asi/wikitext_fr · Datasets at Hugging Face

paragraph stringlengths 1 3.47k
c
t
e


{\displaystyle {\frac {V_{2}}{V_{1}}}={\frac {G}{Ze}}=cte}
.En pratique ces conditions ne sont pas tout à fait respectées, entraînant de ce fait des caractéristiques altérées concernant la bande passante, le gain en puissance, le bruit dû au facteur température, ou encore la distorsion du signal. On évalue les performances d’un amplificateur en étudiant son rendement, sa linéarité, sa bande passante et le rapport signal sur bruit entre l’entrée et la sortie.

La « bande passante à −3 dB » (décibel) d’un amplificateur est la gamme de fréquences où le gain en tension de l’amplificateur est supérieur au gain maximum moins trois décibels. Si on ne raisonne pas en décibel, cela correspond à la gamme de fréquences où le gain en tension est supérieur au gain maximum divisé par racine de deux, ce qui correspond à une division de la puissance fournie à la charge par deux,. La bande passante est habituellement notée B ou BP. Occasionnellement on rencontre des bandes passantes plus larges, par exemple la bande passante à −6 dB, gamme de fréquences où le gain en tension est supérieur à la moitié du gain maximum.

La linéarité d’un amplificateur correspond à sa capacité à garder constante la pente de la courbe donnant la tension de sortie en fonction de la tension d'entrée. Une limitation de linéarité vient de l’alimentation de l’amplificateur : la tension de sortie ne peut dépasser la tension d’alimentation de l’amplificateur. Lorsque cela arrive, on parle de saturation de l’amplificateur. La linéarité d’un amplificateur est aussi limitée par sa vitesse de balayage (ou slew rate) qui représente la vitesse de variation maximale qu’il peut reproduire. Lorsque la variation du signal d’entrée d’un amplificateur est supérieure à sa vitesse de balayage, sa sortie est une droite de pente




S
R



{\displaystyle \mathrm {SR} }
, telle que :






S
R

=
max

(





d


v

s





d

t



(
t
)

)



{\displaystyle \mathrm {SR} =\max \left({\frac {\mathrm {d} v_{s}}{\mathrm {d} t}}(t)\right)}
.La vitesse de balayage est exprimée en V μs−1.
Enfin, la caractéristique des éléments semiconducteurs n'est jamais totalement linéaire, et conduit à la distorsion harmonique. On réduit cette distorsion par la contre-réaction.

Historique
Le premier amplificateur électronique fut réalisé en 1906 par l’inventeur américain Lee De Forest à l’aide d'une triode. La triode fut vite perfectionnée par l’ajout d’une (pour la tétrode) puis de deux grilles supplémentaires, palliant certains effets indésirables, notamment l’effet « dynatron » (zone où le tube présente une résistance négative). Ce tube pentode est ensuite rapidement adopté pour la plupart des amplificateurs à tubes, pour son meilleur rendement. Les amplificateurs à tubes sont aussi connus sous le nom d’amplificateurs à « lampes », en raison de la forme des tubes et de la lumière qu’ils émettent lorsqu’ils fonctionnent.
La mise au point des transistors dans les années 1950 a fait disparaître progressivement les tubes, qui ne subsistent que dans des applications vintage comme les amplificateurs audio, surtout ceux destinés aux guitares électriques, et des applications de forte puissance à haute fréquence pour les émetteurs de radio et de télévision. On préfère les transistors aux tubes car ils sont moins encombrants, fonctionnent à des tensions plus faibles, consomment et chauffent beaucoup moins et sont immédiatement opérationnels une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui nécessitent une dizaine de secondes de chauffage.

Les circuits intégrés, introduits au cours des années 1960, regroupent sur un très petit volume un certain nombre de transistors. Plus petits, plus fiables, ils sont depuis les années 1980 les principaux éléments actifs de l'électronique pour les faibles puissances. Un circuit amplificateur peut employer plusieurs dizaines de transistors, et un circuit intégré peut regrouper plusieurs éléments amplificateurs. L'amplificateur opérationnel intégré, de caractéristiques proches de l'idéal, est devenu un composant d'usage général. Pour des fonctions particulières, on fabrique des circuits intégrés amplificateurs spécialisés.
Le Fairchild μA709 créé par Bob Widlar en 1965 fut le premier amplificateur opérationnel intégré disponible en grande quantité. Le μA741 de 1967 l'a rapidement remplacé, avec de meilleures performances tout en étant plus stable et plus simple à mettre en œuvre. Il est devenu omniprésent en électronique. Plusieurs fabricants en produisent des versions améliorées, ou des circuits plus performants qui peuvent se substituer à lui dans un circuit de conception ancienne.
Les premiers amplificateurs intégrés se basaient sur le transistor bipolaire. À la fin des années 1970, on en produit à JFET, et à partir du début des années 1980, à MOSFET. Leur utilisation a progressé de la basse fréquence et faible puissance vers tous les domaines.

La distorsion dans les amplificateurs électroniques
Un amplificateur doit fournir une tension de sortie ayant la même forme que le signal d'entrée, mais d'amplitude supérieure. Si la forme du signal de sortie (à l'amplitude près) est différente de la forme du signal d'entrée, on dit qu'il y a distorsion.

La distorsion d'amplitude
Cette distorsion a lieu si la bande passante de l'amplificateur n'est pas suffisante pour amplifier l'ensemble des fréquences (spectre) composant le signal. Cependant, si le signal d'entrée est sinusoïdal, le signal de sortie le sera également.

La distorsion harmonique
Cette distorsion est provoquée par un défaut de linéarité de l'amplificateur. Si le signal d'entrée est sinusoïdal, le signal de sortie ne l'est plus. Cette sinusoïde déformée peut être considérée comme la somme d'une sinusoïde pure (fondamentale) et de sinusoïdes de fréquences multiples de cette fondamentale (harmoniques). Le taux de distorsion harmonique sera fonction du rapport entre ces harmoniques et la fondamentale.

La distorsion de phase ou de temps de propagation
Le signal de sortie d'un amplificateur est composé généralement de plusieurs fréquences, qui devraient être amplifiées strictement en même temps. La forme d'un tel signal complexe ne sera plus conservée si le temps de propagation des fréquences qui le composent n'est pas le même. Ces retards sont peu audibles pour l'oreille. Cependant, si l'amplificateur doit amplifier des signaux numériques, cette distorsion devient très gênante et peut conduire à des erreurs sur les bits transmis et décodés. Pour cette raison, cette caractéristique est très importante pour les amplificateurs de signaux numériques. On quantifie cette distorsion en précisant les différences de retard en fonction de la fréquence. Il est aussi possible de préciser la courbe du déphasage en fonction de la fréquence. Cette courbe doit être une droite pour ne pas avoir de distorsion de propagation de groupe. Pour cette raison, les amplificateurs sans cette distorsion sont parfois qualifiés « à phase linéaire ».

La distorsion d'intermodulation
Si des étages d'amplification sont non linéaires, on observera en plus de la distorsion harmonique, l'apparition de « fréquences parasites » qui sont des combinaisons linéaires des fréquences composant le signal à amplifier. Ce type de défaut est très gênant pour les amplificateurs traitant de signaux radioélectriques, car ces fréquences parasites peuvent perturber les liaisons radio (voir intermodulation).
Cette distorsion peut également être gênante pour les amplificateurs audio, car l'oreille pourra percevoir ces fréquences parasites qui sont surajoutées au signal.

Le bruit dans les amplificateurs électroniques
En électronique, le bruit désigne les signaux aléatoires et non désirés, voire parasites, se superposant aux signaux utiles. Dans un amplificateur ces signaux parasites peuvent venir de son environnement ou des composants le constituant. Il existe cinq types de bruit en électronique : le bruit thermique, le bruit grenaille, le bruit de scintillation (« bruit flicker »), le bruit en créneaux et le bruit d'avalanche. Il est possible de réduire le bruit dans un amplificateur en s’attaquant directement à ses origines (voir ci-dessous) mais aussi en limitant le plus possible la bande passante de l’amplificateur, afin d’éliminer le bruit présent en dehors de ses fréquences de travail.

Le bruit thermique
Le bruit thermique, également nommé bruit de résistance, ou bruit Johnson ou bruit de Johnson-Nyquist est le bruit produit par l'agitation thermique des porteurs de charges, c’est-à-dire des électrons dans une résistance électrique en équilibre thermique. Le bruit thermique est un bruit blanc dont la densité spectrale de puissance dépend uniquement de la valeur de la résistance. Le bruit thermique peut être modélisé par une source de tension en série avec la résistance qui produit le bruit.
On caractérise le bruit thermique d'un amplificateur, par sa « résistance équivalente de bruit », ou, pour un amplificateur RF, par le facteur de bruit, qui dépend de la température de la source de signal.
Le bruit thermique a été mesuré pour la première fois en 1927 par le physicien John Bertrand Johnson aux Bell Labs. Son article Thermal Agitation of Electricity in Conductors montrait que des fluctuations statistiques se produisaient dans tous les conducteurs électriques, produisant une variation aléatoire de potentiel aux bornes de ce conducteur. Ce bruit thermique était donc identique pour toutes les résistances de la même valeur et n’était donc pas imputable à une fabrication médiocre. Johnson décrivit ses observations à son collègue Harry Nyquist qui fut capable d’en donner une explication théorique.

c

t

e

{\displaystyle {\frac {V_{2}}{V_{1}}}={\frac {G}{Ze}}=cte}

.En pratique ces conditions ne sont pas tout à fait respectées, entraînant de ce fait des caractéristiques altérées concernant la bande passante, le gain en puissance, le bruit dû au facteur température, ou encore la distorsion du signal. On évalue les performances d’un amplificateur en étudiant son rendement, sa linéarité, sa bande passante et le rapport signal sur bruit entre l’entrée et la sortie.

La « bande passante à −3 dB » (décibel) d’un amplificateur est la gamme de fréquences où le gain en tension de l’amplificateur est supérieur au gain maximum moins trois décibels. Si on ne raisonne pas en décibel, cela correspond à la gamme de fréquences où le gain en tension est supérieur au gain maximum divisé par racine de deux, ce qui correspond à une division de la puissance fournie à la charge par deux,. La bande passante est habituellement notée B ou BP. Occasionnellement on rencontre des bandes passantes plus larges, par exemple la bande passante à −6 dB, gamme de fréquences où le gain en tension est supérieur à la moitié du gain maximum.

La linéarité d’un amplificateur correspond à sa capacité à garder constante la pente de la courbe donnant la tension de sortie en fonction de la tension d'entrée. Une limitation de linéarité vient de l’alimentation de l’amplificateur : la tension de sortie ne peut dépasser la tension d’alimentation de l’amplificateur. Lorsque cela arrive, on parle de saturation de l’amplificateur. La linéarité d’un amplificateur est aussi limitée par sa vitesse de balayage (ou slew rate) qui représente la vitesse de variation maximale qu’il peut reproduire. Lorsque la variation du signal d’entrée d’un amplificateur est supérieure à sa vitesse de balayage, sa sortie est une droite de pente

S

R

{\displaystyle \mathrm {SR} }

, telle que :

S

R

=

max

(

d

v

s

d

t

(

t

)

{\displaystyle \mathrm {SR} =\max \left({\frac {\mathrm {d} v_{s}}{\mathrm {d} t}}(t)\right)}

.La vitesse de balayage est exprimée en V μs−1.

Enfin, la caractéristique des éléments semiconducteurs n'est jamais totalement linéaire, et conduit à la distorsion harmonique. On réduit cette distorsion par la contre-réaction.

Historique

Le premier amplificateur électronique fut réalisé en 1906 par l’inventeur américain Lee De Forest à l’aide d'une triode. La triode fut vite perfectionnée par l’ajout d’une (pour la tétrode) puis de deux grilles supplémentaires, palliant certains effets indésirables, notamment l’effet « dynatron » (zone où le tube présente une résistance négative). Ce tube pentode est ensuite rapidement adopté pour la plupart des amplificateurs à tubes, pour son meilleur rendement. Les amplificateurs à tubes sont aussi connus sous le nom d’amplificateurs à « lampes », en raison de la forme des tubes et de la lumière qu’ils émettent lorsqu’ils fonctionnent.

La mise au point des transistors dans les années 1950 a fait disparaître progressivement les tubes, qui ne subsistent que dans des applications vintage comme les amplificateurs audio, surtout ceux destinés aux guitares électriques, et des applications de forte puissance à haute fréquence pour les émetteurs de radio et de télévision. On préfère les transistors aux tubes car ils sont moins encombrants, fonctionnent à des tensions plus faibles, consomment et chauffent beaucoup moins et sont immédiatement opérationnels une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui nécessitent une dizaine de secondes de chauffage.

Les circuits intégrés, introduits au cours des années 1960, regroupent sur un très petit volume un certain nombre de transistors. Plus petits, plus fiables, ils sont depuis les années 1980 les principaux éléments actifs de l'électronique pour les faibles puissances. Un circuit amplificateur peut employer plusieurs dizaines de transistors, et un circuit intégré peut regrouper plusieurs éléments amplificateurs. L'amplificateur opérationnel intégré, de caractéristiques proches de l'idéal, est devenu un composant d'usage général. Pour des fonctions particulières, on fabrique des circuits intégrés amplificateurs spécialisés.

Le Fairchild μA709 créé par Bob Widlar en 1965 fut le premier amplificateur opérationnel intégré disponible en grande quantité. Le μA741 de 1967 l'a rapidement remplacé, avec de meilleures performances tout en étant plus stable et plus simple à mettre en œuvre. Il est devenu omniprésent en électronique. Plusieurs fabricants en produisent des versions améliorées, ou des circuits plus performants qui peuvent se substituer à lui dans un circuit de conception ancienne.

Les premiers amplificateurs intégrés se basaient sur le transistor bipolaire. À la fin des années 1970, on en produit à JFET, et à partir du début des années 1980, à MOSFET. Leur utilisation a progressé de la basse fréquence et faible puissance vers tous les domaines.

La distorsion dans les amplificateurs électroniques

Un amplificateur doit fournir une tension de sortie ayant la même forme que le signal d'entrée, mais d'amplitude supérieure. Si la forme du signal de sortie (à l'amplitude près) est différente de la forme du signal d'entrée, on dit qu'il y a distorsion.

La distorsion d'amplitude

Cette distorsion a lieu si la bande passante de l'amplificateur n'est pas suffisante pour amplifier l'ensemble des fréquences (spectre) composant le signal. Cependant, si le signal d'entrée est sinusoïdal, le signal de sortie le sera également.

La distorsion harmonique

Cette distorsion est provoquée par un défaut de linéarité de l'amplificateur. Si le signal d'entrée est sinusoïdal, le signal de sortie ne l'est plus. Cette sinusoïde déformée peut être considérée comme la somme d'une sinusoïde pure (fondamentale) et de sinusoïdes de fréquences multiples de cette fondamentale (harmoniques). Le taux de distorsion harmonique sera fonction du rapport entre ces harmoniques et la fondamentale.

La distorsion de phase ou de temps de propagation

Le signal de sortie d'un amplificateur est composé généralement de plusieurs fréquences, qui devraient être amplifiées strictement en même temps. La forme d'un tel signal complexe ne sera plus conservée si le temps de propagation des fréquences qui le composent n'est pas le même. Ces retards sont peu audibles pour l'oreille. Cependant, si l'amplificateur doit amplifier des signaux numériques, cette distorsion devient très gênante et peut conduire à des erreurs sur les bits transmis et décodés. Pour cette raison, cette caractéristique est très importante pour les amplificateurs de signaux numériques. On quantifie cette distorsion en précisant les différences de retard en fonction de la fréquence. Il est aussi possible de préciser la courbe du déphasage en fonction de la fréquence. Cette courbe doit être une droite pour ne pas avoir de distorsion de propagation de groupe. Pour cette raison, les amplificateurs sans cette distorsion sont parfois qualifiés « à phase linéaire ».

La distorsion d'intermodulation

Si des étages d'amplification sont non linéaires, on observera en plus de la distorsion harmonique, l'apparition de « fréquences parasites » qui sont des combinaisons linéaires des fréquences composant le signal à amplifier. Ce type de défaut est très gênant pour les amplificateurs traitant de signaux radioélectriques, car ces fréquences parasites peuvent perturber les liaisons radio (voir intermodulation).

Cette distorsion peut également être gênante pour les amplificateurs audio, car l'oreille pourra percevoir ces fréquences parasites qui sont surajoutées au signal.

Le bruit dans les amplificateurs électroniques

En électronique, le bruit désigne les signaux aléatoires et non désirés, voire parasites, se superposant aux signaux utiles. Dans un amplificateur ces signaux parasites peuvent venir de son environnement ou des composants le constituant. Il existe cinq types de bruit en électronique : le bruit thermique, le bruit grenaille, le bruit de scintillation (« bruit flicker »), le bruit en créneaux et le bruit d'avalanche. Il est possible de réduire le bruit dans un amplificateur en s’attaquant directement à ses origines (voir ci-dessous) mais aussi en limitant le plus possible la bande passante de l’amplificateur, afin d’éliminer le bruit présent en dehors de ses fréquences de travail.

Le bruit thermique

Le bruit thermique, également nommé bruit de résistance, ou bruit Johnson ou bruit de Johnson-Nyquist est le bruit produit par l'agitation thermique des porteurs de charges, c’est-à-dire des électrons dans une résistance électrique en équilibre thermique. Le bruit thermique est un bruit blanc dont la densité spectrale de puissance dépend uniquement de la valeur de la résistance. Le bruit thermique peut être modélisé par une source de tension en série avec la résistance qui produit le bruit.

On caractérise le bruit thermique d'un amplificateur, par sa « résistance équivalente de bruit », ou, pour un amplificateur RF, par le facteur de bruit, qui dépend de la température de la source de signal.

Le bruit thermique a été mesuré pour la première fois en 1927 par le physicien John Bertrand Johnson aux Bell Labs. Son article Thermal Agitation of Electricity in Conductors montrait que des fluctuations statistiques se produisaient dans tous les conducteurs électriques, produisant une variation aléatoire de potentiel aux bornes de ce conducteur. Ce bruit thermique était donc identique pour toutes les résistances de la même valeur et n’était donc pas imputable à une fabrication médiocre. Johnson décrivit ses observations à son collègue Harry Nyquist qui fut capable d’en donner une explication théorique.