Transistors
Avant d'aborder les classes d'amplificateurs en détail, il nous faut d'abord acquérir quelques connaissances sur le composant électronique responsable de l'amplification du signal. Il s'agit aujourd'hui généralement de transistors et nous nous limiterons dans cet article à leur examen, bien que des tubes soient toujours utilisés à cette fin.
Un transistor est en principe un interrupteur électronique dont la fonction de commutation est basée sur la technologie des semi-conducteurs. Le composant habituellement mécanique d'un interrupteur est remplacé dans un transistor par le matériau semi-conducteur, dont la conductivité peut être influencée par un signal de commande – par exemple une tension appliquée. Le passage entre les deux états de commutation « non-conducteur électrique » (zone de blocage) ou « entièrement conducteur électrique » (zone de saturation) se fait en continu, de sorte que le matériau semi-conducteur peut prendre, en fonction de l'intensité du signal de commande, des états intermédiaires arbitraires de conductivité partielle (zone d'amplification). De cette manière, il est désormais possible de contrôler un flux de puissance traversant le transistor.
Dans l'amplification de la musique, c'est le signal audio qui, en tant que tension de commande, est appliqué à la base du transistor et affecte ou favorise le flux de courant de prise préparé. Le transistor npn illustré ci-dessus ne convient cependant qu'en partie à l'amplification d'un signal audio, et ce pour deux raisons sans mesures supplémentaires. D'une part, la conductivité du matériau semi-conducteur ne s'établit que si une tension de commande positive est appliquée. Cependant, comme le signal audio est basé sur une tension alternative, il ne serait en conséquence amplifié qu'incomplètement et des distorsions indésirables se produiraient. D'autre part, chaque matériau semi-conducteur possède un seuil physique que le signal de commande doit dépasser avant que le transistor ne passe effectivement de la zone de blocage à la zone d'amplification. Des erreurs supplémentaires dans l'amplification en résulteraient et l'objectif réel – une traduction du signal musical avec le moins de distorsion possible – serait ainsi impossible. Pour résoudre ces problèmes, il existe une série d'approches différentes, distinguées par les classes d'amplificateurs.
Classe A
Dans le fonctionnement en classe A, le point de fonctionnement du transistor joue un rôle décisif. Celui-ci décrit en quelque sorte l'état neutre du composant, qui prévaut toujours lorsqu'aucun signal audio n'est appliqué à la base. Normalement, le point de fonctionnement se situe donc dans la zone de blocage du transistor. Cependant, si l'on applique un courant continu (courant de repos) ajusté de manière fixe à la base, le point de fonctionnement peut être "déplacé" théoriquement à n'importe quel point sur toute la plage de fonctionnement du transistor en fonction de l'intensité de ce courant continu. Ainsi, il est maintenu en permanence conducteur jusqu'à un certain degré pendant le fonctionnement.
En classe A, le point de fonctionnement se situe à peu près au milieu entre la zone de blocage et la zone de saturation du transistor. De cette manière, non seulement le seuil est dépassé dès le départ, ce qui a déjà en soi une influence positive sur la qualité du signal amplifié, mais il est également possible d'utiliser un seul composant actif (circuit single-ended) pour l'amplification. Globalement, les amplificateurs de classe A – qu'ils soient single-ended ou non – sont considérés comme particulièrement peu distordus. L'inconvénient majeur de cette variante est la faible efficacité. La conductivité constante du transistor entraîne naturellement un flux ininterrompu de courant de puissance et, par conséquent, un dégagement de chaleur important.
Classe B
Ce mode de fonctionnement diffère de la classe A en ce sens qu'aucune manipulation du point de fonctionnement n'a lieu, et que celui-ci se situe donc dans la zone de blocage du transistor. Pour garantir néanmoins l'amplification du signal complet, un circuit push-pull est absolument nécessaire en classe B. Pour cela, le transistor bipolaire npn est complété par un autre semi-conducteur de polarité inversée (pnp) et le signal audio est divisé en demi-ondes positives et négatives avant l'amplification. Les parties de signal amplifiées sont ensuite réunies. Cette variante présente bien sûr des avantages et des inconvénients. Premièrement, le problème non résolu du seuil lors de l'amplification de chaque demi-onde conduit à des distorsions indésirables. De plus, la division du signal et les deux transistors ne fonctionnant jamais exactement de la même manière rendent le circuit globalement plus complexe et moins linéaire qu'une solution single-ended, par exemple. D'autre part, l'efficacité est considérablement plus élevée et la chaleur dissipée est donc plus faible. Globalement, on peut dire que la combinaison du fonctionnement en classe B et du circuit push-pull n'a pas pu s'imposer dans le domaine HiFi.
Classe AB
On trouve beaucoup plus fréquemment des amplificateurs de classe AB, qui combinent des éléments des classes A et B déjà connues et associent le circuit push-pull à un décalage du point de fonctionnement. Dans ce cas, de faibles courants de repos sont appliqués aux bases des transistors, juste assez grands pour réduire les distorsions dues au problème de seuil pour chaque demi-onde amplifiée individuellement (voir Classe B). En conséquence, le fonctionnement en classe AB offre un bon compromis entre une amplification à faible distorsion et une efficacité élevée.
Classe D
Les amplificateurs de classe D, également appelés amplificateurs à découpage ou numériques, sont également très répandus. Cette dernière désignation est certes compréhensible d'une certaine manière, car le mode de fonctionnement de ces amplificateurs à découpage rappelle la transformation numérique d'un signal audio et le processus de commutation est même contrôlé numériquement dans certains appareils, mais bien sûr, un signal analogique entraîne finalement le haut-parleur en fonctionnement en classe D. Un rôle central dans l'amplification en classe D est joué par le comparateur, qui compare la tension du signal audio avec celle d'un signal triangulaire généré à une fréquence d'horloge élevée et régulière. La fréquence d'horloge peut varier entre plusieurs centaines de kilohertz et quelques mégahertz. Un processus de commutation du transistor est toujours déclenché lors des pas d'horloge où la tension d'un signal dépasse ou tombe en dessous de la tension de l'autre signal. Le transistor alterne exclusivement entre les deux états extrêmes de la zone de blocage et de la zone de saturation, de sorte que la zone d'amplification, si importante pour les classes précédentes, ne joue pratiquement plus aucun rôle ici. Après l'amplificateur à découpage, un signal carré modulé en largeur d'impulsion est d'abord présent, qui est ensuite transformé en signal audio – désormais amplifié – à l'aide d'un filtre. Les amplificateurs de classe D se caractérisent par leur très grande efficacité, peuvent donc être construits très petits et peu encombrants et sont utilisés dans tous les appareils imaginables, du téléphone portable à la chaîne hi-fi. La qualité dépend d'une bonne conception de circuit et de filtre, afin de minimiser les distorsions et les interférences qui peuvent survenir en raison de la commutation à haute fréquence.
Conclusion
Nous arrivons ainsi à la fin de notre bref aperçu. Si vous cherchez, vous trouverez d'autres classes d'amplificateurs dont la pertinence pour le domaine audio ou HiFi est cependant négligeable. Soit dit en passant, l'Accuphase E-600 illustré ci-dessus est un amplificateur de classe A, dont la consommation d'énergie à vide est estimée à 160 watts.
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