Amplificateurs électroniques en électronique industrielle

Ce sont des appareils conçus pour amplifier la tension, le courant et la puissance d'un signal électrique.

L'amplificateur le plus simple est un circuit à transistor. L'utilisation d'amplificateurs est due au fait que, généralement, les signaux électriques (tensions et courants) entrant dans les appareils électroniques sont de faible amplitude et qu'il est nécessaire de les augmenter à la valeur nécessaire suffisante pour une utilisation ultérieure (conversion, transmission, alimentation de la charge ).

La figure 1 montre les dispositifs nécessaires pour faire fonctionner l'amplificateur.

Figure 1 — Environnement de l'amplificateur

La puissance libérée lorsque l'amplificateur est chargé est la puissance convertie de son alimentation et le signal d'entrée ne fait que le piloter. Les amplificateurs sont alimentés par des sources de courant continu.

Habituellement, l'amplificateur se compose de plusieurs étages d'amplification (Fig. 2). Les premiers étages d'amplification, destinés principalement à amplifier la tension du signal, sont appelés préamplificateurs. Leurs circuits sont déterminés par le type de source de signal d'entrée.

L'étage qui sert à amplifier la puissance du signal est appelé le terminal ou la sortie.Leur schéma est déterminé par le type de charge. Aussi, l'amplificateur peut comporter des étages intermédiaires destinés à obtenir l'amplification nécessaire et (ou) à former les caractéristiques nécessaires du signal amplifié.

Figure 2 — Structure de l'amplificateur

Classement des amplificateurs :

1) en fonction du paramètre amplifié, tension, courant, amplificateurs de puissance

2) par la nature des signaux amplifiés :

• amplificateurs de signaux harmoniques (continus);

• amplificateurs de signal d'impulsion (amplificateurs numériques).

3) dans la gamme des fréquences amplifiées :

• amplificateurs CC;

• Amplificateurs CA

• basse fréquence, haute, ultra haute etc.

4) par la nature de la réponse en fréquence :

• résonnant (amplifie les signaux dans une bande de fréquence étroite);

• passe-bande (amplifie une certaine bande de fréquence);

• large bande (amplifie toute la gamme de fréquences).

5) par type d'éléments de renforcement :

• de lampes électriques à vide;

• sur les dispositifs semi-conducteurs ;

• sur les circuits intégrés.

Lors de la sélection d'un amplificateur, sortez des paramètres de l'amplificateur :

• puissance de sortie mesurée en watts. La puissance de sortie varie considérablement en fonction de l'objectif de l'amplificateur, par exemple dans les amplificateurs de son - des milliwatts dans les écouteurs aux dizaines et centaines de watts dans les systèmes audio.

• Gamme de fréquences, mesurée en hertz. Par exemple, le même amplificateur audio doit généralement fournir un gain dans la plage de fréquences de 20 à 20 000 Hz et un amplificateur de signal de télévision (image + son) - 20 Hz - 10 MHz et plus.

• Distorsion non linéaire, mesurée en pourcentage %. Il caractérise la distorsion de forme du signal amplifié. Généralement, plus un paramètre donné est bas, mieux c'est.

• L'efficacité (rapport d'efficacité) est mesurée en pourcentage%.Indique la quantité d'énergie de l'alimentation électrique utilisée pour dissiper l'énergie dans la charge. Le fait est qu'une partie de la puissance de la source est gaspillée, dans une plus grande mesure ce sont des pertes de chaleur - le flux de courant provoque toujours un échauffement du matériau. Ce paramètre est particulièrement important pour les appareils auto-alimentés (à partir d'accumulateurs et de batteries).

La figure 3 montre un circuit de préampli à transistor bipolaire typique. Le signal d'entrée provient d'une source de tension Uin Les condensateurs de blocage Cp1 et Cp2 transmettent la variable ie. signal amplifié et ne passent pas de courant continu, ce qui permet de créer des modes de fonctionnement indépendants pour le courant continu dans les étages amplificateurs connectés en série.

Figure 3 — Schéma de l'étage amplificateur d'un transistor bipolaire

Les résistances Rb1 et Rb2 sont le diviseur principal fournissant le courant de démarrage à la base du transistor Ib0, la résistance Rk fournit le courant de démarrage au collecteur Ik0. Ces courants sont appelés courants laminaires. En l'absence de signal d'entrée, ils sont constants. La figure 4 montre les chronogrammes de l'amplificateur. Un diagramme temporel est une variation d'un paramètre dans le temps.

La résistance Re fournit un retour de courant négatif (NF). La rétroaction (OC) est le transfert d'une partie du signal de sortie vers le circuit d'entrée de l'amplificateur. Si le signal d'entrée et le signal de retour sont en opposition de phase, le retour est dit négatif. OOS réduit le gain, mais en même temps réduit la distorsion harmonique et augmente la stabilité de l'amplificateur. Il est utilisé dans presque tous les amplificateurs.

La résistance Rf et le condensateur Cf sont des éléments de filtrage.Le condensateur Cf forme un circuit à faible résistance pour la composante variable du courant consommé par l'amplificateur depuis la source Up. Des éléments de filtrage sont nécessaires si plusieurs sources d'amplification sont alimentées à partir de la source.

Lorsqu'un signal d'entrée Uin est appliqué, le courant Ib ~ apparaît dans le circuit d'entrée, et dans la sortie Ik ~. La chute de tension créée par le courant Ik ~ à travers la charge Rn sera le signal de sortie amplifié.

D'après les diagrammes temporaires des tensions et des courants (Fig. 3), on peut voir que les composantes variables des tensions à l'entrée Ub ~ et à la sortie Uc ~ = Uout de la cascade sont antiphases, c'est-à-dire l'étage de gain du transistor OE change (inverse) la phase du signal d'entrée dans le sens opposé.

Figure 4 — Chronogrammes des courants et des tensions dans l'étage amplificateur d'un transistor bipolaire

Un amplificateur opérationnel (OU) est un amplificateur DC/AC avec un gain élevé et une rétroaction négative profonde.

Il permet la mise en œuvre d'un grand nombre d'appareils électroniques, mais est traditionnellement appelé amplificateur.

On peut dire que les amplificateurs opérationnels sont l'épine dorsale de toute électronique analogique. La large utilisation des amplificateurs opérationnels est associée à leur flexibilité (la capacité de construire divers dispositifs électroniques sur leur base, à la fois analogiques et pulsés), une large gamme de fréquences (amplification des signaux continus et alternatifs), l'indépendance des principaux paramètres de déstabilisation externe facteurs (changement de température, tension d'alimentation, etc.). Les amplificateurs intégrés (IOU) sont principalement utilisés.

La présence du mot "opérationnel" dans le nom s'explique par la possibilité que ces amplificateurs puissent effectuer un certain nombre d'opérations mathématiques - addition, soustraction, différenciation, intégration, etc.

La figure 5 montre l'IEE UGO.L'amplificateur a deux entrées - avant et arrière et une sortie. Lorsque le signal d'entrée est appliqué à une entrée non inverseuse (directe), le signal de sortie a la même polarité (phase) — Figure 5, a.

Figure 5 — Désignations graphiques conventionnelles des amplificateurs opérationnels

Lors de l'utilisation de l'entrée inverseuse, la phase du signal de sortie sera décalée de 180° par rapport à la phase du signal d'entrée (polarité inversée) — Figure 6, b. Les entrées et sorties inversées sont encerclées.

Figure 6 — Diagrammes temporels de l'amplificateur opérationnel : a) — non inverseur, b) — inverseur

Lorsqu'une tension est appliquée au papier peint, la tension de sortie est proportionnelle à la différence entre les tensions d'entrée. Ces. le signal d'entrée inverseur est accepté avec un signe «-». Uout = K (Uneinv — Uinv), où K est le gain.

Figure 7 — Caractéristique d'amplitude de l'ampli-op

L'ampli-op est alimenté par une source bipolaire, généralement +15 V et -15 V. Une alimentation unipolaire est également autorisée. Les autres conclusions de l'IOU sont indiquées telles qu'elles sont utilisées.

Le fonctionnement de l'ampli-op est expliqué par la caractéristique d'amplitude - Figure 8. Sur la caractéristique, on distingue une section linéaire, dans laquelle la tension de sortie augmente proportionnellement à une augmentation de la tension d'entrée, et deux sections de saturation U + sat et U- sat. A une certaine valeur de la tension d'entrée Uin.max, l'amplificateur passe en mode de saturation, dans lequel la tension de sortie prend une valeur maximale (à une valeur de Up = 15 V, environ Uns = 13 V) et reste inchangée avec un autre augmentation du signal d'entrée. Le mode saturation est utilisé dans les dispositifs à impulsions basés sur des amplificateurs opérationnels.

Les amplificateurs de puissance sont utilisés dans les dernières étapes de l'amplification et sont conçus pour créer la puissance requise dans la charge.

Leur principale caractéristique est de fonctionner à des niveaux de signal d'entrée élevés et à des courants de sortie élevés, ce qui nécessite l'utilisation d'amplificateurs puissants.

Les amplificateurs peuvent fonctionner en modes A, AB, B, C et D.

En mode A, le courant de sortie du dispositif amplificateur (transistor ou tube électronique) est ouvert pendant toute la durée du signal amplifié (c'est-à-dire constamment) et le courant de sortie le traverse. Les amplificateurs de puissance de classe A introduisent une distorsion minimale dans le signal amplifié, mais ont un rendement très faible.

En mode B, le courant de sortie est divisé en deux parties, un amplificateur amplifie l'alternance positive du signal, le second négatif. Il en résulte un rendement plus élevé qu'en mode A, mais aussi de fortes distorsions non linéaires se produisant au moment de la commutation des transistors.

Le mode AB répète le mode B, mais au moment du passage d'une alternance à l'autre, les deux transistors sont ouverts, ce qui permet de réduire les distorsions tout en conservant un rendement élevé. Le mode AB est le plus courant pour les amplificateurs analogiques.

Le mode C est utilisé dans les cas où il n'y a pas de distorsion de la forme d'onde lors de l'amplification, car le courant de sortie de l'amplificateur circule pendant moins d'une demi-période, ce qui, bien sûr, entraîne de fortes distorsions.

Le mode D utilise la conversion des signaux d'entrée en impulsions, l'amplification de ces impulsions, puis leur reconversion.Dans ce cas, les transistors de sortie fonctionnent en mode clé (le transistor est totalement fermé ou totalement ouvert), ce qui rapproche le rendement de l'amplificateur de 100% (en mode AV, le rendement ne dépasse pas 50%). Les amplificateurs fonctionnant en mode D sont appelés amplificateurs numériques.

Dans un circuit push-pull, l'amplification (modes B et AB) se produit en deux cycles d'horloge. Pendant la première alternance, le signal d'entrée est amplifié par un transistor, et l'autre est fermé pendant cette alternance ou une partie de celle-ci. Dans la seconde alternance, le signal est amplifié par le second transistor tandis que le premier est bloqué.

Le circuit coulissant de l'amplificateur à transistors est illustré à la figure 8. L'étage à transistors VT3 fournit une poussée aux transistors de sortie VT1 et VT2. Les résistances R1 et R2 définissent le mode de fonctionnement constant des transistors.

Avec l'arrivée d'une alternance négative Uin, le courant de collecteur VT3 augmente, ce qui entraîne une augmentation de la tension aux bases des transistors VT1 et VT2. Dans ce cas, VT2 se ferme et à travers VT1 le courant du collecteur traverse le circuit: + Up, transition K-E VT1, C2 (pendant la charge), Rn, cas.

Lorsqu'une demi-onde positive arrive, Uin VT3 se ferme, ce qui entraîne une diminution de la tension aux bases des transistors VT1 et VT2 - VT1 se ferme, et à travers VT2 le courant de collecteur traverse le circuit: + C2, transition EK VT2 , cas, Rn, -C2 . J

Cela garantit que le courant des deux demi-ondes de la tension d'entrée traverse la charge.

Figure 8 — Schéma d'un amplificateur de puissance

En mode D, les amplificateurs fonctionnent avec modulation de largeur d'impulsion (PWM)… Le signal d'entrée module impulsions rectangulairesen modifiant leur durée.Dans ce cas, le signal est converti en impulsions rectangulaires de même amplitude dont la durée est proportionnelle à la valeur du signal à tout instant.

Le train d'impulsions est envoyé au(x) transistor(s) pour amplification. Comme le signal amplifié est pulsé, le transistor fonctionne en mode clé. Le fonctionnement en mode clé est associé à des pertes minimales, puisque le transistor est soit fermé, soit complètement ouvert (a une résistance minimale).Après amplification, la composante basse fréquence (signal d'origine amplifié) est extraite du signal à l'aide d'un filtre passe-bas ( LPF) et alimenté à la charge.

Figure 9 — Schéma fonctionnel d'un amplificateur de classe D

Les amplificateurs de classe D sont utilisés dans les systèmes audio portables, les communications mobiles, les dispositifs de commande de moteur, etc.

Les amplificateurs modernes se caractérisent par l'utilisation généralisée de circuits intégrés.