Brevet FR2708807A1 — publié le 19950210

L'invention se rapporte à un amplificateur de signaux électriques. Elle se rapporte plus particulièrement mais non exclusivement aux amplificateurs basses fréquences destinés à amplifier des signaux de fréquences audibles. LT amplification de signaux électriques représentant notamment un message sonore nécessite, dTune part, de limiter la déformation du signal dans des limites données et, d'autre part, de préserver la dynamique du signal. Classiquement, un amplificateur consiste en un circuit électrique comprenant - une entrée sur laquelle est reliée électriquement la source de commande dloù provient un signal à amplifier, - une sortie reliée à une charge électrique exploitant le signal amplifié, - des moyens dlamplification et - des moyens dlalimentation fournissant llénergie nécessaire aux moyens d'amplification. Ces moyens d'amplification consistent en des éléments actifs comprenant au moins un transistor, chacun de ces éléments actifs comprenant une borne entrée et deux bornes dites de manière générale actives dont l'une est reliée à une tension d'alimentation continue au travers dTune résistance dite dlalimentation. Ces bornes dites actives sont plus généralement appelées collecteur ou émetteur mais suivant le type de transistors, par exemple dans le cas des transistors dits à effet de champs, elles peuvent également slappeler drain ou source. Classiquement, ces moyens d'amplification sont agencés en au moins deux étages d'amplification dont un étage dit d'entrée. Toujours de manière classique, les étages sont chacun constitués de deux éléments actifs montés symétriquement autour d'un point milieu pour former deux branches d'amplification dites positive et négative. Chaque étage intermédiaire jusqu'à l'étage final a son entrée dite entrée intermédiaire qui prélève le signal à amplifier sur 1 l'étage précédent fournissant quant à lui un signal de sortie dit intermédiaire. Classiquement, l'étage d'entrée comprend deux transistors du type à effet de champs, dit TEC, pourvus chacun d'une électrode de gachette, de drain et de source, lesquels transistors TEC sont montés symétriquement autour dlun point milieu avec leurs électrodes appelées gachettes reliées à la borne d'entrée de l'amplificateur sur laquelle on applique le signal à amplifier et leurs drains reliés à une source d'alimentation en tension continue au moins indirectement au travers d'une résistance. Dans les circuits connus à ce jour et, notamment dans les montages symétriques, l'une des bornes actives d'un élément actif est reliée directement, sans composant passif, à l'une des bornes de l'autre élément actif et le signal d'entrée intermédiaire est prélevé directement sur un composant actif, tel un transistor, ce qui est le cas des montages dits différentiels ou en miroir de courant. L'équilibre du montage entre deux éléments actifs est donc directement dépendant de chaque élément actif. Ces composants actifs, même s'ils sont dits identiques, ont toutefois des caractéristiques qui restent trés variables, ce qui influe sur l'amplification du signal et sa transmission au travers des étages. Egalement, dans ces circuits, le courant continu des circuits de polarisation est mélangé avec le signal amplifié. En effet, dans ces circuits connus utilisant des transistors à effet de champs, la tension de polarisation de ceux-ci est injectée au niveau de l'étage final. Pour remédier à ces inconvénients notamment de stabilité, il est connu de faire appel à des montages mettant en oeuvre une boucle dite de contre réaction globale qui prélève en sortie de l'amplificateur une fraction représentative du signal amplifié pour le réinjecter sensiblement sur 1 l'entrée de l'amplificateur afin de générer un asservissement et une correction des distorsions induites par les composants et leurs dérives thermiques. Si cette boucle de contre réaction globale permet de réduire la déformation du signal, elle réduit malheureusement la dynamique du signal. A 1 l'expérience, on constate que, si la déformation du signal reste contenue dans des limites prédéterminées, celle-ci n'est pas véritablement perçue par l'auditeur. Par contre, si la dynamique est affectée, elle est trés mal ressentie par l'auditeur. Un des résultats que l'invention vise à obtenir est un amplificateur du type précité qui rémédie à ces inconvénients et notamment présente une grande dynamique. A cet effet, elle se rapporte à un tel amplificateur du type précité notamment caractérisé en ce que les éléments actifs de chaque étage intermédiaire ont chacun une de leurs branches actives reliée au point milieu au travers d'au moins un élément passif dit auxiliaire tel une résistance dite résistance auxiliaire contrôlant avec la résistance dite d'alimentation portée par l'autre branche active la tension d'entrée intermédiaire pour l'étage suivant de sorte que cette tension d'entrée intermédiaire dépend directement d'une relation mathématique entre cette résistance auxiliaire et la résistance dite d'alimentation. L'invention sera bien comprise à l'aide de la description ci-aprés faite à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin ci-annexé qui représente - figures 1 à 3 : des schémas simplifiés de l'invention dans différentes formes de réalisation. En se reportant au dessin, on voit que, pour amplifier un signal dit de basses fréquences qui représente notamment un signal accoustique, on fait appel à un amplificateur 1. Classiquement, un amplificateur 1 consiste en un circuit électrique comprenant - une entrée E sur laquelle est reliée électriquement une source 10 de commande d'où provient un signal à amplifier, - une sortie S reliée à une charge électrique 2 exploitant le signal amplifié, - des moyens d'amplification Al à A4 et - des moyens d d'alimentation +Vcc, -Vcc fournissant l'énergie nécessaire aux moyens d'amplification. Ces moyens d'amplification Al à A4 comprennent des éléments actifs BI à B4 comprenant au moins un transistor, chacun de ces éléments actifs comprenant une borne d'entrée et deux bornes A, B dites, de manière générale, actives dont l'une (B) des bornes actives est reliée à une tension d'alimentation +Vcc, -Vcc continue au travers d'une résistance R1, R4, R5, R6 dite d'alimentation. Classiquement, ces moyens d'amplification sont agencés au moins en deux étages d'amplification El, E2 dont un étage dit d'entrée. Toujours de manière classique, les étages sont chacun constitués de deux éléments actifs Bl, B2 et B3, B4 montés symétriquement autour d'un point milieu M pour former deux branches dites positive et négative. Chaque étage intermédiaire jusqu'à l'étage final a son entrée Dl à D4 dite entrée intermédiaire qui prélève le signal à amplifier sur l'étage précédent qui fournit quant à lui un signal de sortie dit intermédiaire. Classiquement, l'étage d'entrée comprend deux transistors T1, T2 du type à effet de champs, dits TEC, pourvus chacun d'une électrode de gachette, de drain et de source, lesquels transistors TEC sont montés symétriquement autour d'un point milieu M avec leurs électrodes appelées gachettes, reliées à la borne d'entrée de l'amplificateur sur laquelle on applique le signal à amplifier ainsi qu'une tension Pol-, Pol+ de polarisation. Selon l'invention, les éléments actifs B1 à B4 de chaque étage intermédiaire ont chacun une (A) de leurs branches actives A, B, reliée au point milieu M au travers d'au moins un élément passif R2, R4 dit auxiliaire tel une résistance dite résistance auxiliaire controlant avec la résistance R1, R2 dite d'alimentation la tension d'entrée intermédiaire pour l'étage suivant de sorte que cette tension d'entrée intermédiaire dépend directement d'une relation mathématique entre cet élément passif auxiliaire et la résistance dite d'alimentation. Selon l'invention, la source 10 de commande est reliée à la gachette des transistors TEC par un composant de découplage C1, C2 telle une capacité. Ceci évite de mélanger la tension de polarisation des transistors à effet de champs avec le signal à amplifier. Ainsi, chaque étage intermédiaire est contre-réactionné fortement et quasi indépendamment des autres étages. On obtient ainsi - une bonne qualité pour chaque étage sous réserve qu'on choisisse des composants passifs trés précis et, - une grande dynamique. Ainsi, si l'on se réfère à la figure 1 et si on examine la branche positive de l'amplificateur avec ses transistors T1, T3 et en supposant que le coefficient ss de l'élément actif intermédiaire T3 est grand, on peut considérer que l'intensité qui traverse le transistor d'entrée T1 et ses résistances d'alimentation R1 et auxiliaire R2 est la même. En première approximation, on peut considérer en basse fréquence que le signal alternatif au point d'entrée E de l'amplificateur se retrouve intégralement sur la borne A du transistor d'entrée T1. Sur l'autre borne B du même transistor d'entrée, il est multiplié par le rapport des résistances du transistor d'entrée R1/R2 et c'est cette tension alternative que l'on retrouve sur la borne d'alimentation C de l'étage intermédiaire. L'amplification en tension du premier étage est donc RI/R2. Les deux étages travaillent en classe A. La polarisation exacte Pol+ est fixée pour que la tension continue aux bornes de la résistance auxiliaire R2 du transistor d'entrée T1 soit telle que pour la tension alternative maximale d'entrée, l'intensité dans la résistance d'alimentation R5 de l'étage intermédiaire ne s'annule jamais et même reste nettement supérieure à zéro Volt, ceci pour diminuer la distorsion. Ainsi, si on écrit les équations des tensions aux points A, B, C précités, on a Vcc - Vb = Va(R1/R2) Vcc - Vc = (Va(R1/R2)) - 0,7 On applique un signal Am sin Qt au point E. Soit Am l'amplitude maxi du signal sinusoïdal au point E. Il faut que pour sin Qt = -1 Vcc - Vc = ((Va - Am) (R1/R2)) - 0,7 > O , soit Va > Am + (0,7(R2/R1)) L'intensité dans la résistance auxiliaire R2 est choisie en fonction des transistors d'entrée T1 ou T2 et doit être grande par rapport au courant de base des transistors T3 (T4). On peut donc calculer R2 = Va / intensité choisie dans T1 Pour que le premier étage amplifie en tension, il faut que la résistance d'alimentation Ri soit plus grande que la résistance auxiliaire R2 mais cette résistance d'alimentation R1 ne doit pas être choisie trop grande par rapport à la résistance auxiliaire R2 afin que l'amplitude aux bornes de la résistance d'alimentation R5 du transistor de l'étage suivant ne soit pas trop importante par rapport à la tension d'alimentation. On peut prendre par exemple : R1/R2 ~ 1,2 à 1,5 soit v la tension alternative sur les bases des transistors du deuxième étage T3 (T4), on a I1 = (Vcc - Vb + v - 0,7) / R5 Comme il y a symétrie et que les tensions alternatives sur les bases sont en phase, I2 = (Vcc - Vb - v - 0,7) / R5 === > I1 + I2 = (2(Vcc - Vb) - 1,4) / R5 = Cte , donc I1 + I2 = Cte et Vs = (1i - I2).R7 , donc Vs = 2.v.R7/R5 avec I1 et I2, le courant qui traverse les branches reliées au point milieu des transistors du deuxième étage. Llamplication en tension du deuxième étage est donc 2.R7/R5 et l'amplification théorique maxi en tension du montage est (Rl/R2). (2.R7/R5) En fait, comme le coefficent ss des transistors T3 (T4) n'est pas infini, l'amplification est dans la pratique inférieure à la valeur trouvée. On choisit l'intensité dans T3 (T4) en fonction des transistors utilisés et de l'application de telle sorte que l'intensité dans T3 (T4) divisée par le coefficent ss des transistors soit trés inférieure à l'intensité qui traverse T1 (T2). On peut donc calculer la résistance R5 et choisir la résistance R7 pour obtenir l'amplification en tension désirée pour le montage. R5 = ((Va.R1/R2)- 0,7) /intensité choisie dans T3 (T4) Lors d'une impulsion positive , on a au maximum quand le transistor T3 est saturé Vcc > (Vcc - Vc) + Vs, soit Vcc > ((Va + Am)R1/R2)- 0,7+((R1/R2).2Am.R7/R5) Sur le montage présenté en figure 2, on fait appel à un troisième étage d'amplification en courant utilisant des transistors de type MOSFET. Le montage de la figure 3 est plus complet et fait appel au montage connu généralement sous le terme "montage cascade". Les transistors au dernier étage sont montés en parallèle afin, d'une part, d'augmenter la qualité de l'amplificateur et, d'autre part, d'améliorer la dissipation de chaleur produite au niveau de l'étage final de puissance. REVENDICATIONS 1. Amplificateur (1) de signaux électriques qui consiste en un circuit comprenant - une entrée (E) sur laquelle est reliée électriquement une source (10) de commande dloù provient un signal à amplifier, - une sortie (S) reliée à une charge électrique exploitant le signal amplifié, - des moyens d'amplification (Al à A4) et - des moyens d'alimentation (+Vcc, -Vcc) fournissant l'énergie nécessaire aux moyens d'amplification, lesquels moyens d'amplification (Al à A4) - comprennent des éléments actifs (B1 à B4)comprenant au moins un transistor, chacun de ces éléments actifs comprenant une borne d'entrée et deux bornes (A, B) dites, de manière générale, actives dont l'une (B) des bornes actives est reliée à une tension d'alimentation continue au travers d d'une résistance (RT, R4) dite d'alimentation et, - sont agencés au moins en deux étages d'amplification (El, E2) dont un étage (El) dit d'entrée, avec chaque étage intermédiaire jusqu a l'étage final qui a son entrée (D1 à D4) dite entrée intermédiaire qui prélève le signal à amplifier sur l'étage précédent qui fournit quant à lui un signal de sortie dit intermédiaire, le dit étage d'entrée comprenant deux transistors (T1, T2) du type à effet de champs, dits TEC, pourvus chacun d'une électrode de gachette, de drain et de source, lesquels transistors TEC sont montés symétriquement autour d'un point milieu (M) avec leurs électrodes appelées gachettes, reliées à la borne d'entrée de l'amplificateur sur laquelle on applique le signal à amplifier ainsi qu'une tension (Pol-, Pol+) de polarisation, cet amplificateur étant CARACTERISE en ce que les éléments actifs (B1 à B4) de chaque étage intermédiaire ont une (A) de leurs branches actives (A, B), reliée au point milieu (M) par au moins un élément passif (R2, R3) dit auxiliaire tel une résistance dite d'alimentation une tension d'entrée dit intermédiaire pour l'étage suivant de sorte que cette tension d'entrée intermédiaire dépend directement d'une relation mathématique entre cet élément passif et la résistance dite d' alimentation. 2. Amplificateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la source de commande est reliée à la gachette des transistors TEC par un composant de découplage.