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Montage de physique n°26 (agrégation) :
Amplification de signaux.

Transcription des notes manuscrites de préparation à l'agrégation. Les schémas et le détail des calculs sont dans le document original : télécharger le montage manuscrit (PDF, 4 pages).

Introduction

Les signaux issus d'un capteur sont en général de faible amplitude, en tension comme en puissance : pour les traiter ou les utiliser, l'étage amplificateur est indispensable. On étudie un cas concret, un même montage tout au long du TP. Expérience introductive : une platine vinyle (ou le lecteur CD d'un PC, mais déjà préamplifié) branchée sur un HP : le son n'est pratiquement pas audible.

Nécessité de l'amplification

Source et oscilloscope : tension de l'ordre de 600 mV ; pour une puissance de 1 W, il faudrait débiter 10 A, l'appareil n'est pas conçu pour cela : avant d'envoyer le signal sur un HP, il faut l'amplifier en tension et en puissance. En branchant le HP et l'oscilloscope sur la source, la tension chute : problème d'adaptation d'impédance.

Préamplification

Montage et réglage du point de polarisation

• Transistor NPN en émetteur commun (potentiel de l'émetteur fixe), classe A : C₁ de liaison, pont diviseur R₁/R₂ fixant le potentiel de base, R_C, R_E et C_E. La polarisation place le transistor dans la classe d'amplification voulue : sur la droite de charge (\(V_{CE} = V/2\)), pour n'atteindre ni le blocage ni la saturation en régime variable et avoir la plus grande excursion possible ; on ajuste R₁.
• Rôle de C₁ : sans lui, la résistance de la source serait en parallèle sur R₁ et modifierait le potentiel. Le vrai émetteur commun, sans R_E, aurait un gain dépendant de la résistance base-émetteur et de la température, et poserait un problème d'interchangeabilité des transistors.

Résistance d'émetteur non découplée (sans C_E)

• GBF sur la voie 1, sortie sur la voie 2 : V_s a une composante continue (V_C d'environ 15 V, éliminée en couplage AC) ; les signaux sont en opposition de phase (vérifier en Lissajous). Gain au multimètre \(|A_v| = |V_s|/|V_e|\) (environ 5), comparé au calcul \(A_v = -R_C/R_E\) (signe moins : déphasage). Même en augmentant l'amplitude du GBF, la distorsion est négligeable.
• Le montage n'est plus vraiment en émetteur commun (\(V_E = R_Ei_c\) variable), mais le gain ne dépend plus des caractéristiques du transistor.

Résistance d'émetteur découplée

• En modifiant le potentiomètre R_E, on obtient un gain très élevé : C_E est un court-circuit pour le signal alternatif (\(1/C\omega \ll R_E\)), il shunte plus ou moins R_E et modifie le gain.
• Distorsion : nettement plus forte que sans C_E, d'autant plus que le gain est important ; elle vient de la résistance base-émetteur, faible mais dont l'effet se fait sentir d'autant mieux que l'on shunte R_E, et qui dépend du point de fonctionnement.
• Limite en fréquence : à partir de 5 kHz et \(A_v = 20{,}40\) ; en haute fréquence (au-delà de l'audible), le montage transmet sans perte de gain, mais pas en basse fréquence, avec une modification du déphasage : C₁ voit son impédance augmenter, le signal à amplifier est atténué ; C_E aussi, et ne court-circuite plus aussi bien R_E.
• R_E stabilise le montage par contre-réaction : si V_B augmente, I_B puis I_C augmentent, donc \(V_E = R_EI_C\) augmente et \(V_{BE} = V_B - V_E\) diminue, ce qui diminue I_B ; elle assure aussi la stabilisation en température.

Raccordement au haut-parleur

HP branché via une capacité C₃ qui bloque la composante continue : le résultat ne s'améliore pas, l'impédance de sortie du montage (environ R_C) est trop élevée et le changement d'impédance fait s'effondrer le signal : \(V_{HP} = \dfrac{R_{HP}}{R_{HP} + R_S}V_s\) (R_S ≈ R_C = 1 000 Ω, R_HP = 8 Ω). On a amplifié le signal mais on ne peut pas débiter de puissance : il faut un étage de puissance. Pour mesurer R_S d'un système actif, on applique le principe de Thévenin (entrée à la masse, GBF en sortie, R variable : quand Y = X/2, R = R_sortie), l'ohmmètre étant inutilisable car il envoie un courant.

Étage de puissance

Principe

Deux transistors en Darlington (gain en courant \(\beta = \beta_1\beta_2\)) en collecteur commun : gain en tension de l'ordre de l'unité, mais très grande augmentation de l'impédance d'entrée et très grande diminution de l'impédance de sortie.

Manipulation

Montage complet : R_B ajustée pour \(V_E = V/2\) ; amplitudes identiques à la sortie des deux étages ; avec le haut-parleur, signal puissant : le montage global amplifie le signal en tension et en puissance.

Mesures sur l'étage de puissance

HP remplacé par une résistance de même valeur, source par un GBF : gain en tension \(A_v = V_Y/V_X\) (proche de 1, inférieur) ; amplitude du GBF pour laquelle la distorsion commence (excursion maximale) ; gain en courant en alternatif \(A_I = i_C/i_B\) ; gain en puissance \(A_P = A_vA_I\) ; rendement \(\eta = P_C/P_{alim}\) avec \(P_{alim} = UI_{C0}\) et \(P_C = V_{C,eff}^2/R_C\) (environ 6 % théoriquement). Visualisation de la distorsion par FFT ou en XY (droite déformée).

Conclusion

Ce montage montre l'intérêt de plusieurs étages dans le fonctionnement d'un amplificateur.

Remarques

• Le tube à vide est analogue au transistor : générateur de courant, cathode chauffée émettant un flux d'électrons commandé par une grille (Wehnelt). Un ampli de concert délivre environ 10 A, enceintes d'environ 2 Ω.
• On n'utilise pas d'AO en puissance (slew rate, produit gain × bande passante constant) ; un AO comprend un étage différentiel, deux ou trois émetteurs communs et un étage amplificateur.
• Ampli classe A : bonne reproduction des signaux mais faible rendement ; classe B : montage push-pull, deux collecteurs communs tête-bêche, rendement d'environ 78 %.