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Notes et références
Notes
Références
Bibliographie
En français
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Jean Hiraga, Initiation aux amplis à tubes, Dunod, 1998 (ISBN 2-10-005269-1).
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(en) Walt Jung, Op Amp Applications Handbook, Newnes, 2004 (ISBN 0-7506-7844-5 et 978-0750678445)
(en) Douglas Self, Audio Power Amplifier Design Handbook, Newnes, 2006 (ISBN 0-7506-8072-5).
(en) Albert Paul Malvino et David J. Bates, Electronic principles, McGraw-Hill Science, 2006, 7e éd. (ISBN 0-07-322277-1 et 0071108467).Voir aussi
Articles connexes
Liens externes
(en) Conversion : distortion factor to distortion attenuation and THD
(en) [PDF] An alternate topology called the grounded bridge amplifier
(en) [PDF] Reinventing the power amplifier
(en) Tons of Tones !! : Site explaining non linear distortion stages in Amplifier Models
(en) [PDF] International Rectifier application note 1071 : Class D Audio Amplifier Basics
(en) [PDF] National semiconductors application note A : The Monolithic Operational Amplifier: A Tutorial Study
(en) [PDF] Texas Instruments white paper SLOA011 : Understanding Operational Amplifier Specifications
(en) [PDF] Texas Instruments application report slva043a : Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits
(en) [PDF] National semiconductors application note 20 : An Applications Guide for Op Amps
(en) [PDF] National semiconductors application note 30 : Log Converters
(en) [PDF] Analog Devices technical article : A Practical Review of Common Mode and Instrumentation Amplifiers.
Portail de l'électricité et de l'électronique
Les amplificateurs peuvent être conçus pour augmenter la tension (amplificateur de tension), le courant (amplificateur suiveur) ou les deux (amplificateur de puissance) d’un signal. Les amplificateurs électroniques peuvent être alimentés par une tension simple (une alimentation positive ou négative, et le zéro) ou une tension symétrique (une alimentation positive, une négative et le zéro). L’alimentation peut aussi porter le nom de « bus » ou « rail ». On parle alors de bus positif ou négatif et de rail de tension positive ou négative.
Les amplificateurs sont souvent composés de plusieurs étages disposés en série afin d’augmenter le gain global. Chaque étage d’amplification est généralement différent des autres afin qu’il corresponde aux besoins spécifiques de l’étage considéré. On peut ainsi tirer avantage des points forts de chaque montage tout en minimisant leurs faiblesses.
Le formalisme des quadripôles permet d’obtenir une relation matricielle entre les courants et les tensions d’entrée et de sortie. Il a été introduit dans les années 1920 par le mathématicien allemand Franz Breisig. Dans le cas d’un amplificateur de tension, les grandeurs électriques sont définis par quatre paramètres : l’impédance d’entrée Ze, l’impédance de sortie Zs, le gain de transconductance G et le paramètre de réaction G12. On a alors :
Pour un amplificateur parfait, G12 est nul (le courant de sortie n’influence pas l’entrée), Zs est également nul (la tension de sortie ne dépend pas du courant de sortie), et le gain G est constant. On a alors le gain de l’amplificateur :
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 :
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.
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.
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.
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.
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.
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 ».
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.
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, 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.
Le bruit grenaille a été mis en évidence en 1918 par Walter Schottky. Ce bruit apparaît dans les dispositifs où le nombre d’électrons est assez faible pour donner une fluctuation statistique détectable. En électronique, ce bruit apparaît dans les dispositifs à base de semi-conducteur (transistors, etc.) et les tubes électroniques. Le bruit grenaille est un bruit blanc dont la densité spectrale de puissance dépend uniquement de la valeur moyenne du courant traversant le composant bruyant.
Note : Le bruit thermique et le bruit grenaille sont tous les deux dus à des fluctuations quantiques, et certaines formulations permettent de les regrouper dans un seul et unique concept.
Le bruit de scintillation, également nommé bruit en 1/f, bruit en excès, bruit de flicker ou bruit rose est un bruit dont la densité spectrale de puissance est en 1/f. Cela signifie que plus la fréquence augmente, plus l’amplitude de ce bruit diminue. Ce type de bruit existe dans tous les composants actifs et a des origines très variées, comme des impuretés dans les matériaux ou des créations et recombinaisons parasites dues au courant de base d’un transistor. Ce bruit est toujours relatif à un courant continu. Il peut être réduit en améliorant les procédés de fabrication des semi-conducteurs et diminuant la consommation de l’amplificateur. Malheureusement, la réduction de la consommation d'un amplificateur passe par une augmentation de la valeur de certaines résistances ce qui va augmenter le bruit thermique.
Le bruit de scintillation se rencontre aussi avec les résistances au carbone, où il est désigné comme bruit en excès car il s’additionne au bruit thermique. Le bruit de scintillement étant proportionnel à la composante continue du courant, si le courant est faible, le bruit thermique prédominera quel que soit le type de résistance.
Le bruit en créneaux est également nommé burst noise, ou bruit popcorn, ou crépitement. Il a été découvert lors du développement de l’un des premiers amplificateurs opérationnels : le μA709. Il s’agit essentiellement de créneaux de tension (ou de courant) dont l’amplitude s’étend de moins d’un microvolt à plusieurs centaines de microvolts. L’intervalle entre les créneaux est de l’ordre de la milliseconde
.
Le bruit en créneaux, dans un amplificateur audio, produit des « pops » qui lui ont valu le nom de bruit popcorn. L’apparition de ces « pops » est aléatoire : ils peuvent se manifester plusieurs fois par seconde puis disparaître pendant plusieurs minutes.
Les origines de ce bruit ne sont pas actuellement connues, mais il semble qu’elles soient liées à des imperfections dans les semi-conducteurs et à l’implant d’ions lourds,. Les conditions les plus favorables à l’apparition de ce bruit semblent être de basses températures et la présence de résistances de forte valeur.
Le bruit d’avalanche a lieu dans les semi-conducteurs : le champ électrique accélère certains électrons au point de déloger d’autres électrons de valence et de créer des porteurs de charge supplémentaires. Ce bruit devient important pour les champs électriques élevés, au voisinage de l’effet d’avalanche.
On peut rencontrer d’autres types de bruits dans un amplificateur électronique. Ces bruits ne sont généralement pas dus à l’amplificateur lui-même mais à son environnement. On citera, par exemple, les bruits de quantification et d'échantillonnage engendrés par les convertisseurs numérique analogique et tous les bruits CEM attribués à la présence d’alimentations à découpage, d’émetteurs radio et de télévision et autres appareils sources d’interférences à proximité de l’amplificateur. La plupart de ces bruits peuvent être maîtrisés à l’aide d’un blindage électromagnétique et/ou d’un filtrage des signaux d’entrée et d’alimentation. Dans les cas les plus sensibles, il est parfois nécessaire d’avoir recours à de lourdes tables pour absorber les vibrations, des cages de Faraday, des chambres sourdes et des pièces climatisées,.
Le rapport signal-bruit est un terme utilisé en ingénierie, en traitement du signal ou en théorie de l’information pour désigner le rapport entre la grandeur d’un signal (information utile, significative) et celle du bruit (information inutile, non significative). Comme de nombreux signaux ont une échelle dynamique élevée, les rapports signal-bruit sont souvent exprimés en décibels. Le rapport signal sur bruit désigne la qualité d’une transmission d’information par rapport aux parasites. On définit ainsi la qualité d’un amplificateur, quel que soit son type et la catégorie de signaux qu’il traite. Plus le rapport est élevé, moins l’appareil dénature le signal d’origine.
Il existe une grande quantité de classifications, elles découlent souvent des différentes caractéristiques du schéma d’un amplificateur. Toutes ces caractéristiques ont une influence sur les paramètres et les performances de l’amplificateur. La conception d’un amplificateur est toujours un compromis entre plusieurs facteurs comme le coût, la consommation énergétique, les imperfections des composants et, le besoin de rendre l’amplificateur compatible avec le générateur du signal d’entrée et la charge en sortie. Afin de décrire un amplificateur, on parle généralement de sa classe, de la méthode de couplage qui a été utilisée entre ces différents étages ainsi que la gamme de fréquences pour laquelle il est prévu.
Un amplificateur est généralement constitué de plusieurs étages d'amplification, chaque étage étant conçu autour d'« éléments actifs » (des transistors en général). Un élément actif n'est pas nécessairement polarisé de façon à amplifier le signal pendant 100 % du temps. Le système de lettres, ou classe, utilisé pour caractériser les amplificateurs assigne une lettre pour chaque schéma d’amplificateur électronique. Ces schémas sont caractérisés par la relation entre la forme du signal d’entrée et celui de sortie, mais aussi par la durée pendant laquelle un composant actif est utilisé lors de l’amplification d’un signal. Cette durée est mesurée en degrés d’un signal sinusoïdal test appliqué à l’entrée de l’amplificateur, 360 degrés représentant un cycle complet,,. En pratique la classe d’amplification est déterminée par la polarisation des composants (tubes, transistors bipolaires, transistors à effet de champ, etc.) de l’amplificateur, ou le calcul du point de repos.
Les circuits amplificateurs sont classés dans les catégories A, B, AB et C pour les amplificateurs analogiques, et D, E et F pour les amplificateurs à découpage. Pour les amplificateurs analogiques, chaque classe définit la proportion du signal d’entrée qui est utilisée par chaque composant actif pour arriver au signal amplifié (voir figure ci-contre), ce qui est aussi donné par l’angle de conduction a :
Les amplificateurs de classe AB se nomment ainsi car ils fonctionnent comme ceux de classe A pour les signaux de faible amplitude, puis ils passent progressivement en classe B au fur et à mesure que l’amplitude du signal augmente.
Il existe d’autres classes pour les amplificateurs analogiques : G et H. Ces classes ne se distinguent plus des autres grâces à leur angle de conduction mais grâce à leur rendement. La classe G a été introduite en 1976 par Hitachi. Les amplificateurs de classe G possèdent plusieurs bus de tensions différentes et passent de l’un à l’autre en fonction de la puissance demandée en sortie. Cela permet d’augmenter le rendement en diminuant la puissance « perdue » dans les transistors de sortie. Les amplificateurs de classe H sont similaires à ceux de classe G, à la différence près que la tension d’alimentation « suit », ou est modulée par le signal d’entrée.
À l’inverse des amplificateurs analogiques qui utilisent leurs composants actifs dans leur zone linéaire, les amplificateurs à découpage utilisent leurs composants actifs comme des interrupteurs en les amenant dans leur zone saturée. Quand ils sont utilisés ainsi, on peut distinguer deux modes de fonctionnement pour les composants actifs : passant (ou saturé) et bloqué. Quand un composant actif est bloqué, le courant qui le traverse est nul tandis que lorsqu’il est saturé, la chute de tension à ses bornes est faible. Dans chaque mode de fonctionnement, les pertes de puissances sont très faibles permettant ainsi aux amplificateurs à découpage d’avoir un fort rendement. Cette augmentation du rendement permet de demander moins de puissance à l’alimentation et d’utiliser des dissipateurs plus petits que pour un amplificateur analogique de puissance équivalente. C’est grâce à ces avantages en termes de rendement et de volume que les amplificateurs de classe D concurrencent les amplificateurs de classe AB dans beaucoup d’applications .
Les amplificateurs de classe E et F sont des amplificateurs à haut rendement qui sont optimisés pour n’amplifier qu’une faible gamme de fréquences. Ils sont généralement utilisés pour amplifier les fréquences radio. Le principe des amplificateurs de classe E a été publié pour la première fois en 1975 par Nathan O. Sokal et Alan D. Sokal. Les amplificateurs de classe F reprennent le même principe que les amplificateurs de classe E mais avec une charge accordée à une fréquence et à quelques-uns de ses harmoniques, tandis que la charge des amplificateurs de classe E n’est accordée que pour la fréquence fondamentale.
Les amplificateurs sont parfois classés par leur méthode de couplage entre l’entrée et la sortie ou entre les différents étages de l’amplificateur. Ces différentes méthodes incluent les couplages capacitif, inductif (transformateur) et le couplage direct.
Le couplage capacitif permet d'isoler la polarisation des étages entre eux, par contre il ne permet pas d'amplifier le continu. L’utilisation d’un couplage direct permet de se passer des condensateurs de liaisons et d'amplifier le continu, mais implique l’utilisation d’une alimentation symétrique,. Le couplage inductif permet de réaliser une adaptation d'impédance entre les étages ou de réaliser un circuit résonant. La plupart des amplificateurs intégrés utilisent un couplage direct entre leurs étages.
On peut aussi décrire les amplificateurs en fonction de leur bande passante. Par exemple, les amplificateurs audio sont conçus pour amplifier les signaux à des fréquences sonores audibles (20 Hz à 20 kHz) tandis que les amplificateurs d’ondes radio peuvent amplifier des fréquences allant bien au-delà des 20 kHz. Les amplificateurs d’ondes radio peuvent aussi être classés suivant la largeur de leur bande passante. On parle alors d’amplificateurs à bande étroite (narrowband en anglais) ou large bande (wideband en anglais). Les amplificateurs à bande étroite ne travaillent que sur une faible gamme de fréquences (par exemple de 450 à 460 kHz) tandis que les amplificateurs large bande peuvent amplifier une grande gamme de fréquences. En général, les amplificateurs à bande étroite utilisent une charge accordée. Les charges accordées sont des filtres passe-bande : elles ne laissent passer qu’une seule fréquence ou une bande de fréquences et permettent d’utiliser des montages de classe E ou F qui sont intéressant car ils possèdent de forts rendements.
Une de ces classifications se réfère à « l’électrode reliée au zéro » : le schéma de l’étage amplificateur est alors décrit par l’électrode du composant actif qui est reliée au plus court au zéro. Ainsi, on parle d’amplificateur à émetteur commun, à plaque commune ou à drain commun. Ces noms renseignent aussi sur le type de technologie utilisée. Par exemple, un amplificateur à émetteur commun utilisera un transistor bipolaire, celui à plaque commune un tube tandis qu’un amplificateur à drain commun utilisera un MOSFET ou un JFET. Quelle que soit l’électrode d’un composant actif, il existe certainement une application ayant amené à la création d’un montage où elle est reliée au zéro. Voir aussi : collecteur commun, base commune.
Une autre façon de classer les amplificateurs est d’utiliser la phase entre le signal d’entrée et celui de sortie. Un amplificateur inverseur produira un signal de sortie déphasé de 180 degrés par rapport au signal d’entrée, ou une image miroir de l’entrée si on visualise l’entrée et la sortie sur un oscilloscope. Un amplificateur non-inverseur produira quant à lui un signal de sortie ayant la même phase que l’entrée. Un montage émetteur suiveur (ou collecteur commun), est un type d’amplificateur dont le signal sur l’émetteur suit (même phase et même amplitude en tension) le signal d’entrée. Les montages qualifiés de « suiveur » sont des amplificateurs de courant : ils permettent d’obtenir un courant de sortie élevé tout en absorbant un courant d’entrée quasiment négligeable.
Cette description peut s’appliquer à un simple étage ou à un système complet.
Les amplificateurs peuvent aussi être classés par fonctions ou caractéristiques de sortie. Ces descriptions fonctionnelles s’appliquent souvent à un système complet et non à un étage unique.
La contre-réaction soustrait au signal d’entrée une image réduite du signal de sortie avant de l’amplifier. Son principal effet est de diminuer le gain du système. Cependant, les distorsions dues à l’amplificateur sont elles aussi soustraites au signal d’entrée. De cette façon, l’amplificateur amplifie une image réduite et inversée des distorsions. La contre-réaction permet aussi de compenser les dérives thermiques ou la non-linéarité des composants. Bien que les composants actifs soient considérés comme linéaires sur une partie de leur fonction de transfert, ils sont en réalité toujours non linéaires ; leur loi de comportement étant en puissance de deux. Le résultat de ces non-linéarités est une distorsion de l’amplification.
Le principe de la contre-réaction a été découvert par Harold Stephen Black le 2 août 1927. Cette idée lui serait venue alors qu’il se rendait à son travail aux laboratoires Bell,. Ses précédents travaux sur la réduction des distorsions dans les amplificateurs lui avaient déjà permis de découvrir les amplificateurs « a priori » (feedforward en anglais) qui modifient le signal à amplifier de façon à compenser les distorsions dues aux composants de puissance. Bien qu’ayant refait surface dans les années 1970 pour compenser les distorsions des amplificateurs BLU, dans les années 1920 la réalisation pratique des amplificateurs « a priori » s’avère difficile et ils ne fonctionnent pas très bien. En 1927, la demande de brevet de Black pour la contre-réaction fut accueillie comme une demande d’invention de mouvement perpétuel. Elle fut finalement acceptée neuf ans plus tard,, en décembre 1931, après que Black et d’autres membres des laboratoires Bell aient développé la théorie relative à la contre-réaction.
Un amplificateur de conception soignée, ayant tous ses étages en boucle ouverte (sans contre-réaction), peut arriver à un taux de distorsion de l’ordre du « pour cent ». À l’aide de la contre-réaction, un taux de 0,001 % est courant. Le bruit, y compris les distorsions de croisement, peut être pratiquement éliminé.
C’est l’application qui dicte le taux de distorsion que l’on peut tolérer. Pour les applications de type hi-fi ou amplificateur d'instrumentation, le taux de distorsion doit être minimal, souvent moins de 1 %.
Alors que la contre-réaction semble être le remède à tous les maux d’un amplificateur, beaucoup pensent que c’est une mauvaise chose. Comme elle utilise une boucle, il lui faut un temps fini pour réagir à un signal d’entrée et pendant cette courte période, l’amplificateur est « hors de contrôle ». Un transitoire musical dont la durée est du même ordre de grandeur que cette période sera donc grossièrement distordu. Et cela, même si l’amplificateur possède un taux de distorsion faible en régime permanent. C’est essentiellement cela qui explique l’existence des « distorsions d’intermodulations transitoires » dans les amplificateurs. Ce sujet a été largement débattu à la fin des années 1970 et pendant une grande partie des années 1980,,.
Ces arguments ont été sources de controverses pendant des années, et ont amené à prendre en compte ces phénomènes lors de la conception d’un amplificateur afin de les éliminer,. Dans les faits, la majorité des amplificateurs modernes utilisent de fortes contre-réactions, alors que les schémas utilisés pour les amplificateurs audio haut de gamme cherchent à la minimiser.
Quels que soient les mérites de ces arguments sur la façon dont elle modifie la distorsion, la contre-réaction modifie l’impédance de sortie de l’amplificateur et par conséquent, son facteur d'amortissement. En simplifiant, le facteur d’amortissement caractérise la faculté d’un amplificateur à contrôler une enceinte. Si tout se passe bien, plus la contre-réaction est forte, plus l’impédance de sortie est faible et plus le facteur d’amortissement est grand. Cela a un effet sur les performances en basses fréquences de beaucoup d’enceintes qui ont un rendu des basses irrégulier si le facteur d’amortissement de l’amplificateur est trop faible.
Le concept de contre-réaction est utilisé avec les amplificateurs opérationnels pour définir précisément le gain, la bande passante et beaucoup d’autres paramètres.
À des fins d’illustration, on utilisera cet exemple pratique d’amplificateur. Il peut servir de base à un amplificateur audio de puissance modérée. Son schéma, bien que sensiblement simplifié, est typique de ce que l’on retrouve dans un amplificateur moderne grâce à son push-pull de classe AB en sortie et à l’utilisation d’une contre-réaction. Il utilise des transistors bipolaires, mais il peut tout aussi bien être réalisé avec des transistors à effet de champ ou des tubes.
Le signal d’entrée est couplé à la base du transistor Q1 à travers le condensateur de liaison C1. Le condensateur permet au signal alternatif de passer, mais il bloque la tension continue due à la polarisation de Q1 par le pont diviseur R1-R2. Grâce à C1, aucun circuit antérieur n’est affecté par la tension de polarisation de Q1. Q1 et Q2 forment une paire différentielle (une paire différentielle donne un signal proportionnel à la différence entre ses deux entrées). Cette configuration est utilisée pour implémenter facilement la contre-réaction, qui est fournie à Q2 grâce à R7 et R8. La contre-réaction permet à l’amplificateur de comparer l’entrée à la sortie actuelle. Le signal amplifié par Q1 est envoyé directement au second étage, Q3, qui amplifie davantage le signal et fournit la tension continue de polarisation de l’étage de sortie (Q4 et Q5). R6 sert de charge à Q3. Un montage plus évolué utiliserait probablement une charge active, une source de courant constant par exemple. Jusqu’à présent, l’amplificateur travaille en classe A. La paire de sortie est câblée en push-pull de classe AB, aussi appelé paire complémentaire. Ils fournissent la majorité de l'amplification du courant et pilotent directement la charge à travers le condensateur de liaison C2 qui bloque la composante continue. Les diodes D1 et D2 fournissent une petite tension continue afin de polariser la paire de sortie, de sorte que la distorsion de chevauchement est minimisée. Celles-ci devront être couplées thermiquement avec Q4 et Q5 (souvent fixées sur leur dissipateur) afin de compenser leur dérive en température (accroissement du courant de polarisation dû à l’échauffement) et éviter ainsi l’emballement thermique.
Ce schéma est simple, mais c’est une bonne base pour la réalisation d’un véritable amplificateur car il stabilise automatiquement son point de fonctionnement grâce à sa boucle de contre-réaction, qui fonctionne du continu jusqu’au-delà de la bande audio. Un véritable amplificateur utiliserait probablement un circuit supplémentaire faisant baisser le gain au-delà de la bande de fréquences utile afin d’éviter la possibilité d’oscillations non désirées. De plus, l’utilisation de diodes fixes pour la polarisation peut poser des problèmes si les diodes ne sont pas thermiquement et électriquement assorties aux transistors de sortie. En effet, si les transistors deviennent trop passants, ils risquent de se détruire par emballement thermique. La solution traditionnelle pour stabiliser les composants de sortie est d'ajouter des résistances d’un ohm ou plus en série avec les émetteurs. Le calcul des résistances et des condensateurs du circuit se fait en fonction des composants actifs utilisés et de l’utilisation future de l’amplificateur.