Un amplificateur est un appareil électronique à deux ports utilisé pour amplifier le signal ou augmenter la puissance d'un signal à l'aide d'une alimentation. L'alimentation est fournie via la borne d'entrée de l'amplificateur. La sortie de l'amplificateur peut être l'amplitude accrue, etc.
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Le gain de l'amplificateur détermine son amplification. C'est le facteur majeur qui détermine le rendement d'un appareil. Les amplificateurs sont utilisés dans presque tous les types de composants électroniques. Le gain est calculé comme le rapport du paramètre de sortie (puissance, courant ou tension) au paramètre d'entrée.
Les amplificateurs sont utilisés dans diverses applications, telles que l'automatisation, la marine, les capteurs, etc. Le gain de puissance d'un amplificateur est généralement supérieur à un. Comprenons quelques caractéristiques de base d'un amplificateur idéal.
Ici, nous discuterons un amplificateur idéal, les types d'amplificateurs, les propriétés, les fonctions, et applications des amplificateurs .
Commençons.
Amplificateur idéal
Considérons les caractéristiques d'un amplificateur idéal, énumérées ci-dessous :
- Impédance d'entrée: Infini
- Impédance de sortie : Zéro
- Gain à différentes fréquences : Fixé
Le port d'entrée d'un amplificateur peut être la source de tension ou la source de courant. La source de tension dépend uniquement de la tension d'entrée et n'accepte aucun courant. De même, la source de courant accepte le courant et aucune tension. La sortie sera proportionnelle à la tension ou au courant dans tout le port.
La sortie d'un amplificateur idéal peut être soit une source de courant dépendante, soit une source de tension dépendante. La résistance de la source de tension dépendante est nulle, tandis que celle de la source de courant dépendante est infinie.
La tension ou le courant de la source dépendante dépend uniquement de la tension ou du courant d'entrée. Cela signifie que la tension de sortie dépendra de la tension d'entrée et que le courant de sortie dépendra respectivement de la source de tension indépendante du courant d'entrée et de la source de courant.
Les amplificateurs idéaux sont en outre classés comme CCCS (Source de courant de contrôle de courant), CCVS (Source de tension de contrôle de courant), VCVS (Source de tension de contrôle de tension), et VCCS (Source de courant de contrôle de tension).
L'impédance d'entrée du CCVS et du CCCS est nulle, tandis que le VCCS et le VCVS sont infinis. De même, l'impédance de sortie du CCCS et du VCCS est infinie, tandis que celle du CCVS et du VCVS est nulle.
Types d'amplificateur
Discutons des différents types d'amplificateurs.
Des amplificateurs opérationnels
Les amplificateurs opérationnels ou amplificateurs opérationnels sont des amplificateurs à couplage direct (CC) à gain élevé qui effectuent diverses opérations mathématiques, telles que l'addition, la différenciation, la soustraction, l'intégration, etc.
Il dispose de deux bornes d'entrée et d'une borne de sortie. Les bornes d'entrée sont appelées bornes inverseuses et non inverseuses. Le signal appliqué à la borne inverseuse apparaîtra comme étant en phase inversée, et le signal appliqué à la borne non inverseuse apparaîtra sans aucune inversion de phase à la borne de sortie.
La tension appliquée à l'entrée inverseuse est représentée par V- et la tension à l'entrée non inverseuse est représentée par V+.
Remarque : l'impédance de sortie et la dérive d'un ampli-op idéal sont de 0. Le gain de tension, l'impédance d'entrée et la bande passante d'un ampli-op idéal sont infinis.
Les amplificateurs opérationnels sont en outre classés en amplificateurs inverseurs et non inverseurs. Discutons en détail des deux types d'amplificateurs opérationnels ci-dessus.
Applications
Les amplificateurs opérationnels sont utilisés dans diverses applications en électronique. Par exemple,
- Filtres
- Comparateur de tension
- Intégrateur
- Convertisseur courant-tension
- Amplificateur d'été
- Déphaseur
L'entrée inverseuse et non inverseuse d'un amplificateur est illustrée ci-dessous :
Amplificateur inverseur
L'amplificateur inverseur est illustré ci-dessous :
Il s'agit de la configuration de retour de shunt de tension de l'ampli-op. Une tension de signal appliquée à l'entrée inverseuse de l'ampli-op entraîne le flux de courant I1 dans l'ampli-op. Nous savons que l'impédance d'entrée de l'ampli-op est infinie. Cela ne permettra pas au courant de circuler dans l’amplificateur. Le courant circulera à travers la boucle de sortie (à travers la résistance R2) jusqu'à la borne de sortie de l'ampli-op.
Le gain de tension à la borne de sortie de l'amplificateur inverseur est calculé comme suit :
A = Vo/Vs = -R2/R1
Où,
Vo et Vs sont la tension de sortie et de signal.
Le signe négatif indique que la sortie de l’amplificateur est déphasée de 180 degrés par rapport à l’entrée.
L'amplificateur inverseur est l'un des amplis opérationnels les plus utilisés. Il possède des impédances d’entrée et de sortie très faibles.
Amplificateur non inverseur
L'amplificateur non inverseur est illustré ci-dessous :
La configuration ci-dessus est la connexion de retour de tension en série. Une tension de signal appliquée à l'entrée non inverseuse de l'ampli-op entraîne le flux de courant I1 dans l'ampli-op et le courant I2 hors de l'ampli-op.
Selon la notion de court-circuit virtuel, I1 = I2 et Vx = Vs.
Le gain de tension de l'amplificateur non inverseur peut être calculé comme suit :
A = A + (R2/R1)
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Les amplificateurs non inverseurs ont des impédances d'entrée élevées et de faibles impédances de sortie. Il est également considéré comme un amplificateur de tension.
Amplificateurs CC
Les amplificateurs CC ou à couplage direct sont utilisés pour amplifier les signaux basse fréquence et à couplage direct. Les deux étages d'un amplificateur DC peuvent être interconnectés en utilisant un couplage direct entre ces étages.
Le couplage direct est un type de connexion simple et facile. Il peut être calculé en connectant directement le collecteur du transistor du premier étage à la base du transistor du deuxième étage, désigné par T1 et T2.
Mais les amplificateurs CC posent deux problèmes appelés décalage de dérive et décalage de niveau. La conception de l’amplificateur différentiel a éliminé ces problèmes. Parlons de l'amplificateur différentiel.
Amplificateurs différentiels
La structure de l'amplificateur différentiel a résolu le problème de la dérive et du décalage de niveau. La structure comprend deux BJT (Bipolar Junction Transistor) amplificateurs connectés uniquement via les lignes d'alimentation. Il est appelé amplificateur différentiel car la sortie de l'amplificateur est la différence entre les entrées individuelles, comme représenté ci-dessous :
Vo = A (Vi1 - Vi2)
Où,
Vo est la sortie et Vi1 et Vi2 sont les deux entrées.
A est le gain de l'amplificateur différentiel.
Maintenant si
Vi1 = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
topologie du réseau
L'opération ci-dessus est appelée un mode différentiel opération. Ici, les signaux d’entrée sont déphasés les uns par rapport aux autres. De tels signaux déphasés sont appelés signaux en mode différence (DM).
Si,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
Dans = 0
Cette opération est connue sous le nom mode commun (CM) car les signaux d’entrée sont en phase les uns avec les autres. La sortie nulle de ces signaux indique qu’il n’y aura pas de dérive dans l’amplificateur.
Amplificateurs de puissance
Les amplificateurs de puissance sont également appelés amplificateurs de courant . Ces amplificateurs sont nécessaires pour augmenter le niveau de courant d'un signal entrant afin de piloter facilement les charges. Les types d'amplificateurs de puissance comprennent les amplificateurs de puissance audio, les amplificateurs de puissance radiofréquence, etc.
Les amplificateurs de puissance sont classés en amplificateurs de classe A, classe AB, classe B et classe C. Nous discuterons des classes d’amplificateurs de puissance plus loin dans cette rubrique.
Amplificateurs à découpage
Les amplificateurs à découpage sont un type d'amplificateur non linéaire à haut rendement.
Un exemple courant de ce type d’amplificateurs est celui des amplificateurs de classe D.
Amplificateur instrumental
L'amplificateur instrumental est utilisé dans les instruments de détection et de mesure analogiques. Prenons un exemple.
Un voltmètre utilisé pour mesurer de très basses tensions nécessite un amplificateur instrumental pour son bon fonctionnement. Il présente diverses caractéristiques, telles qu'un gain de tension très élevé, une bonne isolation, un très faible bruit, une faible consommation d'énergie, une large bande passante, etc.
Retours négatifs
La rétroaction négative est l’une des fonctionnalités essentielles pour contrôler la distorsion et la bande passante des amplificateurs. Le but principal de la rétroaction négative est de réduire le gain du système. La partie de la sortie en phase opposée est réinjectée dans l'entrée. La valeur est ensuite soustraite de l'entrée. Dans le signal de sortie déformé, la sortie avec distorsion est renvoyée dans la phase opposée. Il est soustrait de l'entrée ; on peut dire que la rétroaction négative dans les amplificateurs réduit les non-linéarités et les signaux indésirables.
L'image ci-dessous représente des commentaires négatifs :
Grâce à la rétroaction négative, la distorsion croisée et d'autres erreurs physiques peuvent également être éliminées. Les autres avantages de l’utilisation de la rétroaction négative sont l’extension de la bande passante, la correction des changements de température, etc.
La rétroaction négative peut être une rétroaction négative de tension ou une rétroaction négative de courant. Dans les deux cas, le retour de tension ou de courant est proportionnel à la sortie.
algorithme minimax
Il ne faut pas confondre les retours positifs et négatifs. Les commentaires positifs ont tendance à amplifier le changement, tandis que les commentaires négatifs ont tendance à réduire le changement. Une autre différence est que les signaux d'entrée et de sortie en rétroaction positive sont en phase et s'ajoutent. En cas de rétroaction négative, les signaux d'entrée et de sortie sont déphasés et soustraits.
Appareils actifs dans l'amplificateur
L'amplificateur se compose de certains dispositifs actifs responsables du processus d'amplification. Il peut s'agir d'un seul transistor, d'un tube à vide, d'un composant à semi-conducteurs ou de n'importe quelle partie des circuits intégrés.
Discutons des dispositifs actifs et de leur rôle dans le processus d'amplification.
BJT
BJT est communément appelé un contrôlé par le courant appareil. Les transistors à jonction bipolaire sont utilisés comme commutateurs pour amplifier le courant dans les amplificateurs.
MOSFET
MOSFET ou Transistors à effet de champ à semi-conducteurs à oxyde métallique sont couramment utilisés dans l’amplification des signaux électroniques. Les MOSFET peuvent être utilisés pour modifier la conductivité en contrôlant la tension de grille. Le MOSFET peut également améliorer la force du signal faible. Les MOSFET peuvent donc être utilisés comme amplificateurs.
Amplificateurs à tubes à vide
L'amplificateur à tube à vide utilise des tubes à vide comme dispositif source. Il est utilisé pour augmenter l'amplitude du signal. En dessous des fréquences micro-ondes, les amplificateurs à tubes ont été remplacés par des amplificateurs à semi-conducteurs vers la fin du 19èmesiècle.
Amplificateurs micro-ondes
Les amplificateurs micro-ondes sont couramment utilisés dans les systèmes micro-ondes. Il est utilisé pour augmenter le niveau du signal d’entrée avec très peu de distorsion. Il peut également commuter ou augmenter l’énergie électrique. Il offre une meilleure sortie de périphérique unique par rapport aux dispositifs à semi-conducteurs aux fréquences micro-ondes.
Amplificateurs magnétiques
Les amplificateurs magnétiques ont été développés au 20èmesiècle pour surmonter les inconvénients (capacité de courant et résistance élevées) des amplificateurs à tubes sous vide. Les amplificateurs magnétiques sont similaires aux transistors. Il contrôle la force magnétique du noyau en alimentant la bobine de commande (une autre bobine d'enroulement).
Circuits intégrés
Les circuits intégrés peuvent contenir plusieurs appareils électroniques, tels que des condensateurs et des transistors. La popularité des circuits intégrés a également répandu les appareils électroniques dans le monde entier.
Classes d'amplificateurs de puissance
Les classes d'amplificateurs de puissance sont classées comme classe A, classe B, classe AB, et classe C . Discutons d'une brève description des classes d'amplificateurs de puissance.
Amplificateurs de puissance de classe A
L'entrée de l'amplificateur de classe A est petite, ce qui fait que la sortie est également petite. Il ne produit donc pas beaucoup d’amplification de puissance. Avec les transistors, il peut être utilisé comme amplificateur de tension. Les amplificateurs de classe A dotés de pentodes à vide peuvent également fournir un seul étage d'amplification de puissance pour piloter des charges, telles que des haut-parleurs.
Amplificateurs de puissance de classe B
Les BJT nécessitent généralement des amplificateurs de puissance de classe B pour piloter des charges, telles que des haut-parleurs. L'entrée des amplificateurs de classe B est grande, ce qui fait que la sortie est également très grande. Ainsi, il produit une grande amplification. Mais dans le cas d’un seul transistor, seule la moitié du signal d’entrée est amplifiée.
Amplificateurs de puissance de classe AB
La configuration des amplificateurs de puissance AB se situe entre les amplificateurs de classe A et de classe B. Les amplificateurs de classe AB sont produits en combinant le rendement élevé des amplificateurs de puissance de classe B avec la faible distorsion des amplificateurs de puissance de classe A.
Dans le cas de petites puissances, l'amplificateur de puissance de classe AB peut se comporter comme une classe A. Il peut se comporter comme un amplificateur de puissance de classe B dans le cas de très grandes puissances.
Amplificateurs de puissance de classe C
L'élément de conduction des amplificateurs de puissance de type classe C est constitué de transistors. Il a une meilleure efficacité, mais en raison de la conduction inférieure au demi-cycle, il provoque une distorsion importante. Par conséquent, les amplificateurs de puissance de classe C ne sont pas préférés dans les applications audio. Les applications courantes de tels amplificateurs incluent les circuits radiofréquence.
Propriétés de l'amplificateur
Les amplificateurs sont définis en fonction de leurs propriétés d'entrée et de sortie. Le gain de l'amplificateur détermine son amplification. Le gain et les facteurs de multiplication sont donc les deux propriétés essentielles des amplificateurs.
Discutons des propriétés définies par différents paramètres, répertoriés ci-dessous :
Le gain d'un amplificateur est calculé comme le rapport entre la sortie (puissance, courant ou tension) et l'entrée. Il détermine l'amplification de l'amplificateur. Par exemple, un signal avec une entrée de 10 volts et une sortie de 60 volts aura un gain de 6.
Gain = Sortie/Entrée
Gain = 60/10
Gain = 6
Le gain est exprimé en unité dB (décibels). Les composants passifs ont généralement un gain inférieur à un, tandis que les composants actifs ont un gain supérieur à 1.
La bande passante est définie comme la largeur mesurée en Hertz de la gamme de fréquence utile.
Gamme de fréquences - La gamme de fréquences est généralement spécifiée en termes de réponse en fréquence ou de bande passante.
Le bruit est défini comme tout signal indésirable agissant comme une perturbation dans le système.
Le rendement plus élevé d’un amplificateur entraînerait moins de génération de chaleur et plus de puissance de sortie. Elle est calculée comme le rapport entre la puissance de sortie et l’utilisation de la puissance totale.
La vitesse de balayage est mesurée en volts par microseconde. Il est défini comme le taux maximum de variation de la production. Un taux de balayage supérieur à la plage audible d'un amplificateur entraînerait moins de distorsion et d'erreurs.
Elle est définie comme la capacité de l'amplificateur à produire des copies précises du signal d'entrée.
Les circuits amplificateurs doivent être stables à toutes les fréquences disponibles. Elle est définie comme la capacité d’éviter les oscillations indésirables dans un appareil électronique.
Fonctions des différents amplificateurs
D'autres types d'amplificateurs ont des caractéristiques différentes. Discutons de la fonction des différents types d'amplificateurs utilisés aujourd'hui.
- Le amplificateurs linéaires n'offrent pas une capacité linéaire parfaite car aucun amplificateur n'est parfait. Cela est dû à l’utilisation de dispositifs amplificateurs, tels que les transistors, qui sont de nature non linéaire. Ces appareils peuvent produire une certaine non-linéarité. Les amplificateurs linéaires sont moins sujets à la distorsion. Cela signifie que les amplificateurs linéaires génèrent moins de distorsion.
- Spécialement conçu amplificateurs audio peut amplifier la fréquence audio.
- L'amplificateur à bande étroite amplifie sur la bande étroite de fréquences, tandis que les amplificateurs à bande large amplifient sur une large gamme de fréquences.
- Le amplificateurs non linéaires produire une distorsion par rapport aux appareils linéaires. Mais les dispositifs non linéaires sont encore utilisés aujourd’hui. Des exemples d'amplificateurs non linéaires sont les amplificateurs RF (radiofréquence), etc.
- La structure du amplificateur logarithmique produit une sortie proportionnelle au logarithmique de son entrée. Le circuit comprend deux diodes et deux amplificateurs opérationnels (amplificateur opérationnel).
Applications de l'amplificateur
Les amplificateurs sont utilisés dans différentes applications. Discutons-en en détail.
Le suiveur de tension est également connu sous le nom de amplificateur à gain unitaire . Il possède une très grande impédance d'entrée et une très faible impédance de sortie, ce qui constitue le principe de base de mise en mémoire tampon action. La borne inverseuse de l'amplificateur opérationnel est en court-circuit avec la borne de sortie.
Cela signifie que la sortie est égale à l’entrée. On l'appelle suiveur de tension car la sortie de l'amplificateur suit l'entrée.
Le suiveur de tension ne fournit aucun effet de charge, aucun gain de puissance et de courant, ce qui sont ses avantages.
La construction d’un convertisseur courant-tension est illustrée ci-dessous :
Où,
RT : Thermistance ou résistance dépendante de la lumière.
IL: Actuel
RF : Résistance de rétroaction
SI: Courant de retour
Voix vocale : Tension de sortie
La thermistance pilote l'ampli-op dans son mode inverseur. Le changement de température entraîne une variation de la résistance de la thermistance. Cela fait varier davantage le courant qui le traverse. Le courant circule dans la sortie à travers la résistance de rétroaction sous forme de courant de rétroaction développant la tension de sortie. Puisque le courant de la thermistance est égal au courant de rétroaction, on peut dire que la tension de sortie est proportionnelle au courant de la thermistance.
Ainsi, un courant d’entrée est converti en tension de sortie.
ATPT et Klystron sont les appareils couramment utilisés comme amplificateurs micro-ondes. L'amplificateur à tube à ondes progressives (TWTA) offre une bonne amplification même aux basses fréquences micro-ondes. Cela signifie que le TWTA est préféré pour une amplification haute puissance. Mais les klystrons sont mieux réglables que les TWTA.
Les klystrons sont également utilisés aux fréquences micro-ondes pour les applications à haute puissance. Mais il offre une large amplification réglable par rapport au TWTA. Il a également une bande passante étroite par rapport au TWTA.
Appareils à semi-conducteurs , tels que les MOSFET, les diodes, les matériaux semi-conducteurs (silicium, gallium, etc.), sont utilisés à faible puissance et aux fréquences micro-ondes dans diverses applications. Par exemple, téléphones mobiles, terminaux radiofréquences portables , etc. Dans de telles applications, la taille et l'efficacité sont les principaux facteurs qui déterminent sa capacité et son utilisation. L'utilisation de dispositifs à semi-conducteurs dans les amplificateurs micro-ondes offre également une large bande passante.
Les amplificateurs sont utilisés dans divers instruments de musique, tels que les guitares et les boîtes à rythmes, pour convertir le signal provenant de différentes sources (cordes de guitare, etc.) en un puissant signal électronique (amplificateur de puissance) qui produit le son. Le son est suffisamment audible pour le public ou les personnes à proximité. La sortie de certains instruments de musique est connectée aux haut-parleurs pour un son plus fort.
Les amplificateurs d'instruments de musique disposent également d'une fonction de réglage du signal qui permet à l'interprète de modifier la tonalité du signal.
Les circuits oscillateurs sont utilisés pour générer des formes d’onde électriques de n’importe quelle fréquence, forme et puissance souhaitées. L'utilisation d'amplificateurs dans les oscillateurs fournit une amplitude de sortie constante et amplifie la fréquence de rétroaction.
L'amplificateur présent dans l'amplificateur vidéo amplifie le signal composé de composantes haute fréquence. Cela l’empêche également de toute distorsion. Les amplificateurs vidéo ont des bandes passantes différentes selon la qualité du signal vidéo, comme SDTV, HDTV, 1080pi, etc.