Chapitre 8: Les classes d'amplification  

Nous venons de voir la fonction amplification appliquée dans les trois montages fondamentaux du transistor. (Ces montages offrent des caractéristiques de gain, de phase et d’impédances différentes). Il existe plusieurs classes d'amplification : classes A, B, C et d’autres d'usage moins courant. Jusqu'à présent nous n'avons étudié que des montages polarisés en classe “A”. Les différentes classes d'amplification permettent d'obtenir des linéarités et rendements différents.  

• 1. Classe d'amplification
• 2. La classe A
• 3. La classe B
• 4. La classe AB
• 5. La classe C
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1.      La classe d'amplification ne dépend que de la polarisation :

C'est le positionnement du point de repos sur la droite de charge qui détermine la classe d'amplification. On peut le faire évoluer du point de blocage au point de saturation par le choix judicieux de quelques résistances.

2.      La classe A :

Pour faire fonctionner un amplificateur en classe A, on doit positionner le point de repos Q (Quiescent en anglais) au milieu de la droite de charge. Ceci signifie qu'au repos (sans application du signal) un courant IC permanent circule dans le transistor.

Comme nous l'avons vu, le signal d'entrée superposé à la polarisation continue va déplacer le point Q sur la droite de charge. On veillera naturellement à ne pas atteindre les limites que sont les points de blocage et de saturation sous peine d'avoir un signal distordu.

La figure ci-dessous représente la caractéristique IC en fonction de IB. En classe A, le courant circule tout au long d'un cycle, on dit que l'angle de conduction est de 360°. Ceci donne une excellente linéarité (la forme du signal de sortie est rigoureusement identique à la forme du signal d'entrée) mais le circuit s'avère gourmand en énergie car le rendement (puissance fournie sur puissance consommée) atteint péniblement 50%.

La classe A est très utilisée en basses fréquences et dans les étages bas niveau en hautes fréquences.

Résumé des caractéristiques de la classe A :  

-     Excellente linéarité

-     Rendement moyen (max 50%) car sans signal d'attaque, le transistor consomme la puissance VCE x IC)  

3.      La classe B :

Nous venons de le voir, l'inconvénient majeur de la classe A est son mauvais rendement, ceci se traduit par un dégagement de chaleur non négligeable. L'idéal serait de pouvoir supprimer le courant de polarisation un certain temps.

Ceci est réalisé par la classe B où l'on amène le transistor à fonctionner sans signal d'attaque juste au point de blocage (“cutoff”). Dès que l'alternance positive du signal d'attaque sera présente, le transistor se débloquera et conduira.

Le point de polarisation est à IC = 0, le transistor est à peine bloqué. 

Le signal d'attaque débloque le transistor durant un demi-cycle. L'angle de conduction est de 180°.

Il est évident que le rendement sera meilleur puisque le transistor ne consomme plus inutilement de la puissance au repos, en revanche la sortie ne restitue qu'une alternance sur deux. De plus, comme le déblocage du transistor est lié à la présence du signal d'attaque, pour les petits signaux, le transistor ne travaillera pas dans une partie droite de sa caractéristique et l'amplificateur ne sera pas linéaire.  

Pour amplifier de manière égale les deux alternances, nous avons recours au montage PUSH-PULL (Pousser - Tirer) composé de deux transistors. L'un (NPN) amplifie l'alternance positive, l'autre (PNP) l'alternance négative.

Le montage push-pull nécessite une attention particulière quant à la distorsion de passage ou de recouvrement, dite “cross-over”. Cette distorsion a lieu lors du changement d'alternance.  

Voici le signal de sortie d'un amplificateur push-pull classe B. On mesure très nettement la distorsion lors du changement d'alternance. On remédie à ce problème en augmentant légèrement l'angle de conduction de chaque transistor qui devient > 180° au détriment naturellement du rendement.

Résumé des caractéristiques de la classe B :  

- Bon rendement (60%)

- Distorsion de croisement

- Nécessité d'un ensemble symétrique

4.      La classe AB :

Nous sommes confrontés au dilemme suivant :

- nous avons besoin de puissance

- nous avons besoin de linéarité

- nous ne voulons et ne pouvons pas concevoir des systèmes à trop faible rendement.

Pour essayer d'apporter une réponse à peu près cohérente aux points évoqués ci-dessus, la technique nous offre la classe AB. 

Principe : pour éliminer la distorsion de croisement, les deux transistors de l’arrangement push-pull doivent être polarisés légèrement au-dessus du blocage lorsqu’il n’y a aucun signal. Cette variante de l’amplificateur classe B représente la classe AB.  

Cette polarisation, inférieure à ce qu'elle serait en classe A, permet au transistor de peu débiter sans signal. La linéarité naturellement en souffre mais nous chargerons l’amplificateur par un circuit de sortie qui aura, entres autres, la fonction de filtrer les harmoniques produits par ces non-linéarités.

L’alimentation double polarité n’est plus requise lorsque la résistance de charge est couplée par condensateur. Lorsque les caractéristiques des diodes D1 et D2 sont assorties de près aux caractéristiques de transconductance des transistors, une polarisation stable peut être maintenue en dépit de la température.

  Exemple : Amplificateur classe AB avec préamplificateur classe A.

Résumé des caractéristiques de la classe AB :

- Rendement moyen

- linéarité acceptable

5.      La classe C :

Très utile dans les multiplicateurs de fréquence et d'une manière générale à chaque fois que l'on a besoin d'un amplificateur fortement non linéaire, elle est utilisée dans l'amplification de puissance. Le principe est simple : il suffit que le dispositif amplificateur conduise seulement sur une fraction très faible du cycle, de manière à ne délivrer qu'une impulsion de forte puissance.

5.1  Fixation du niveau DC

Durant la première alternance positive, la diode est polarisée en direct, le condensateur se charge à la valeur crête moins 0.7 volt soit  (12-0.7) = 11.3 volts 

Pendant l’alternance négative, la diode est bloquée. À ses bornes, on a deux sources de tensions en série : la source alternative et le condensateur chargé à 11.3 volts.

Dans le cas d’un amplificateur en classe C, la diode D est représentée par la jonction base-émetteur du transistor (voir figure suivante). Ce dernier ne conduira qu’un court instant sur les crêtes positives du signal qui se retrouve sur sa base. La jonction base-émetteur et le condensateur C permettent de verrouiller négativement le signal comme le montre la figure précédente.

Bien évidemment, le dispositif sera fortement non linéaire, et il faudra restituer la partie manquante du signal par un circuit accordé à fort coefficient de qualité.

La figure ci-dessus le laisse apparaître clairement, seule une partie du signal d'entrée est amplifiée car elle a l'amplitude nécessaire pour débloquer le dispositif amplificateur qui est fortement polarisé pour le blocage. On obtient des impulsions en sortie de forte amplitude. Comme le dispositif n'est pas linéaire on l'utilise pour réaliser des mélangeurs, des multiplicateurs de fréquence. Le rendement est excellent et atteint 75%.  

5.2  Polarisation par circuit de fixation d’un amplificateur classe C

La jonction base-émetteur fonctionne comme une diode. Lorsque le signal d’entrée devient positif, le condensateur C1 se charge à la valeur crête. Cette action produit une tension moyenne d’environ (– V crête). Le transistor est alors actionné en blocage sauf durant les crêtes positives, pour lesquelles le transistor conduit pendant un court instant. La constante de temps R1 x C1 doit être plus grande que la période du signal d’entrée.  

La fréquence de résonance du circuit LC2 est F = 1 / 2p. La brève pulsation de courant au collecteur pour chaque cycle de l’entrée amorce et maintient en marche l’oscillation du circuit résonant pour produire une tension sinusoïdale à la sortie.

Différentes étapes d’un cycle  

La pulsation du courant charge le condensateur C2 à une valeur d’environ +VCC. Après la pulsation, le condensateur se décharge rapidement et charge la bobine L.

Une fois le condensateur complètement déchargé, le champ magnétique de la bobine disparaît et recharge le condensateur mais dans la direction contraire à la charge précédente.  

Le condensateur se décharge à nouveau et fait augmenter le champ magnétique de la bobine.  

La bobine recharge rapidement le condensateur à une crête positive légèrement inférieure à la précédente, dû à la perte d’énergie dans la résistance de l’enroulement et complète le cycle.

Tableau récapitulatif des propriétés des classes d'amplification 

Il existe beaucoup d'autres classes d'amplification beaucoup plus exotiques faisant appel à des signaux carrés plus ou moins modulés. Pour l'instant ceci ne nous concerne pas. Vous en savez assez sur les classes d'amplification, essayez de retenir les fondamentales, ce sera suffisant, surtout retenez que c'est la polarisation qui détermine la classe.  

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