Institut Supérieur des Études Technologiques · Electronique, Amplificateurs · course

Electronique Analogique

Chapitre VI : Amplificateur de puissance

AAMMPPLLIIFFIICCAATTEEUURR DDEE PPUUIISSSSAANNCCEE

VI.1 DEFINITION

L’amplificateur de puissance est le dernier étage d’une chaine amplificatrice. Il permet de fournir

une puissance beaucoup plus grande que celle fournie par le signal de commande, tout en

gardant la même forme du signal.

La finalité des amplificateurs est la commande d’un actionneur (haut-parleur, moteur,

inductance, résistance...) sans déformation du signal appliqué en entrée.

Dans la plupart des cas, l’amplification en puissance est une amplification en courant. C’est

pourquoi on utilise des transistors bipolaires, ou des transistors MOS de puissance.

VI.2 CARACTÉRISTIQUES D'UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE

Alimentation

Commande

Amplificateur

Utilisation

Figure VI.1 : Bilan de puissance

L’alimentation du montage fournie une puissance totale Pf qui se répartit entre la puissance utile

Pu dissipée dans la charge et la puissance Pd dissipée, en pure perte, dans l’amplificateur. La

puissance Pc fournit par le circuit de commande, est en général négligeable devant celle

provenant de l’alimentation.

On peut définir :

* La puissance moyenne utile :

* Le gain en puissance :

* Le rendement :

* Distorsion : Lorsque l’amplificateur travaille en grands signaux, le signal de sortie présente de

la distorsions dus à la non-linéarité. Cela signifie qu’à une entrée sinusoïdale correspond un

signal de sortie seulement périodique.

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TTuudttitvTdttpTP00).().(1).(1cupPPGfufcuPPPPP

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Chapitre VI : Amplificateur de puissance

Ce signal de sortie vs(t) est décomposable en série de Fourier sous la forme :

- On appelle distorsion d’harmonique notée dn le rapport entre l’amplitude Vsn de l’harmonique

de rang n et l’amplitude Vs1 du fondamental :

- On appelle distorsion totale notée dt le rapport entre la valeur efficace de tous les harmoniques

et la valeur efficace du fondamental :

VI.3 CRITÈRES DE SÉLECTION D'UNE CLASSE D'AMPLIFICATEUR

De nombreux critères peuvent être pris en compte lors de la sélection d'un amplificateur. Les

points importants étant :

− La puissance de sortie ;

− Le rendement ;

− La puissance maximale que peut dissiper l'élément actif ;

− Le gain (en tension, en puissance) ;

− La distorsion ;

− La fréquence maximale de travail.

VI.4 CLASSE D’AMPLIFICATION DE PUISSANCE

Soit un transistor et sa droite de charge. Selon la position du point de repos, on définit des classes

de fonctionnement différentes.

VCE

Figure VI.2 : Point de fonctionnement

VI.4.1 Amplificateurs de puissance classe A

L'amplificateur est constitué d'un étage de sortie ne comportant qu'un seul transistor. Le point de

repos se situe approximativement au milieu de la droite de charge. En fonction du signal à

amplifier, il peut donc se déplacer de part et d'autre de ce point le long de la droite de charge.

Les composants actifs conduisent pendant toute la période du signal d’entrée.

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10)cos(.)(nnnstnaatv1ssnnVVd22322.............ktdddd

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Chapitre VI : Amplificateur de puissance

VI.4.2 Amplificateurs de puissance classe B

L'amplificateur est constitué d'un étage de sortie comportant deux transistors complémentaires.

Le point de repos se situe à la limite du blocage de chaque transistor. Pour pouvoir amplifier les

deux alternances d'un signal sinusoïdal, il faut que l'un des transistors amplifie les alternances

positives et le second les alternances négatives.

Les composants actifs conduisent durant une demi-période du signal d’entrée.

VI.4.3 : Amplificateurs de puissance classe AB

L'amplificateur est constitué d'un étage de sortie comportant deux transistors complémentaires.

C’est la structure de base de la sortie d’un amplificateur classe B, modifiée au niveau de la

polarisation.

Le point de repos se situe alors très proche de la limite du blocage des transistors. C'est-à-dire

entre la classe A est la classe B, mais plus proche de la classe B.

VI.4.4 Amplificateurs de puissance classe C

L'étage de sortie est constitué d'un seul transistor. Le point de repos se situe largement dans la

région bloquée des caractéristiques de ce dernier. Seules les crêtes des alternances positives du

signal d'entrée feront apparaître un signal de sortie.

Les composants actifs conduisent durant moins d’une demi-période du signal d’entrée.

VI.4.5 Amplificateurs de puissance classe D

L'étage de sortie fonctionne en commutation, c'est-à-dire entre deux niveaux de tension. La

fréquence de commutation est fixe mais le rapport cyclique de commutation est variable. Le

signal basse fréquence (BF) à amplifier est donc codé en modulation de largeurs d'impulsions

(MLI ou PWM). La fréquence de commutation est au moins d'un ordre de grandeur supérieur à

la fréquence maximum du signal BF. Ce signal est reconstitué par filtrage passe bas à la sortie.

VI.5 STRUCTURE DE BASE DES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE

VI.5.1 La classe A avec une charge résistive

On considère le cas d’un montage émetteur commun et une charge purement ohmique. Lorsque

le fonctionnement est idéal, le point de repos se situe au milieu de la droite de charge, on aura :

Le courant de repos est IC = E/2.RC et la tension de repos est VCE = E/2.

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Chapitre VI : Amplificateur de puissance

VCE

E/Rc

Uc0

Point de repos

Ic0

VCE

Figure VI.3a : Amplificateur classe A

Figure VI.3b : Droite de charge et point de repos

uc(t)

-UC

ic(t)

-UC

UC0

uc(t)

UC0+UC

UC0

IC0

ic(t)

IC0+IC

UC0

Accroissement

Polarisation

Point de fonctionnement

Figure VI.4 : Régime total de fonctionnement

Les signaux uC(t) et iC(t) sont constitués de la polarisation à laquelle se superpose le signal

alternatif à amplifier.

En se référant à la Figure VI.4, et en sachant que tout signal périodique peut être décomposé en

un signal continu constitué de la valeur moyenne et d'un signal alternatif à valeur moyenne nulle,

on peut écrire :

En régime sinusoïdal et pour une charge purement résistive, on a :

- Puissance utile dissipée dans la charge :

La puissance utile dissipée dans la charge se calcule ainsi :

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)()(iet )()(00tiIttuUtucccccc)sin(.)(et )sin(.)(tItitUtucccc

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Chapitre VI : Amplificateur de puissance

Le terme (Uc0.Ic0) représente la puissance due au courant de polarisation. Le terme (Uc.Ic/2)

représente la puissance utile due aux variations de tension et de courant aux bornes de la charge.

- La puissance dissipée dans le transistor :

La puissance dissipée dans le transistor se calcule selon le même principe. Il est cependant

essentiel de remarquer que lorsque le courant augmente de Ic dans le transistor, la tension à ses

bornes est réduite de Uc en raison de l'augmentation de la tension aux bornes de la charge. Uc et

Ic sont donc en opposition de phase dans le transistor, ce qui donne un signe négatif à leur

produit : pd(t)= uc(t).ic(t), et par conséquent la puissance moyenne :

C’est la différence entre la puissance fournie par le générateur et la puissance dissipée dans la

charge.

La puissance dissipée dans le transistor est maximale en continu (Uc = 0) et minimale pour

l’excursion maximale de la tension de sortie (Ucmax).

- La puissance fournie par l’alimentation :

La puissance totale dissipée peut se calculer comme la somme des puissances dissipées dans le

transistor et dans la charge : Pf = Pd + Pu.

On vérifie que ce résultat correspond bien à celui obtenu en calculant la puissance délivrée par

l'alimentation :

- Le rendement :

Pour le calcul du rendement on néglige la puissance du signal d'entrée, qui est inférieure de

plusieurs ordres de grandeurs aux autres termes.

Deux cas sont à considérer :

* Dans le cas où l’ensemble de la puissance de sortie est admise, il vient :

* Dans le cas où seule la puissance en régime alternatif est acceptable, on a :

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2..).().(1).(10000ccccTccTuuIUIUdttituTdttpTP2).().(].)([1).(.)(1).(100000cccccTccTCETddIUIUEdttituETdttitvTdttpTPCteIEdttiETdttpTPcTcTff000.).(.1).(100000..2..2..ccccCccccfufcuIEIUEUIEIUIUPPPPP

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Chapitre VI : Amplificateur de puissance

Le rendement est maximum lorsque Uc et Ic sont maximaux, c'est-à-dire pour : Uc = Ucmax = E/2

et Ic = Icmax = Ic0. Dans ce cas, la puissance utile devient : Pu = Ucmax.Icmax/2 = E.Ic0/4 et le

rendement maximum :

En réalité le rendement maximum ne peut jamais atteindre 25% à cause de la tension de

saturation UCEsat du transistor.

- La conception des amplificateurs classe A est simple et leurs performances sont excellentes

surtout au niveau de la linéarité et de la distorsion mais leur rendement est très mauvais.

L’utilisation d’un transformateur de sortie permet de doubler le rendement car il n’y a plus de

signal continu dans la charge mais introduit d’autres problèmes (bande passante, saturation du

transformateur).

Le tableau ci-dessous permet la comparaison des puissances de polarisation (repos) et à

condition de rendement maximum max.

Au repos

Avec max

Puissance dissipée par le transistor

Puissance totale dans la charge

Puissance fournie par l’alimentation

Tableau VI.1 : Comparaison des performances

VI.5.2 La classe B

VI.5.2.1 Principe de la classe B

On utilise une paire de transistors complémentaires (NPN et PNP) de même gain. Les deux

transistors sont polarisés, par le dernier étage amont, pour obtenir un courant de repos nul (point

B). Chaque transistor est donc bloqué pendant une demi-période : T1 n’est conducteur que

pendant les alternances positives de la tension d’entrée. Il est donc nécessaire d’utiliser deux

transistors complémentaires avec deux alimentations continues symétriques par rapport à la

masse. Le courant qui circule dans la charge est fournit alternativement par les deux transistors.

Ce montage est connu sous le nom de "push-pull".

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00..2..2.cccCccfufcuIEIUIEIUPPPPP%2541maxfuPP2.0cIE4.0cIE2.0cIE4..30cIE0.cIE0.cIE

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Chapitre VI : Amplificateur de puissance

IC1

iB1

vBE1

iB2

IC2

-E

E/Rc

Uc0

Transistor T1

VCE

Ic0

VBE

Figure VI.5 : Amplificateur classe B

Figure VI.6 : Caractéristique de transfert

* Etude de T1 : Le montage régit par les équations suivantes :

- Si T1 est bloqué :

 T1 bloqué pour eg négative et uc nulle.

- T1 saturé : On suppose une tension de saturation nulle : VCEsat = 0. La condition de saturation

s’écrit :

saturé, on à :

si le transistor est

, d’où la condition de saturation de T1 :

T1 est saturé pour tout eg positif supérieur ou égal à e0 et uc égale à E.

- T1 amplificateur : Lorsque 0 < eg < e0, T1 est en fonctionnement normal. Si on néglige la

résistance 0 du transistor, on obtient la relation : ic1 = β1.iB1. On déduit donc l’expression de la

tension de sortie :

* Etude de T2 : L’étude de T2 est analogue à celui de T1. on aboutit à une caractéristique de

transfert uc = f(eg) symétrique par rapport à l’origine avec celle de T1.

VI.5.2.2 Fonctionnement du push-pull

Les deux émetteurs et les deux bases étant reliés, il vient que : vBE1 = vBE2. En conséquence, si T1

conduit, T2 est bloqué et vice versa.

Par ailleurs, le courant dans la charge est donné par : ic = iE1 + iE2, Il en résulte :

- Pour eg > 0 (T1 conduit, T2 bloqué) : ic = iE1

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111111 ; . ; .cBEEccBEBggciiiiRuviReu0uet 0et 11111cBEgBEEcBveviii, ' .1. avec ,111111ccBEgBcEsatCsatBsatBRuveioudREIIIiE , u , v).R(βE icBEcB01111]11.[10cgg).R(βREe e01110 avec .1.1eee).R(βRR)(β uggcgcc

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Chapitre VI : Amplificateur de puissance

- Pour eg < 0 (T1 est bloqué, T2 conduit) : ic = iE2

Les deux transistors doivent avoir le même gain en courant β (β1 = β2) pour que les

caractéristiques de transfert aient la même pente et que l’amplification des deux alternances soit

symétrique. Si cette condition est effectivement réalisée, le signal d’entrée est reproduit sans

distorsion. On obtient la caractéristique de transfert uc = f(eg) du montage push-pull (Fig.VI.7).

Saturation

Blocage T1

Transistor T1

-e0

Transistor T2

Gain différent

Saturation

Blocage T2

– E

Figure VI.7 : Caractéristique uc = f(eG) du push-pull

VI.5.2.3 Rendement en classe B

Soit Uc l’amplitude de la tension de sortie, l’amplitude du courant de sortie vaut Ic = Uc/Rc. En

régime sinusoïdal, la puissance utile vaut donc : Pu = Uc

²/2.Rc.

* La puissance utile maximale s’obtient pour Uc = E, soit : Pumax = E/2.Rc.

* La source d’alimentation de T1 délivre le courant iE1, tandis que la source d’alimentation de T2

délivre le courant (-iE2).

La puissance instantanée fournie par l’alimentation est : pf(t) = E.iE1(t) – E.iE2(t).

La puissance moyenne vaut :

Cette puissance est maximale pour Uc = E, soit : Pfmax = 2.E2/π.Rc

* Puissance dissipée dans chaque transistor :

Cette puissance est maximale pour Uc = 2.E/π, il vient alors : Pdmax = E2/π2.R = Pumax/5.

* Le rendement est donc égal a :

Il est maximal lorsque Uc atteint sa valeur maximale Uc = E.

Le rendement maximal en classe B est donc : ηmax = π/4 ≈ 78,5 %

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ccTTccTccfRUEdttRUEdttRUETP...2).sin(.).sin(.12/2/0RURUEPPPccufd.4...22EUc.4.

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Chapitre VI : Amplificateur de puissance

A puissance de sortie égale, ce montage permet d’utiliser des transistors moins puissants que

ceux nécessités par un montage en classe A.

Le rendement du montage en classe B est beaucoup plus important que celui en classe A.

VI.5.2.4 Distorsion de croisement

VI.5.2.4.1 Phénomène de distorsion

Les jonctions émetteur base ne sont passantes que si la tension d’entrée est supérieure à leur

tension de seuil notée U0.

En réalité, la caractéristique de transfert uc = f (eg) présente un palier (Fig.VI.8). la tension de

sortie uc est nul pour : U0 < eg < U0. A la sortie, il y a une déformation importante du signal. Ceci

correspond à la distorsion de croisement. Compte tenu de la valeur de la tension de seuil (≈ 0,7

V), la distorsion est très importante, ce qui interdit un fonctionnement en classe B pure.

Transistor T2

Saturation

Transistor T1

-e0

-U0

Blocage T1

Blocage T2

Saturation

– E

Figure VI.8 : Distorsion de croisement

VI.5.2.4.2 Correction de distorsion

a/ Montage à diodes : Pour supprimer ce type de distorsion, On utilise deux diodes dont les

tensions de seuil U0 sont égales à la tension de seuil VBE0 des transistors (Fig.VI.9). Les

résistances R1 et R2 ont des valeurs assez petites pour que les diodes soient polarisées par un

courant important, ce qui place leur point de fonctionnement dans la zone linéaire pour toute

valeur de la tension d’entrée comprise entre +E et -E.

b/ Montage à AO : Les diodes restent en effet conductrices si le courant qui les traverse reste

positif. On modifie ainsi le point de polarisation des transistors qui conduisent pour une tension

d’entrée pratiquement nulle.

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Chapitre VI : Amplificateur de puissance

Ces conditions de fonctionnement sont difficiles à obtenir et, en pratique, on utilise des diodes

dont la tension de seuil est supérieure à celle des transistors. Ceux-ci sont donc toujours passants

et présentent un faible courant de repos I0. Dans la charge, ces courants sont opposés et on doit

ajuster R1 pour que le courant de repos dans Rc soit nul.

Une autre méthode utilisée pour annuler les effets de la distorsion de croisement consiste à

utiliser un amplificateur opérationnel avec une contre réaction totale (Fig.VI.10).

Dans ce montage, le gain s’ajuste pour maintenir l’égalité des tensions d’entrée et de sortie et

cela même pour des tensions d’entrée très faibles. Cette contre-réaction de l’amplificateur

opérationnel permet une réduction pratiquement complète de la distorsion de croisement.

-E

Figure VI.9 : Correction de distorsion par diode

Figure VI.10 : Correction de distorsion par AO

c/ Montage à condensateur : Les montages précédents utilisent tous une alimentation double.

Ce mode d’alimentation n’est pas toujours possible et d’un point de vue économique il est plus

avantageux de travailler avec une alimentation unique.

Le montage suivant (Fig.VI.11) qui utilise un

condensateur en série avec la charge est très utilisé.

En effet, si on place un condensateur de forte valeur

en série avec la charge, celui-ci se comporte pendant

les alternances positives comme un récepteur de

tension et se charge à la tension E/2. Pendant les

alternances négatives du signal ce condensateur

restitue l’énergie emmagasinée et se comporte comme

un générateur de tension de valeur E/2.

-E

Figure VI.11 : Correction par condensateur

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Chapitre VI : Amplificateur de puissance

VI.6 Amplificateurs intégrés

Les fabricants offrent un large choix d’amplificateurs de puissance intégrés dont les

performances sont très satisfaisantes et dont la mise en œuvre est simple.

A titre d’exemple, la figure ci-dessous reproduit un schéma d’application du circuit TDA 1020

qui permet de fournir une puissance de 7 W dans une charge de 4 Ω. Les condensateurs de 0,1

μF et de 100 μF sont des condensateurs de découplage en basse fréquence et la chaîne 2,7 Ω - 0,1

μF est un réseau de compensation en fréquence.

Figure VI.11 : Correction par condensateur

Figure VI.12 : Amplificateurs audio TDA1020

Figure VI.13 : Schéma de câblage du circuit TDA 1020

REMARQUES

♦ On ajoute le plus souvent des circuits de protection car un court-circuit au niveau de la charge

entraîne la destruction immédiate des transistors de puissance par emballement thermique. Une

protection par fusible est illusoire.

♦ Les transistors de puissance sont fixés sur des radiateurs qui sont refroidis par convection

naturelle ou forcée.

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