classe A, AB et autres

un lecteur de notre site nous a récemment demandé pourquoi nous ne reprenions pas le "glossaire cuistre" de Strad dont nous avons été un partenaire privilégié. L'idée nous a paru excellente, l'autorisation rapidement donnée et voilà. Nous nous autoriserons bien sûr à l'aménager et le compléter au fur et à mesure des idées.

classe A, AB et autres...

Un système de classement par lettre désigne les classes de fonctionnement d’un amplificateur, en caractérise le type de fonctionnement et, pour simplifier, la façon d’alimenter les étages.

Ces classes sont déterminées par la relation entre la forme du signal d’entrée et celle du signal de sortie, et par la durée pendant laquelle un composant actif est utilisé lors de l’amplification d’un signal. Cette durée est mesurée en degrés d’un signal sinusoïdal test appliqué à l’entrée de l’amplificateur, le cycle complet étant 360 degrés.

On simplifie souvent la nomenclature en désignant un amplificateur utilisant plusieurs étages amplificateurs de classes différentes par une seule classe, qui dans ce cas correspond au fonctionnement de l’étage de sortie.

Au départ, il y avait les tubes d’amplification. Les classes d'amplificateurs signifiaient la façon dont était polarisé le tube : classe A, B, AB et C. Cette nomenclature de polarisation a été reprise pour les transistors. Il a fallu compléter cette liste pour les amplificateurs à découpage souvent désignés à tort comme amplis numériques : D, E…

Il est impossible de ne pas polariser un composant amplificateur, que ce soit un tube ou un transistor) du fait de sa totale non-linéarité et de son unilatéralité en courant. Un transistor bipolaire ne commence à conduire qu'au-dessus d'une tension base-émetteur de seuil. Autrement dit, pour qu’il amplifie il faut lui imposer une tension supérieure à la tension de seuil. La tension de sortie est fixée par la droite de charge et dépend du montage utilisé.

La polarisation fixe l’état au repos du composant concerné, c'est-à-dire lorsqu’il ne reçoit aucun signal. Ce point de repos influence directement le comportement du composant lors de son fonctionnement.

Pour les amplificateurs linéaires, chaque classe définit la proportion du signal d’entrée utilisée par chaque composant actif pour arriver au signal amplifié, ce qui est aussi donné par l’angle de conduction :

Classe A : la totalité du signal d’entrée ( 100 % ) est utilisée ( a = 360° ).
Classe B : moitié du signal ( 50 % ) utilisée ( a = 180° ).
Classe AB : plus de la moitié mais pas la totalité du signal ( 50 à 100% ) utilisée ( 180° < a < 360° ).
Classe C : moins de la moitié ( 0 à 50 % ) du signal est utilisée ( 0 < a < 180° ).
Classe D : dans les amplificateurs "à découpage", le composant amplificateur est utilisé en commutation : il est soit bloqué (aucun courant ne le traverse), soit saturé (la tension à ses bornes est quasiment nulle). Son angle de conduction est donc nul. Pour les amplificateurs à découpage, les classes servent à distinguer les technologies utilisées et non plus l'angle de conduction.

 

Dans un amplificateur de classe A, le ou les composants actifs sont toujours en conduction. Ces amplificateurs amplifient tout le signal d’entrée, limitant ainsi les distorsions sur le signal de sortie. Leur rendement n’est pas très bon : ils dissipent une puissance constante quelle que soit l'amplitude du signal d'entrée. Aussi ces amplificateurs atteignent-ils leur rendement maximum lorsque l'amplitude du signal de sortie est aux limites de ce que peut fournir l'amplificateur. Le rendement maximum d'un amplificateur de classe A dépend de la topologie du montage utilisé : le rendement maximum théorique de ces amplificateurs est de 50 % dans le cas d'une liaison par transformateur ou "push-pull", de 25 % dans le cas d'une liaison directe et entre 6 % et 25 % pour une liaison capacitive.

NB : le montage qui utilise un seul composant amplificateur (ou plusieurs en parallèle) est généralement appelé single-ended.

C’est un type de montage que l’on trouve plus souvent utilisé avec des tubes, notamment le montage dit Monotriode… Il n’est pas rare que ce type de montage soit utilisé avec peu de contre-réaction, rendant ces montages très peu universels en emploi ( puissance limitée et faible capacité à affronter des charges complexes ) mais souvent considérés comme réellement au dessus des normes en expressivité musicale. C’est sans doute vrai à condition que composants et câblages soient irréprochables. Autrement dit, les réalisations réussies autour de ces principes sont souvent coûteuses.


Pour un montage à émetteur commun, une polarisation en classe A signifie que les tensions de repos sont choisies de façon que l'amplificateur ne sature pas (n'écrête pas le signal) à l’instant où on lui applique un signal d'entrée d'amplitude maximale. Le point de polarisation est généralement choisi plus important que le strict minimum afin de travailler dans la partie la plus linéaire possible des caractéristiques du composant amplificateur.

En raison de son faible rendement, la classe A est le plus souvent utilisée pour des amplificateurs de petite puissance. Pour un amplificateur classe A de forte puissance, les pertes énergétiques deviennent très importantes. Pour chaque watt délivré à la charge, l’amplificateur dissipera, au mieux, un autre watt. Les Classe A de puissance importante ont besoin d’alimentations de très forte puissance et aussi d’une grande surface de dissipateurs thermiques pour évacuer l’énergie perdue. En effet, tout ce qui n’est pas transformée en énergie électromécanique par un signal entrant est évacué en calories.

Les amplificateurs de classe B n’amplifient que la moitié du signal d’entrée. Ils créent donc beaucoup de distorsion, mais le rendement est grandement amélioré. Le rendement maximum théorique d'un amplificateur de classe B est de 78,5%, mais le rendement des amplificateurs réels ne dépasse pas les 70%. Les amplificateurs de classe B sont généralement utilisés pour réaliser des amplificateurs de basse et moyenne fréquence, dans des configurations dites "push-pull". Les montages push-pull disposent de deux transistors, ou parallèles de deux transistors : un pour amplifier la partie négative du signal et un second pour sa partie positive. Chaque transistor fonctionne en classe B. La totalité du signal étant amplifiée, les montages push-pull possèdent un taux de distorsion plus faible que les amplificateurs classe B de base tout en gardant un bon rendement.

La polarisation en classe B signifie que la tension de repos est égale à la tension de seuil de conduction du transistor. Ainsi, tout signal négatif apposé à la base du transistor l’amène en dessous de son seuil de conduction et n’est pas amplifié. Au contraire, tout signal positif amène le transistor dans la zone linéaire et est donc amplifié.

Les montages push-pull peuvent souffrir d’une discontinuité de signal à l’endroit où les deux moitiés de signal issues de chacun des transistors se rejoignent. Ce phénomène est nommé distorsion de croisement.

La classe AB est un compromis entre la classe A et la classe B : le point de repos de l'amplificateur se situe entre celui d'un amplificateur de classe A et celui d'un amplificateur de classe B. Une telle méthode de polarisation permet à la classe AB de fonctionner en classe A pour les signaux de faible amplitude puis de se comporter comme un amplificateur de classe B pour les signaux de forte amplitude. Tout comme pour les amplificateurs de classe B, les amplificateurs de classe AB sont souvent utilisés en configuration push-pull afin de diminuer le taux de distorsion lors de l'amplification de signaux de forte amplitude.

Le principal inconvénient des push-pull de classe AB survient lorsque l'on amplifie des signaux de forte amplitude : une partie du signal est amplifiée par deux transistors (zone de fonctionnement en classe A) tandis que le reste du signal est amplifié par un seul transistor (zone de fonctionnement en classe B). Ainsi, le gain en courant du montage n'est pas constant au cours d'un cycle d’amplification. Cette variation du gain en courant engendre des distorsions hautes fréquences lors du passage entre la zone où deux composants amplifient le signal et celle où un seul composant l’amplifie.

Les amplificateurs de classe C amplifient moins de 50% du signal d’entrée. Le taux de distorsion est important, mais leur rendement maximum théorique est compris entre 78,8% et 100% suivant l'angle de conduction de l'amplificateur.

En polarisation en classe C, la tension de repos est inférieure à la tension seuil de conduction du transistor. Ainsi, le signal n’est pas amplifié tant qu'il ne porte pas la tension base-émetteur du transistor au-dessus de sa tension limite de conduction .

Les amplificateurs de classe C sont plus couramment utilisés dans les émetteurs radio, où le taux de distorsion peut être réduit grâce à l’utilisation d’une charge accordée dans l’amplificateur. Les amplificateurs de classe C sont utilisés pour réaliser des amplificateurs ultrasoniques, hautes fréquences sélectifs et micro-ondes ainsi que des oscillateurs hautes fréquences Les amplificateurs de classe C sont aussi utilisés pour réaliser des multiplicateurs de fréquences.

NB : on s’apercevra en pratique que les notions de rendement des classes d’amplificateur sont moins contraignantes que la théorie. Les amplificateurs de classe A pure (peu nombreux) sont moins puissants à la mesure que leurs concurrents en AB (majoritaires) par conséquent leur consommation moyenne n’est pas effrayante. D’autant moins qu’il n’y aura aucune raison de les laisser sous tension en permanence, puisqu’ils atteignent rapidement leur température de fonctionnement idéal. Cette faible puissance n’est pas un handicap car on constate souvent que ces appareils peuvent affronter des charges particulièrement complexes et qu’ils délivrent en pratique une dynamique bien plus large et libre que des appareils polarisés en classe AB cinq fois plus puissants, avec une densité palpable et un aplomb rare… Il est probable que la permanente disponibilité en courant, ainsi qu’un réglage fin de la contre-réaction, procurent une plénitude et une rapidité de réponse supérieures… Permettant également un excellent modelé sur les signaux faibles.


Un amplificateur de classe D est un amplificateur dont les composants de puissance ne travaillent pas en mode linéaire mais sont utilisés comme des interrupteurs : les composants amplificateurs sont soit bloqués (aucun courant ne les traverse) soit saturés (la tension à leurs bornes est quasi nulle), les impulsions de sortie sont d’amplitude constante. De fait, leur rendement est élevé. La puissance instantanée dissipée dans un transistor étant le produit du courant par la tension, elle est quasiment nulle lors de ces états. Le peu de pertes engendrées par ce type d’amplificateur permet d’utiliser des dissipateurs et des alimentations plus petits ou d'augmenter la puissance de sortie à dissipateurs et alimentations constants. Le rendement d'un amplificateur de classe D augmente rapidement avec la puissance demandée en sortie pour atteindre 80-90 % sur une large plage de puissance.

Les amplificateurs de classe D sont couramment utilisés pour le contrôle des moteurs électriques. Ils sont alors appelés hacheur ou onduleur. Ils sont de plus en plus utilisés comme amplificateurs audio du fait de leur rendement élevé et par conséquent de leur faible coût de revient.

Les premiers amplificateurs de classe D datent du début des années 50. L’obligation d'utiliser une fréquence de commutation élevée afin d'obtenir un taux de distorsion acceptable a bloqué le développement des amplificateurs de classe D pendant plus de 20 ans. On peut en gros déterminer 2 étapes : une première à la fin des années 1960 avec l'apparition des transistors de puissance à effet de champ puis une seconde dans les années 1980 avec l'introduction sur le marché de circuits intégrés dédiés à la réalisation d'amplificateurs de classe D.

Les amplificateurs de classe D utilisent la modulation de largeur d’impulsion, la modulation de densité d'impulsions ou des formes plus avancées de modulation comme la modulation Sigma Delta. Le signal d’entrée est converti en une série d’impulsions dont la valeur moyenne est directement proportionnelle à l’amplitude du signal à l’instant considéré. La fréquence théorique minimum des impulsions est deux fois la plus haute fréquence que l’on veut reproduire. En pratique, afin de diminuer le taux de distorsion ou les harmoniques de courants, la fréquence de découpage fait plus du double de la plus haute fréquence que l’on veut reproduire. Par exemple, dans les amplificateurs audio, la fréquence utilisée se situe entre 50 kHz et 1 MHz. Le spectre de la sortie d’un amplificateur de classe D contient des fréquences non désirées ( par exemple, la fréquence de découpage et ses harmoniques ) qui doivent être éliminées par filtrage. Ce filtrage peut être réalisé soit par la charge, soit par un filtre passe-bas passif. Le choix de la fréquence de découpage est un compromis : son augmentation permet de simplifier le filtrage des harmoniques dus au découpage en les éloignant de la fréquence maximum que l'on veut restituer. Par contre, l'augmentation de la fréquence de découpage augmente aussi les pertes par commutations qui ont lieu à chaque changement d'état des composants utilisés comme interrupteurs diminuant ainsi le rendement de l'amplificateur.

NB : La lettre D est utilisée parce qu’elle vient après C, mais pas comme une abréviation de "Digital" ( ou numérique ). Cette confusion vient de la forme d’onde de la sortie qui ressemble à un train d’impulsions numériques. Mais le fonctionnement de la classe D se fait sur le principe de la modulation de largeur d’impulsion, pas de la modulation d’impulsion codée (PCM).


D’autres types de classes existent (E, F, G, H… même S ou T) mais sont souvent des dérivées des classes A, B, C ou D dont elles modifient légèrement le principe de base ou les utilisent en cascade afin d'en améliorer les caractéristiques ou de disposer des avantages de deux classes différentes…