Gain des amplis audio

[sandrecarpe]

Bonsoir à tous,
Maintenant que j'arrive à peu près à dimensionner comme je le souhaite un étage à transistor émetteur commun, avec résistance Re, je me demandais de combien est habituellement le gain en tension de cet étage dans un ampli. Parce qu'avec une résistance Re, mon gain semble dérisoire si le compare à un autre schéma. Souvent, je ne vois pas de résistance d'émetteur dans cet étage, ou alors elle est très faible, genre 3.9 ohm sur le schéma qui est sous mes yeux. Dans ce cas, le gain en tension est avec et il est beaucoup plus élevé! Plusieurs centaines des fois ! Alors que moi à chaque fois j'ai un pauvre gain de 15/20
Alors à part baisser la valeur de Re y a rien à faire ? De combien est le gain de cet étage habituellement ?

Merci bien de votre aide
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[bobflux]

Pour un gain élevé il faut plusieurs étages et de la contre-réaction...

[PIXEL]

je t'ai déjà indiqué l'ouvrage de référence sur la question !

[DAUDET78]

Souvent, je ne vois pas de résistance d'émetteur dans cet étage,

Donc le gain en tension est largement fonction du Bêta de l'exemplaire du transistor utilisé , de la température, de la tension d'alimentation .... bref, de l'âge du capitaine.

Alors que moi à chaque fois j'ai un pauvre gain de 15/20

Avec une résistance d'émetteur, ton gain est Rc/Re, indépendant, dans une large mesure, du transistor utilisé

De combien est le gain de cet étage habituellement ?

Entre 20 et 80, par tradition

PS : Tu commences à comprendre l’intérêt d'utiliser un AmpliOp !

[A voir en vidéo sur Futura]

[sandrecarpe]

je t'ai déjà indiqué l'ouvrage de référence sur la question !

Et je l'ai lu un certain nombre de fois ! Et en effet le "VAS" est toujours un émetteur commun avec charge active ! Cependant, je n'y comprends pas grand chose dans ce cas pour polariser le transistor
Par exemple :
Sans titre.png
Mais à quelle valeur vais-je donc bien pouvoir fixer le courant à travers R13 ?
Sachant que R7 impose un courant de 10mA, je me dis qu'au plus il ne devrait pas y avoir plus de 10mA non plus dans R13. Donc R13 = 400 ohm (la zener est une 4.7V). Mais il y a un grosse dissymétrie du signal :

graph.jpg
Tension mesurée à la sortie de l'ampli.

Pourtant j'ai bien compris l'enjeu de ce montage qui est d'augmenter l'impédance de charge sur le collecteur. La "résistance" qui remplace Rc est la résistance dynamique du générateur de courant, et qui vaut d'après ce que j'ai vu :

étant la tension Early du transistor

Donc l'impédance de charge sur le collecteur sera je pense
Donc quel courant doit fournir le générateur de courant ? Donc en gros comment calculer R13 ?

Au début j'étais resté sur l'émetteur commun classique parce que je me demandais comment le schéma d'électronique pratique pouvait avoir Rc = 2k7 et Re = 3.9 Ω donc un gain de 692 (donc sans charge active)
D'après ce que j'ai testé, plus le gain augmente plus l'excursion en tension diminue

Merci pour votre aide

Et merci pour les précisions DAUDET78, c'est ce que je voulais savoir

[bobflux]

> Mais à quelle valeur vais-je donc bien pouvoir fixer le courant à travers R13 ?

L'idéal est d'avoir un courant égal dans les deux transistors du différentiel d'entrée, et on peut aussi choisir un courant égal dans R7/R17 quand la sortie est à zéro.

Tu as un offset important car le courant de base de Q1 voit une résistance de 47k ; pour 1 mA dans Q1 et un hFe de 500 nous avons donc 2µA, avec 47k nous avons donc 94mV d'offset à l'entrée, qui est multiplié par le gain du montage... qui est élevé...

[sandrecarpe]

Salut, merci pour ta réponse

Okay, donc comment résoudre le problème ?
J'ai essayé, par simulation, de remplacer les deux résistances R5 et R6 du schéma précédent par un miroir de courant :
Sans titre.png


Et j'ai un offset un tout petit peu inférieur (sans signal d'entrée) :
graph2.jpg

PAR CONTRE, si je rajoute un condensateur dans la contre réaction :
Sans titre2.jpg
L'offset en sortie passe à 3mV ! Mais est-ce que c'est bien son rôle à cette capa à la base ? Dans la doc du LM3886, page 8, on nous dit qu'elle sert à assurer un gain unitaire en DC. Ce que je comprends c'est que lorsqu'on applique un signal dont la fréquence tend vers 0 en entrée, la contre réaction est totale est donc la sortie nulle.

Donc est-ce que c'était la solution ? Je ne pense pas, cette capa n'est pas présente dans tout les schémas d'ampli, donc il y a une façon de gérer l'offset, mais je ne vois pas :/

Donc j'en reviens à la seule piste que j'ai, la paire différentielle à un soucis et donc mon émetteur commun aussi, et donc tout quoi
Même si je remplace les deux résistances de la paire différentielle par un miroir de courant, je ne sais pas calculer la tension à ses bornes, et donc je ne peux pas calculer la résistance d'émetteur de l'émetteur commun, et par conséquent, je ne peux pas non plus fixer le courant de la source de courant.
Est-ce qu'il faut calculer la résistance dynamique du miroir de courant pour en déduire sa tension à ses bornes ?


Désolé ça fait beaucoup de choses incomprises mais j'y tiens

[bobflux]

La capa dans la CR donne à l'ampli un gain de 1 en continu (au lieu de 48 ici). Ce gain s'applique également à l'offset ramené en entrée, donc cette capa permet de réduire l'offset en sortie.

> il y a une façon de gérer l'offset, mais je ne vois pas :/

Le miroir de courant permet de s'assurer que les deux transistors du différentiel ont à peu près le même courant. C'est important pour réduire la distortion.

Si on utilise des transistors appariés, qui ont donc des hFe assez proches, leurs courants de base seront quasi identiques.

Ensuite, on s'assure que l'impédance en continu vue par les deux entrées du différentiel est identique. Ce n'est pas toujours possible. Si il y a un potentiomètre par exemple : c'est mort.

Une autre solution pour éviter l'offset dû aux courants de base du différentiel quand on utilise des impédances importantes, c'est de supprimer le courant de base en utilisant des JFET ou des FET à la place.

[sandrecarpe]

D'accord. J'ai pu lire ça plusieurs fois, comme dans l'ouvrage que m'a proposé PIXEL par exemple . Les FET c'est bien pour l'impédance d'entrer très élevée mais ils ont une moins bonne linéarité.
Mais les transistors bipolaires sont déjà compliqués alors j'ai pas trop envie de faire un mixe des deux dans mon montage

J'aimerais bien garder mon miroir de courant dans la paire différentielle, mais je suis bloqué parce que je connais pas la tension à ses bornes pour pouvoir calculer la résistance d'émetteur de l'étage suivant :/
Je sais, en gros, ce qui permet d'améliorer la qualité du montage global mais j'ai du mal à trouver les équations.
Je fais peut-être pas la démarche correctement ?
Vous pouvez m'aider à ce niveau?

[DAUDET78]

Les FET c'est bien pour l'impédance d'entrer très élevée mais ils ont une moins bonne linéarité.

Et alors ? Quelle importance ?
Le fait que l'ampli soit en boucle fermée atténue/supprime ce défaut (si il existe !)
Pour info : Tous les ampliOPs actuels sont avec des MOS en entrée

[bobflux]

> J'aimerais bien garder mon miroir de courant dans la paire différentielle,

Bonne idée...

> mais je suis bloqué parce que je connais pas la tension à ses bornes pour pouvoir calculer
> la résistance d'émetteur de l'étage suivant :/

Héhé, c'est là que ça devient marrant : la résistance d'émetteur ne sert à rien, tu peux l'enlever.

Ton différentiel a :
- une entrée en tension (la différence de potentiel entre les deux bases)
- une sortie en courant (la différence des courants dans les collecteurs des 2 transistors)

Ton miroir de courant a aussi une sortie en courant: il retourne le courant collecteur de Q2.

Loi des noeuds : à appliquer sur le noeud qui joint les collecteurs de Q1 et Q10, la base de Q3 et C3.
Résultat : le courant qui passe dans le fil horizontal entre Q10 et l'étiquette "in" sur la base de Q3 est simplement le courant de sortie du différentiel, quelque chose comme (V+-V-)/(Re(Q1)+Re(Q2))...

Ce fil horizontal est la sortie de l'étage d'entrée (diff+miroir). C'est une sortie en courant, donc quel que soit le potentiel sur ce fil, tant que tous les transistors restent en régime linéaire, le courant de sortie restera le même. On va l'appeler Id.

La tension à la sortie d'une source de courant est décidée par la charge : ici, Q3. On enlève R6. La tension au noeud "in" est donc simplement l'alimentation positive, moins Vbe(Q3).

Ce courant arrive donc sur la base de Q3. C'est un transistor bipolaire, donc il multiplie simplement ce courant par son hFe.

Ic(Q3) = hFe * Id

Comme Q3 est chargé par une source de courant Q8, et par les bases de l'étage de sortie, dont l'impédance d'entrée est inconnue, nous ne pouvons pas calculer la tension de sortie.

Mais la contre-réaction ajuste précisément Id, et donc Ic(Q3) pour que la tension de sortie de l'ampli soit la bonne.

Je ne sais pas si j'ai été assez clair, dis moi ce que tu en penses.

[bobflux]

Pour info : Tous les ampliOPs actuels sont avec des MOS en entrée

Mais non, il y a plein de bipolaires, des MOSFET, des JFET... chacun a son application.

[DAUDET78]

Mais non, il y a plein de bipolaires, des MOSFET, des JFET... chacun a son application.

je parlais des ampliOPs de base conçus après 1995

[sandrecarpe]

Ah bah ça je ne sais pas, je ne fais que rapporter ce que j'ai lu par-ci par-là. J'ai rien contre les MOS, mais j'essaie de me faire la main pour le moment avec des bipolaires. Je ne cherche pas à rivaliser les amplis du commerce mais juste à comprendre les principes mis en jeu, comprendre et si possible (en fait j'y compte bien ) dimensionner moi-même le moindre composant du schéma.
Et pour l'instant je suis bloqué devant ma paire différentielle. Je chercher à calculer R6, la résistance d'émetteur de mon émetteur commun. Sans miroir de courant c'était facile, je faisais R_pont x I_pont - Vbe et j'avais la tension aux bornes de R6 et je pouvais calculer le courant qui passait dans Q3. Mais maintenant je fais comment ?
On sait que la résistance dynamique du miroir de courant est la tension Early divisée par le courant du collecteur, ce qui fait à peu près 100K, mais ça s'est valable qu'en régime dynamique, or moi je ne suis qu'à la phase polarisation de Q3, donc j'ai besoin de faire l'étude en régime statique.
Pour l'instant R6 vaut 500 ohm et tout marche bien...mais je sais pas pourquoi !



Merci pour vos réponses !

[bobflux]

Comme je te l'ai dit, R6 ne sert plus à rien puisque le transistor VAS est commandé en courant.

> je parlais des ampliOPs de base conçus après 1995

AH OK, oui c'est vrai que le full CMOS c'est moins cher et ça consomme rien, mais bon, c'est pas vraiment ce qui a les meilleures perfs, tout dépend de l'application. Pour de l'audio j'aime bien la série des LME (en voie de disparition d'ailleurs depuis que TI a racheté) et les nouveaux OPA16xx de chez TI.

[sandrecarpe]

J'ai rédigé mon message en même temps que tu as posté le tient, je n'avais pas encore vu ta remarque^^

[sandrecarpe]

Je ne voyais pas l'ensemble comme un générateur de courant, ça rend les choses moins intuitifs.
On a Ic(Q3) = hFe*Id
Mais le générateur de courant sur l'émetteur commun donne également : Ic(Q3) = (Vz - Vbe(Q8)) / R13)
Et ça semble être le générateur de courant Q8 qui l'emporte.
Quand la charge est une résistance, j'ai pas de soucis pour voir la conversion courant-tension par la résistance Rc mais là j'avoue que c'est flou



hFe * Id serait-il le "courant disponible" ? C'est à dire que la deuxième équation est vraie tant que ;
Ic(Q3) = (Vz - Vbe(Q8)) / R13) < Hfe*Id ?

C'est une sortie en courant, donc quel que soit le potentiel sur ce fil, tant que tous les transistors restent en régime linéaire, le courant de sortie restera le même

Et comment je peux savoir s'il est en régime linéaire ? (A part que "y a un jolie son qui sort de l'ampli") D'habitude on peut regarder la caractéristique Ic = f(Vce) mais là on ne peut pas, on ne connais pas Vce ?

Tout ça veut dire qu'il est impossible de calculer un gain en boucle ouverte ?

En tout cas, je commence à voir les choses un peu différemment, merci pour ton explication

[bobflux]

Mais le générateur de courant sur l'émetteur commun donne également : Ic(Q3) = (Vz - Vbe(Q8)) / R13)
Et ça semble être le générateur de courant Q8 qui l'emporte.

Ic(Q8) est constant, car Q8 est câblé en source de courant.
Au repos, la contre-réaction va ajuster Ic(Q3) pour qu'il soit à peu près égal à Ic(Q8), ce qui amène la sortie à 0V.

Par exemple, au repos il peut y avoir 5 mA dans Q8, donc 5 mA aussi dans Q3, et une poignée de µA dans les bases des transistors de qui controlent la sortie. Quand un signal est présent à l'entrée, Q3 va moduler son courant pour contrôler la sortie.

> Quand la charge est une résistance, j'ai pas de soucis pour voir la conversion
> courant-tension par la résistance Rc mais là j'avoue que c'est flou

Oui c'est flou, en continu le courant que sort Q3 est converti en tension par l'impédance de la base des transistors de l'étage de sortie, qui est mal définie et dépend de la charge.

> Et comment je peux savoir s'il est en régime linéaire ?

Q3/Q8 restent en régime linéaire tant que la tension de sortie ne s'approche pas trop des alims.

> Tout ça veut dire qu'il est impossible de calculer un gain en boucle ouverte ?

En effet, le gain en boucle ouverte est difficile à calculer. Il dépend des hFe, qui varient suivant le transistor... et il dépend aussi de la charge en sortie. Heureusement, le gain en boucle ouverte en continu n'est pas un paramètre déterminant dans cette application. Quand la fréquence augmente, le condensateur de compensation C3 intervient et détermine le gain en boucle ouverte.

[clairette75]

Puisque R6 fait ZERO, on peut aussi supprimer R1 et R2 qui ne font que diminuer le gain de l'ampli en boucle ouverte sans contrepartie, J'ai essayé en VRAI d'augmenter la valeur de R1 et R2 et je n'ai obtenu que de la ronflette. Donc on peut les supprimer en VRAI. On devrait gagner sur le plan de de la THD.

[sandrecarpe]

C'est vrai que le gain en boucle ouverte diminue avec ces résistances d'émetteur, mais il y a une contre partie, on a une meilleure linéarité de l'étage d'entrée.
À en croire la bible de PIXEL, Audio power amplifier design handbook, page 56, ça fait partie d'une amélioration à apporter à un ampli par rapport au schéma de base. Et si je comprends bien, comme le montage d'entrée est linéaire sur un plus grand intervalle, on peut augmenter le gain en boucle fermé. Mais je demande confirmation.
Et toujours d'après ce livre, la "dégénération de l'étage d'entrée" (le fait de mettre ces résistances) diminue le THD, de pas grand chose, mais il diminue quand même.

Et moi aussi j'ai essayé et j'ai pas de ronflette. Après y a sûrement une valeur à ne pas dépasser pour ces résistances.

Au passage, merci bobfuck pour ton aide, ça m'a aidé à voir plus clair

[bobflux]

C'est vrai que le gain en boucle ouverte diminue avec ces résistances d'émetteur, mais il y a une contre partie, on a une meilleure linéarité de l'étage d'entrée.

Oui.

Il faut regarder le signal d'erreur "Ve" présent à l'entrée du différentiel. Sans résistances, le diff n'est linéaire que pour Ve très proche de 0V, de plus son gain diminue quand Ve augmente. Donc, si il y a le moindre déséquilibre dans le courant qui parcourt les deux transistors (même juste 2%...), le THD du diff sans résistance se dégrade. C'est pourquoi utiliser un miroir de courant dans les collecteurs du diff, c'est vraiment une bonne idée (Self, fig.4.8, pages 78 à 81). Les résistances diminuent la sensibilité au déséquilibre.

Le gain en boucle ouverte diminue aux fréquences élevées : donc à tension de sortie égale, Ve augmente avec la fréquence.

Par conséquent, si l'ampli est utilisé dans des conditions où Ve est significatif (ie, présence de fréquences élevées) alors il est avantageux de linéariser l'étage d'entrée avec des résistances. 30-100 ohms par exemple.

Comme on diminue le gain de l'étage d'entrée, on peut aussi diminuer Cdom.

Note que "élevé" est un terme tout relatif, puisque la distortion dépend du Ve nécessaire pour suivre le slew rate (dV/dt) du signal traité.

C'est la fameuse famille des distortions TIM/TID/SID qui ont fait beaucoup de bruit chez les audiophiles au siècle dernier, pour pas grand chose en fait, car il suffit d'avoir en audio un slew rate pas trop pourri (genre 50V/µs, pas besoin de 1000...) et de linéariser l'étage d'entrée pour ne plus en entendre parler...

Voir Self fig. 4.5 page 78

A+