Amplification simple | Sciences de l'ingénieur - Électrocinétique et composants électriques
Introduction
Découvrez les principes fondamentaux de l'amplification électrique
Définition de l'amplification
Qu'est-ce que l'amplification ?
L'amplification est le processus par lequel un système électrique augmente l'amplitude d'un signal électrique (tension, courant ou puissance) sans altérer sa forme d'onde fondamentale.
Elle est caractérisée par un gain qui exprime le rapport entre la grandeur de sortie et celle d'entrée.
- Amplification en tension
- Amplification en courant
- Amplification en puissance
Principe de l'amplification
Fonctionnement de base
Un amplificateur simple fonctionne selon le principe suivant :
- Reçoit un signal d'entrée de faible amplitude
- Utilise une source d'énergie externe (alimentation)
- Contrôle le flux d'énergie pour reproduire et amplifier le signal
- Fournit un signal de sortie de plus grande amplitude
- 1 Gain : rapport entre la sortie et l'entrée
- 2 Bande passante : gamme de fréquences traitées
- 3 Impédance d'entrée : résistance vue par la source
- 4 Impédance de sortie : résistance vue par la charge
Types d'amplification
Différents types d'amplification
Le gain en tension est défini par :
Caractérise la capacité à augmenter l'amplitude de la tension d'entrée.
Le gain en courant est défini par :
Caractérise la capacité à augmenter l'intensité du courant.
Le gain en puissance est défini par :
Caractérise la capacité à augmenter la puissance du signal.
Schéma d'un amplificateur simple
Représentation schématique
Un amplificateur idéal est représenté par un quadripôle avec :
- Entrée : tension d'entrée \( V_{in} \) et courant d'entrée \( I_{in} \)
- Sortie : tension de sortie \( V_{out} \) et courant de sortie \( I_{out} \)
- Source d'alimentation pour fournir l'énergie supplémentaire
Caractéristiques d'un amplificateur
Paramètres importants
Elle représente la résistance vue par la source d'entrée.
Idéalement, une impédance d'entrée élevée est souhaitable pour ne pas charger la source.
Elle représente la résistance vue par la charge de sortie.
Idéalement, une impédance de sortie faible est souhaitable pour bien alimenter la charge.
Le gain peut être exprimé en linéaire ou en décibels (dB) :
Où \( A_v \) est le gain en tension.
Exemple d'amplificateur à transistor
Montage émetteur commun
Le montage émetteur commun est l'un des montages les plus courants pour les amplificateurs à transistor bipolaire.
Il permet d'obtenir un gain en tension élevé avec une inversion de phase de 180°.
- 1 Transistor bipolaire NPN
- 2 Résistances de polarisation
- 3 Condensateurs de couplage
- 4 Résistance de charge
Calcul du gain
Méthodes de calcul
Pour un amplificateur à transistor en configuration émetteur commun :
Où :
- \( g_m \) est la transconductance du transistor
- \( R_c \) est la résistance de collecteur
La transconductance est donnée par :
Avec :
- \( I_C \) : courant de collecteur
- \( V_T \) : tension thermique (~26mV à température ambiante)
Exercice d'application
Problème d'amplification
Un amplificateur a une tension d'entrée de 100mV et une tension de sortie de 5V.
1. Calculer le gain en tension de cet amplificateur.
2. Exprimer ce gain en décibels.
3. Si l'impédance d'entrée est de 10kΩ et l'impédance de sortie est de 100Ω, calculer le gain en puissance.
Solution de l'exercice
Correction détaillée
Le gain en tension est défini par :
Le gain en tension est donc de 50.
Le gain en décibels est donné par :
Le gain en tension est de 34 dB.
Le gain en puissance est donné par :
Le gain en puissance est de 250000, soit environ 54 dB.
Bande passante
Réponse en fréquence
La bande passante d'un amplificateur est la plage de fréquences pour lesquelles le gain reste supérieur à une certaine valeur de référence (généralement -3dB par rapport au gain maximum).
Elle est définie par :
Où \( f_H \) est la fréquence haute et \( f_L \) la fréquence basse.
Distorsion
Non-linéarités
La distorsion harmonique se produit lorsque l'amplificateur ajoute des harmoniques au signal original.
Elle est mesurée par le taux de distorsion harmonique (THD) :
Où \( H_1 \) est l'amplitude du fondamental et \( H_n \) les harmoniques.
Se produit lorsqu'un amplificateur traite plusieurs fréquences simultanément, créant des produits d'intermodulation.
Ces produits sont des combinaisons de fréquences multiples des signaux originaux.
Applications de l'amplification
Domaines d'application
Utilisés dans les systèmes de reproduction sonore pour amplifier les signaux provenant de sources audio (microphones, lecteurs, etc.).
Caractéristiques importantes : faible distorsion, large bande passante, bon rendement.
Utilisés dans les systèmes de communication pour amplifier les signaux radiofréquence.
Caractéristiques importantes : faible bruit, stabilité, adaptation d'impédance.
- Instrumentation électronique
- Systèmes de contrôle
- Télécommunications
- Mesure et détection
Exercice avancé
Analyse d'un circuit
Un amplificateur à transistor a les caractéristiques suivantes :
- Vcc = 12V
- Rc = 2.2kΩ
- β = 100 (gain en courant du transistor)
- Vin = 10mV (sinusoïdal, 1kHz)
Calculer le gain en tension de cet amplificateur.
Solution exercice avancé
Correction détaillée
Pour simplifier, supposons que le point de repos est tel que le courant de collecteur est de 1mA.
Alors, la transconductance est :
Le gain en tension est donné par :
Le gain est donc de -84.7 (signe négatif indiquant une inversion de phase).
Le gain en décibels est :
Résumé
Points clés
- Augmentation de l'amplitude d'un signal sans altérer sa forme fondamentale
- Caractérisée par un gain > 1
- Gain en tension : \( A_v = V_{out}/V_{in} \)
- Gain en courant : \( A_i = I_{out}/I_{in} \)
- Gain en puissance : \( A_p = P_{out}/P_{in} \)
- Impédance d'entrée (idéalement élevée)
- Impédance de sortie (idéalement faible)
- Bande passante
- Distorsion
Conclusion
Félicitations !
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