LE COURS

Ce cours s'adresse aux étudiants en électronique souhaitant comprendre les principes fondamentaux des amplificateurs à transistors en classes A, B, AB et C. Il explique la polarisation des transistors, le fonctionnement de chaque classe d'amplification, ainsi que les avantages et inconvénients associés.

Les amplificateurs en classes A, B, AB et C

Un étage amplificateur peut fonctionner en classe A, B, AB ou C selon la polarisation de la base du transistor. La polarisation détermine la tension présente sur le collecteur et le courant qui le traverse, influençant ainsi le comportement de l'amplificateur.

Polarisation de la base

La base d'un transistor est généralement polarisée par un diviseur de tension constitué de deux résistances, R1 et R2 (figure 494). R1 polarise la base tandis que R2 stabilise le courant dans ce diviseur.

Si on déconnecte ce diviseur de la base et qu'on mesure la tension aux bornes de R2, on obtient :

tension aux bornes de R2 = Vcc × R2 / (R1 + R2)

où Vcc est la tension d'alimentation, et R1, R2 les valeurs des résistances en kilo-ohms.

Par exemple, avec Vcc = 12 V, R2 = 3,3 kΩ et différentes valeurs de R1 :

• R1 = 100 kΩ → tension = 0,38 V
• R1 = 82 kΩ → tension = 0,46 V
• R1 = 68 kΩ → tension = 0,55 V
• R1 = 56 kΩ → tension = 0,66 V
• R1 = 47 kΩ → tension = 0,78 V
• R1 = 39 kΩ → tension = 0,93 V

En reconnectant ce diviseur à la base du transistor, on observe que pour les valeurs R1 = 56, 47 et 39 kΩ, la tension aux bornes de R2 reste fixe à 0,65 V, malgré le calcul théorique qui prévoit des valeurs plus élevées.

Cela s'explique par le fait que la jonction base-émetteur du transistor se comporte comme une diode au silicium, qui commence à conduire à partir d'une tension seuil d'environ 0,65 V (figure 502). En dessous de cette tension, la diode ne conduit pas et la tension ne peut pas augmenter davantage.

Le courant minimum dans R2 pour atteindre cette tension seuil est :

courant dans R2 (mA) = Vbe / R2 = 0,65 V / 3,3 kΩ ≈ 0,197 mA

Le courant dans R1, qui alimente le diviseur, se calcule par :

courant dans R1 (mA) = (Vcc - 0,65) / R1

Les valeurs correspondantes pour les six résistances R1 sont :

• 100 kΩ → 0,113 mA
• 82 kΩ → 0,138 mA
• 68 kΩ → 0,166 mA
• 56 kΩ → 0,202 mA
• 47 kΩ → 0,241 mA
• 39 kΩ → 0,291 mA

Le courant effectif sur la base du transistor est la différence :

courant base = courant R1 - courant R2

Ce qui donne :

• 100 kΩ → -0,084 mA (transistor bloqué)
• 82 kΩ → -0,059 mA (transistor bloqué)
• 68 kΩ → -0,031 mA (transistor bloqué)
• 56 kΩ → +0,005 mA (transistor passant)
• 47 kΩ → +0,044 mA (transistor passant)
• 39 kΩ → +0,094 mA (transistor passant)

Les valeurs négatives indiquent que le transistor est bloqué (non conducteur). Seules les trois dernières valeurs permettent au transistor d'être conducteur.

Calcul du courant de collecteur

Le courant de collecteur est proportionnel au courant de base multiplié par le gain en courant hfe :

Ic (mA) = Ib (mA) × hfe

Par exemple, avec un hfe de 55 et les courants de base positifs :

• Ib = 0,005 mA → Ic = 0,27 mA
• Ib = 0,044 mA → Ic = 2,42 mA
• Ib = 0,094 mA → Ic = 5,17 mA

La tension au collecteur est alors :

Vc = Vcc - (R3 × Ic)

Avec Vcc = 12 V et R3 = 2,2 kΩ :

• Ic = 0,27 mA → Vc = 11,4 V
• Ic = 2,42 mA → Vc = 6,68 V
• Ic = 5,17 mA → Vc = 0,62 V

Ligne de charge et point de travail

La ligne de charge relie la tension d'alimentation maximale Vcc à la valeur maximale du courant de collecteur possible, donnée par :

Ic max = Vcc / R3

Dans notre exemple, avec R3 = 2,2 kΩ :

Ic max = 12 V / 2,2 kΩ = 5,45 mA

Cette ligne permet de déterminer le point de travail du transistor, c’est-à-dire la tension et le courant au repos, sans signal appliqué. Le point de travail détermine la classe d'amplification.

Amplificateur en classe A

En classe A, le transistor est polarisé pour que le courant de collecteur soit environ la moitié du courant maximum admissible. Le point de travail est donc au milieu de la ligne de charge.

Dans notre exemple :

• Ic repos = 2,72 mA
• Vc repos = 6 V (moitié de Vcc)

Lorsque le signal alternatif est appliqué à la base :

• La demie-onde positive augmente le courant de collecteur, faisant chuter la tension collecteur vers 0 V.
• La demie-onde négative diminue le courant de collecteur, faisant monter la tension collecteur vers 12 V.

Le signal de sortie est une sinusoïde déphasée de 180° par rapport à l'entrée.

Exemple de calcul de la tension maximale d'entrée sur la base pour éviter l’écrêtage :

Ventrée max = (Vcc × 0,8) / gain

Avec Vcc = 12 V et gain = 55 :

Ventrée max = (12 × 0,8) / 55 ≈ 0,174 V

Pour augmenter la tension maximale d'entrée, on peut réduire le gain en ajoutant une résistance R4 entre l'émetteur et la masse :

gain ≈ R3 / R4

Par exemple, avec R3 = 2200 Ω et R4 = 330 Ω :

gain = 2200 / 330 ≈ 6,66

La tension maximale d'entrée devient :

Ventrée max = (15 × 0,8) / 6,66 ≈ 1,8 V

La classe A offre une faible distorsion mais consomme toujours un courant important, même sans signal, ce qui génère une dissipation thermique élevée.

Amplificateur en classe B

En classe B, le transistor est polarisé à la limite inférieure de la ligne de charge, c’est-à-dire que le courant de collecteur au repos est nul (figure 519). Ainsi, en absence de signal, aucun courant ne circule dans le collecteur.

Un transistor NPN amplifie uniquement les demies ondes positives, tandis qu’un transistor PNP amplifie les demies ondes négatives. Pour obtenir un signal complet, on utilise deux transistors en série, un NPN et un PNP (figure 520).

Cette configuration permet d’obtenir une puissance de sortie élevée, mais présente une distorsion appelée « distorsion de croisement » : un temps mort entre les deux demies ondes où aucun transistor ne conduit.

Amplificateur en classe AB

La classe AB combine les avantages des classes A et B. Les transistors NPN et PNP sont légèrement polarisés pour qu’ils conduisent dès que le signal arrive, éliminant ainsi la distorsion de croisement.

Cette polarisation est obtenue en appliquant une tension de 0,65 V sur la base des transistors via deux diodes au silicium alimentées par un diviseur de tension (figure 522).

Le signal de sortie est une sinusoïde complète, sans pause entre les demies ondes, avec une puissance élevée et une dissipation thermique moindre qu’en classe A.

La classe AB est couramment utilisée pour les étages finaux de puissance Hi-Fi.

Amplificateur en classe C

La classe C n’est pas utilisée pour amplifier des signaux audio (BF) car le signal de sortie est fortement distordu. Elle est réservée aux étages de puissance en haute fréquence (HF ou RF).

En classe C, la base du transistor n’est pas polarisée (figure 524), souvent reliée à la masse via une self RF qui empêche la décharge du signal HF à la masse (figure 525).

Glossaire des termes clés

• Base : La borne de commande d’un transistor, où le signal d’entrée est appliqué.
• Collecteur : La borne du transistor par laquelle circule le courant amplifié.
• Émetteur : La borne du transistor par laquelle le courant sort.
• Polarisation : Application d’une tension continue pour fixer le point de fonctionnement d’un transistor.
• Diviseur de tension : Association de résistances (R1-R2) pour fournir une tension spécifique à la base.
• Vbe : Tension entre la base et l’émetteur, seuil de conduction d’environ 0,65 V.
• hfe : Gain en courant d’un transistor, rapport entre courant collecteur et courant base.
• Ligne de charge : Représentation graphique reliant la tension d’alimentation au courant maximal admissible.
• Point de travail : Position sur la ligne de charge définissant la tension et le courant au repos du transistor.
• Distorsion de croisement : Distorsion due à l’absence de conduction entre deux transistors en classe B lors du passage d’une demie onde à l’autre.
• Classe A : Mode d’amplification où le transistor conduit en permanence, avec faible distorsion mais forte dissipation.
• Classe B : Mode où le transistor conduit uniquement sur une demie onde, avec distorsion de croisement.
• Classe AB : Mode intermédiaire où les transistors conduisent légèrement au repos, éliminant la distorsion de croisement.
• Classe C : Mode où le transistor conduit moins de la moitié du cycle, utilisé en HF avec forte distorsion.
• Push-pull : Configuration utilisant deux transistors complémentaires pour amplifier les deux demies ondes d’un signal.

Points clés à retenir

• La polarisation de la base détermine la classe de fonctionnement du transistor.
• La jonction base-émetteur agit comme une diode avec une tension seuil d'environ 0,65 V.
• En classe A, le transistor conduit en permanence avec un point de travail au milieu de la ligne de charge.
• En classe B, le transistor conduit uniquement sur une demie onde, nécessitant deux transistors complémentaires pour un signal complet.
• La classe AB élimine la distorsion de croisement en polarisant légèrement les transistors.
• La classe C est réservée aux amplificateurs haute fréquence, avec une forte distorsion.
• Le gain du transistor peut être ajusté par une résistance entre l’émetteur et la masse.
• La ligne de charge permet de visualiser le point de travail et les limites de fonctionnement du transistor.