Brevet FR2693065A1 — publié le 19931231

i Dispositif d'amplification de puissance d'un signal composite. La présente invention est relative à l'amplifica- tion de puissance d'un signal composite et plus précisé- ment à son amplification linéaire. Par signal composite il faut comprendre un signal fait d'un premier et d'un second signal indépendants l'un de l'autre, étant entendu que chacun des deux si- gnaux indépendants peut lui-même être un signal compo- site. Il est connu, par exemple en télévision, d'effec- tuer une amplification linéaire de puissance d'un si- gnal composite formé du signal image et du signal son; c'est l'amplification à voie unique par opposition à l'amplification à voies séparées o, par exemple en télévision, les signaux image et son sont amplifiés par deux voies distinctes. Pour effectuer une amplification linéaire à voie unique il est connu d'utiliser un amplificateur de sor- tie jusqu'à et non compris sa zone de saturation, en lui associant un amplificateur complémentaire; l'ampli- ficateur complémentaire est placé en série devant l'am- plificateur de sortie et sa caractéristique de trans- fert est choisie de manière à être complémentaire de celle de l'amplificateur de sortie c'est-à-dire de ma- nière que la caractéristique de transfert de ces deux amplificateurs soit une droite entre deux points dits points de saturation représentant respectivement les limites d'amplification linéaire d'un signal positif et d'un signal négatif; au delà de ces points le gain de l'ensemble constitué par les deux amplificateurs est nul ou quasi-nul. En considérant comme premier signal indépendant le signal de plus forte amplitude, le second signal a pour effet de déplacer le premier de part et d'autre de la position qu'il occuperait s'il était seul; cela fait que, en donnant la valeur 1 à l'amplitude crête du premier signal, le signal composite oscille entre deux5 valeurs limites 1 + D et -1-D, o D est la valeur maxi- male de déplacement. Les dispositifs d'amplification linéaire connus comportent, en série, l'amplificateur complémentaire, un préamplificateur et l'amplificateur de sortie; afin10 de conserver la linéarité d'amplification les puissan- ces du préamplificateur et de l'amplificateur de sor- tie sont augmentées d'un coefficient ( 1 + D)2 par rap- port à ce qui est nécessaire pour amplifier linéaire- ment le premier signal indépendant seul.15 Si l'augmentation de la puissance du préamplifica- teur est relativement peu onéreuse, il n'en va pas de même pour l'amplificateur de sortie quand les puissan- ces de sortie se chiffrent en dizaines voire en centai- nes'de kilowatts.20 Le but de la présente invention est de réduire la puissance nécessaire à l'amplificateur de sortie tout en maintenant la linéarité d'amplification. Ceci est obtenu en modifiant, par rapport aux dispositifs connus, les caractéristiques des circuits qui précédent l'amplificateur de sortie. Selon l'invention il est proposé à cet effet un dispositif d'amplification pour effectuer une amplifica- tion linéaire de puissance d'un signal d'entrée compo- site formé d'un premier et d'un second signal indépen-30 dants l'un de l'autre et o le second signal a un ni- veau maximum au plus égal à celui du premier, compor- tant des moyens de correction suivis d'un préamplifica- teur suivi d'un amplificateur saturé, et ayant une caractéristique de transfert sensiblement linéairement35 continue entre deux points dits points de saturation et sensiblement constante de part et d'autre de ces deux points, caractérisé en ce que, afin que l'amplitude crête à crête du premier signal à la sortie du disposi- tif puisse atteindre la valeur de la différence de ten-5 sion entre les deux points de saturation, l'ensemble d'entrée constitué par les moyens de correction et le préamplificateur a une caractéristique de transfert dont la courbe présente, entre deux points particuliers correspondant aux points de saturation dans l'amplifica-10 tion par l'amplificateur saturé, une pente donnée et une pente sensiblement triple de la pente donnée de part et d'autre des deux points particuliers. La présente invention sera mieux comprise et d'au- tres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la des- cription ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: la figure 1, le schéma simplifié d'un dispositif d'amplification linéaire de puissance, la figure 2, les caractéristiques de transfert de deux amplificateurs complémentaires, - les figures 3 et 4, respectivement la caractéris- tique de transfert et le schéma d'un amplifica- teur complémentaire, la figure 5, les formes de signaux relatifs à un amplificateur complémentaire, les figures 6 et 7, des schémas montrant l'évolu- tion de signaux au fur et à mesure de leur pro- gression dans, respectivement, un dispositif se- lon l'art connu et un dispositif selon l'inven- tion. La description qui suit est faite dans le cadre de l'amplification à voie unique d'un signal composite de télévision, formé d'un signal image et d'un signal son; l'homme du métier pourra sans peine l'adapter à35 l'amplification d'autres signaux composites. La figure l représente un dispositif d'amplifica- tion linéaire, à voie unique, constitué de trois cir- cuits en série: des moyens de correction 1 qui reçoi- vent un signal Ve, suivis d'un préamplificateur li-5 néaire 2, lui-même suivi d'un amplificateur saturé qui délivre un signal Vs correspondant au signal Ve ampli- fié linéairement. Dans les dispositifs d'amplification linéaire selon l'art connu les moyens de correction 1 ont simple- ment à présenter une caractéristique de transfert telle que la caractéristique de transfert du dispositif soit une droite jusqu'au niveau de saturation de l'amplifica- teur de sortie. La figure 2 montre la courbe T représentative de la caractéristique de transfert du dispositif selon la figure 1 avec en abscisse les valeurs absolues de la tension d'entrée Ve et en ordonnées les valeurs abso- lues de la tension de sortie Vs; cette caractéristique de transfert est obtenue par deux amplificateurs complé-20 mentaires placés en série: les moyens de correction 1 et l'amplificateur saturé 3 dont les gains en tension sont donnés respectivement par les pentes d'une courbe Tl et d'une courbe T 3 Le produit de ces gains est gar- dé constant jusqu' à et non comprise la zone de satura-25 tion de l'amplificateur saturé, pour avoir une amplifi- cation linéaire; dans la zone de saturation le gain de l'amplificateur saturé tendant vers zéro il faudrait que le gain des moyens de correction tende vers l'infi- ni pour garder la linéarité d'amplification, ce qui est30 impossible; la courbe T présente donc une partie de pente constante non nulle, suivie d'une partie de pente nulle au delà d'un point correspondant au début de la saturation de l'amplificateur de sortie 3. En réalité la courbe Tl n'a pas exactement la forme complémentaire de la courbe T 3 représentée sur la figure 2, car elle est obtenue par approximation de cette forme complémentaire au moyen d'une ligne brisée formée de segments de droites Un telle ligne brisée, Tl', est représentée sur la figure 3 Pour simplifier les explications la courbe selon la figure 3 ne com- porte que deux segments de droite. La caractéristique de transfert selon la courbe de la figure 3 est obtenue par un montage représenté sur la figure 4; ce montage est constitué par la mise10 en parallèle de deux quadripôles Q 1, Q 2 dont l'un, Q 1, est linéaire, c'est-à-dire fonctionne en classe A et dont l'autre, Q 2, a un état bloqué suivi d'un état pas- sant linéaire, c'est-à-dire fonctionne en classe C Ces deux quadripôles reçoivent le même signal sur leur en-15 trée commune E et ont leurs sorties respectives A et B reliées à une même sortie commune S. La suite de la description va se rapporter, à titre d'exemple non limitatif, à l'amplification d'un signal composite de télévision formé d'un signal image20 et d'un signal son et ce signal composite sera représen- té sur les figures par son enveloppe. La figure 5 montre quatre signaux Se, Sb, Sr et Sf Le signal Se est le signal image de télévision; il est appliqué à l'entrée E du montage selon la figure 425 et ce même signal se retrouve sur la sortie A du quadri- pôle Q 1, à l'amplification linéaire près de ce quadri- pôle Le signal Sb est le signal sur la sortie B du quadripôle Q 2; l'amplitude maximum du signal Sb est notée x sur la figure.30 La forme du signal au point S du montage selon la figure 4 diffère en fonction de la façon dont s'effec- tue la sommation des signaux fournis par les quadri- pôles Qi et Q 2 Si le montage est à large bande et cor- respond donc à la sommation dans une résistance, le35 signal en S est représenté par le signal Sr de la fi- gure 5, c'est un signal qui a perdu la symétrie du si- gnal d'entrée Se du fait de la sommation réalisée. La symétrie peut être retrouvée en appliquant le signal Sr à l'entrée d'un filtre En effet le signal Se sur l'entrée E du montage selon la figure 4 étant un signal modulé par un signal vidéo en dents de scie, le spectre du signal Sr se compose du spectre fondamental du signal modulé Se, d'harmoniques et surtout du spec- tre du signal modulant régénéré par la non linéarité du montage, la suppression du spectre modulant peut se faire par filtrage du fondamental dans ce signal Sr; ce filtrage donne le signal Sf de la figure 5. Il est à noter que, dans les amplificateurs en radio-fréquences, dont le modèle est également l'asso- ciation de deux quadripôles selon la figure 4, il n'est pas possible de trouver un signal du type du signal Sr de la figure 5 car la charge et le filtrage y sont inti- mement liés En effet les circuits d'adaptation de sor- tie-de ces amplificateurs sont des transformateurs d'im- pédance de bande passante suffisante pour satisfaire aux exigences du spectre fondamental, mais les limites de cette bande passante éliminent naturellement le spec- tre modulant et les harmoniques. Le signal Sf selon la figure 5 est un signal symé- trique, néanmoins il ne reproduit pas la forme du si- gnal d'entrée Se; c'est-à-dire que l'amplification n'est pas linéaire Pour éviter cette non linéarité il est connu de ne faire travailler l'amplificateur saturé et les moyens de correction que dans la partie rectili- gne de leur caractéristique de transfert qui passe par le point zéro de la caractéristique. Cette technique connue est illustrée à l'aide de la figure 6 o le signal d'entrée Ve du dispositif se- lon la figure 1 est représenté en traits forts dans les positions extrêmes qu'il occupe et en traits interrom- pus dans sa position moyenne; la position moyenne cor- respond au signal image seule; le signal son déplace le signal image dans un mouvement sinusoïdal d'ampli- tude D o, en donnant à l'amplitude de l'enveloppe du signal image la valeur 1, la valeur D est égale au rap- port du niveau image sur le niveau son Sur la figure 6, ainsi que sur la figure 7 et dans ce qui suit, les valeurs 1 et D correspondent à des amplitudes en des points donnés du dispositif d'amplification et, par exemple, la valeur 1 est attribuée à l'amplitude du signal image -seul aussi bien à l'entrée, qu'à la sor- tie, qu'en tout autre point du dispositif; étant enten- du que, par exemple, la valeur 1 + D du signal de sor- tie du dispositif ne correspond à la valeur 1 + D du signal d'entrée qu'à l'amplification près du dispositif. Quel que soit le déplacement, c'est-à-dire même pour les valeurs extrêmes, le signal composite est tou- jours amplifié dans la même partie linéaire de la carac- téristique de l'amplificateur, qu'il s'agisse des moyens de correction ou de l'amplificateur saturé, étant entendu que, par définition, il en est de même dans le préamplificateur linéaire 2 selon la figure 1. Ainsi selon la figure 6, le signal d'entrée Ve subit une première amplification linéaire, selon une caracté- ristique de transfert Cl' pour donner un signal Vm qui subit une seconde amplification linéaire, selon une caractéristique de transfert C 2 ', dans l'amplificateur saturé, pour donner le signal de sortie Vs Sur la fi- gure 6, comme sur la figure 7, pour simplifier la com- préhension, la caractéristique de l'amplificateur satu- ré est dessinée comme si elle n'avait pas besoin de correction; cela ne change rien aux explications don- nées, la forme des caractéristiques de transfert repré- sentées étant seulement légèrement modifiées par rap-35 port à la réalité et les différences de forme se compen- sant entre les caractéristiques de transfert de la pre- mière et de la seconde amplification. Comme il apparaît sur la figure 6, en raison du déplacement D le dispositif d'amplification doit four- nir une puissance de sortie qui est multipliée par ( 1 + D) par rapport à ce qui est nécessaire pour ampli- fier le signal image seul, et la puissance de sortie crête, Pc, du signal composite est égale à la puissance de saturation, Psat, de l'amplificateur Pc = Psat. La figure 7 montre comment le dispositif peut être modifié pour obtenir Pc = n Psat o N appartient à l'ensemble des réels et o 1 associés de filtrage et de symétrie dont il a été ques- tion plus avant, en particulier lors de la description de la figure 5 Aussi bien en ce qui concerne la pre- mière amplification, c'est-à-dire avant l'amplificateur saturé, que la seconde par l'amplificateur saturé, la modification consiste à accepter, sous certaines condi- tions, de travailler au delà du coude des caractéristi- ques de transfert. Si l'amplificateur saturé est utilisé au delà de la saturation une partie du signal va être écrêtée du fait de la saturation mais pourra être régénérée par l'effet de filtrage et de symétrie, sous deux conditions: que, au plus, la moitié du signal soit écrêtée lorsque le déplacement est maximum, que la partie du signal qui est écrêtée soit exactement reconstituée par filtrage et symétrie. La première condition est satisfaite avec une tension de saturation, Vsat, un déplacement, D, et une amplitude, 1, du signal image seul, égales: Vsat = D = l avec ici encore la valeur i attribuée à l'amplitude maximale du signal image seul. La seconde condition nécessite que, dans la carac- téristique de transfert de la première amplification, c'est-à-dire de l'amplification autre que celle de l'am- plificateur saturé, la pente soit triplée au delà des points ( 1, 1) (- 1, -1) par rapport à ce qu'elle est entre ces points.10 Comme il apparaissait sur la figure 6, le signal d'entrée Ve subissait une première amplification li- néaire pour des valeurs comprises entre -1 -D et i + D c'est-à-dire pour toutes les valeurs de ce signal quel que soit le déplacement dû au signal son Le signal Vm15 obtenu par cette première amplification subissait, pour fournir le signal de sortie Vs, une seconde amplification; cette seconde amplification obtenue grâce à l'amplificateur saturé était linéaire pour tou- tes les valeurs de ce signal Vm comprises entre -1 -D20 et 1 + D, c'est-à-dire pour toutes les valeurs du si- gnal Vm quel que soit le déplacement occasionné par le signal son. Comme le montre la figure 7 qui se rapporte à l'invention, les première et seconde amplifications ne sont plus linéaires dans toute la plage des tensions à amplifier Le signal Ve subit une première amplifica- tion, selon une caractéristique de transfert Cl, qui est linéaire pour les valeurs de Ve comprises entre -1 et + 1 mais qui ensuite présente un coude avec une pente30 triple de ce qu'elle était entre -1 et + 1; et, par exemple pour le déplacement +D o les tensions maximale et minimale du signal Ve sont respectivement 1 + D et -l +D, les valeurs maximale et minimale correspondante du signal Vm qui seraient respectivement de 1 + 3 D et -1 +D sans l'effet de filtrage et de symétrie, sont de 1 + 2 D et -1 Quant au signal Vm il subit la seconde amplification, selon une caractéristique de transfert C 2, qui est linéaire pour les valeurs de Vm comprises entre -1 et + 1 et qui est de gain nul, du fait de la saturation, pour toutes les valeurs de Vm supérieures à 1 en valeur absolue Et, bien que le signal Vm ait été distordu et ait subi l'effet de filtrage et symétrie, pour ses valeurs comprises entre 1 et 1 + 2 D et entre -1 et -1 -2 D, lors de la première amplification, le signal Vs à la sortie de l'amplificateur saturé se pré- sente comme si le signal Ve avait subi une amplifica- tion linéaire tout au long de la voie unique que consti- tue le dispositif; comme il a été indiqué précédemment cela est dû à l'effet de filtrage et de symétrie de15 l'amplificateur saturé et à l'effet de compensation obtenu dans ce qui a été appelé la première amplifica- tion. il REVENDICATION 1 Dispositif d'amplification pour effectuer une amplification linéaire de puissance d'un signal d'en- trée composite (Ve) formé d'un premier et d'un second signal indépendants l'un de l'autre et o le second5 signal a un niveau maximum au plus égal à celui du pre- mier, comportant des moyens de correction ( 1) suivis d'un préamplificateur ( 2) suivi d'un amplificateur satu- ré ( 3), et ayant une caractéristique de transfert sensi- blement linéairement continue entre deux points dits10 points de saturation et sensiblement constante de part et d'autre de ces deux points, caractérisé en ce que, afin que l'amplitude crête à crête du premier signal à la sortie du dispositif puisse atteindre la valeur de la différence de tension entre les deux points de satu-15 ration, l'ensemble d'entrée constitué par les moyens de correction ( 1) et le préamplificateur ( 2) a une caracté- ristique de transfert (Cl) dont la courbe présente, entre deux points particuliers correspondant aux points de saturation dans l'amplification par l'amplificateur20 saturé, une pente donnée et une pente sensiblement tri- ple de la pente donnée de part et d'autre des deux points particuliers.