i s (t) source et l amplification de tension est A p = P s P e, l amplification en courant est G db = 20 log I s Z g V g

Transcription

1 1 Généralités sur les amplificateurs alimentation continue Un amplificateur est un quadripôle permettant d augmenter soit la tension (t), polarisation soit l intensité i e (t), soit la puissance p e (t) provenant d un appareil générateur de signal source générateur du v L amplification est alors définie par le e (t) signal (t) mesure en sortie rapport A = mesure à l'entrée C est le nombre de fois que la sortie est plus grande que l entrée En régime continu, l amplification de tension est A v = V s, i e (t) +V CC GND amplificateur i s (t) (t) charge utilisation du signal (t) l amplification en courant est A i = I s et l amplification de tension est A p = P s P e Le gain est une autre façon d exprimer le niveau d amplification Il s exprime en décibels dont le symbole est db Le gain en tension est G db = 20 log V s, l amplification en courant est G db = 20 log I s alors que le gain en puissance G db = 10 log P s P e 11 Modèle équivalent d un amplificateur linéaire Il est représenté par le schéma électrique équivalent cicontre On remarque que l alimentation n est plus représentée La notation complexe rappelle que les mesures se font sur des grandeurs sinusoïdales, notamment, s il s agit d un amplificateur audio, sur un signal sinusoïdal de fréquence 1 khz schéma électrique équivalent source amplificateur Z g Z e Z s V g A v I s V s charge Z ch A st l amplification en tension à vide de l amplificateur Z e est l impédance d entrée de l amplificateur, elle peut se mesurer en connaissant les paramètres V g et Z g du générateur, en mesurant avec un voltmètre approprié et à l aide de la formule du diviseur de tension : Z e = V g Z e +Z V g e (Z e +Z g ) = V g Z e Z e (V g - )= Z g Z e = Z g V g - amplificateur Z s Z e A v I s V s Z s est l impédance de sortie de l amplificateur, elle peut se mesurer en connaissant les paramètres A v V g = V s0 tension V s mesurée à vide (en débranchant Z s ), Z ch de la charge et en mesurant V s en charge et à l aide de la formule du diviseur de tension : V s = V s0 Z ch V s0 -V s Z s +Z V ch s (Z s +Z ch ) = V s0 Z ch V s Z s = V s0 Z ch -V s Z ch Z s = Z ch V s Physique Appliquée - HASSENBOEHLER page 1 / 7

2 12 L amplificateur non linéaire, taux de distorsion, bande passante La caractéristique en fonction de de l amplificateur permet de mettre en = évidence la distorsion qu il introduit et la tension au repos V s0 Le taux de distorsion harmonique TDH se mesure en appliquant un signal purement sinusoïdal sur l entrée : (t) = sin ( t+ ) Le signal de sortie est déformé et peut, d après le théorème de Fourier, s écrire (t) = V s0 + V s1 sin ( t+ 1 )+ V s2 sin (2 t+ 2 )+ V s3 sin (3 t+ 3 )+ + V sn sin ( t+ n )+ alors TDH = valeur efficace des harmoniques autres que le fondamental valeur efficace du fondamental Il s'exprime souvent en % et indique la pureté spectrale d'un signal : le signal sinusoïdal qui n a qu une seule raie comme spectre a un TDH de 0% Pour un signal carré, TDH = 48,3 % = V 2 s2 +V3 s3 + + V2 sn + V s1 13 La bande passante Elle est définie le plus souvent à -3dB par rapport au gain maximal de l amplificateur Donc B = f sup f inf où f sup et f inf sont appelées les G db B G max -3 db fréquences de coupure à 3 db (rad/s) 14 Bilan énergétique f inf f sup La puissance d un amplificateur dépend de la tension d alimentation V CC et de la résistance R ch de la charge Pour un amplificateur délivrant un signal sinusoïdal, en polarisation symétrique, V smax = + V CC donc P smax = ( V CC 2 )2 R ch = V CC 2 2R ch V max 0 (V) t(s) en polarisation asymétrique, est la somme d une composante continue V CC 2 et du signal sinusoïdal d amplitude V CC 2 donc P smax = 3V CC 2 (V) 8R en tenant compte de la composante continue ch et P smax = V CC 2 8R ch pour la composante alternative seule V CC 0 t(s) Physique Appliquée - HASSENBOEHLER page 2 / 7

3 2 de tension à circuits intégrés linéaires 21 L amplificateur opérationnel et les montages de base Voir le chapitre l amplificateur opérationnel sur le site «hpallam» Physique Appliquée - HASSENBOEHLER page 3 / 7

4 22 L amplificateur différentiel le principe : l amplificateur de différence est un dispositif destiné à fournir en sortie une tension proportionnelle à la différence des deux signaux d entrée, = (u 1 - u 2 ) où est l amplification différentielle Le montage est soit à sorties flottantes soit à référence commune u 1 u 2 u 1 u 2 DOCUMENT : Le câblage symétrique et asymétrique dans le domaine audio «balanced and unbalanced» in english connexion asymétrique (unbalanced) pour quelques mètres de liaison BF parasite + parasite câble connexion symétrique (balanced) pour quelques dizaines de mètres de liaison BF parasites parasites + parasites ( +parasites) -(- +parasites) = 2 Physique Appliquée - HASSENBOEHLER page 4 / 7

5 Performances : L amplificateur différentiel réel a une tension de sortie qui dépend aussi de la somme des tensions d entrée, = (u 1 - u 2 ) + A c ( u 1 + u 2 ) 2 où A c est l amplification en mode commun Le mesurage de l amplification différentielle est obtenu en appliquant des tensions identiques en valeur absolue u 1 = e 2 et u 2 = - e 2 e Le mesurage de l amplification en mode commun A c est obtenu en appliquant des tensions identiques u 1 = u 2 = e e Le RRMC rapport de réjection en mode commun ou TRMC taux de réjection en mode commun est défini comme suit : RRMC = A ou en décibels TRMC = 20 log c A c par exemple si = 200 et A c = - 0,2 on a RRMC = 1000 ou TRMC = 60 db 221 l amplificateur différentiel à transistors bipolaires Deux transistors T 1 et T 2 identiques, souvent dans un même boîtier, sur le même substrat, sont polarisé par une source de courant continu {I o, R o } Les dispositifs sources de courants sont rappelés en fin de paragraphe On a soit = v S2 S 1 si on veut la sortie flottante, soit = v S2 M si on veut la sortie référencée à la masse Par symétrie les courants dans les émetteurs sont égaux, I E1 = I E2 = I o 2 d où V CE = V CC - R I o C 2 + V BE en absence de signal d entrée (u 1 = u 2 = 0) Donc, pour que les transistors fonctionnent + u 1 R C S 1 B 1 I o +V CC A -V CC R o R C S 2 B 2 - u 2 dans le domaine linéaire, il faut que V CC - R C I o 2 + V BE > V CEsat Physique Appliquée - HASSENBOEHLER page 5 / 7

6 222 L amplificateur d instrumentation a) Étude de l amplificateur d instrumentation Aux bornes de on a la tension (v 1 v 2 ) produisant un courant v 1 - v 2 dans Ce courant traverse aussi les deux résistances La tension (v 3 v 4 ) est alors v 3 v 4 = (2 + ) v 1 - v 2 Le montage autour de l amplificateur opérationnel A3 est un soustracteur : = (v 4 v 3 ) Comme on vient de trouver (v 3 v 4 ), on a (v 4 v 3 ) = - (2 + ) v 1 - v 2 v 1 v A1 + A2 v 3 v 4 + A3 amplificateur d instrumentation LH 0036 de National Semiconducteur D où = (v 4 v 3 ) = - (2 + ) v 1 - v 2 = - (2 + ) (v 1 - v 2 ) b) Exemple de montage : (v 1 v 2 ) = E 2 - E R + R R + R + R (2R + R) (2R + 2 R) = E[ - 2(2R + R) 2(2R + R) ] (2R + R) - (2R + 2 R) = E[ ] 2(2R + R) R = - E[ 2(2R + R) ] - E R 4R en négligeant R devant R Conclusion : comme (v 1 v 2 ) - R + R sonde v +E 1 + v 3 - A1 R R E R v 2 4R on en déduit que est proportionnelle à R, la variation de résistance de la sonde on peut donc mesurer la grandeur physique qui fait varier la résistance de la sonde R + A2 v 4 + A3 amplificateur d instrumentation LH 0036 de National Semiconducteur Physique Appliquée - HASSENBOEHLER page 6 / 7

7 3 de puissance à transistors 31 Le transistor bipolaire 32 L amplificateur de classe A 33 L amplificateur de classe B ou «Push-pull» 34 L amplificateur de classe C utilisé en HF 35 L amplificateur de classe D ou à découpage MLI (PWM) 36 L amplificateur à transistor à effet de champ (TEC FET CMOS) Physique Appliquée - HASSENBOEHLER page 7 / 7