Amplificateur Audio : Questions

[Mickael87]

Bonjour à tous.

Voilà, j'aurai quelques questions à poser au sujet d'un amplificateur audio que j'ai réalisé il y a de cela un moment, et que j'essaye de reprendre en ce moment d'une manière plus posée et surtout de refaire une carte beaucoup plus propre.

L'amplificateur est le suivant :

Lien image externe supprimé

Il est alimenté sous une tension symétrique de +30 / - 30 V, et possède les étages habituels : amplificateur différentiel, étage de puissance (MOSFET IRF 540 et 9540)

J'ai fait les calculs habituels sur cet ampli : sur l'amplificateur différentiel, le courant de polarisation, les tensions de polarisations des MOSFET.

Mon problème est que je n'arrive pas à généraliser le tout, et j'ai du mal à voir quelle est la fonction de chacun des éléments par rapport aux autres, d'où mes questions :

- Par exemple, en premier lieu, on parle souvent de l'amplificateur différentiel qui amplifie la différence de tension à ses bornes. Mais ici, je ne comprends pas du tout quel est l'avantage ? Le pont diviseur formé par R6 et R7 donne à sa sortie la même amplitude que le signal mis en entrée (le gain étant de 100 ici), donc à quoi sert de faire la différence entre deux signaux identiques ?
Est ce qu'il joue le rôle de rebouclage dans une sorte d'asservissement pour réduire la distorsion de croisement ?

- Ensuite, pendant que j'étudiais ce circuit en classe, on nous a fait comprendre que l'amplification en courant était en grande partie faite par le transistor Q4, et que l'amplification en courant (donc en puissance), était réalisée par les deux mosfet. Est ce que c'est vrai ? Ou est ce que les deux mosfet réalisent les deux à la fois (courant + tension ), ce qui signifierait que les deux transistor Q3 et Q4 ne servent qu'à les polariser ?

Au niveau de la première question, j'ai fait plusieurs test sur LTSpice pour essayer de comprendre ce qu'il se passait en dynamique, et globalement, si je mets deux signaux de la même amplitude / fréquence sur les entrées de l'amplificateur diff, j'obtiens entre R5 et R14 un signal d'une amplitude divisée de moitié, et légèrement déformée sur les parties positives, comme sur ce schéma : (courbe en bleu, le signal en jaune étant le signal d'entrée)

Lien image externe supprimé


Voilà, je vous remercie d'avance si vous pouvez trouvez un tout petit peu de temps pour me répondre, car d'une manière générale, je suis assez dans le flou au niveau de l'assemblage de toutes les parties.

Bonjour, et bienvenue

Merci de respecter à l'avenir les http://forums.futura-sciences.com/el...-sabonner.html, et de placer les images en pièces jointes.

Pour une première fois, j'ai fait l'opération moi-même

Pour la modération, Tropique
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[Tropique]

- Par exemple, en premier lieu, on parle souvent de l'amplificateur différentiel qui amplifie la différence de tension à ses bornes. Mais ici, je ne comprends pas du tout quel est l'avantage ? Le pont diviseur formé par R6 et R7 donne à sa sortie la même amplitude que le signal mis en entrée (le gain étant de 100 ici), donc à quoi sert de faire la différence entre deux signaux identiques ?
Est ce qu'il joue le rôle de rebouclage dans une sorte d'asservissement pour réduire la distorsion de croisement ?

Bienvenue sur Futura,

Ici tu confonds la cause et l'effet: on ne met pas une tension identique à l'entrée du différentiel, mais c'est lui au contraire qui pilote le reste du circuit de façon à ce que la tension sur R6/R7 soit exactement celle d'entrée.
Si tu enlèves en pensée ce différentiel, la tension d'entrée restera inchangée, alors que la tension sur R6/R7 disparaitra.
C'est bien un asservissement, la consigne étant l'entrée, et la valeur contrôlée la tension de sortie (ou sa version atténuée).
Le différentiel est l'ampli d'erreur qui compare en permanence ces deux grandeurs, et envoie un signal de correction dans la chaine.

- Ensuite, pendant que j'étudiais ce circuit en classe, on nous a fait comprendre que l'amplification en courant était en grande partie faite par le transistor Q4, et que l'amplification en courant (donc en puissance), était réalisée par les deux mosfet. Est ce que c'est vrai ? Ou est ce que les deux mosfet réalisent les deux à la fois (courant + tension ), ce qui signifierait que les deux transistor Q3 et Q4 ne servent qu'à les polariser ?

Q4 est l'étage de gain en tension, pas en courant. Les MOS font le courant, leur gain en tension est <1. Q3 les polarise.

[Mickael87]

Bonjour.

Je vous remercie pour ces réponses, ça va déjà m'aider à repartir sur des certitudes.

[Tropique]

Si tu as saisi le schéma dans LTspice, poste-le (sous forme de .asc.txt), ça permettra de faire des manips pour en analyser le fonctionnement.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Mickael87]

Voilà le schéma Spice, j'espère que le format conviendra.

La simulation semble fonctionner, mais même si j'essaye de me représenter le système comme un asservissement, j'ai du mal à faire le lien avec les tensions que j'observe sur la simulation.

[Mickael87]

PS rajouté (désolé je peux pas éditer) : Normalement, un montage différentiel doit faire en sorte que la somme des courants Ic Q1 / Ic Q2 soit toujours la même, au vu des courbes sous la forme 1/(1+exp). Est ce que l'ont peut assimiler ça à l'asservissement ?

[Tropique]

PS rajouté (désolé je peux pas éditer) : Normalement, un montage différentiel doit faire en sorte que la somme des courants Ic Q1 / Ic Q2 soit toujours la même, au vu des courbes sous la forme 1/(1+exp). Est ce que l'ont peut assimiler ça à l'asservissement ?

Si on veut, mais c'est une manière compliquée de voir les choses, et cela ne se passe pas nécéssairement ainsi, on le verra plus tard.

Voyons d'abord ton schéma; le format est parfait.

Occupons-nous d'abord de ta première question. Le simulateur permet de réaliser des manips très délicates dans le monde réel, on va exploiter cette possibilité.
-Vérifions la proposition que le différentiel ne sert à rien, et mettons la même tension sur les deux entrées.
Pour ne pas déranger le fonctionnement et les polars, il faut le faire d'une manière transparente.
On va mesurer la tension entre bases en fonctionnement normal; pour cela, on clique sur la base de Q1, et en ne relachant pas on glisse sur la base de Q2; à ce moment, on relache, et l'affichage indique la différence V(n007), V(n008).
Pour connaitre la valeur moyenne, on enfonce CTRL et on clique sur le label V(n007), V(n008).
On obtient l'image ampli1: la tension moyenne est de -44.235mV.
On va déconnecter la base de Q2, et la raccorder à celle de Q1 par cette tension. De cette manière, le changement est minimum, il y a juste la tension de Q2 qui est imposée au lieu de venir du circuit.

Le résultat est visible en ampli2, et le fichier modifié est ampli2.asc.
La tension de sortie est tombée à presque 0. Le niveau DC est resté correct, environ 40mV, grâce au précautions que l'on a prises.
Il est clair que quasiment rien n'a changé par rapport à avant: toutes les tensions sont identiques à quelques dizaines de µV près.
Sauf que maintenant, la sortie est presque à 0.
Cela prouve l'utilité de l'étage.

Au fait, pourquoi quasiment 0, et pas vraiment 0?

Je vous laisse méditer jusqu'à demain.

[Mickael87]

Re-Bonjour.

J'ai fait les manipulations que vous avez proposé, et j'ai en effet retrouvé les mêmes résultats.

Avec le schéma modifié, et avec un sinus d'amplitude 0.01V en entrée, on obtient en sortie une sinusoïde d'amplitude d'environ 80 mV centrée sur une valeur continue de 40mV.

Donc pour la question du presque 0V, d'un point de vue continu pour le 40mV, je pense que cela vient du faible courant de repos qui circule entre les deux mosfet et qui crée une tension sur la charge.

D'un point de vue dynamique, je ne comprends pas. Si les tensions sont strictement les mêmes sur les deux entrées de l'ampli diff, on obtient 0 de différence, et donc je ne vois pas d'où peut venir l'oscillation que l'on obtient en sortie.

Malgré cela, il est clair que la manipulation montre l'intérêt de l'existence de l'ampli diff, mais je vais essayer de voir si j'arrive à comprendre des choses supplémentaires d'un point de vue quantitatif.

Bonne soirée.

[Tropique]

Voyons d'abord la réponse à la question d'hier: la raison d'une tension résiduelle en sortie.
On parle bien ici de signal, pas de la composante continue: celle-ci est l'offset de sortie, et c'est une valeur normale.
La tension est causée par la tension de mode commun qui se retrouve amplifiée. Cela signifie que le CMRR de la paire différentielle est imparfait.
La raison est évidente: elle est alimentée en courant par une résistance, pas par une source de courant. Les variations de tension sur les bases se retrouvent sur les émetteurs, et sont transformées en variation de courant par R10.

On peut continuer les manips: cette fois, on va faire le contraire, on va faire travailler l'ampli en boucle ouverte.
De nouveau, il faut s'arranger pour perturber le moins possible le fonctionnement. Pour cela, on va mesurer la tension sur C5: elle est en moyenne de 52.565mV en fonctionnement normal.
On met en // avec C5 une source de cette valeur: on supprime R13.
Maintenant, seule une des entrées du différentiel est alimentée.
On constate que l'amplitude de sortie est très forte, au point d'écrêter en positif: Ampli3. Normal, il n'y a plus de contre-réaction, le gain est maximal.
On va réduire la tension d'entrée, à 1mV, pour revenir à des tensions normales: Ampli4 et Ampli4.asc.
Maintenant, la tension de sortie est raisonnable, mais on constate qu'elle n'est plus très sinusoidale.
C'est logique, puisqu'on ne travaille plus en mode asservi: on fait de l'amplification directe, et les non-linéarités de l'ampli ne sont plus corrigées.

Nous verrons ensuite plus en détails les défauts et les manières de les corriger, et nous configurerons LTspice de manière plus adaptée.

[Mickael87]

Bonjour.

Les manipulations que vous m'avez proposé permettent de revoir ce que j'avais fait en cours à propos de l'automatisme, à savoir que cette contre réaction permet de diminuer le gain d'un ampli qui est très fort tout en élargissant la bande passante et en corrigeant les non linéarités.

Donc, est ce que l'ont peut résumer le système avec :

- Un gain de contre réaction B = 1/100 ?
- Un gain en chaîne directe très grand ?
- Et où l'ampli différentiel ne fait que la simple différence (sans amplification) entre le signal de retour et le signal de consigne ?

[Tropique]

Chacun a ses habitudes de terminologie et de conventions littérales.
Moi, je parle de gain en boucle fermée de 100, de gain en boucle ouverte très grand (bien qu'ici, ce soit assez relatif), la différence entre les deux (en dB) étant le gain de boucle.
On peut vérifier si le LTP ne fait que la différence; par le calcul d'abord:
Le courant de chaque transistor est de ~0.9mA (1.8mA au total). Leur résistance dynamique d'émetteur vaut ~26/0.9=29, à multiplier par deux: 58ohms, auxquels on ajoute la valeur de R15 réfléchie à l'émetteur, environ 25ohms, soit au total ~85ohms.
La transconductance de l'étage est donc de 1/0.085=11.7mA/V.
Multiplié par la charge, R9 cela donne un gain de 5.5.
C'est bien sûr une estimation grossière, rapide et simplifiée; on peut la vérifier en simu, Ampli5:
La tension aux bornes de R9 vaut 4.6mV pp; rapporté aux 20mV pp d'entrée, cela donne un gain de 4.34, mais comme on perd ~10% dans les résistances d'entrée, ce serait équivalent à 4.8, donc à peu près ce qui a été estimé.
On peut conclure que le LTP ajoute un peu de gain.

On peut examiner le circuit plus en détail, mais avant, on va configurer un peu mieux LTspice:
En général, il est préférable de définir soi même les options plutot que de les laisser en automatique. Eventuellement, si on n'a aucune idée, au début, on peut faire une passe en auto, et puis ajuster ce qui semble nécéssaire.
Premier paramètre, le timestep: pour un circuit BF, on pourrait mettre 1µs, ou 10µs à la rigueur, si on fait une très longue durée. On met 1µs.
Deuxième chose, il est bon de laisser un temps de stabilisation au circuit avant de prendre les résultats en compte (il y a un précalcul en .op avant le début de la simu, mais ce n'est pas tout à fait équivalent). On met 5ms.
Troisième chose, pour des circuits comme l'audio où la forme d'onde a beaucoup d'importance, il vaut mieux supprimer la compression du plotting. Cela prend plus de mémoire, mais pour de "petites" simu, c'est sans importance.
Il y a différentes manières de le faire, l'une est d'inclure la directive ".options plotwinsize=0" sur le schéma. Cela permet également de faire correctement des FFT ou mesures de distorsion, impossibles autrement.
Enfin, il vaut mieux ne pas laisser de composants "par défaut", comme ici la diode: celle qui sera utilisée pour la simu sera une diode typique de surface unitaire par rapport au process d'IC utilisé, càd pas très réaliste pour un composant discret.
On met une diode quelconque de la liste. Ici, c'est sans importance parce qu'elle n'intervient pas en fonctionnement normal, mais dans d'autres cas, cela peut poser des problèmes.
Ampli6 montre le résultat: la sinusoide a l'air beaucoup plus sympa.
En même temps, on voit les courants de collecteur de Q1 et Q2: il y a un problème, un fort déséquilibre.

[Mickael87]

Re-Bonjour.

Le courant de chaque transistor est de ~0.9mA (1.8mA au total). Leur résistance dynamique d'émetteur vaut ~26/0.9=29, à multiplier par deux: 58ohms, auxquels on ajoute la valeur de R15 réfléchie à l'émetteur, environ 25ohms, soit au total ~85ohms.
La transconductance de l'étage est donc de 1/0.085=11.7mA/V.
Multiplié par la charge, R9 cela donne un gain de 5.5.
C'est bien sûr une estimation grossière, rapide et simplifiée; on peut la vérifier en simu, Ampli5:
La tension aux bornes de R9 vaut 4.6mV pp; rapporté aux 20mV pp d'entrée, cela donne un gain de 4.34, mais comme on perd ~10% dans les résistances d'entrée, ce serait équivalent à 4.8, donc à peu près ce qui a été estimé.
On peut conclure que le LTP ajoute un peu de gain.

J'ai compris cette partie ! J'ai repris les calculs en reprenant à la base avec la tension Vth environ égale à 26mV, et le calcul avec la transconductance (gm=Ic/Vth)par la suite. Pour les 10%, j'avais calculé en effet ça au niveau du filtre d'entrée qui possède un gain de 0.9.

Donc, pour résumer, l'ampli diff ajoute un peu de gain (dans l'ordre d'environ 4.8), mais même si j'ai pu comprendre le rôle de l'asservissement dans le montage, venant lui aussi de l'ampli diff avec les manips précédentes, j'ai encore du mal à me représenter une chose :
- J'ai essayé de reprendre le système avec les introductions de cours d'automatisme à savoir donc : une tension de consigne en entrée, un signal d'erreur repartant vers la chaîne principale, et une tension de retour. Par exemple, si la tension d'entrée augmente, le système d'asservissement va comprendre qu'une plus grande différence de potentiel est en train de se créer entre le signal de sortie et le signal d'entrée qui augmente. La tension d'erreur augmente alors, et la chaîne directe augmente donc le signal : C'est là tout mon problème de compréhension.

Nous avons vu dans un premier temps cela :

"Le différentiel est l'ampli d'erreur qui compare en permanence ces deux grandeurs, et envoie un signal de correction dans la chaine."

Donc le signal situé sur R9 est donc un signal d'erreur, résultant de la différence entre les signaux entrée et sortie, et donc, est ce que c'est bien lui qui est amplifié, d'une part par le différentiel, PUIS par le transistor Q4 ? Si c'est bien le cas, pour que le montage fonctionne, il faut donc qu'implicitement, un déphasage existe entre le signal de sortie et d'entrée, pour que le signal d'erreur soit non nul ?

J'espère que mes questions ne sont pas trop brouillon, mais c'est cette partie que je tiens vraiment à comprendre de A à Z >.>

Pour les courants de collecteur de Q1 et Q2, le déséquilibre des courants ne vient pas du fait qu'il n'y a pas de charge sur la deuxième branche de l'ampli diff ?

Merci pour vos réponses.

[Tropique]

Donc le signal situé sur R9 est donc un signal d'erreur, résultant de la différence entre les signaux entrée et sortie, et donc, est ce que c'est bien lui qui est amplifié, d'une part par le différentiel, PUIS par le transistor Q4 ?

Exact

Si c'est bien le cas, pour que le montage fonctionne, il faut donc qu'implicitement, un déphasage existe entre le signal de sortie et d'entrée, pour que le signal d'erreur soit non nul ?

Je crois que tu mélanges à nouveau cause et effet: le but n'est pas d'avoir un signal d'erreur non-nul, au contraire: idéalement, ce signal devrait être nul, et la fidélité de l'ampli serait parfaite.
Si ce signal n'est pas nul, c'est essentiellement à cause du gain non-infini de l'ampli: de façon imagée, il a besoin d'une certaine erreur avant de "se rendre compte" qu'il y a un problème, et de corriger. Mais ce n'est certainement pas le but recherché ici (il y a des cas où c'est ce que l'on recherche, dans les trappes à résidu constant p.ex., mais c'est très différent).
Le déphasage est un autre problème. En principe, il ne doit pas exister non plus, idéalement.
En fait, à cause des imperfections pratiques et de la nécéssité d'en tenir compte dans la compensation en fréquence, il y aura un déphasage entre les tensions d'entrée et de sortie en boucle ouverte. En boucle fermée, ce déphasage sera corrigé lui aussi et rendu presque négligeable.
On peut voir cela en comparant la tension entre les bases de Q1 et Q2 et la tension de sortie: voir Ampli7.
La tension de sortie est formatée pour être compatible avec l'entrée sur le graphique (il est aussi possible de mettre des échelles différentes sur chaque trace).
A vue de nez, le gain en boucle ouverte (puisque c'est ce qu'on regarde en fait ici) est de ~2000.
On voit aussi que la trace verte a un déphasage non-négligeable par rapport à la sortie, et qu'un certain niveau de distorsion est visible: c'est normal, puisque c'est le signal d'erreur.

Pour les courants de collecteur de Q1 et Q2, le déséquilibre des courants ne vient pas du fait qu'il n'y a pas de charge sur la deuxième branche de l'ampli diff ?

Non, tant que Q2 est en régime linéaire, sa tension de collecteur n'influence pratiquement pas le courant

.[/QUOTE]

[Mickael87]

Citation:
Envoyé par Mickael87

Donc le signal situé sur R9 est donc un signal d'erreur, résultant de la différence entre les signaux entrée et sortie, et donc, est ce que c'est bien lui qui est amplifié, d'une part par le différentiel, PUIS par le transistor Q4 ?

Exact

Mais donc ce signal d'erreur (vu qu'il n'est pas nul), n'est pas TRES faible ?

et n'arrive pas à le mettre en rapport avec cela :

La tension aux bornes de R9 vaut 4.6mV pp; rapporté aux 20mV pp d'entrée, cela donne un gain de 4.34

C'est ça que je ne saisis pas, je croyais que c'était le signal d'erreur qu'on multipliait par le gain trouvé (environ 4.8, et qu'on amplifiait sur le reste de la chaîne), pas le signal d'entrée non ?


Merci pour votre précédente réponse.

[Tropique]

Mais donc ce signal d'erreur (vu qu'il n'est pas nul), n'est pas TRES faible ?

Si, il est très faible; ici, sur la dernière simu, on voit qu'il vaut 1mVpp.
Ceci dit, cet ampli, bien qu'étant idéal pour l'étude, est loin d'être une bête de course: il y a des amplis qui ont 10⁷ de gain en boucle ouverte, et le signal d'erreur devient quasiment négligeable, noyé dans le plancher de bruit

C'est ça que je ne saisis pas, je croyais que c'était le signal d'erreur qu'on multipliait par le gain trouvé (environ 4.8, et qu'on amplifiait sur le reste de la chaîne), pas le signal d'entrée non ?

Oui, exactement: la tension de l'exemple précédent, entre n007 et n008 est bien le signal d'erreur, entre les bases du LTP, et pas le signal d'entrée qui se trouve entre n007 et la masse.
Le gain de 4.8 participe au gain général de ~2K.
L'étage de gain principal (appellé VAS) est Q4. A vue de nez, il doit contribuer pour environ 400x, soit ~52dB. Et pour bien faire, il faut encore retrancher les petites pertes de gain à gauche et à droite, comme celle des transistors de sortie.
Mais c'est relativement secondaire, le gain en OL n'est pas quelque chose que l'on cherche à rendre précis ou stable: on essaye principalement de le maximiser (tout en étant raisonnable, et en essayant de chiffrer sa valeur, pour avoir une idée du comportement quand la boucle est fermée).

[Mickael87]

D'accord ! Je vous remercie beaucoup, c'est beaucoup plus clair qu'au début. Je vais continuer de simuler avec plusieurs cas pour me convaincre de tout ça =)

Bonne soirée à vous ^^

[Tropique]

On avait précédemment rencontré deux problèmes: une mauvaise réjection de mode commun du LTP d'entrée, et un déséquilibre entre la répartition du courant.


Voyons comment les résoudre:

Ampli8 rappelle la situation: avec les entrées court-circuitées (par une source 44mV), une tension de 160mV pp parvenait jusqu'à la sortie.
La cause en est R10. Pour éliminer le problème il faut la remplacer par une source de courant.
Ampli9 est un exemple, il y en a d'autres. On constate que la tension de sortie est maintenant descendue à moins de 300µV pp.

Ampli10 rappelle la situation d'asymétrie de la LTP; on voit également le taux de distorsion, plus de 0.2%, ce qui pour un ampli moderne fonctionnant à faible puissance est vraiment élevé (des amplis à tubes font mieux).
La correction est simple: elle consiste à rectifier la valeur de R9. Elle est portée à 820 ohms, ce qui ne permet pas une égalité parfaite, mais constitue déjà une amélioration substantielle: Ampli11.
La distorsion est maintenant de 0.079%, ce qui est plus honorable et démontre l'utilité de la modif.