Brevet FR2700082A1 — publié le 19940701

AMPLIFICATEUR DE SIGNAUX AUDI( > FREOUENCES L'invention concerne un amplificateur intégré destiné à amplifier des signaux audio-fréquences. Un tel amplificateur trouve tout naturellement son application dans les chaînes stéréo haute fidélité et dans toutes les applications possibles relatives au domaine de ltélectro-acoustique. De manière connue, un amplificateur est destiné à accroître l'amplitude d'une grandeur physique variable dans le temps, sans introduire de distorsions notables dans ses autres caractéristiques. Dans l'application particulière au matériel stéréophonique haute fidélité, on amplifie en puissance des signaux correspondants aux signaux audiofréquences délivrés par une source basses fréquences, tel que par exemple un magnétophone, un lecteur de disque compact, une platine de disques traditionnelle, voire un microphone. Si certes, les amplificateurs basses-fréquences sont connus depuis longtemps pour cette application, de tout temps, un souci majeur à consister à réduire le plus possible le bruit susceptible d'être généré par cette amplification. Les sources de ce bruit peuvent être multiples. Outre la qualité du support d'enregistrement lui-même, ou du lecteur proprement dit dudit support d'enregistrement, ce bruit provient également de l'amplificateur lui-même, soit que le traitement auquel est soumis le signal numérique ou analogique issu du lecteur ne restitue pas l'ensemble des harmoniques, dont on connait leur rôle essentiel dans la musicalité, soit que ce traitement amplifie les défauts d'enregistrement, altérant de la sorte la qualité auditive du son amplifié. A ces bruits s'ajoutent également les bruits inhérents aux composants eux-même, constitutifs de l'amplificateur. Ainsi, il n'est pas rare d'observer qu'un amplificateur soumis à une puissance élevée génère des bruits parasites, provenant des distorsions thermiques voire mécanaiques des transistors de puissance qu'il comporte. Ces distorsions thermiques altèrent le fonctionnement normal de l'amplificateur et partant, la qualité de la restitution acoustique du signal d'entrée. En outre et de plus en plus, la technique évoluant, les différents circuits constitutifs des amplificateurs sont imprimés et, la fixation des composants s'effectue directement au niveau d'un substrat diélectrique par soudure ou niveau de puits de soudure ménagés à cet effet. Or, on observe, du fait des inégalités de conduction au niveau de ces puits, une altération du signal amplifié par effet de résistance lié à la qualité des soudures, remplissant plus une fonction de liant, et dont la résistance et le bruit de jonction peuvent présenter des valeurs élevées. L'objet de l'invention est de proposer un amplificateur pour signaux audio-fréquences s'affranchissant au maximum des bruits et autres signaux de fond susceptibles d'être générés par l'amplificateur lui-même ou son support imprimé, et partant, susceptible d'amplifier et de permettre la délivrance par des hauts- parleurs adéquats, d'un son de qualité à ce jour inégalée. Cet amplificateur intégré de signaux alternatifs pour une restitution de signaux audio-fréquences comprend: - un étage d'entrée au niveau duquel aboutissent les signaux analogiques issus d'un générateur audi-fréquence, représentatifs des signaux audio-fréquences à amplifier, étage d'entrée au niveau duquel sont séparés les composantes positives et négatives desdits signaux; - un étage de puissance, destiné à amplifier à proprement parlé la puissance desdits signaux et à restituer un signal en sortie d'amplificateur, utilisable par un ou plusieurs hauts-parleurs, l'étage d'entrée étant connecté à l'étage de puissance par l'intermédiaire d'un étage translateur de courant, destiné à rendre utilisables par l'étage de puissance les signaux amplifiés et différenciés en polarité issus de l'étage d'entrée. Cet amplificateur se caractérise: - en ce que les circuits électroniques de traitement des composantes positives et négatives des signaux d'entrée de l'étage d'entrée, de l'étage translateur et de l'étage de puissance sont totalement symétriques; - en ce que ledit étage d'entrée est fortement polarisé au moyen de deux générateurs de courant délivrant à son niveau un courant d'intensité constante; - et en ce que l'étage d'entrée est constitué par quatre transistors montés en double différentiel, dont l'entrée inverseuse est utilisée pour la contre-réaction globale de l'amplificateur. L'un des points essentiels de l'invention consiste donc à soumettre l'étage d'entrée à un courant de polarisation intense, de telle sorte à ce que dès la mise sous tension de l'amplificateur, les transistors constitutifs de l'étage d'entrée soient portés en température, typiquement 50 ou 60 OC, afin d'une part, d'assurer la stabilité au niveau des signaux amplifiés par les transistors par absence alors de distorsions thermiques, et d'autre part, d'assurer une méilleure restitution du signal, et ce notamment sur des petits signaux, par annulation des seuils des transitors qui le constituent. On annule en effet par cette polarisation importante les effets de seuil inhérents au principe même de fonctionnement des transistors, effets de seuil qui étant annulés, suppriment donc les distorsions dites de croisement et bien connues dès lors que l'on utilise ce type de composants. S'affranchissant en outre des distorsions thermiques, on augmente la qualité de restitution du signal. En outre, le courant constant issu des générateurs de courant, et qui aboutit au niveau des émetteurs des transistors constitutifs de l'étage d'entrée, se traduit au niveau du collecteur de ceux-ci par une tension rigoureusement proportionnelle au gain de l'étage d'entrée. De la sorte, on n'observe pas d'effets de mémoire des condensateurs sur les petits signaux. En outre, il ne se crée pas de bruits supplémentaires inhérents aux composants, jonctions, pistes du circuit imprimé, etc. . Enfin, de par ce montage, il n'y a plus aucune limitation dynamique de l'amplificateur sur les signaux rapides ou de haute fréquence audio. Par "circuits symétriques", on entend un circuit physiquement symétrique, notamment par construction, intégrant donc pour chacune des branches traitant les alternances positives ou négatives les mêmes composants de mêmes caractéristiques. Ainsi, le fait de rendre symétrique cet étage amplificateur permet de traiter dans les mêmes conditions les parties positives et négatives du signal injecté à l'entrée dudit amplificateur, mais également de ne pas déformer en vitesse le signal traité à son niveau, compte tenu du fait que le nombre de composants traversés est équivalent en valeur et en nombre dans les deux branches. En outre, ce montage présente une grande stabilité sur front raide, c'est à dire en régime transitoire, du fait que comme il ne déforme pas les signaux, il voit paraître sur la contre-réaction l'image du signal d'entrée sensiblement en phase, puisque le circuit ne comporte aucun circuit de correction de fréquence susceptible de ralentir le signal. La contre-réaction montée sur l'entrée inverseuse du double différentiel permet de stabiliser le fonctionnement de l'ensemble sur des signaux transitoires, et de s'affranchir ainsi de toute contre-réaction sélective ou filtre passe-bas de limitation de vitesse sur signaux rapides. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'étage translateur, constitué de deux circuits correspondant respectivement à la composante positive et négative des signaux d'entrée, sont dépourvus de tout condensateur montés en parallèle avec le transistor qui les composent, accélérant de la sorte la vitesse de translation desdits signaux issus de l'étage entrée directement à l'étage de puissance. En outre, les deux branches du translateur sont montées sur un multiplicateur VBE (Volts Base Emetteur), disposé sur un radiateur de puissance des transistors constitutifs de l'étage de puissance. De la sorte, il est possible de régler le courant de polarisation des étages de puissance, de maintenir un courant de polarisation des étages de sortie dans une aire de sûreté par régulation des courants de sortie de manière inversement proportionnelle à la chaleur dissipée par le radiateur thermique des étages de puissance, de choisir la classe de fonctionnement du montage et enfin de fiabiliser le montage électronique quelle que soit la variation de tension d'alimentation, la variation thermique, voire climatique. En effet, le multiplicateur VBE est associé à un potentiomètre ajustable par construction, de telle sorte à déterminer le point de polarisation de l'étage de puissance par le biais d'un pont diviseur de tension, également ajustable par construction. Les deux circuits constitutifs de l'étage de puissance sont constitués des trois transistors montés en Darlington, dont les signaux d'entrée sont directement issus du multiplicateur VBE. Avantageusement et préalablement à l'étage d'entrée, les signaux issus du sélecteur sont filtrés par un condensateur de telle sorte à éliminer toute composante continue susceptible d'être contenue dans ceux-ci, et de centrer le signal d'entrée par rapport à la masse. Enfin, le circuit est constitué par un circuit imprimé d'épaisseur typique égale à trois millimètres, et dont l'alimentation est surdimensionnée de par l'utilisation de plaques de cuivre épaisse et de grande largeur, typiquement deux centimètres, et ce, afin de favoriser le transfert du courant électrique et partant sa vitesse, par un écoulement rapide des demandes d'énergie de l'étage de puissance en régime dynamique. Cette épaisseur importante du circuit imprimé permet de rigidifier par construction le substrat liant électriquement tous les composant entre eux. De la sorte, on élimine les problèmes vibratoires liés aux effets de réaction et de contre-réaction d'ordre physique par effet dénommé selon l'expression en langue anglaise "feed back" que génèrent par vibrations mécaniques les hauts parleurs.De plus, il est ainsi possible de remplacer les simples orifices traversants des pistes imprimées par des rivets formant puits, avec lesquels les composants qui y sont introduits forment un contact intime, s'affranchissant de la sorte des défauts de résistance et bruits de contact générés par les soudures étain-plomb, ainsi que les non-linéarités engendrées par la technique conventionnelle. En outre, il est alors possible d'effectuer des dépôts galvaniques importants sur les pistes de cuivre par du cuivre de haute qualité, dont la réalisation n'a pas engendré de "traumatismes moléculaires", fréquemment rerncontrés sur les pistes de cuivre adhésivées, qui sont généralement enroulées avant d'être plaquées sur le substrat.Enfin, on peut réaliser des pistes de cuivre larges et épaisses, de telle sorte à augmenter la vitesse de transfert d'énergie entre les condensateurs d'alimentation et les étages de puissance vers les haut-parleurs. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui de la figure unique annexée, correspondant à un synoptique simplifié du circuit électronique de l'amplificateur conforme à l'invention. On a matérialisé sur ce synoptique par les références A, B et X, respectivement l'étage d'entrée, l'étage translateur et l'étage de puissance. Au niveau de l'étage d'entrée A se situe tout d'abord un sélecteur (1) destiné à permettre de choisir le générateur ou le microphone souhaité. Ce signal est en outre directement relié à un potentiomètre (2), susceptible de permettre le réglage du volume. Le signal ainsi introduit est ensuite filtré par un condensateur (3), permettant de couper toute composante continue présente dans les signaux d'entrée, et permettant en outre de centrer ce signal par rapport au zéro de la masse. Ce signal est alors injecté dans le premier étage amplificateur (4) constitutif de l'étage d'entrée proprement dit, et comprenant un ensemble de quatre transistors montés selon le montage double différentiel, les deux différentiels étant reliés à deux générateurs de courant constant (5,6), comportant chacun un transistor (7,8), et correspondant respectivement au traitement des altenances positives et négatives des signaux d'entrée. Le point de référence de ce montage (4) est flottant par rapport à la masse au moyen de la résistance (9), et ce dans un but d'immuniser le courant de sortie des variations de tension que génèrent l'alimentation en cours de travail dynamique en cas d'usage à puissance élevée, notamment par injection de mode commun. Selon une caractéristique fondamentale de l'invention, les deux générateurs de courant constant (5,6) laissent filtrer un courant important dans les branches du double différentiel (4), typiquement 2,2 milliampères par branche, pour une tension de 50 Volts, soit une puissance de l'ordre de 0,1 Watt, aboutissant à une élévation de température du transistor jusqu'à sa température de stabilité, et typiquement 50 à 60"C, permettant ainsi de s'affranchir des bruits inhérents aux phénomènes de dérive thermique dus au transistor lui-même et de rémanences observées inhérentes aux distorsions thermiques, notamment après le passage de signaux importants. Ainsi, cet étage d'entrée fonctionne en classe A forcée, en d'autres termes, la puissance dissipée est nettement supérieure à la puissance utilisable au niveau de cet étage d'entrée.En revanche, il est connu que lorsqu'un circuit fonctionne en classe A, les distorsions observées sont très faibles pour ne pas dire nulles. En effet, en régime A, on utilise la partie linéaire des caractéristiques courant/tension des transistors. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on dispose sur l'entrée inverseuse du double différentiel (4) une contre-réaction (10, 11, 12), ajustée par la valeur des résistances (10) et (11), permettant ainsi de limiter et de contrôler le gain en boucle fermée, dans une aire d'utilisation convenable de gain et de facteur d'amortissement de la charge de l'amplificateur, mais aussi de contrôler la tension de dérive en sortie par le biais d'un réseau (12) de trois condensateurs montés en parallèles (13, 14, 15). Ces trois condensateurs en série avec la résistance (11) de masse du réseau de contre-réaction globale ont pour effet en alternatif de limiter le gain proportionnellement au rapport de leurs valeurs, les condensteurs n'intervenant pas. En revanche, en mode continu, la résistance de masse se trouve en série avec les condensateurs, représentant eux-mêmes une résistance élevée, presque infinie. De fait, la totalité de cette tension continue est présente aux bornes de l'entrée inverseuse de l'amplificateur, permettant ainsi de bien contrôler toute dérive en continu de la sortie, diminuant ainsi les risques de dérive d'offset liés aux dérives thermiques des composants électroniques. Le fait de monter trois condensateurs de différentes capacité en parallèle, dont l'un de capacité très faible, améliore significativement le comportement en régime transitoire du montage et la stabilité globale du circuit amplificateur, sans pour autant déteriorier la qualité du signal amplifié. En sortie du double différentiel (4), et dans chaque branche correspondant aux composantes positive et négative, se trouve l'étage translateur de courant B, typiquement constitué par deux transistors (16, 17), qui de manière connue sont destinés à extraire les tensions en opposition de phase, à les convertir en courant, afin de pouvoir réguler la tension de commande de l'étage de puissance C. Selon une caractéristique importante de l'invention, entre chacune des branches des translateurs de courant (16) et (17) est monté un multiplicateur de VBE (Volt Base Emetteur) (20, 21), monté sur le radiateur de puissance des transistors de puissance décrits en détail ultérieurement Essentiellement, son rôle consiste d'une part, à pouvoir réguler le courant de polarisation de l'étage de puissance Ç, d'autre part, de maintenir un courant de polarisation des étages de sortie dans une aire de sureté par régulation des courants de sortiede manière inversement proportionnelle à la chaleur dissipée par le radiateur thermique dudit étage de puissance, également de choisir la classe de fonctionnement du montage au moyen du réglage du potentiomètre (20) associé au multiplicateur VBE, et enfin de fiabiliser le montage électronique quelle que soit la variation de tension de l'alimentation. Le transistor (21) constitutif de ce multiplicateur est monté pour ce faire sur une semelle électriquement isolante mais conductrice thermique, elle-même montée sur le radiateur. En d'autres termes, il constitue un capteur thermique. Le potentiomètre (20) est ajustable par construction et détermine le point de polarisation de l'étage de puissance au moyen d'un pont diviseur de tension constitué par les deux résistances (18) et (19), également ajustables par construction, qui déterminent l'aire d'utilisation du montage. En d'autres termes, ce transistor (21) joue le rôle de sonde automatique. De fait, plus le transistor (21) est élevé en température, plus le courant qui le traverse augmente, et partant plus la tension de commande de polarisation des étages de puissance diminue et donc plus le signal de puissance diminue.L'objectif de ce multiplicateur VBE est de contrôler et de faire varier la tension de polarisation des étages de puissance selon une loi de progression inverse à la température de ces transistors. Ainsi, si les transistors de puissance sont utilisés à faible puissance, la polarisation est élevée en sortie: on est en classe A.B élevée. En revanche, si les transistors de puissance sont utilisés à grande puissance, la polarisation est faible en sortie: on fonctionne en classe A.B faiblement polarisé, permettant ainsi au montage de rester dans l'aire d'utilisation de sécurité, notamment afin de se prémunir contre tout risque d'emballement thermique destructeur des transistors bipolaires de puissance. Ce multiplicateur VBE a un comportement transparent vis à vis des tensions alternatives. En outre, le signal audio ne le traverse pas. En sortie de ce multiplicateur VBE sont montés les deux circuits de l'étage de puissance correspontant aux deux composantes positives et négatives, respectivement (22) et (23), chacun étant typiquement constitué par trois transistors montés en Darlington câblé, et dans lesquels sont intégrés des contre réactions locales afin de mieux apparier les caractéristiques dynamiques, toujours dans un souci de diminution des bruits générés par distorsion et instabilité thermiques entraînant du bruit généré par le circuit lui-même, et servant en outre de protection fusible locale en cas de défaillance du montage. Aux bornes du circuit et entre les éléments d'alimentation et la charge sont disposées deux diodes (27) et (28) montées en inverse, afin d'éviter toute destruction de cet étage en cas de charge réactive par effet de surtension. Le signal de sortie aux bornes (24) et (25) est alors délivrable aux hauts-parleurs représentés schématiquement en (26). Cet amplificateur est en réalisé par circuit imprimé sur un matériau composite double face, dessiné de telle sorte à pouvoir véhiculer rapidement et sans résistance les courants transitoires qu'exigent de tels amplificateurs, mais aussi de répondre à l'impératif de grande rigidité mécanique. Les zones d'alimentation sont surdimensionnées et sont constituées par du cuivre galvanique à haute pureté de largeur égale à 2 centimètres, comportant des surfaces de décharge statique destinées à réduire les effets triboélectriques présents sur les matériaux modernes fortement diélectriques. L'amplificateur ainsi réalisé répond à un souci permanent d'affranchissement systématique des bruits générés par l'électronique qui le constitue, et ce afin d'obtenir un rapport signal sur bruit optimum. De fait, de par la structure totalement symétrique du circuit électronique qui le constitue, aucun élément de correction de phase, par avance ou par retard de phase n'est nécessaire, lui conférant ainsi une grande stabilité. Enfin, de par la forte polarité imposée à l'étage d'entrée, le signal de sortie de souffre plus des éventuelles distorsions thermiques, systématiquement observées lors d'importantes sollicitations sur les amplificateurs aujourd'hui disponibles, et dont on exige une qualité de restitution à la hauteur des sources numériques modernes. REVENDICATIONS 1/ Amplificateur intégré de signaux alternatifs pour une restitution de signaux audio-fréquences comprenant: - un étage d'entrée A au niveau duquel aboutissent les signaux analogiques issus d'un générateur audio-fréquence ou d'un microphone, représentatifs du signal audio-fréquence à amplifier, étage d'entrée au niveau duquel sont séparés les composantes positives et négatives desdits signaux; - un étage de puissance Ç, destiné à amplifier à proprement parlé la puissance desdits signaux et à restituer un signal en sortie (24,25) d'amplificateur, utilisable par un ou plusieurs hauts-parleurs (26), l'étage d'entrée A étant connecté à l'étage de puissance C par l'intermédiaire d'un étage translateur de courant B, caractérisé :: - en ce que les circuits électroniques de traitement des composantes positives et négatives des signaux d'entrée de l'étage d'entrée A, de l'étage translateur B et de l'étage de puissance C sont totalement symétriques; - en ce que ledit étage d'entrée A est fortement polarisé au moyen de deux générateurs de courant (5,6) délivrant à son niveau un courant d'intensité constante; - et en ce que l'étage d'entrée A est constitué par quatre transistors montés en double différentiel, dont l'entrée inverseuse reçoit un signal de contre-réaction globale (10,11,12) de l'amplificateur. 2/ Amplificateur intégré selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage translateur C est constitué de deux circuits correspondant respectivement à la composante positive et négative des signaux d'entrée, et sont dépourvus de tout condensateur montés en parallèle avec le transistor (16,17) qui les composent, accélérant de la sorte la vitesse de translation desdits signaux issus de l'étage entrée directement à l'étage de puissance. 3/ Amplificateur intégré selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux branches du translateur B sont montées sur un multiplicateur VBE (Volts Base Emetteur) (21), disposé sur un radiateur de puissance des transistors constitutifs de l'étage de puissance Ç, et destiné à régler le courant de polarisation de l'étage de puissance Ç, de maintenir un courant de polarisation des étages de sortie (24,25) dans une aire de sûreté par régulation des courants de sortie de manière inversement proportionnelle à la chaleur dissipée par ledit radiateur thermique de l'étage de puissance 5L, de choisir la classe de fonctionnement de l'amplificateur, et enfin de fiabiliser le montage électronique quelle que soit la variation de tension d'alimentation et de température. 4/ Amplificateur intégré selon la revendication 3, caractérisé en ce que le multiplicateur VBE (21) est associé à un potentiomètre (20) ajustable par construction, de telle sorte à déterminer le point de polarisation de l'étage de puissance par le biais d'un pont diviseur de tension (18,19), également ajustable par construction. 5/ Amplificateur intégré selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacune des branches positive et négative de l'étage de puissance C est constitué des trois transistors montés en Darlington (22,23), dont les signaux d'entrée sont directement issus du multiplicateur VBE (21). 6/ Amplificateur intégré selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les signaux d'entrée issus du sélecteur (1) et prealablement à leur injection dans le double différentiel (4) de l'étage d'entrée A sont filtrés par un condensateur (3) de telle sorte à éliminer toute composante continue susceptible d'être contenue dans ceux-ci et de centrer ceux-ci par rapport à la masse. 7/ Amplificateur intégré selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est réalisé a moyen d'un circuit imprimé d'épaisseur égale à trois millimètres, et dont l'alimentation est ultra rapide de par l'utilisation de plaques de cuivre de larges et épaisses, permettant d'assurer un écoulement rapide des demandes d'énergie de l'étage de puissance en régime dynamique.