C3  LES AMPLIFICATEURS PETITS SIGNAUX

C3.1 Généralités
 
Dans les circuits électroniques, les étages appelé amplificateurs sont présents pratiquement à tous les endroits de n'importe quel système, à savoir :

 

 
L'analyse des différents montages amplificateurs proposée ici fait appel en premier lieu à une considération générale par un schéma de principe, puis à une analyse un peu plus détaillée par des exemples de montages à transistors ou à amplificateurs linéaires intégrés (amplificateurs opérationnels ou amplis OP).

Nous pouvons avoir en tête la règle qui dit que tout circuit électronique nécessite une alimentation continue pour pouvoir effectuer un traitement de signal entre l'entrée et la sortie. Les montages amplificateurs ont besoin d'une alimentation continue la plus stable possible et surtout totalement indépendante du signal qui transite.
 
Les pages sur les alimentations donnent les détails sur les différents circuits de l'alimentation continue. Toutefois, toute analyse de montage amplificateur passe par la lecture verticale au sujet de l'alimentation DC et ensuite par la lecture horizontale qui traite du passage du signal entre l'entrée et la sortie. Les schémas de principes sur les montages amplificateurs qui suivent traitent du passage du signal uniquement.
 
Pour débuter, nous pouvons admettre q'un montage amplificateur possède toujours deux bornes d'entrées et deux bornes de sorties et possède trois caractéristiques principales représentées par le schéma général :


L'impédance d'entrée Ze : Elle permet de savoir quelle sera la puissance du signal d'entrée nécessaire au bon
L'impédance de sortie ZS : Elle permet de savoir quelle sera l'adaptation nécessaire pour les étages suivants.
 
Le gain en tension Au :  Il permet de savoir quelle sera la différence d'amplitude apportée au signal entre l'entrée
Toute analyse d'un montage amplificateur servira à connaître ces trois caractéristiques pour déterminer le suivi d'un signal et un éventuel dysfonctionnement.
 
 


C3.2 Les impédances et le gain d'un étage amplificateur
 
Dans un appareil électronique, le signal traverse successivement différents étages qui ont chacun une fonction différente. En complétant le schéma précédent :

Le passage d'un étage à l'autre met en évidence le rôle des impédances Ze pour la résistance interne Rig du montage précédent et ZS pour la résistance de charge Rch du montage qui suit.
 
La modification de la valeur de ces trois caractéristiques peut varier en fonction de la fréquence du signal, dans le cas de filtres passe-haut, passe-bas, ... Ou alors, cette modification permet au montage d'avoir une fonction d'adaptateur d'impédances, de régulateur d'amplitude, d'amplificateur de courant, etc.
 
En pratique, nous rencontrons très souvent une borne commune à l'entrée et à la sortie. Cette borne commune est un point de référence pour le signal. De ce fait, le schéma équivalent du montage devient:


 

En guise de rappel :
Si Ri << Rch ==> Générateur de tension
Si Ri = Rch ==> Générateur de puissance
Si Ri >> Rch ==> Générateur de courant

 

 
 
 
 
Le générateur de puissance est également appelé générateur adapté. Il permet le transfert du maximum de puissance du signal. C'est notamment nécessaire lorsque le signal disponible est particulièrement faible comme dans les étages d'entrées ou de réception hautes fréquences.
 
 


C3.3 L'importance de la commande
 
Il est toujours questions du type de sa commande lorsque nous parlons d'un étage amplificateur. Nous parlons de commande en tension ou en courant, ce qu'évoque le rappel ci-dessus. La commande est importante à double titre.
D'une part, le rapport Ri / Rch est important pour le fonctionnement de l'étage amplificateur.
 
Si la Rch représente en fait une impédance d'entrée d'un amplificateur, nous pouvons parler d'une commande en tension si Ri << Rch et d'une commande en courant si Ri >> Rch. Nous pouvons le représenter par les schémas équivalents suivants:

D'autre part, le choix de la commande en courant ou en tension est dépendant de la nature de l'étage qui suit. Pour alimenter un circuit de puissance inductif comme des haut-parleurs, il faut des amplificateurs de courants comme le sont les transistors par exemple.
 
Pour l'amplification de petits signaux, la succession d'étages amplificateurs et atténuateurs (filtres, volumes, etc.) est généralement nécessaire. Pour garder un maximum de fidélité, notamment dans les graves et les variations brusques, l'important réside au niveau des porteurs de charges commandés dans les étages d'entrées.
 
Les transistors bipolaires, avec eux tous les amplificateurs opérationnels et tous les IC linéaires + TTL, nécessitent la mise en route des électrons de diffusion (P ou N). Il faut commander un courant, soit le courant de base Ib. Même s'il est souvent négligeable, le retard qu'il entraîne en fait le point faible, avec la puissance de commande Ue × Ie, de ces montages. Leurs grandes qualités sont leur souplesse d'emploi et leur robustesse.


 
Les transistors à effet de champ (JFET ou MOSFET) ont eux l'avantage d'avoir une très grande résistance d'entrée et nécessitent une tension de commande uniquement pour influencer un champ électrique à l'intérieur d'un isolant, électrodes appelés grille (ou gate).
 
Ils ne consomment aucun courant (en dehors des courant thermoélectroniques) et n'ont besoin que d'une tension de commande. Ils rappellent en cela les amplificateurs à tubes et présentent les avantages d'une très grande rapidité de "réaction" ce qui amène une meilleure fidélité notamment en reproduction sonore (signal audio).


C3.4 Les trois montages fondamentaux à transistors
 
Pour un montage amplificateur à transistor, l'électrode reliée à la borne commune donne le nom au montage. Nous parlons d'un montage émetteur commun EC, base commune BC ou collecteur commun CC. Chacun de ces montages à ses caractéristiques propres.
 
Pour reconnaître le nom du montage dans un schéma, il faut repérer de quelle manière le signal est appliqué et quelle est l'électrode reliée, directement ou par découplage, à la masse. Le schéma équivalent AC confirme à l'évidence le type de montage utilisé.
Le procédé pour l'obtention du schéma équivalent AC est décrit sur les pages du site d'introduction à l'électronique "A3 Modélisation - schémas équivalents". Ci-dessous un exemple de trois circuits possédant une même alimentation en courant continu DC (= même polarisation)
 


C3.4.1 Montage émetteur commun (EC)
 
C'est le montage le plus universel car il permet un bon gain en tension et en courant avec des impédances d'entrée et de sortie moyennes.
 

     

 
 


C3.4.2 Montage base commune (BC)
 
Ce montage possède une faible impédance d'entrée et peut travailler assez haut en fréquences. Nous le rencontrons souvent en premier étage amplificateur des récepteurs radios FM.
 

 
 


C3.4.3 Montage collecteur commun (CC)
 
Ce montage est également appelé émetteur suiveur car son gain en tension est voisin de 1 (uS @ uE). Par contre, il est utilisé comme abaisseur d'impédance ou comme amplificateur de courant.
 

L'analyse en courants continus de ces trois montages permet de mettre en évidence qu'il s'agit de la même polarisation appelée polarisation classique ou par diviseur de tension de base. Les procédés de calculs sont donnés dans l'annexe C3.1.
 
L'analyse en courants alternatifs met en évidence le rôle des condensateurs de liaisons et de découplage représentés ci-dessus par des condensateurs polarisés. Les procédés de calculs sont donnés dans l'annexe C3.2.
 
Le calcul des fréquences limites des montages amplificateurs à transistors sont développés dans l'annexe C3.3.
 
Pour les trois montages amplificateurs à transistors fondamentaux, nous pouvons accepter le tableau récapitulatif suivant:

 

 MONTAGE EC

 MONTAGE BC

  MONTAGE CC
     
 DEPHASAGE  180 degrés   0 degré  0 degré
GAIN AU
GAIN AI
GAIN AP
 Grand
Grand
Très grand
 Grand
env. 1
Grand
 env. 1
Grand
Moyen
IMPEDANCE ZE
IMPEDANCE ZS
 Moyenne
Grande
 Petite
Très grande
 Grande
Petite
 UTILISATION
* amplificateur
universel
* ampli HF
* oscillateur
* élévateur
d'impédance
* oscillateur
* amplificateur
de courant
* abaisseur
d'impédance


Il est possible de rencontrer, dans certaines documentations, des caractéristiques de transistors exprimés en paramètres h, utilisés anciennement. Le tableau ci-dessous la signification de ces paramètres.

PARAMETRES

 SIGNIFICATION

 CONDITION
 h11e =hie [W] Impédance d'entrée Sortie en court-circuit
 h12e = hre Taux de contre-réaction interne Entrée ouverte
h21e = hfe Gain en courant Sortie en court-circuit
 h22e = hoe [S] Admittance de sortie Entrée ouverte

 
Relevons encore que les paramètres h varient en fonction de la température, des courants de repos et des signaux qui transitent dans le montage.
 


C3.5 Les transistors à effet de champ (FET ou MOS-FET) en amplification

 

Le signal qui transite dans les montages amplificateurs à FET, comme pour les transistors bipolaires, représente des petites variations des tensions et courants autour du point de repos Q.
 
Le cas ci-contre du MOS-FET le démontre bien. La polarisation nulle entraîne un courant de drain de repos IDQ, et le signal fait varier ce courant.
 
La variation du courant de drain est récupérée en variation de tension aux bornes de la résistance de drain RD.
 
A l'image des montages à transistors bipolaires, le schéma équivalent AC d'un montage à FET permet de déterminer ses caractéristiques. Nous rencontrons des montages Drain commun, grille commune ou source commune.
Le grand avantage de ces transistors réside dans le fait qu'aucun courant de grille n'est consommé, ce qui donne une impédance d'entrée très élevée (RG valant facilement quelques méghoms). Le gain en tension vaut approximativement AU @ RD / RS et l'impédance de sortie prend la valeur de RD.
 

  

 
L'exemple du montage ci-dessous est un amplificateur audio complet dont "l'étage final" est réalisé avec deux transistors MOS-FET, schéma présenté dans la revue ELECTOR du mois de décembre 1993.
 
 


C3.6 Amplificateur à amplificateur linéaire intégré ou amplificateur opérationnel

 

Dès 1965, l'intégration des éléments électronique (diodes, transistors, etc.) à permis la réalisation d'un circuit électronique complexe réalisant la fonction d'un amplificateur petits signaux.
 
Ces amplificateurs sont désignés dans la pratique de l'électronique comme un élément intégré appelé "Amplificateur opérationnel" ou "ampli OP". C'est un élément électronique comprenant deux entrées et une sortie :

Pour que l'ampli OP réalise sa fonction, il doit nécessairement être alimenté en courants continus, il lui faut une alimentation continue, généralement réalisée par une alimentation fractionnée (V+ et V-). L'alimentation ne figure pas sur le symbole simplifié ci-dessus, elle est sous-entendue.
 
Les amplis OP ont des caractéristiques quasi idéales par rapport aux montages à transistors bipolaires ou à effet de champ. Nous pouvons accepter pour un ampli OP les caractéristiques idéales suivantes :
 

ZE @ infini (1MW)      AU @ infini (100 000)        ZS @ nulle (75W)

 

Ces caractéristiques idéalisées nous permettent de simplifier considérablement la compréhension ainsi que les calculs des montages contenant des amplis OP. En effet les propriétés du montage dépendront uniquement des éléments extérieurs reliés à l'ampli OP (résistances; condensateurs; etc.).
 
Actuellement, dans la très grande majorité des appareils et installations électroniques travaillant avec des petits signaux nous rencontrons des circuits intégrés désignés sous ampli OP. Nous pouvons dire sans trop d'erreurs que les amplificateurs opérationnels sont les composants de base des montages électroniques analogiques modernes.
 


C3.6.1 Montage suiveur

 

Les caractéristiques pratiquement idéales d'un ampli OP permet un usage multiple de ce composant intégré. Afin de déterminé s'il est utilisé en amplificateur petits signaux, il suffit de repérer s'il existe une connexion entre la sortie et l'entrée inverseuse de l'ampli. L'exemple le plus caractéristique est l'amplificateur suiveur car la connexion est directement réalisée par un fil.

Le gain en tension de ce montage est égal à l'unité AU = 1. Ce qui signifie que l'amplitude du signal est la même à la sortie qu'à l'entrée uS = uE. De prime abord ce montage est inutile puisque nous avons le même signal, mais c'est oublier le rôle des impédances.
 
Les impédances d'entrée et de sortie sont celles de l'ampli OP seul, à savoir l'ordre du Mégohm pour ZE et de 75W pour ZS. Ce qui permet de disposer d'une puissance de signal beaucoup plus grande à la sortie qu'à l'entrée.
Ce type de montage est très souvent utilisé lorsque le signal d'entrée est issu d'un capteur ou lorsque il ne faut pas trop "charger" l'étage précédent.
 


C3.6.2 Montage amplificateur non inverseur
 
Un amplificateur non-inverseur se défini par un dispositif dont le potentiel de sortie Vs est proportionnel au potentiel d'entrée V1. Le coefficient de proportionnalité Au, appelé amplification en tension en boucle fermée, est positif.
 

Vs = Au . V1       pour     -VSAT  < Vs  < +VSAT


Le schéma de principe d'un ampli OP non-inverseur est :


Nous obtenons un amplificateur non-inverseur en réinjectant sur l'entrée négative de l'A.O. une partie V's de la tension de sortie Vs avec un diviseur de tension formé des résistances R1 et R2.
L'expression de la fonction de transfert
Vs = f (V1) s'obtient en exprimant l'égalité des courants dans les résistances et en admettant que :
 
La résistance d'entrée du montage est quasi infinie et par conséquent ce montage ne charge pas la sortie de l'étage qui le précède.
La résistance de sortie du montage est très petite; plus faible que l'impédance de sortie de l'ampli OP seul, grâce à la contre-réaction de tension appliquée à l'Ampli OP.
L'amplification en tension Au est constante (elle ne varie pas) dans la zone d'amplification et dans une plage de fréquence donnée.
La gain en tension vaut Au = 1 + R2 / R1
Ce montage se comporte comme un amplificateur de tension idéal dont le gain Au est choisi par la valeur des résistances R1 et R2 uniquement.
 
 
 


C3.6.3 Montage amplificateur inverseur

 

Un amplificateur inverseur se défini par un dispositif dont le potentiel de sortie Vs est proportionnel au potentiel d'entrée V1 mais inversé de 180°. Le coefficient de proportionnalité Au, appelé amplification en tension en boucle fermée, est négatif.

 

 
Le schéma de principe de l'ampli OP inverseur est:
 
Nous obtenons un amplificateur inverseur en réinjectant sur l'entrée négative de l'Ampli OP une partie de la tension de sortie Vs à travers la résistance R2.
 
Le signal V1 est injecté dans le montage à travers la résistance R1. L'entrée positive de l'Ampli OP est reliée directement à la masse(*).
 
 

L'expression de la fonction de transfert Vs = f (V1) s'obtient en exprimant l'égalité de la valeur des courants dans les résistances R1 et R2 mais sans oublier que ces courants sont de signes opposés. La tension d'entré V1 se retrouve aux bornes de la résistance R1 et la tension de sortie Vs aux bornes de la résistances R2.

 

 

La résistance d'entrée du montage est égale à la résistance R1 par le fait que le potentiel à l'entrée inverseuse ne varie pas.
 
Nous parlons d'une mise à terre virtuelle (ou masse virtuelle) de l'entrée négative de l'Ampli OP.
 
La résistance de sortie du montage est grande, plus grande que celle de l'ampli OP seul, par la contre-réaction de tension appliquée à l'Ampli OP.
 
L'amplification en tension Au est constante (elle ne varie pas) dans la zone d'amplification et dans une plage de fréquence donnée.
 

Le gain en tension du montage Au = R2 / R1

 
Le montage se comporte comme un adaptateur d'impédance facile à réaliser.
 
(*)L'entrée positive de l'Ampli OP est parfois reliée à la masse à travers une résistance dont la valeur vaut R2 // R1 afin de réduire la tension de décalage (voir les caractéristiques de l'ampli OP seul).
 


C 3.6.4 Montage sommateur

 

Un autre grand avantage de l'amplificateur inverseur est de pouvoir être dépendant de plusieurs entrées simultanément. L'impédance interne de l'amli-OP est tellement grande qu'aucun courant ne la traverse et que le potentiel d'entrée inverseuse reste toujours à zéro volts. C'est ce que nous appelons une masse virtuelle.
 
Si nous observons l'image ci-contre, nous constatons que la résistance R3 est traversée par la somme des courants traversant R1 et R2.
 
Pour chaque entrée, les rapports I1 = v1 / R1 et I2 = v2 / R2 sont valables. La tension de sortie se retrouve aux bornes de R3 et devient vo = R3 × I3 = R3 × (I1 + I2).
 
Le montage agissant sur l'entrée inverseuse de l'ampli-OP la polarité de la tension de sortie sera l'inverse de la somme des tensions d'entrées.
 
Cela ce traduit par la formule:


En ajustant la valeur des résistance il est possible de régler à la fois le gain total et le niveau de chaque entrée ou de multiplier les entrées pour donner un convertisseur digital - analogique sommaire comme l'illustrent les deux exemples ci-dessous.

 
 
 


C 3.6.5 Montage soustracteur
Chaque entrée du montage est appliqué à une entrée de l'ampli-OP différente. La première entrée agit sur le potentiel de l'entrée non-inverseuse de l'ampli-OP et la deuxième entrée sur celui de l'entrée inverseuse de l'ampli-OP.
 
Si le rapport des résistances entre la sortie et chaque entrée est identique, alors la tension de sortie vaudra :

La résistance réglable est indiquée ici pour mettre en évidence la possibilité d'équilibrer le montage afin de compenser la dispersion des caractéristiques des composants du montage.
 
L'exemple ci-dessous d'un amplificateur pour appareil de mesure permet d'imaginer une très grande impédance d'entrée grâce aux montages suiveurs. Le montage soustracteur qui suit permet de rendre la sensibilité de mesure beaucoup plus grande.
 
L'utilité du réglage de la résistance R1 (appelée CMRR (=taux de réjection en mode commun)