C’est quoi la vitesse de balayage d’un amplificateur ?

C’est quoi la vitesse de balayage d’un amplificateur opérationnel, et comment affecte-t-elle ses performances ? 🤔

 

👉 La vitesse de balayage d’un ampli’ op est essentielle, pour de nombreuses conceptions de circuits électroniques.

➡️ La conception pour la vitesse de balayage permet de garantir, que la conception du circuit électronique peut s’adapter aux augmentations de sortie rapides, et réduit la distorsion.

La vitesse de balayage de l’amplificateur est une mesure de la rapidité, avec laquelle un amplificateur est capable de répondre à un changement de niveau d’entrée. Il est généralement mesurée en volts par microseconde.

Bien que cette spécification semble liée à la réactivité dynamique, elle a en réalité plus à voir avec la réponse haute fréquence de l’amplificateur.

 

Qu’est-ce que la vitesse de balayage ?

👉 La vitesse de balayage est le changement de tension, de courant ou de toute autre grandeur électrique, par unité de temps.

Avec les amplificateurs (et autres processeurs de signal), la vitesse de balayage fait généralement référence à la distorsion, qui se produit sur le signal lors de son traitement.

⚡ Les changements de tension à l’entrée sont retardés à la sortie.

La présence de cette distorsion affecte en surface la dynamique (en particulier les transitoires) de la forme d’onde audio. Cependant, dans la pratique, la vitesse de balayage a plus d’effet sur la clarté des hautes fréquences.

 

Illustration d’une onde carrée d’entrée et d’une onde de sortie affectée par la vitesse de balayage

 

👉 La vitesse de balayage de l’amplificateur est presque toujours exprimée en unités SI V/µs (volts par microseconde).

La mesure est pratiquement toujours une valeur de vitesse de balayage minimale. Sauf indication contraire.

La vitesse de balayage d’un amplificateur affecte la dynamique du signal. Les transitoires de l’onde carrée, par exemple, sont adoucies avec une rampe montante et une rampe descendante.

➡️ Cependant, le problème de la vitesse de balayage se situe dans les hautes fréquences, où la tension change très rapidement.

L’amplificateur doit être capable, de suivre les formes d’onde haute fréquence à courte longueur d’onde du signal d’entrée.

 

Problèmes de vitesse du taux de balayage

👉 Les problèmes de vitesse de balayage proviennent des circuits internes de l’ampli opérationnel.

Plusieurs raisons expliquent les limitations de la plupart des puces :

 

Compensation de fréquence

➡️ Les condensateurs utilisés dans la puce, pour réduire la réponse haute fréquence, ont un effet prononcé sur la vitesse de balayage.

La limitation de la réponse en fréquence limite également le taux de changement, qui peut se produire à la sortie, et affecte la vitesse de balayage globale de l’ampli.

👉 Afin de garantir le fait que les amplificateurs opérationnels puissent rester stables, les composants de compensation de fréquence sont toujours inclus, et l’effet résultant sur la vitesse de balayage doit également être pris en compte, dans la conception du circuit.

 

Limitations du pilote de sortie

Dans la puce, et en particulier dans le pilote de sortie, les faibles niveaux de courant limitent la vitesse à laquelle le changement peut se produire.

➡️ Cela limite la vitesse de balayage de l’ampli.

Il s’agit de la zone de performance où les vitesses de montée, et de descente, peuvent être différentes.

Cela résulte des différentes manières dont la puce augmente, et diminue la tension de sortie.

Par exemple, la sortie peut utiliser une forme d’étage de sortie complémentaire.

Les caractéristiques différentes de chaque moitié entraîneront une petite différence, entre les capacités de vitesse de montée et de descente.

 

Étages d’entrée à gain élevé

👉 Les amplificateurs opérationnels utilisent des étages d’entrée différentiels à gain élevé.

Le gain élevé et le fait qu’il s’agisse d’amplificateurs à transconductance, où une entrée de tension produit une sortie de courant, signifie qu’il est possible que les signaux puissent saturer. Ce qui fait que l’amplificateur agit comme une source de courant constant.

➡️ Quand cela se produit, le taux de changement de sortie de l’amplificateur est sévèrement limité.

La vitesse de balayage a tendance à être régie par des facteurs, au sein de la puce d’amplificateur opérationnel. Il est donc nécessaire de sélectionner une puce, pour la conception du circuit électronique, qui peut fournir la vitesse de balayage nécessaire.

🚨 Le calcul de la vitesse de balayage requise pour un scénario de circuit donné, signifie que tous les problèmes peuvent être résolus au stade de la conception du circuit.

 

Dynamique & réponse haute fréquence

👉 La vitesse de balayage d’un amplificateur indique, dans quelle mesure l’amplificateur réagira à un signal d’entrée donné.

 

La vitesse de balayage a à voir avec la réponse en fréquence

La vitesse de balayage est la vitesse (en volts par microseconde), à laquelle un amplificateur peut répondre à un changement de sortie.

 

➡️ Si chaque onde sinusoïdale a la même amplitude, c’est la forme d’onde avec la fréquence la plus élevée (longueur d’onde la plus courte), qui a le plus grand changement de tension par unité de temps.

📈 À mesure que la fréquence augmente, la vitesse de balayage va avoir de plus en plus d’effet, jusqu’à ce qu’un seuil soit atteint où la vitesse de balayage (changement de tension par unité de temps) ne peut pas suivre la fréquence de la forme d’onde.

⚠️ Ainsi, la vitesse de balayage affectera la réponse haute fréquence, provoquant une grave dégradation et distorsion du signal au-dessus d’un certain point.

 

Distorsion de la vitesse de balayage

👉 Si un ampli opérationnel fonctionne au-dessus de sa limite de vitesse de balayage, les signaux seront déformés.

La façon la plus simple de voir cela est de regarder l’exemple d’une onde sinusoïdale.

Le taux maximal de changement de tension se produit au point de passage par zéro.

Il est possible de trouver la fréquence ou la tension maximale qui peut être acceptée.

➡️ Une onde sinusoïdale avec une fréquence de f Hertz, et une tension de crête V volts, ont besoin d’un amplificateur opérationnel, avec une vitesse de balayage de 2 x π x f x V volts par seconde.

Ceci est nécessaire pour s’assurer que l’exigence de vitesse de balayage maximale, qui se produit au point de passage par zéro soit satisfaite.

📉 À la limite, la distorsion de balayage de l’ampli op entraîne la création d’une forme d’onde triangulaire. Si la fréquence est augmentée, l’ampli sera moins capable de suivre, et l’amplitude de la forme d’onde de sortie diminuera.

📈 La vitesse de balayage peut également ne pas être linéaire sur toute la plage. En conséquence, la forme d’onde peut présenter une augmentation plus rapide pour la première partie du changement, puis revenir à la vitesse de balayage attendue.

 

La vitesse de balayage est normalement spécifiée pour un circuit, agissant comme un suiveur de tension avec un gain unitaire, et avec une entrée de pas à oscillation complète. Cela signifie qu’il y a un entraînement différentiel important, et donc de grandes quantités de courant circulent. Pour différentes configurations où il y a une petite tension d’entrée, et un gain plus important, la vitesse de balayage sera moindre.

 

Vitesses de balayage pratiques de l’amplificateur

👉 Au-dessus d’un certain point de fréquence, la vitesse de balayage d’un amplificateur jouera un rôle majeur dans la distorsion du signal.

L’équation pour trouver la vitesse de balayage minimale d’un amplificateur est la suivante :

 

Vitesse de balayage = 2 𝜋    𝑓 𝑉 (2 x π x fréquence max x tension de crête max)

➡️ La vitesse de balayage est mesurée en volts/seconde. Bien que les mesures réelles soient souvent données en v/µs.

f = la fréquence de signal la plus élevée, Hz

V = la tension de crête maximale du signal.

 

À titre d’exemple, prenons le cas où un ampli est nécessaire pour amplifier un signal, avec une amplitude de crête de 5 volts, à une fréquence de 25 kHz.

Un ampli avec une vitesse de balayage d’au moins 2 π x 25 000 x 5 = 0,785 V/µs serait nécessaire.

 

Qu’en est-il de la tension de crête ?

C’est beaucoup plus difficile de mettre un chiffre exact ici.

👉 Les amplificateurs sont souvent définis par leur puissance de sortie, mais pas par leur tension de sortie.

Disons que notre amplificateur a une puissance de sortie de haut-parleur de 1000 W, et qu’il est connecté à un haut-parleur de 8 Ω.

On va négliger la résistance du câble, et le changement d’impédance à travers l’impédance du haut-parleur.

 

La puissance peut être définie comme :

P = V ² / R, et R peut être remplacé par l’impédance.

 

La résolution de V donne :

V = √(P • R) = √(1000Ω • 8Ω) = √8000 = 89,4 volts

Des taux de balayage plus élevés sont nécessaires, pour pouvoir piloter des impédances de charge (haut-parleur) plus élevées.

Tension élevée jamais demandée à un amplificateur de puissance

👉 Il s’agit d’une tension incroyablement élevée qui serait rarement, voire jamais, demandée à un amplificateur de puissance.

Cela permettra d’avoir une estimation prudente d’une vitesse de balayage minimale, pour qu’un amplificateur produise une amplitude égale sur 20 Hz à 20 000 Hz (plage d’audition humaine).

 

Vitesse de balayage = 2 x π x fréquence max x tension de crête max

Vitesse de balayage = 2 x π x 20 000 Hz x 89,4 V = 112 000 000 V/s ou 11,2 V/µs

 

➡️ Des tensions de crête plus courantes seraient d’environ 50 V ou moins, ce qui donnerait une vitesse de balayage minimale de 6,3 V/µs, pour atteindre une sortie complète jusqu’à 20 kHz.

La plupart des amplificateurs (même les moins chers) devraient avoir une vitesse de balayage supérieure à 6,3 V/µs.

Les taux de balayage élevés de la plupart des amplificateurs sont simplement une bonne ingénierie.

✅ Avoir une vitesse de balayage, qui donne une fréquence maximale bien au-dessus de la plage audible, éliminera à peu près toutes les erreurs potentielles, et les distorsions indésirables quelles qu’elles soient.

De nombreux amplificateurs placent une espèce de filtre passe-bas sur le signal audio, pour pouvoir éliminer les fréquences haut de gamme inutiles, au-dessus de la plage audible de l’audition humaine.

 

Conclusion

👉 Un amplificateur audio qui vaut son prix aura une vitesse de balayage, qui lui permet de produire toutes les fréquences audio audibles, quelle que soit sa tension de sortie maximale.

La spécification de la vitesse de balayage, bien qu’elle puisse sembler avoir à voir avec la dynamique, a en fait plus à voir avec la distorsion haute fréquence.

Ce n’est pas une spécification critique à laquelle il faut faire très attention, tant qu’elle permet à l’amplificateur de produire un son de qualité.

 

Qu’en est-il des amplificateurs à tubes ?

👉 Nous ne voyons jamais les chiffres de vitesse de balayage, sur les fiches techniques des amplificateurs à tubes.

 

Comment cela se fait-il ? 🤔

 

➡️ Les tubes à vide ont tendance à fonctionner aussi bien en courant continu, qu’aux hautes fréquences (même bien au-delà de la plage audio & dans les fréquences radio).

Cela veut dire que les tubes ont des taux de balayage incroyablement élevés. Ils ont des taux aussi élevés afin de pouvoir maintenir une certaine cohérence, entre les signaux d’entrée et de sortie aux très hautes fréquences radio.

Les niveaux de tension ont tendance à être beaucoup plus élevés dans l’électronique à tube, que dans les amplificateurs opérationnels. Cela renforce le besoin de vitesses de balayage très élevées.

Les taux de balayage des tubes à vide sont si élevés, qu’ils ne sont jamais pris en compte lors de la fiche technique d’un amplificateur audio à tube.

Le facteur limitant pour la vitesse de balayage du tube à vide, est l’impédance de source élevée et les capacités inter-électrodes/entrée du tube.

Ces facteurs provoquent un filtre passe-bas dans le tube, qui peut avoir des effets similaires à une faible vitesse de balayage (distorsion & filtrage dans le haut de gamme).

 

Quel est le taux de réjection en mode commun d’un amplificateur ?

👉 Le taux de réjection en mode commun (CMRR) est le rapport des puissances du gain différentiel, sur le gain en mode commun.

L’audio symétrique utilise 2 copies du même signal sur 2 conducteurs (polarité positive & polarité négative).

➡️ L’amplificateur différentiel dans une entrée audio symétrique utilise CMRR, afin d’éliminer tout bruit/interférence commun aux conducteurs négatifs et positifs.

Il additionne en parallèle les différences (les 2 copies du signal audio) en 1 signal audio plus puissant.

Le rapport de mode commun est souvent mesuré en décibels (dB).

 

Quelles sont les spécifications importantes à prendre en compte, lors du choix d’un amplificateur ?

Les spécifications importantes à prendre en compte lors du choix d’un ampli sont :

• Impédance de sortie nominale
• Puissance nominale
• Nombre de canaux
• Classe de topologie de circuit