Brevet FR2474252A1 — publié le 19810724

",Amplificateur classe "B". ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION L'invention concerne un amplificateur clas- se "B" du type utilisant un convertisseur classe "B" pour l'obtention du mode de fonctionnement voulu. Des amplificateurs de type classe "B" ca- ractéristiques de l'art antérieur sont décrits dans les brevets des EtatsUnis n' 3.573.645 (Figure 3) et 3.786.364 (Figure 4). Comme ces amplificateurs ont été prévus pour le fonctionnement classe "B", ils présen- tent un certain nombre d'inconvénients. Comme les deux amplificateurs de l'art antérieur sont fondamentalement similaires pour autant qu'ils se rapportent à la présen- te invention, on décrirera dans cet exposé le circuit le plus fondamental, tel que représenté sur la figure 3 du brevet des Etats-Unis n0 3.573.645. Sur la figure 3, un signal d'entrée de courant continu est appliqué à une entrée asymétrique à basse impédance constituant le point commun à l'émetteur du transistor Il et à la base du transistor 12. Le signal d'entrée est traité par un diviseur de phase push-pull constitué par des transis- tors 11 et 12 et d'un montage associé à ces transistors (comme représenté sur la figure 1 de ce brevet). Les sorties de ce diviseur de phase pushpull sont ensuite couplées à un étage de sortie qui fonctionne dans le mode classe "B". Toutefois, il résulte un certain nom- bre d'inconvénients du fait que le signal d'entrée de courant continu est fourni directement au diviseur de phase et que le signal de sortie du diviseur de phase est utilisé ensuite pour commander un étage de sortie fonctionnant en mode classe "B". Tout d'abord, il a été prévu dans cete con- figuration une basse impédance d'entrée pour le signal de courant continu, ce qui peut donner des problèmes dans certaines applications. De plus, afin d'obtenir dans l'étage de sortie le gain de courant nécessaire tel qu'imposé par cette configuration, le circuit con- nu représenté sur la figure 3 utilise une configuration d'amplification de courant, dans lequelcéux jonctions base-émetteur (de transistors 28 et 25) sont connectées entre une sortie du diviseur de phase et la borne de sortie 27 du circuit. Cela aboutit à une chute de ten- sion de l'ordre de 1,4 Volt entre le diviseur de phase et la bornede sortie du circuit, chute de tension qui sert à limiter la gamme dynamique du circuit. Comme cet- te chute de tension reste pratiquement constante, quelle que soit la tension d'alimentation utilisée, il sera clair que ce problème devient de plus en plus important dans des applications à base de tension, oh la chute de tension due aux jonctions base-émetteur montées en série peut constituer une partie importante de la gamme dyna- mique totale disponible. Les figures 4 et 5 du brevet des Etats-Unis NI 3.852.676 représentent des circuits qui ressemblent superficiellement à la partie de conversion classe "B" du circuit de la figure 1 de la présente invention. Tou- tefois, ces circuits de l'art antérieur sont des circuits détecteurs plut8t que des convertisseurs classe "B" ser- vant à être utilisés dans des amplificateurs. Les cir- cuits de l'art antérieur sont utilisés comme des circuits indépendants, et la spécification qui l'accompagne n'é- voque pas la possibilité d'utiliser les circuits détec- teurs concernés comme une partie d'un amplificateur classe "B". De plus, les circuits détecteurs des fi- gures 4 et 5 comportent une constante de temps RC (R5- C2) qui sert à filtrer ou à lisser le signal de sortie, de sorte que les circuits du brevet des Etats-Unis n 3.852.676 ne conviennent absolument pas pour l'utili- sation dans la présente invention. RESUME DE L'INVENTION L'invention vise entre autres à fournir un amplificateur classe "B" dans lequel la conversion clas- se "B" se produit, conjointement avec un amplificateur différentiel d'entrée, dans une partie de conversion du circuit, plut8t que dans l'étage de sortie. De plus, l'invention a pour but de fournir un amplificateur classe "B" ayant la plus grande gamme dynamique possible pour permettre un fonctionnement ef- ficace à des tensions d'alimentation faibles. De plus, l'invention a pour but de fournir un amplificateur classe "B" ayant une impédance d'entrée élevée. Conformément à l'invention, ces buts sont at- teints par l'emploi d'un amplificateur classe "B" nou- veau dans lequel la conversion classe "B" est réalisée dans un convertisseur classe "B" qui est associé à un amplificateur différentiel d'entrée à impédance élevée. De plus, par l'emploi d'un convertisseur classe "B" conforme à l'invention, il est possible d'éliminer le besoin d'un étage de sortie de type à charge d'émetteur et caractéristique des circuits de l'art antérieur tels que ceux décrits dans les brevets des Etats-Unis Nunméros 3.573.645 et 3.786.364. L'invention se base sur l'emploi d'un cir- cuit convertisseur classe "B", qui est couplé à un am- plificateur différentiel d'entrée à impédance d'entrée élevée, et à un amplificateur de sortie dépourvu de montages en série de jonctions baseémetteur avec le trajet de sortie de signal. Ainsi, on réalise la gamme la plus grande possible, et le circuit est capable de fonctionner efficacement à des basses tensions d'ali- mentation. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, une borne de sortie du convertisseur est connectée à une borne de courant de polarisation de l'amplificateur différentiel, dans le but de fournir à celui-ci un signal de courant continu de polarisation modulé, et les bornes de sortie différentielle de l'am- plificateur différentiel sont à leur tour couplées à un noeud de sommation de courant du convertisseur classe "B". Les bornes de sortie différentielle de l'amplifi- cateur différentiel sont également couplées à l'ampli- ficateur de sortie de l'amplificateur classe "B"t, cet amplificateur de sortie ne comportant pas de jonctions base-émetteur montées en série. La conversion classe "B" est réalisée par un convertisseur simple mais efficace, qui comporte de premier et second transistors bipolaires, l'émetteur du premier transistor étant connecté à la base du se- cond transistor. Une paire de diodes est connectée en série, pour la même polarité, entre la zone de base du premier transistor et le point de mise à la masse ou point commun du circuit, et un courant d'entrée de po- larisation est fourni à cette zone de base et aux dio- des. La zone d'émetteur du premier transistor est con- nectée au point commun du circuit à travers une troi- sième diode, et la zone d'émetteur du second transis- tor est connectée directement au point commun du cir- cuit. Les zones de collecteur des deux transistors sont interconnectées et raccordées à la borne de courant de polarisation de l'amplificateur différentiel. Le but essentiel de ce convertisseur est de moduler le courant continu d polarisation, qui est fourni à l'amplifica-_ teur différentiel en fonction du signal d'entrée, de sorte que l'on obtient un fonctionnement classe "B". La borne de sortie de l'amplificateur classe "B" est connectée aux collecteurs d'une paire de tran- sistors complémentaires montés en série, dont chacun est monté dans une configuration à émetteur commun. Comme le signal de sortie de l'amplificateur classe "B" est prélevé aux collecteurs d'une paire de transistors à émetteur commun, on obtient une amélioration notable de la gamme dynamique comparativement aux circuits de sortie à charge d'émetteur des amplificateurs de l'art antérieur. DESCRIPTION SUCCINTE DU DESSIN La figure unique représente un schéma d'un amplificateur classe "'B" conforme à un mode de réalisa- tion préférentiel de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE Un mode de réalisation préférentiel d'un amplificateur classe "BI" conforme à l'invention est représenté sur la figure unique du dessin. Un signal O5 d'entrée Vin est appliqué à une borne d'entrée 1, qui est connectée à la zone de base d'un transistor Q3 d'un amplificateur différentiel d'entrée, qui comporte les transistors Q3 et Q4. Les zones d'émetteur de ces tran- sistors, qui sont de même type, sont interconnectées de façon à former une borne de courant de polarisation, alors que les zones de collecteur de ces transistors forment les bornes de sortie différentielle du circuit d'entrée. La borne de courant de polarisation de l'am- plificateur différentiel d'entrée est connectée à un convertisseur classe "B" comportant les transistors Q5 et Q6, qui sont de même type, ainsi que les diodes DI, D2 et D3. Il est à noter que toutes les fois que le tes- me diode ou le symbole de diode est utilisé dans cet exposé, il s'agit effectivement d'un transistor monté comme diode (c'est-à-dire un transistor dont les zones de base et de collecteur sont interconnectées). Sur la figure, les transistors Q2 et Q8 sont illustrés comme des transistors montés comme diodes, alors que pour la simplicité du dessin, les autres transistors montés comme diode (Dl, D2, D3 et D4) sont représentés comme des diodes. Comme représenté sur la figure, les zones de collecteur des transistors Q5 et Q6 sont intercon- nectées de façon qu'elles forment la borne de sortie du convertisseur, et cette borne de sortie est raccor- dée à la borne de courant de polarisation de l'ampli- ficateur différentiel. Un courant continu de polarisa- tion Iq est fourni à la borne d'entrée 3 du convertis- seur, et cette borne est connectée tant à la zone de base du transistor Q5 qu'à la diode DI, les diodes Dl et D2 étant montées en série, avec la m8me polarité, 2474252'. entre la borne 3et la borne de mise à la masse 6, qui est la borne commune du circuit. La zone d'émetteur du transistor Q5 et la zone de base du transistor Q6 sont interconnectées de façon qu'elles forment un noeud de sommation de courant continu, et la diode D3 est con- nectée entre ce noeud de sommation et la borne de mise à la masse 6. Pour compléter le circuit convertisseur, la zone d'émetteur du transistor Q6 est connectée di- rectement à la borne commune ou de mise à la masse 6. Les bornes de-sortie de l'amplificateur àif- férentiel, c'est-à-dire les bornes appartenant aux zo- nes de collecteur des transistors Q3 et Q4, sont con- nectées respectivement aux entrées des premier et deu- xième miroirs de courant Q1-Q2 et Q8-Q9. La sortie du premier miroir de courant QI-Q2 est raccordée au noeud de sommation de courant continu du convertisseur classe "B" à travers la zone de collecteur du transistor QI, alors que le deuxième miroir de courant Q8-Q9 est cou- plé au noeud de sommation de courant continu du conver- tisseur à travers la zone de collecteur du transistor - Q9 et un troisième miroir de courant comportant-la dio- de D14 et le transistor Q7. Le circuit amplificateur de sortie de l'am- plificateur classe "BI comporte de premier et second transistors bipolaires de sortie Q10 et Qll de type (complémentaires) opposés et montés en série entre une borne d'alimentation de tension 4 et la borne commune ou de mise à la masse 6. Les zones de collecteur des transistors QIO et Qll sont interconnectées et raccor- dées à la borne de sortie 5 du circuit. Ainsi, les deux transistors de sortie Q10 et Qll sont réunis dans un montage à émetteur commun, alors que l'amplificateur de sortie ne comporte pas de montages en série de jonctions base-émetteur avec le trajet de signal de sortie con- duisant à la borne 5. Les bornes d'entrée du circuit amplificateur 2474252. de sortie, c'est-à-dire les bornes appartenant aux zones de base des transistors de sortie Q10 et Qll, sont rétrocouplées aux bornes de sortie différentiel- le de l'amplificateur différentiel d'entrée. Spécifi- quement, la zone de base du transistor Q10 est raccor- dée au point commun aux zones de base des transitors Ql et Q2 du premier miroir de courant ainsi qu'à la zone de collecteur du transistor Q3, alors que la zone de base du transistor de sortie Qll est couplée à la zone de collecteur du transistor Q4 de l'amplificateur différentiel à travers la zone de collecteur du transia- tor Q9 du deuxième miroir de courant Q8-Q9. Le circuit amplificateur est polarisé et stabilisé par un réseau de résistance comportant les résistances Rl, R2 et R3. Les résistances Rl et R2 sont connectées entre une borne de polarisation 2 (qui reçoit une tension égale à 0,5 fois la tension d'alimentation Vcc appliquée à la borne 4) et les zones de base res- pectivement des transistors Q3 et Q4, alors que la ré- sistance R3 est connectée entre la borne de sortie 5 et la zone de base du transistor Q4. La résistance Rl sert à polariser l'étage d'entrée de l'amplificateur diffé- rentiel, alors que les résistances R2 et R3 servent à régler le point de repos du courant de polarisation de sortie et d'assurer d'une manière conventionnelle la réaction négative en vue de la commande de la stabilité et du gain. Des conditions de polarisation de repos ou de régime permanent sont établies dans le circuit de la figure du fait qu'un courant de polarisation de repos voulu I est fourni à la borne 5. Ainsi, dans des con- ditions de régime permanent, les transistors Q5 et Q6 du convertisseur classe "B" sont parcourus par des courants continus égaux, du fait que tous les transis- tors du convertisseur ont des géométries analogues. Le courant de régime permanent qui apparaît à la borne de sortie du convertisseur (c'est-àdire au point commun des zones de collecteur des transistors Q5 et Q6) ins- talle le courant continu de polarisation de repos au point commun aux zones d'émetteur des transistors Q3 et Q4 du circuit d'entrée de l'amplificateur différen- tiel. Dans des conditions de régime permanent, ce cou- rant de polarisation est partagé également entre les transistors Q3 et Q4, de sorte que le courant de repos traversant les transistors Q3, Q4, Q5 et Q6 est iden- tique. Le courant collecteur de repos circulant dans le transistor Q3 est réfléchi par le miroir de courant Ql-Q2, de sorte qu'il est établi un courant entre le collecteur de Ql et le noeud de sommation de courant continu du convertisseur classe "B". Les géo- métries d'émetteur des transistors QI et Q2 sont choi- sies de façon que le miroir de courant QI-Q2 présente un coefficient de multiplication de courant égal à 2. De façon similaire, le courant de collecteur du tran- sistor Q4 est réfléchi par le miroir de courant Q8-Q9 et un autre miroir de courant D4-Q4, le collecteur de Q7 étant connecté au noeud de sommation de courant con- tinu du convertisseur. Là aussi, le coefficient de multiplication de courant entre la zone de collecteur du transistor Q4 et le noeud de sommation de courant continu est égale à 2, et ce coefficient peut être ob- tenu par le choix des rapports de géométrie d'émetteur appropriée dans les miroirs de courant prévus sur ce trajet. Pour l'obtention du mode de fonctionnement classe "B" voulu, il faut que le coefficient de multi- plication de courant entre chaque collecteur du circuit d'entrée de l'amplificateur différentiel et le noeud de sommation de courant continu du convertisseur soit supérieur à 1, tout en étant au maximum égal à 2. Pour un coefficient de multiplication de courant égal ou in- férieur à 1, il est impossible d'obtenir le fonction- nement classe "BI", alors que pour un coefficient de multiplication de courant supérieur à 2, des instabi- lités risquent de se produire. Dans des conditions de régime permanent, chacun des transistors Q3, Q4, Q5 et Q6 est parcouru par un courant de polarisation constant et égal, alors qu'à cause des rapports de géométrie choisis, tels que décrits dans ce qui précède, les transistors QI et Q7 sont parcourus par un courant égal à deux fois cette valeur. Ainsi, au noeud de sommation de courant conti- nu appartenant à la zone d'émetteur du transistor Q5, le courant fourni à ce noeud à partir de la zone de collecteur du transistor Q1, est exactement égal au courant passant du noeud à la zone de collecteur du transistor Q7, et est équilibré par ce courant. Par conséquent, le miroir de courant décrit ci-dessus n'a pas d'influence sur le fonctionnement en régime perma- nent du convertisseur classe "B". Les jonctions de base-émettteur des transis- tors de sortie QIO et Qll sont montées en parallèle avec les zones de base-émetteur respectivement des transistors QI et Q7, de sorte que les courants prove- nant des transistors Q3 et Q4 sont également réfléchis. Toutefois, les géométries d'émetteur des transistors Q1O et Qil sont choisies de façon à atteindre un coef- ficient de multiplication de courant de l'ordre de quatre. Ce coefficient de multiplication de courant n'est pas critique, et peut être égal à toute valeur comprise entre un et dix. Dans des conditions de fonctionnement à grand signal, un mode de fonctionnement classe "B" est obtenu par la modulation du noeud de sommation de cou- rant continu du convertisseur par les courants multi- pliés générés aux collecteurs des transistors QI et Q7 du miroir de courant. En l'absence du coefficient de multiplication, la valeur instantanée du courant total traversant les transistors Q5 et Q6 (c'est-àdire le courant de polarisation fourni à l'amplificateur diffé- rentiel) resterait sensiblement constant, et le fonc- tionnement classe "B" ne serait pas obtenu. Toutefois, pour le coefficient de multiplication de courant spé- cifié, existant dans les miroirs de courant fournissant du courant au noeud de sommation de courant continu, comme décrit ci-dessus, la valeur instantanée du courant de polarisation fourni à l'amplificateur différentiel ne reste pas constante, mais est modulée en fonction du signal d'entrée. Lorsque, par exemple, une excursion de signal positive est appliquée à la borne d'entrée 1, le cou- - rant de collecteur traversant le transistor d'entrée Q3 augmente, de sorte qu'un courant augmenté davantage (par suite du coefficient de multiplication du miroir de courant QI-Q2) est fourni au noeud de sommation de courant continu du convertisseur classe "B". En même temps, le signal d'entrée positif provoque une diminu- tion du courant de collecteur de Q4, ce qui donne lieu à une diminution pareillement multipliée du courant passant du noeud de sommation de courant continu au collecteur du transistor Q7. Le courant augmenté qui est fourni au noeud de sommation de courant continu et qui est proportionnel au signal d'entrée, fera augmen- ter le courant de base du transistor Q6, ce qui à son tour, provoque une augmentation proportionnelle du cou- rant de collecteur du transistor Q6, alors qu'en même temps, le courant de collecteur traversant le transis- tors Q5 diminuera à zéro. Ainsi, pour des excursions de grand signal positives, le courant de polarisation four- ni à la borne de courant de polarisation de l'amplifica- teur différentiel sera sensiblement égal au courant de collecteur du transistor Q6, et ce courant sera propor- tionnel au courant fourni à partir de la zone de col- lecteur du transistor QI. Comme le courant fourni par le transistor QI est une fonction multipliée du courant qui est engendré dans le collecteur du transistor Q3 sous l'effet du signal d'entrée, il sera clair que le il courant de polarisation net fourni à l'amplificateur différentiel augmente proportionnellement à l'augmen- tation du courant de signal, de sorte que l'on obtient le mode de fonctionnement classe "B". De façon similaire, pour un signal d'entrée négatif, le courant de collecteur du transistor Q5 diminue tandis que le courant de collecteur du transis- tor Q4 augmente. Le courant de collecteur augmenté du transistor Q4 est multiplié et réfléchi par les miroirs de courant Q8-Q9 et D4-Q7, de sorte qu'un courant aug- menté, multiplié et proportionnel au signal d'entrée, est établi entre le noeud de sommation de courant conti- nu appartenant à l'émetteur de Q5 et la zone de collec- teur du transistor Q7. En même temps, il y a une dimi- nution du courant fourni par le collecteur du transis- tor QI au noeud de sommation de courant continu. Lors- que le courant traversant la zone de collecteur du transistor Q7 augmente, le courant traversant le tran- sistor Q6 diminue à zéro, alors que le courant traver- sant le transistor Q5 continue à augmenter. Comme dans le cas d'un signal d'entrée positif, pour une excursion de grand signal négatif, l'augmentation du courant de polarisation fourni par le transistor le plus conduc- teur du convertisseur provoque une augmentation nette du courant de polarisation fourni à l'amplificateur différentiel, en conséquence du coefficient de multi- plication de courant des miroirs de courant. C'est cette augmentation nette du courant de polarisation qui, tant pour des signaux d'entrée posi- tifs que pour des signaux d'entrée négatifs, permet au circuit de fonctionner dans un mode classe "B". Si les coefficients béta sont adaptés pour les transistors Q5 et Q6 et que les géométries soient adaptées dans les miroirs de courant tels que décrits ci-dessus, un si- gnal de courant de polarisation symétrique et ayant une valeur instantanée proportionnelle à la valeur absolue du signal d'entrée, est fourni par le convertisseur classe "B" à la borne de courant de polarisation de 2474252: l'amplificateur différentiel, pour de grands signaux d'entrée. Ceci permet d'imposer le fonctionnement clas- se "B" à un convertisseur classe "B", qui fournit un courant de polarisation modulé et proportionnel au si- gnal d'entrée à la borne de courant de polarisation de l'amplificateur différentiel. Bien que l'invention ait été expliquée en référence à certains modes de réalisation préf érentiels, il est clair que l'homme de l'art est à même d'imagi- ner de nombreuses variantes sans sortir du cadre de 1' invention. REVENDIC TIONS 1. Amplificateur classe "B" comportant - un amplificateur différentiel d'entrée muni d'une bor- ne de signal d'entrée, d'une borne de courant de po- O5 larisation et de première et de seconde bornes de sor- tie différentielle, - un convertisseur classe "B" muni d'une borne d'entrée servant à recevoir un courant continu de polarisation, d'un noeud de sommation de courant continu, d'une bor- ne de sortie de convertisseur et d'une borne commune, ladite borne de sortie du convertisseur étant connec- tée à la borne de courant de polarisation dudit ampli- ficateur différentiel de façon qu'un signal de courant continu de polarisation modulé soit fourni à cet ampli- ficateur différentiel, et lesdites première et secon- de bornes de sortie différentielles étant effective- ment couplées audit noeud de sommation de courant, et - un amplificateur de sortie muni de première et secon- de borne d'entrée qui, effectivement, sont couplées respectivement auxdites première et seconde bornes de sortie différentielles, et d'une borne de sortie ser- vant à fournir un signal de sortie amplifié par rap- port à ladite borne commune. 2. Amplificateur selon la revendication 1, dans lequel ledit convertisseur classe "B" comporte en outre, d'une part, de premier et second transistors bipolaires appartenant au m9me type et ayant chacun des zones de base, d'émetteur et de collecteur, la zone de base dudit premier transistor étant raccordée à ladite borne d'en- trée de convertisseur, les zones de collecteur desdits premier et second transistors étant interconnectées et raccordées à ladite borne de sortie de convertisseur, la zone d'émetteur dudit premier transistor étant raccordée à la zone de base dudit second transistor à travers ledt noeud de sommation de courant et la zone d'émetteur du- dit second transistor étant raccordée à ladite borne commune, et d'autre part de première et seconde diodes qui sont montées en série, pour la même polarité, en- tre la zone de base dudit premier transistor et ladite borne commune, et enfin une troisième diode connectée entre ledit noeud de sommation de courant et la borne commune. 3. Amplificateur selon la revendication 2, com- portant en outre de premier et -deuxième miroirs de cou- rant servant à coupler effectivement lesdites première et seconde bornes de sortie différentielle audit noeud de sommation de courant. 4. Amplificateur selon là revendication 3, com- portant en outre un troisième miroir de courant servant à coupler la sortie dudit second miroir de courant au- dit noeud de sommation de courant. 5. Amplificateur selon la revendications 4, dans lequel le coefficient de multiplication de courant du- dit premier miroir de courant, et le coefficient de mul- tiplication de courant combiné desdits deuxième et trosième miroirs de courant sont chacun supérieurs à 1 mais au maximum égaux à 2. 6. Amplificateur selon la revendication 5, dans lequel ledit amplificateur de sortie comporte en outre de premier et second transistors bipolaires de sortie de types opposés qui sont munis chacun de zones de base, d'émetteur et de collecteur, les zones de ba- se desdits transistors de sortie comportant lesdites première et seconde bornes d'entrée d'amplificateur de sortie, lesdites zones de base étant raccordées res- pectivement auxdits premier et second miroirs de cou- rant, la zone d'émetteur dudit premier transistor étant raccordée à une borne d'alimentation en tension, la zone d'émetteur dudit second transistor étant raccordée à la borne commune, et les collecteurs desdits transis- tors de sortie étant interconnectés à travers ladite borne de sortie d'amplificateur.