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Chapitre 5

Laboratoire 4 : L’amplificateur
audio
Sommaire
5.1
5.2

5.3
5.4

5.5

5.6

5.7

5.1

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Compl´
ements . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 La contre-r´eaction n´egative . . . . . . . . . .
5.2.2 La configuration Darlington . . . . . . . . . .
´
Equipement

ecessaire pour le laboratoire .
L’amplificateur audio . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1 Circuit d’amplification . . . . . . . . . . . . .
5.4.2 Alimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.1 Alimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.2 Sources de courant . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.3 Polarisation de Q1 , Q2 et Q5 . . . . . . . . .
5.5.4 Polarisation du Push-pull . . . . . . . . . . .
5.5.5 Distorsion de croisement . . . . . . . . . . . .
Analyse en petit-signal . . . . . . . . . . . . .
5.6.1 Gain en tension . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.2 Gain en courant . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.3 Fr´equences de coupure . . . . . . . . . . . . .
5.6.4 The real thing . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bilan du laboratoire . . . . . . . . . . . . . . .

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55
55
55
56
56
56

Introduction

Ce laboratoire vous permettra de comprendre le fonctionnement d’un amplificateur
audio `a transistors bipolaires dont la conception est relativement simple. Bien que le cir47

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO

48

cuit d’amplification puisse vous paraˆıtre compliqu´e `a premi`ere vue, vous verrez qu’une
bonne partie du travail est d´ej`
a accomplie, le circuit ´etant compos´e de sous-circuits
que vous avez ´etudi´es dans les laboratoires pr´ec´edents. Ce laboratoire-ci vous permettra de comprendre comment int´egrer l’ensemble des concepts abord´es dans les s´eances
pr´ec´edentes pour obtenir un amplificateur de puissance performant.
Le circuit analogique ´etudi´e est emprunt´e du site web “Audiophile et D(o)I(t)Y(ourself)”
de J.-M. Plantef`eve, qui s’est lui-mˆeme inspir´e de l’amplificateur historique A40 de Nelson Pass. Nous avons s´electionn´e ce circuit pour sa simplicit´e et son efficacit´e.
Nous n’aborderons ici que quelques aspects fondamentaux. Les audiophiles ou ´electroniciens
dans l’ˆame sont invit´es `
a d´ecouvrir les aspects plus pointus et bon nombre d’astuces sur
les sites de Plantef`eve et Pass,
– http://jm.plantefeve.pagesperso-orange.fr,
– http://www.passlabs.com/
ainsi que dans la litt´erature d’amplification audio.
Pr´
eparation de ce laboratoire
Ce laboratoire traite un amplificateur op´erationnel ´el´ementaire, dont la
th´eorie apparaˆıt au chapitre 8 des notes de cours.

– Lire sections 8.1 (introduction), 8.2.1 (principe ´el´ementaire de l’amplificateur diff´erentiel), 8.3.2 (sources de courant), 8.4.2 et 8.4.3 (´etages de
sortie de classe B et AB).
– Lire la section “Compl´ements” ci-dessous.
– V´erifier le r´esultat de l’´equation (5.3).

5.2
5.2.1

Compl´
ements
La contre-r´
eaction n´
egative

La contre-r´eaction n´egative consiste `a coupler la tension de sortie d’un amplificateur
a` sa tension d’entr´ee de fa¸con `
a annuler une partie de l’entr´ee. Ainsi, par exemple, dans
le circuit de la figure 5.1, les r´esistances R1 et R2 constituent un chemin de retour de
contre-r´eaction n´egative pour l’amplificateur op´erationnel.
Quels sont les effets d’une contre-r´eaction n´egative sur ce circuit ? Les principaux
effets sont les suivants :
1. Diminution du gain en tension

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO

V+
Vin

49

A
+

Vout



V−

R2

RL

VA
R1

Fig. 5.1 – Contre r´eaction n´egative `a base d’un ampli-op
En effet, si le gain en tension de l’ampi-op est not´e A, on a successivement :
Vout = A (V+ − V− ),
R1
V− = VA =
Vout ,
R1 + R2
A
Vout =
V+ ,
(1 + A) B

(5.1)
(5.2)
(5.3)

o`
u B = R1 /(R1 + R2 ) est le facteur de r´eduction du diviseur potentiom´etrique
R1 -R2 .
En d´efinitive, comme
A
< A.
1 + AB

(5.4)

le gain total du montage est inf´erieur `a celui de l’ampli-op.
2. Meilleure stabilit´
e
Au vu du r´esultat pr´ec´edent, vous pourriez penser que la contre-r´eaction n´egative
est une id´ee assez stupide !
En r´ealit´e, son int´erˆet principal est la faible sensibilit´e du gain en tension de
l’´equation (5.3) vis-`
a-vis des variations des caract´eristiques internes ou thermiques
de l’ampi-op (ces variations sont difficiles `a contrˆoler avec pr´ecision). En effet, dans
la limite o`
u A  1, le gain total converge vers A/(1 + AB) ≈ 1/B = 1 + R2 /R1 ,
un rapport qui est enti`erement fix´e par les r´esistances R1 et R2 (dont la pr´ecision
est bien plus facile `
a contrˆ
oler).
Quatre autres avantages de la contre-r´eaction n´egative :
1. accroissement de la r´
esistance d’entr´
ee, par un facteur 1 + AB ;
2. diminution de la r´
esistance de sortie, par un facteur 1 + AB ;

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO

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3. accroissement de la largeur de la bande passante, par un facteur 1 + AB ;
4. r´eduction des distorsions et des non-lin´
earit´
es introduites dans le circuit interne `
a l’ampli-op.
Cette derni`ere propri´et´e est parmi les plus int´eressantes : d’une fa¸con sch´ematique,
les d´eformations du signal introduites par l’ampli-op lui-mˆeme sont r´eachemin´ees par le
circuit de contre-r´eaction `
a l’entr´ee inverseuse V− de fa¸con les soustraire partiellement
du signal de sortie.
Notez qu’une contre-r´eaction `
a l’entr´ee non-inverseuse V+ aurait pour effet d’amplifier des d´eformations du signal. Cet effet est utilis´e dans les oscillateurs, mais ne sera
pas abord´e dans ce laboratoire.

5.2.2

La configuration Darlington

L’´etage de sortie d’un amplificateur est celui qui doit d´ebiter le courant le plus
intense. C’est la raison pour laquelle on rencontre souvent la configuration Darlington
de la figure 5.2.
iC1
iC2

iB1

Q1

iE1

Q2
iE2

Fig. 5.2 – Circuit Darlington
Analyse rapide : le courant d’´emetteur de Q1 ,
iE1 = (1 + β1 ) iB1 ,

(5.5)

alimente la base de Q2 pour donner un courant de collecteur
iC2 = β2 iB2 .

(5.6)

La configuration se comporte donc comme un seul transistor de gain
β=

iC2
= (1 + β1 ) β2 ≈ β1 β2 .
iB1

(5.7)

Une configuration Darlington permet ainsi de d´ebiter un grand courant de collecteur
iC2 sans “tirer” un courant de base trop important des ´etages pr´ec´edents.
Notez que la chute de tension VB1E2 ≈ 1, 4 V est ici deux fois sup´erieure `a celle d’un
seul transistor.

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO

5.3







5.4

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´
Equipement

ecessaire pour le laboratoire
Une valisette contenant les cˆ
ables de connexions
Un oscilloscope double trace
La carte ´electronique nomm´ee “Amplificateur audio”
Un multim`etre
Un g´en´erateur de signaux
Un lecteur MP3 avec une bonne biblioth`eque musicale !

L’amplificateur audio

Le sch´ema de la figure 5.3 repr´esente l’amplificateur audio que vous allez ´etudier
dans ce laboratoire. Il s’agit d’un circuit ´electronique relativement simple, qui n’utilise
que des transistors bipolaires, des r´esistances ainsi que des condensateurs de couplages
et de d´erivation.

Fig. 5.3 – Sch´ema ´electronique de l’amplificateur audio

5.4.1

Circuit d’amplification

Le signal `
a amplifier (un signal audio par exemple) est appliqu´e `a l’entr´ee noninverseuse vin de l’amplificateur diff´erentiel Q1 − Q2 . Remarquez que le condensateur C1
ne laisse passer que la composante petit-signal de la tension d’entr´ee.

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO

52

Cette composante est amplifi´ee en tension au niveau du collecteur de Q1 . Le signal
subit ensuite une deuxi`eme amplification en tension grˆace au transistor Q5 . La tension
r´esultante se retrouve au collecteur de Q5 (attention, ce dernier transistor est du type
pnp !). Le signal r´esultant est inject´e dans le dernier ´etage, un Push-Pull, afin d’y subir
une derni`ere amplification de puissance, cette fois via une amplification en courant.
Au niveau de la boucle de r´etro-action, une fraction de la tension de sortie Vout
est r´einject´ee `
a la base du transistor Q2 , qui joue le rˆole de l’entr´ee inverseuse V− de
l’amplificateur.
Les transistors Q3 et Q4 constituent deux sources de courant servant `a polariser
le montage diff´erentiel (Q1 et Q2 ), le transistor Q5 , ainsi que la chaˆıne form´ee par les
trois diodes et la r´esistance R7 . Ces quatre derniers ´el´ements (diodes et R7 ) placent le
Push-pull `
a la limite de la conduction.

Fig. 5.4 – Circuit ´electrique de l’amplificateur audio

5.4.2

Alimentation

L’amplificateur audio n´ecessite une alimentation continue `a trois bornes (figure 5.5) : une borne de tension positive (V+DC = +24 V), une borne de tension n´egative
(V−DC = −24 V) et une borne de r´ef´erence avec un potentiel m´edian VGRD = 0 V.
L’alimentation est prot´eg´ee par des fusibles.
L’alimentation est obtenue `
a partir d’un transformateur toro¨ıdal dont la puissance

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO

53

est limit´ee `
a 40 W, ce qui correspond `a un courant maximal d´ebit´e d’environ 0, 7 A
par ligne. La tension du secondaire est redress´ee par un pont de Graetz et est ensuite
“liss´ee” par des condensateurs de grande capacit´e (4700 µF).

24V AC
220V AC
24V AC
V+ DC
C1
GRD
C2
V− DC

Fig. 5.5 – Transformateur et circuit de redressement

5.5

Polarisation

5.5.1

Alimentation

1. Mesurez les tensions d’ondulation sur les deux tensions d’alimentation (V+DC −
VGRD ) et (V−DC − VGRD ).
2. Quel est le niveau d’ondulation de ces alimentations ?

5.5.2

Sources de courant

Les transistors Q3 et Q4 constituent des sources de courant alimentant diff´erents
´el´ements du circuit.
1. Quel est le rˆ
ole jou´e par les diodes D1 et D2 sur les transistors Q3 et Q4 ? Mesurez
la chute de tension entre les deux diodes. Que constatez-vous ?
2. Mesurez le courant IC3 `
a l’aide de la r´esistance RE3 . Faut-il augmenter ou diminuer
RE4 si l’on souhaite accroˆıtre IC3 ? Justifiez.
3. Mesurez la tension VCE et VBE du transistor Q3 . Dans quel mode le transistor estil polaris´e ? Justifiez. Quelles sont les ´el´ements polaris´es par la source de courant
Q3 ?
4. Mesurez le courant IC4 de la 2`eme source de courant. Quels sont les ´el´ements
polaris´es par cette source de courant ? Faut-il augmenter ou diminuer RE4 si l’on
souhaite accroˆıtre IC4 ? Justifiez.

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO

5.5.3

54

Polarisation de Q1 , Q2 et Q5

1. A partir du courant IC3 , calculez les courants de polarisation du collecteur de Q1
et Q2 si on les suppose parfaitement sym´etriques.
2. Comparez vos r´esultats `
a une mesure du courant traversant RC1 .
3. En analysant les tensions de polarisation de Q5 , d´eterminez l’avantage que l’on
tire `
a utiliser un transistor de type pnp plutˆot qu’un transistor de type npn pour
le deuxi`eme ´etage. Justifiez.
4. A l’ordinateur, ouvrez le sch´ema nomm´e amplificateur audio.asc. Calculez les
tensions de polarisation du circuit et comparez-les aux valeurs r´eelles. Qu’observezvous ?

5.5.4

Polarisation du Push-pull

1. Mesurez la tension entre les deux bornes d’entr´ee du Push-pull. Expliquez votre
r´esultat.
2. Pourquoi utiliser des diodes `a la place de r´esistances pour polariser l’´etage de
sortie ? Que se passe-t-il si la temp´erature venait `a augmenter au niveau du Darlington ? Justifiez.

5.5.5

Distorsion de croisement
+24 V
R2 = 100 k
D1
R1 = 10 k

Vin

V−



390

Vout

+

V+

RL = 560
D2

-24 V
Fig. 5.6 – Amplificateur avec distorsion de croisement

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO

55

Sur Ltspice, chargez le fichier appel´e Distorsion de croisement.asc qui repr´esente
le circuit de la figure 5.6. Il s’agit d’un amplificateur de tension r´ealis´e `a partir d’un
ampli-op.
Le gain en tension du circuit est d´etermin´e par le rapport R2 /R1 . Le but de cette
simulation est de vous montrer la cons´equence d’une distorsion de croisement sur le
signal de sortie.
1. Appliquez `
a l’entr´ee un signal sinuso¨ıdal de tension crˆete-`a-crˆete de 300 mV et de
fr´equence 440 Hz. A la sortie, ajoutez une r´esistance de 560 Ω. Observez la sortie
et d´eterminez le gain du circuit.
2. Qu’observez-vous de particulier au niveau de la tension de sortie ? Quelle en est la
cause ? Quelle en sera la cons´equence sur un signal sonore ?

5.6
5.6.1

Analyse en petit-signal
Gain en tension

1. En vous r´ef´erant `
a la th´eorie de la r´etro-action, quel est le gain en tension du circuit
d’amplification en boucle ferm´ee ? En particulier, o`
u se situe le pont diviseur de
tension qui alimente l’entr´ee inverseuse en boucle ferm´ee ? Quelle est le rapport de
division B ? Justifiez.
2. V´erifiez vos r´esultats en alimentant l’entr´ee avec un signal sinuso¨ıdal de tension
crˆete-`
a-crˆete de 300 mV et de fr´equence 10 kHz. A l’oscilloscope, observez la sortie
en boucle ferm´ee et comparez ces r´esultats `a vos calculs. Commentez. (Le baffle
doit ˆetre d´econnect´e).
3. A l’ordinateur, ouvrez le sch´ema nomm´e amplificateur audio.asc. A l’aide de
la fonction “transient”, ´evaluez le gain en tension pour un signal d’entr´ee de
300 mV crˆete-`
a-crˆete, 10 kHz. Comparez avec vos r´esultats pr´ec´edents.

5.6.2

Gain en courant

1. A l’ordinateur, ouvrez le sch´ema nomm´e amplificateur audio.asc. A l’aide de
la fonction “ac dec 100 1k 20k”, ´evaluez le gain en courant IC1 /IB1 pour un
signal d’entr´ee de 300 mV crˆete-`a-crˆete. Evaluez ensuite le gain entre le courant
de base et de collecteur de D1 : IxU 1:C /IxU 1:B . Que constatez-vous ? Quel est le
rˆole de l’´etage de sortie ?

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO

5.6.3

56

Fr´
equences de coupure

1. A l’ordinateur, ouvrez le sch´ema nomm´e amplificateur audio.asc. A l’aide de
la fonction “AC Analysis”, ´evaluez le gain vout /vin sur une plage de fr´equence
allant de 1 Hz `
a 1 MHz et remplissez le tableau ci-dessous.
Fr´equence (Hz)

1

5

10

100

1k

10k

20k

100k

300k

Gain en tension
2. Quelles sont les fr´equences de coupures inf´erieure et sup´erieure ? Ces valeurs vous
paraissent-elles adapt´ees `
a un usage audio ?
3. Essayer d’identifier par simulation le condensateur qui est responsable de la fr´equence
de coupure sup´erieure. Le r´esultat est surprenant !

5.6.4

The real thing

L’amplificateur est-il suffisant pour ´ecouter votre lecteur MP3 ? Essayez-le !

5.7

Bilan du laboratoire

R´esumez le rˆ
ole jou´e par chacun des transistors dans le circuit d’amplification.

700k


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