Brevet FR2559971A1 — publié le 19850823

DISPOSITIF AMPLIFICATEUR COMPENSE DE SIGNAUX ELECTRIQUES La présente invention concerne un dispositif amplificateur utilisant un effet de contre-réaction de type aval et comportant deux amplificateurs de puissance. L'invention s'applique particulièrement au cas où les amplificateurs sont des amplificateurs opérationnels. I1 est un domaine de l'électronique où les circuits à lampes sont encore très appréciés: celui des dispositsifs amplificateurs destinés à restituer les sons. Alors que les amplificateurs à lampes présentent en général un faible taux de contre-réaction accompagné un taux de distorsion harmonique non négligeable (de 1 à 2 96), la plupart des amplificateurs à transistors sont du type amplificateur opérationnel de puissance à très fort taux de contreréaction accompagné de taux de distorsion harmonique très faibles (environ 0,1 %). Les amplificateurs à lampes sont cependant préférés pour leur plus grand naturel de restitution des sons malgré leur taux de distorsion harmonique plus élevés. I1 a été démontré récemment que les différences dans le rendu des sons entre les amplificateurs à lampes et ceux à transistors sont peu imputables aux composants actifs eux-mêmes mais sont plutôt attribuables aux différences de mise en oeuvre de ces deux types de composants. On peut à ce titre se référer aux travaux dOTALA et LEINONEN résumés dans l'article "The theory of transient intermodulation distorsion" paru dans la revue "IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing" de février 1977.La principale cause de ces différences est qu'il existe, dans les amplificateurs à très forts taux de contre-réaction, un type de distorsion que l'on ne connaissait pas parce qu'il n'est pas décelable par les méthodes de mesures usuelles en régime sinusoldal et que l'on appelle distorsion de transitoire. Celle-ci est due en général à des effets de saturation des étages d'entrée qui sont mal compensés par la boucle de contre-réaction puisque la rétroaction arrive en retard, ce qui ajoute encore à la détérioration du signal transmis. Le remède à apporter consiste alors à utiliser dans les dispositifs amplificateurs à transistors une suite d'étages à grande dynamique et autant que possible symétriques afin de minimiser leur distorsion propre, et à appliquer à ltensemble un taux de contre-réaction modéré. Cette conception est comparable à celle utilisée dans les amplificateurs à lampes et les résultats d'écoute sont alors comparables, à taux de distorsion transitoire voisins. La contre-réaction amont est la plus couramment utilisée; elle consiste à réinjecter à l'entrée du dispositif d'amplification le signal d'erreur résultant de la comparaison des signaux d'entrée et de sortie du dispositif. Dans le cas de la contre-réaction aval, l'injection du signal d'erreur est effectuée en sortie du dispositif amplificateur. Les taux de contre-réaction élevés sont surtout néfastes dans les circuits de type amont. Afin de pallier les inconvénients de l'art connu, l'invention propose un dispositif amplificateur dont la contre-réaction est de type aval et qui met en oeuvre deux amplificateurs de puissance pour la correction d'un seul. Le dispositif ainsi obtenu présente une large bande passante, un faible taux de distorsion harmonique et une bonne réponse dynamique. L'invention a donc pour objet un dispositif amplificateur compensé de signaux électriques, caractérisé en ce qu'il comprend un premier amplificateur (A1) et un second amplificateur (A2) possédant chacun un gain constant de valeur G dans une gamme de fréquence déterminée, le premier o amplificateur délivrant un signal de sortie v1 en réponse à un signal d'entrée u dudit dispositif, le dispositif comprenant également des moyens diviseurs de rapport fixe égal à ladite valeur Go et destinés à prélever une fraction déterminée du signal de sortie vl du premier amplificateur, le second amplificateur délivrant un signal de sortie v2 en réponse à un signal d'entrée qui est la différence entre ladite fraction du signal de sortie vl et ledit signal d'entrée u du dispositif, le dispositif délivrant un signal de sortie Vs qui est la différence entre les signaux de sortie du premier et du second amplificateur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront au moyen de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 est un schéma électrique d'un dispositif amplificateur selon l'invention; - les figures 2 et 3 sont des diagrammes exprimant le gain d'amplification en fonction de la fréquence; - la figure 4 est un diagramme tension-temps; - les figures 5 et 6 sont également des diagrammes tension-temps. La figure 1 est le schéma électrique théorique d'un dispositif amplificateur selon rinvention. Le dispositif comprend deux amplificateurs A1 et A2 de même type dont les gains sont respectivement G1 et G2. D'après le schéma de la figure 1, la tension d'entrée u est envoyée en même temps à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur A1 et à l'entrée inverseuse de l'amplificateur A2. L'entrée inverseuse de A1 est au potentiel de la masse. La sortie de l'amplificateur A1 délivre, aux bornes du potentiomètre P, I-a tension vl. Une portion de celle-ci est envoyée à l'entrée non inverseuse de A2 qui délivre une tension de sortie v2. L'impédance de charge Zc est placée entre les sorties des amplificateurs A1 et A2. Les gains des amplificateurs A1 et A2 présentent, en fonction de la fréquence, une allure classique du type représenté à la figure 2 qui est un diagramme donnant la variation du gain G en fonction de la fréquence f. Cette variation est représentée par la courbe 1. On remarque que dans une certaine plage de fréquence, le gain est sensiblement constant et que lorsque la fréquence s'écarte de cette plage, le gain diminue. Afin de caractériser la largeur de cette plage, on définit conventionnellement une bande passante limitée par des fréquences de coupure. Les amplificateurs A1 et A2 de la figure 1 sont réglés pour avoir le même gain maximal G0. Les gains G1 et G2 de ces amplificateurs peuvent s'écrire sous la forme suivante: G1 = Go (1 + 6 î > et G2 = Go(l + 61 et #2 2 étant des termes de norrlinéarité, inférieurs àlet qui dépendent de la fréquence, de la durée et de Pamplitude du signal d'entrée u. I1 s'ensuit que vl = Go (1 + 6 1) u; Le potentiomètre P permet une division de tension de rapport fixe G qui donne u2 = (1 + 1)u. La tension de sortie de l'amplificateur A2 est alors: v2 = Go (1 + #2) # 1 u. La charge Zc est alors soumise à la tension vS = vl - v2= Go (1 - #1 # 2) u. Le gain G' = vs du dispositif amplificateur est donc: G = Go (1 ~ 6 2) (1) Ce gain G' comprend un terme de distorsion du second ordre ce qui a pour conséquence d'augmenter la bande passante du dispositif, d'améliorer la réponse impulsionnelle, de diminuer la distorsion harmonique et d'augmenter la dynamique du dispositif. Le potentiomètre de la figure 1 n'est pas limitatif des moyens pouvant V1 être mis en oeuvre pour procurer la tension u'2= G0 . D'autres éléments conduisant à ce rapport des tensions u2 et vl peuve nt être envisagés à la condition que le rapport des tensions reste fixe quelle que soit la fréquence ou au moins pour la gamme de fréquence considérée. L'accroissement de bande passante procuré par cette technique est facilement vérifiable sur l'exemple dune bande limitée à l'origine par deux fréquences de coupure (basse et haute) à 6 dB p-ar octave. La figure 3 représente un diagramme donnant le gain d'un système amplificateur en fonction de la fréquence f. Le gain est donné en décibels avec comme niveau de référence la plage définie précédemment où le niveau est constant. Les fréquences sont portées dune manière logarithmique sur l'axe des abscisses. La courbe 2 représente l'allure du gain des amplificateurs A1 et A2 supposés semblables. Aux basses fréquences, les gains de ces amplificateurs peuvent s'écrire étant la pulsation correspondant à la fréquence f et T1 caractérisant, comme il est connu, l'influence de l'impédance de certains composants des amplificateurs aux basses fréquences. On peut encore écrire: G1 = G2 = G0 1 1 + J UT , soit 1 2 62=- 1 . Le gain de A1 et A2 à - 3dB correspondant 1 + j T alors à la pulsation w1 = T11 = 2 1rfl comme l'indique la figure 3. Aux hautes fréquences, - les gains de A1 et A9 peuvent s'écrire caractérisant l'influence de l'impédance de certains composants des amplificateurs aux hautes fréquences.On peut encore écrire: soit Le gain de Al et A2 à - 3 dB correspond alorsàlapulsation w 2 = - 2 T 2 = T2 commeindiuesurlafiureI La courbe 3 représente l'allure du gain du dispositif amplificateur selon Invention constitué des amplificateurs A1 et A2 supposés identiques. On peut également définir pour la courbe 3 des fréquences de coupure basse (f'1) et haute (f'2) à - 3 dB. Aux basses fréquences, en utilisant la relation (1) et les valeurs de #1 et # 2 correspondant à ces fréquences, le gain G' devient: Le gain du dispositif à - 3 dB correspond alors à la pulsation soit f'1 = 0,403 fl.Aux hautes fréquences, en utilisant toujours la relation (1) et les valeurs de # 1 et # 2 correspondant à ces fréquences, le gain G' devient: Le gain du dispositif, à W'î = 2Trf = ( \ + 3) 2 - 2 - T2 - 3 dB correspond alors à la pulsation soit = 2,48 f2. On constate donc au vu de la figure 3 et des résultats des calculs présentés ci-dessus que la bande passante du dispositif s'est sensiblement élargie. La fréquence de coupure basse pour le dispositif se produit plus dun octave plus bas que pour un amplificateur pris isolément (f'1 = 0,403 fl). De même, la fréquence de coupure haute est reportée plus d'un octave plus haut (f2 = 2,48 f2). Cet élargissement de la bande passante s'accompagne de deux remontées du gain qui se produisent aux limites de la plage à gain constant. Les valeurs maximums de ces bosses se produisent pour les fréquences f1 et f2 Celles-ci peuvent être calculées à partir des formules de gain correspondant aux fréquences basses et hautes déjà citées et en annulant la dérivée de ces gains. On obtient f"1 = #2f1 et f"2 = 1/#2 - f2 pour des remontées en gain de 1,25 dB.On notera que les nouvelles pentes de coupure, au voisinage de f1, et de f2 sont maintenues à 6 dB par octave. L'élargissement de la bande passante a pour effet d'améliorer la réponse du dispositif aux signaux impulsionnels. La figure 4 est un diagramme qui décrit l'évolution de tensions v en fonction du temps t. La courbe 10 donne la forme d'une impulsion de tension rectangulaire fournie à l'entrée d'un amplificateur tel que A1 ou A2. La courbe 11 montre l'allure de la réponse de cet amplificateur à cette tension d'entrée. La réponse de l'amplificateur est plus ou moins déformée selon la qualité de la bande passante et la durée de l'impulsion. Le signal de sortie est caractérisé par son temps de montée (correspondant à la partie AB du signal de sortie), son plateau (partie BC) et son temps de descente.Le temps de montée dépend du comportement de A1 ouA2 en haute fréquence et leur gain peut s'écrire sous la forme Pour le dispositif amplificateur selon l'invention, en se servant de la relation (1), il vient: D'après cette formule, on s'aperçoit que la pente initiale est doublée ce qui revient sensiblement à diminuer d'un facteur 2 le temps de montée. Ceci est représenté à la figure 5 qui est un diagramme donnant la tension v en fonction du temps t rapporté à T 2. Ce diagramme montre l'évolution du temps de montée avec un amplificateur tel que A1 ou A2 (courbe 12) et avec le dispositif selon l'invention (courbe 13). Les courbes 12 et 13 tendent vers Pasymptote d'ordonnée Go.u, u étant la tension d'entrée. Les pointillés 14 et 15 sont respectivement les pentes à origine des courbes 12 et 13. Le dispositif selon l'invention améliore la qualité du plateau BC de la figure 4: il le rend plus horizontal. La réponse d'un amplificateur A1 ou à à un signal u (représenté par la courbe 10 de la figure 4) peut s'écrire à partir du point B: t étant l'origine des temps à l'abscisses correspondant au point B. Le gain de A1 ou A2 est alors que Pon peut écrire sous la forme Le gain du dispositif selon l'invention est, d'après la relation (1), La figure 6 est un diagramme qui décrit Révolution de la tension v, à partir du point B, en fonction du temps t rapporté à T 1. La courbe 16 est représentative d'un amplificateur tel que A1 et A2, la courbe 17 d'un dispositif selon l'invention.La figure 6 montre que la compensation apportée par le dispositif selon l'invention a pour effet de repousser le départ d'inclinaison du plateau à ts 0,2 T 1. Par conséquent, pour fl = 40 Hz par exemple, les créneaux - de fréquence 200 Hz sont correctement transmis. Le dispositif selon l'invention a aussi comme avantage de diminuer le taux de distorsion harmonique. Pour les amplificateurs A1 et A2, un gain non linéaire, c'est-à-dire dépendant de l'amplitude du signal appliqué, peut se mettre sous la forme: G1 = G2 = G0 [ 1 + # (u)]. Dans le cas de la non- linéarité simple ou encore dite naturelle, # = # un Le signal de sortie de A1 ou A2 en réponse à un signal d'entrée u est alors: G0(u + &alpha; .un+1). Ceci signifie qu'en plus du terme de fréquence fondamentale, apparaissent des harmoniques dont le rang le plus élevé est n + 1 avec, en descendant vers la fondamentale, des harmoniques de rangs positifs n - 1, n - 3, etc. Les amplitudes des harmoniques décroissent lorsque leur rang croît, selon des suites naturelles ne dépendant que de l'exposant n. Afin d'apprécier la diminution du taux de distorsion harmonique, on va étudier l'exemple où n est égal à 2 et pour une tension d'entrée sinusoldale u = U sin > ) t. Le terme de non-linéarité est alors 6 = a .u2. En se servant de la relation trigonométrique sin3 x = sin x - sin 3x, on obtient pour un amplificateur tel que A1 ou A2, la tension de sortie suivante: On constate que amplitude du terme fondamental ne varie pas proportionnellement avec l'amplitude U du signal d'entrée:^il apparaît une distorsion d'amplitude da = &alpha;U.Il existe une harmonique d'ordre 3 dont l'amplitude relative est le taux de distorsion harmonique d3h qui a pour module: Un- taux de 1 %, pour une tension -d'entrée d'amplitude 1 volt, correspond à a = 4.10-2 v-2. Pour le dispositif représenté à la figure 1, le gain G' s'écrit d'après la relation (1) et en tenant compte de ce que le signal amplifié par A2 est: u. 6 (u): 2 G' = Go [i - a n+2 .u.n +n2+1 . Le donc: vs = Go tu - on+2 u, +n4L 2 veaux rangs d'harmoniques n + n + 2, n + signal de sortie v5 vaut On remarque que les noun, n + n - 2, etc..., sont tous pairs, que n soit pair ou impair. Le dispositif amplificateur selon Invention apporte donc une correction qui consiste à éliminer les harmoniques de rang impair qui sont les plus désagréables.Dans le cas où n est égal à 2, les harmoniques apparaissant sont de rang 8, 6, 4 et 2 à la place d'un harmonique de rang 3 pour A1 et A2 pris isolément, mais leurs amplitudes sont très faibles. Pour une valeur de&alpha; égale à 4.10-2 V-2, les amplitudes relatives des harmoniques sont inférieures à 10-6 dont négligeables. L'effet le plus évident de la correction apportée par le dispositif selon rinvention est l'augmentation de la dynamique. En effet, dans le cas où ramplificateur A1 écrête son signal de sortie, I'amplificateur A2 fournit automatiquement les crêtes manquantes dans les limites de son propre écrêtage. A la limite, le dispositif est donc capable de fournir deux fois la tension crête à crête que fournit un amplificateur seul donc quatre fois sa puissance. Ceci à -condition que les deux amplificateurs du dispositif puissent fournir assez de courant. Dans ce qui précède, les deux amplificateurs A1 et A2 sont supposés avoir le même gain Go à faible niveau et au milieu de la bande passante. Par suite de disparités initiales entre A1 et A2 ou de dérives non corrélées de leurs caractéristiques leurs gains, respectivement G01 et Go2, peuvent être légèrement différents. On peut les écrire sous la forme suivante: G01 G0 (1 + &alpha;1) et G02 = Go (1 + &alpha;2) avec a1 et a 2 très petits devant 1.En incluant les termes de distorsion, il vient: G1 = G0 (1 + al) (1 + 6 î et G2 = G0 (1 + &alpha;2) (1 + &alpha;2). La relation (1) devient alors: G' Go (1 - &alpha;1 &alpha;2 - &alpha;2 #1 - &alpha;1 #2 -#1 #2). Le produit 6 2 est négligeable. En revanche, la compensation des distorsions primaires #1 et # 2 n'est plus parfaite: fimperfection de compensation laisse un résidu de distorsion primaire qui est cependant minime. Les amplificateurs A1 et A2 ont été supposés avoir une impédance de sortie nulle. Dans le cs où cette impédance Zs n'est pas nulle, la tension de sortie de A1 ou A, pour v. Gou (1- ), 2 Le facteur - Zz peut une tension d'entrée u, devient: étant l'impédance de la charge de sortie (Zs 4 être considéré comme un écart relatif &alpha; au gain idéal2GO. Le gain G' du dispositif amplificateur devient z ZzS 1 + + 2)-6 2 1 62]- On constate que1 2J.onconstateque G' = G0[1 l'impédance de Zs2 sortie du dispositif Zs' est égale à Z . Puisque Zs #Z, l'impédance de sortie du dispositif est plus faible que celle de A1 ou A2 ce qui est un avantage. Comme dans le cas d'écarts par rapport au gain idéal Go, la compensation des distorsions primaires 6 1 et #2 n'est plus parfaite: la réduction relative de ces distorsions primaires est de l'ordre de grandeur du z facteur d'amortissement initial k = Zs . REVENDICATIONS 1. Dispositif amplificateur compensé de signaux électriques, caractérisé en ce qu'il comprend~ un premier amplificateur (A1) et un second amplificateur (A2) possédant chacun un gain constant de valeur Go dans une gamme de fréquence déterminée, le premier amplificateur délivrant un signal de sortie vl en réponse à un signal d'entrée u dudit dispositif, le dispositif comprenant également des moyens diviseurs de rapport fixe égal à ladite valeur Go et destinés à prélever une fraction déterminée du signal de sortie vl du premier amplificateur, le second amplificateur délivrant un signal de sortie v2 en réponse à un signal d'entrée qui est la différence entre ladite fraction du signal de sortie vl et ledit signal d'entrée u du dispositif, le dispositif délivrant un signal de sortie vs qui est la différence entre les signaux de sortie du premier et du second amplificateur. 2. Dispositif amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens diviseurs comprennent un potentiomètre (P). 3. Dispositif amplificateur selon Pune des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les amplificateurs (A1 et A2) sont des amplificateurs opérationnels.