? Présentation d'un asservissement électronique Précision d'un asservissement Stabilité d'un asservissement Compensation d'un asservissement Performances d'un système asservi électronique Avantages de l'asservissement en régime statique Asservissement du point de repos en tension Asservissement du point de repos en courant Avantages de l'asservissement en régime dynamique Constance de gain en tension Diminution de la distorsion harmonique Diminution de la distorsion de phase Diminution de l'influence de certaines perturbations Augmentation de la résistance d'entrée Diminution de la résistance de sortie Augmentation de la bande passante :8 Diminution de la constante de temps Exercices Eléments des systèmes asservis électroniques Description des éléments fondamentaux d'un système asservi électronique Comparateur à circuits intégrés analogiques Amplificateur différentiel utilisant deux transistors Amplificateur différentiel utilisant un transistor Retour direct sur l'émetteur Retour par diviseur de tension sur l'émetteur Retour sur la base Exercices Causes d'instabilité et remèdes Quelques rappels Stabilité par l'étude de la marge de phase Théorème de Miller Instabilités inhérentes au système Influence de l'émetteur commun intermédiaire et compensation Influence de l'amplificateur différentiel d'entrée et améliorations Influence du push-pull à double collecteur commun Influence du push-pull à double Darlington compo site Instabilité liée à la charge Charge capacitive Compensation Instabilité liée au découplage d'alimentation Exercices 306 Chapitre 6 Domaines d'applications des amplificateurs de puissance Amplification audiofréquence Contraintes de l'audiofréquence Caractéristiques et normalisation des amplificateurs de puissance Haut-parleurs Liaisons amplificateur - haut-parleur, filtres Enceintes asservies Exemples d'amplificateurs linéaires en classe AB Amplificateur à éléments discrets et à transistors bipolaires de puissance Amplificateur à éléments discrets et à transistors MOS de puissance Amplificateur à circuits intégrés Amplificateur en technologie hybride Amplificateur booster Exemple d'amplificateur linéaire en classe A Exemples d'amplificateurs à découpage en classe D Exercice Amplificateurs pour asservissements électromécaniques (servomé - canismes) Contraintes des actionneurs électromécaniques Moteurs à courant continu Moteurs à courant alternatif Moteurs pas à pas et actionneurs linéaires 332

6 Moteurs pas à pas et actionneurs linéaires Exemples d'amplificateurs pour moteurs à courant continu de fortes puissances Convertisseur à redressement triphasé commandé Convertisseur à hacheur Exemples d'amplificateurs pour moteurs à courant continu de faibles puissances Amplificateurs à circuits intégrés linéaires Amplificateurs hybrides Amplificateurs à circuits intégrés à découpage Amplificateurs pilotés par microprocesseur Exemple d'amplificateur pour moteur synchrone auto-piloté Exemple d'amplificateur pour moteur asynchrone Exemple d'amplificateur pour moteurs pas à pas Exemple d'amplificateur pour actionneur linéaire Amplificateurs «en voie de disparition» Amplificateurs magnétiques Amplificateur Ward-Léonard Exercices Amplificateurs d'instrumentation Contraintes des amplificateurs d'instrumentation Exemples d'amplificateurs utilisant des circuits intégrés Exemple d'amplificateur en technologie mixte Exemples d'amplificateurs à éléments discrets Amplificateur de bande passante supérieure à1 MHz Amplificateur de bande passante supérieure à10 MHz Amplificateur haute tension Exercice Amplificateurs pour applications ultrasonores Présentation des applications ultrasonores Contraintes des amplificateurs ultrasonores Exemples d'amplificateurs - Générateurs ultrasonores Amplificateurs 50 W, 25 khz Amplificateurs 50 W, 900 khz Technologie à circuits intégrés Fonctionnement en pont Exercice Amplificateurs radiofréquences Considérations générales Position du problème Contraintes des radiofréquences Outils mathématiques utilisés en radiofréquence Composants actifs en radiofréquence Composants passifs en radiofréquence Exemples d'amplificateurs radiofréquences Amplificateurs large bande Amplificateur à bande étroite Amplificateur en technologie microstrip 387 Chapitre 7 Réalisations - Circuits intégrés de puissance Premiers amplificateurs de puissance à transistors Génération actuelle d'amplificateurs de puissance à transistors Push-pull à transistors bipolaires Push-pull à transistors MOS de puissance Transistors MOS complémentaires Transistors MOS canal N Amplificateurs de puissance à transistors pilotés par amplificateurs opérationnels Montages simples Montages en pont Amplificateurs de puissance spéciaux Amplificateurs classe G ou H Amplificateurs d'instrumentation Amplificateurs de puissance classe D Amplificateur audiofréquence Amplificateur pour moteurs Amplificateur d'instrumentation haute tension Amplificateurs de puissance classe B (ou AB) pour moteurs Amplificateurs de puissance haute fréquence Circuits intégrés de puissance Amplificateurs opérationnels de puissance Amplificateurs audiofréquences linéaires Circuits intégrés PWM pour moteurs à courant continu Circuits intégrés pour commande de moteurs pas à pas Circuits intégrés pour commande de moteurs sans balais Circuits intégrés pour commande de bobines Circuits de puissance en ponts intégrés 432

7 7.8.7 Circuits de puissance en ponts intégrés Aperçu sur la technologie des circuits intégrés linéaires 432 Bibliographie 435 TOP