les amplificateurs

LES AMPLIFICATEURS

Plan du travail

1.   Généralités sur les amplificateurs basses fréquences

2.    Le signal audio

3.   Les amplificateurs petits signaux

·              Impédance d'entrée et niveaux d'entrée

·           Impédance de sortie et niveaux de sortie

·             Caractéristiques de transfert

4.       Les amplificateurs grands signaux

1. Généralités sur les amplificateurs basses fréquences

Entre la prise de son et les haut-parleurs, l'amplification est présente à plusieurs endroits de la chaîne et à l'intérieur de (presque) tous les appareils. Nous entendons parler de préamplificateur, d'étage amplificateur ou encore d'amplificateur de puissance (ou amplificateur final).

A chaque amplificateur, il est demandé de transiter un signal entre une entrée et une sortie et de lui apporter un certain nombre de modifications, fixes ou variables. Généralement, le traitement du signal audio peut être séparé en deux parties. Petits et grands signaux. Les modifications principales sont apportées en petits signaux alors que la puissance est obtenue seulement à la fin de la chaîne.

Exemple d'une chaîne audio composée d'appareils ou d'étages amplificateurs :

Afin de connaître l'utilité ou les fonctions d'un étage ou appareil amplificateur, il faut chercher à savoir à quel endroit de la chaîne il se trouve. De même, il faut chercher à connaître les caractéristiques du signal qui entre ainsi que les modifications demandées.

Par exemple, l'appareil ou étage de sélection doit permettre au minimum le choix des sources et de délivrer un signal ayant un niveau constant à sa sortie, quelque soit la source.

Avec les caractéristiques d'entrée et de sorties, nous pouvons savoir quelles sont les modifications apportées par l'amplificateur. Ou alors, avec les caractéristiques de sorties et les modifications apportées par l'ampli, nous pouvons savoir quelles caractéristiques doit avoir le signal à l'entrée.
ENTREE + MODIFICATIONS = SORTIE

Dans la pratique de maintenance, il est généralement plus facile de mesurer le signal audio aux entrées et aux sorties plutôt qu'à l'intérieur des amplificateurs. C'est pourquoi il est impératif de bien connaître les caractéristiques du signal qui transite.

2. Le signal audio

Avant d'étudier les caractéristiques des amplificateurs, regardons d'un peu plus près le signal audio et ses caractéristiques principales.

Le signal audio peut être visualisé en représentation temporelle, par exemple de forme sinusoïdale.

Cette forme de signal permet les calculs et les mesures à l'oscilloscope en atelier. Elle permet de repérer l'amplitude maximale dès qu'il y a écrêtage, ou encore si la forme est différente à la sortie en comparaison à l'entrée.

Toutefois, le signal audio " réel ", est de forme complexe. Voir à cet effet la page Signal acoustique dans introduction à l'acoustique de ce site.

Le signal audio peut être visualisé en représentation spectrale. Cette forme permet de connaître le contenu en fréquences du signal. Une sinusoïde devient un unique trait, appelé raie spectrale.

Alors que le signal audio peut contenir des fréquences allant de 20Hz à 20kHz . Nous parlons alors de plage de fréquences, ou de bande passante. Cette visualisation permet également de comprendre le rôle de certains réglages comme les tonalités, par exemple.

L'appareil qui permet une telle visualisation est appelé analyseur spectral ; il effectue un balayage et indique quelle amplitude est présente à quelle fréquence.

Il est à noter que l'absence de signal est d'une signification importante en audio. Idéalement, lorsque la source sonore est silencieuse, les haut-parleurs devraient rester strictement silencieux. Or nous avons déjà tous entendu une fois ou l'autre le son que délivre une sonorisation avant le début d'un concert. Nous appelons ce son, ou cette absence de son, le souffle ou le bruit.

Connaître la quantité de souffle nous permet de savoir l'amplitude minimale du signal audio " utile ". Le rapport entre l'amplitude maximale (S sur le dessin) et l'amplitude minimale (B sur le dessin) est appelé dynamique du signal audio.

Us max. Us max.
Dynamique maximale = ------------ [ ] Rapport signal/bruit S/B = 20 × log ------------- [dB]
Us bruit Us bruit

3. Les amplificateurs petits signaux

Les caractéristiques d'entrées et de sorties sont aussi importantes que les caractéristiques de transferts pour les amplificateurs qui transitent des petits signaux. En plus, le niveau de signal qui arrive à l'entrée est également important.

3.1 Impédance d'entrée et niveaux d'entrée

Deux caractéristiques sont importantes pour l'entrée d'un amplificateur petits signaux. Son impédance d'entrée et les niveaux (nominal + maximal) du signal nécessaire à lui appliquer.

L'impédance d'entrée nous donne l'indication sur la puissance qu'il faut fournir à l'entrée pour assurer un bon fonctionnement.

L'impédance permet de déterminer également si la commande est une commande en tension, en courant ou adaptée.
Rig < Ze --> commande en tension --> U = constant
Rig = Ze --> commande adaptée --> P = maximum
Rig > Ze --> commande en courant --> I = constant

Le niveau nominal nous indique l'amplitude nécessaire au bon fonctionnement de l'amplificateur. C'est l'amplitude pour laquelle le montage à été conçu et présente le minimum de défauts. Nous parlons de la sensibilité nominale de source, exprimée en volts [V] ou [mV].

Le niveau maximal nous permet de calculer l'amplitude maximale admissible à l'entrée. qui nous indique l'amplitude maximale à partir de laquelle l'amplificateur va amener des distorsions importantes. Un niveau s'exprime en décibel+référence [dBréf].

3.2 Impédance de sortie et niveaux de sortie

La sortie d'un amplificateur est à considérer comme un générateur de tension avec sa propre résistance interne Ri.
Il est souvent aisé de mesurer le signal à la sortie d'un amplificateur. Nous pouvons mesurer le signal à vide (Rch = infini) et avec une charge raccordée (Rch < infini), de plus en variant la fréquence à l'entrée de l'amplificateur.

Avec la technologie actuelle, la notion de bande passante (en Hertz) est souvent accompagnée de la notion de temps de réponse (en seconde par volt [s/V] ou [ms/V]).

3.3 Caractéristiques de transfert

La plus évidente mais importante fonction d'un amplificateur est d'amplifier un signal, ce qu'exprime le gain.

La tâche d'amplifier consiste à fournir un signal d'un niveau déterminé sur une charge déterminée lorsqu'il lui est appliqué à l'entrée un signal déterminé (Ne, Ns et Rch sont connus).

Ce peut être la tension, le courant ou la puissance qui devra être régulé à la sortie, malgré des variations importantes du signal à l'entrée, et/ou des variations climatiques, par exemple la température, qui ont une très grande influence sur les circuits électroniques.

D'autres fonctions sont demandées à un amplificateur. Notamment des modifications en fréquences du signal. Les correcteurs de tonalités en sont un bon exemple

En plus l'amplificateur doit souvent fournir un signal avec la plus grande précision possible et en y amenant qu'un minimum de déformations. Nous parlons de distorsions. L'appellation " distorsions linéaires " est une manière de parler de la courbe de réponse en fréquence d'un amplificateur. Actuellement cette distorsion est réellement négligeable.

Les distorsions non linéaires (également appelées distorsions harmoniques) concernent la modification en harmoniques du signal d'entrée sur le signal de sortie. Ces distorsions dépendent passablement de la puissance de sortie délivrée par l'amplificateur. Les fabricants nous donnent parfois le graphique de la distorsion harmonique totale en fonction de la puissance. Nous remarquons la montée très importante dès que la puissance nominale est dépassée (écrêtage).

Les éléments amplificateurs (transistors, circuits intégrés, etc.) ont généralement une caractéristiques tension-courant non linéaire. Cette non linéarité entraîne des distorsions d'intermodulation. Un signal de fréquence élevée est " modulé " par un signal de fréquence basse, par exemple. Cette distorsion est souvent très faible aux puissances de sorties nominales.

Dans la pratique de maintenance, nous pouvons mesurer un certain nombre de fonctions d'un amplificateur à l'aide du schéma de mesure ci dessous. Par exemple, l'amplitude maximale d'entrée, la tension de souffle à la sortie (donc le rapport S/B), la courbe de réponse, etc.

4 Les amplificateurs grands signaux

L'idéal serait un amplificateur qui délivre une puissance aussi grande que possible avec une stabilité à toutes épreuves et avec un minimum de consommation propre, donc sans pertes ni échauffement.

La puissance nécessaire pour actionner les haut-parleurs varie de quelques watts à quelques centaines de watts dans les installations d'appartement. Nous pouvons compter quelques centaines à quelques milliers de watts pour les installation de sonorisation. Cette puissance délivrée à la sortie est consommée au travers de l'alimentation. Et pour réussir à délivrer de telles quantités sans trop d'échauffement, il est impératif que les amplificateurs présentent un minimum de pertes. Le rendement est une caractéristique importante pour les amplificateurs grands signaux.

Les éléments de puissance (transistors, tubes, circuits intégrés) sont montés sur des radiateurs proche de l'alimentation. Les circuits qui sont traversés par les grands courants sont réalisés de manière à être le plus court possible.

D'autre part, pour garantir une bonne stabilité en température ou envers les surcharges, les éléments de puissance sont protégés par des circuits de contre réaction autant statique que dynamique (voir cours d'électronique). Ce qui complique considérablement la tâche du dépanneur.