Chapitre 6: Amplification 

1.      Amplifier, qu'est-ce que c'est et à quoi cela sert-il ? 

Partant d'un signal infinitésimal (ou presque) délivré soit pas des têtes de lecture, un lecteur CD ou un tuner, on est capable de produire un son assourdissant. Il a fallu amplifier le signal de départ très faible en un signal susceptible de faire bouger des membranes de haut-parleurs. 

Dans le cas que nous venons de citer, nous avons eu des exigences particulières, nous avons par exemple souhaité que notre signal amplifié soit rigoureusement identique quant à la forme au signal d'origine, seule la puissance a changé. Pour amplifier un signal quel qu'il soit, nous prendrons de l'énergie sur une source (l'alimentation) et nous transformerons cette énergie pour la rendre rigoureusement conforme au signal d'origine. 

2.      Comment est-ce possible ?

 

On se souvient de cette caractéristique que nous avons tracée pour notre transistor. Celui-ci était polarisé par en ensemble de composants externes pour fonctionner “en statique” au point de repos ayant les caractéristiques suivantes : IC = 4.2 mA, VCE = 14.3 V

Imaginons maintenant que nous fassions lentement bouger notre point de repos Q le long de la droite de charge. Pour ce faire nous allons faire varier la polarisation en modifiant par exemple le pont diviseur de base. 

À un certain moment nous nous approcherons du point de blocage (VCE = VCC). En faisant varier dans l'autre sens, nous nous rapprocherons du point de saturation (VCE=0) 

Entre ces deux points, le courant collecteur variera continûment. Comme il y a courant, il y a chute de tension dans la résistance de collecteur RC. Cette chute de tension suivra le rythme imposé par le courant (VRC = RC x I) et passera de 0 (rien) quand le transistor sera presque bloqué à une tension VCC quand le transistor sera presque saturé. C'est cette tension, image parfaite du courant, que nous récupérerons. Notez que l'on fera fonctionner le transistor sur une plage assez réduite de la droite de charge, de manière justement à éviter et le blocage et la saturation. 

3.      Comment faire varier le point de repos sur la droite de charge sachant que nos éléments sont fixes ?

Nos éléments de polarisation sont fixes, quelque chose doit varier pour que notre point de repos se déplace sur la droite de charge. Ce quelque chose, c'est la tension d'entrée à amplifier que nous allons appliquer sur la base. Comme il s'agit d'un signal alternatif, les alternances positives viendront s'ajouter à la tension de polarisation existante, ceci augmentera la polarisation de la jonction Base - Émetteur, ce qui aura pour effet de faire croître IB, donc le courant IC, les alternances négatives viendront se retrancher à la polarisation existante, ce qui diminuera la courant IB donc IC. 

Sur le dessin ci-dessous, la variation sinusoïdale du courant collecteur, provoquée par une tension sinusoïdale en entrée, se retrouve sous forme de tension (chute de tension aux bornes de RC) entre le collecteur et l'émetteur du transistor.


4.      Comment acheminer les signaux alternatifs à amplifier vers la base et comment les récupérer sur le collecteur ? 

Comme nous l'avons déjà dit, on amplifie des signaux alternatifs. Ceux-ci peuvent provenir d'un microphone, de l'étage d'entrée d'un récepteur, d'un mélangeur, bref d'une multitude de sources. 

Il va falloir convoyer ces signaux vers l'entrée du transistor et les récupérer, amplifiés, à la sortie. Pour ce faire nous allons utiliser un composant bien connu qui à la particularité de laisser les signaux alternatifs passer et de bloquer le continu : Le condensateur. 

Un condensateur, outre cette intéressante propriété, présente une réactance qui est fonction de sa capacité et de la fréquence de travail. Ceci implique que le choix de sa valeur ne sera pas anodin et qu'il conviendra d'utiliser pour une fréquence donnée, la valeur du condensateur offrant la réactance minimum, au point de pouvoir considérer celui-ci comme un court-circuit pour les signaux alternatifs. 

Le montage sera donc modifié comme suit : 

On enverra les signaux par l'intermédiaire d'un condensateur à l'entrée et on récupérera, à la sortie, les variations d'entrée amplifiées par un autre condensateur. Ces condensateurs seront appelés condensateurs de couplage. Nous voici en présence d'un amplificateur B.F. (basses fréquences) complet. 

 

XC = 1 / 2 p F C 

On peut utiliser le condensateur d'une autre manière, cette fois-ci, il sera chargé de dériver les signaux alternatifs vers la masse, il deviendra un condensateur de découplage. Placé entre émetteur et masse, il va envoyer les signaux alternatifs vers la masse ce qui aura pour effet d'augmenter fortement le gain de l'amplificateur.

En observant le montage, et en imaginant que CE est déconnecté, vous remarquerez que IE varie comme IC, ce n'est pas une nouveauté. Cette variation de IE provoque bien entendu une variation de la tension aux bornes de RE (VRE = IE x RE). Cette variation tend à diminuer la polarisation de la jonction VBE au rythme des variations de IE. Branchons CE, le condensateur élimine complètement la composante alternative, la tension VRE est stable, le gain croît. 

5.      Circuits équivalents en alternatifs et circuits équivalents en continu 

a) Annuler la source alternative (court-circuiter la source de tension, ouvrir la source de courant). Ouvrir tous les condensateurs. Le circuit qui reste s’appelle circuit équivalent en courant continu. Il permet de calculer tous les courants continus et toutes les tensions continues désirés. 

b) Annuler la source continue (court-circuiter une source de tension, ouvrir une source de courant). Court-circuiter tous les condensateurs de couplage et de découplage. Le circuit qui reste s’appelle circuit équivalent en courant alternatif. Il permet de calculer les courants alternatifs et les tensions alternatives. 

c) Le courant total de toute branche du circuit est égal à la somme du courant continu et du courant alternatif de cette branche. 

d) Exemple : circuit équivalent en courant continu du circuit ci-dessous : 

Pour trouver le circuit équivalent sous la forme DC il suffit simplement d'ouvrir tous les condensateurs du circuit puisqu’ils bloquent le passage du courant DC. Ce qui reste sera le circuit équivalent DC.

 

e) Pour trouver le circuit équivalent en AC il faut respecter quelques règles de base. 

Court-circuiter toutes les sources de tensions DC. 

Court-circuiter tous les condensateurs. Si un condensateur est branché en parallèle sur une résistance, la résistance se trouve éliminée du circuit. 

Le circuit restant est le circuit équivalent AC. 

f) Exemple


Le circuit restant est le circuit équivalent en alternatif. En fait c’est ce que rencontre le signal dans le circuit.

g) Circuits équivalents du transistor 

Les circuits équivalents du transistor en courant continu et en courant alternatif sont les suivants (modèle d’Ebers-Moll)

 

La figure (a) représente un transistor NPN, la figure (b) est le modèle d’Ebers-Moll en courant continu et la figure (c) est le modèle d’Ebers-Moll en courant alternatif. 

La variation de la tension VBE fait varier le courant d’émetteur. Lorsqu’un signal alternatif attaque le transistor, le courant et la tension d’émetteur varient. Si le signal est petit, le point de fonctionnement se déplace sur une droite, les variations de courant et de tension sont proportionnelles. Pour le signal alternatif, la diode semble une résistance.

 

r’e = DVBE / DIE. 

Comme r’e est le rapport de la variation de VBE à la variation de IE, sa valeur dépend de la position de Q. Le calcul infinitésimal donne : 

r’e = 25 mV / IE 

Cette formule tient compte de plusieurs facteurs à savoir le courant total de la diode, le courant inverse de saturation, la charge de l’électron, la température absolue (oC + 273) et de la constante de Boltzman.

 r’e diminue à mesure que IE augmente.