Tout savoir sur les classes d’amplification (A, B, AB…)

👉 Les classes d’amplification sont une classification, utilisée pour décrire la performance des amplificateurs électroniques.

5️⃣ Il existe 5 classes d’amplification principales, chacune avec ses propres caractéristiques et avantages. Les classes sont désignées par des lettres allant de A à D, avec une classe E qui est utilisée de manière occasionnelle.

🌟 La classe A est considérée comme la plus fidèle, en termes de reproduction du signal d’entrée. Mais elle est également la plus inefficace, en termes de consommation d’énergie.

⚡ La classe B est plus efficace en termes d’énergie, mais peut causer une distorsion légère du signal.

🤝 La classe AB est une combinaison des classes A et B, offrant une meilleure efficacité énergétique tout en maintenant une faible distorsion.

👍 La classe C est largement utilisée pour les amplificateurs à haute fréquence. Elle est très efficace en termes d’énergie, mais elle peut causer une distorsion significative du signal.

📅 Enfin, la classe D est la plus récente. Cette classe utilise une technique de modulation de largeur d’impulsion, afin d’obtenir une efficacité encore plus élevée. Mais elle est généralement utilisée uniquement pour les amplificateurs audio numériques.

 

Introduction

💡 Toutes les conceptions d’amplificateurs ne sont pas identiques.

➡️ Il existe une distinction claire entre les classes d’amplificateurs, ainsi que la manière dont leurs étages de sortie sont configurés, et fonctionnent.

👉 Les principales caractéristiques de fonctionnement d’un amplificateur idéal sont la linéarité, le gain du signal, l’efficacité et la puissance de sortie.

Mais dans le monde réel, il y a toujours un compromis à faire entre ces différentes caractéristiques.

 

🔉 Généralement, de grands amplificateurs de signal, ou de puissance, sont utilisés dans les étages de sortie des systèmes d’amplification audio, pour pouvoir piloter une charge de haut-parleur.

🤓 Un haut-parleur standard a une impédance comprise entre 4Ω et 8Ω. Donc un amplificateur de puissance doit être capable de fournir les courants de crête élevés, nécessaires pour pouvoir piloter le haut-parleur à faible impédance.

🔎 La méthode utilisée pour distinguer les caractéristiques électriques, des différents types d’amplificateurs se fait par classe. Et les amplificateurs sont classés en fonction de leur configuration de circuit, et de leur mode de fonctionnement.

💡 Les classes d’amplificateurs sont le terme utilisé, pour différencier les différents types d’amplificateurs.

🔊 Les classes d’amplificateurs représentent la quantité de signal de sortie, qui varie dans le circuit amplificateur sur un cycle de fonctionnement, lorsqu’il est stimulé par un signal d’entrée sinusoïdal.

➡️ La classification des amplificateurs va d’un fonctionnement entièrement linéaire (utilisation dans l’amplification de signal haute fidélité), avec un rendement très faible, à un fonctionnement entièrement non linéaire (reproduction fidèle du signal pas si importante) mais avec un rendement beaucoup plus élevé. D’autres sont un compromis entre les deux.

💡 Les classes d’amplificateurs sont principalement regroupées en 2 groupes.

 

Les 2 groupes de classes

👉 Les premiers sont les amplificateurs d’angle de conduction à commande classique, formant les classes d’amplificateurs les plus courantes A, B, AB et C. Ces classes sont définies par la longueur de leur état de conduction sur une partie de la forme d’onde de sortie, de sorte que le fonctionnement du transistor de l’étage de sortie, se situe quelque part entre être allumé et éteint.

👉 Le deuxième ensemble d’amplificateurs sont les classes d’amplificateurs dits à commutation de D, E, F, G, S, T, etc. Ces classes utilisent des circuits numériques et une modulation de largeur d’impulsion (PWM – Pulse Width Modulation), pour commuter constamment le signal entre ON et OFF, entraînant ainsi la sortie dans les régions de saturation et de coupure des transistors.

🔊 Les classes d’amplificateurs les plus couramment fabriquées, sont celles qui sont utilisées comme amplificateurs audio (principalement les classes A, B, AB et C).

 

Classes d’amplificateurs de classe A

 

👉 Les amplificateurs de classe A sont le type de topologie d’amplificateur le plus courant, car ils n’utilisent qu’1 seul transistor de commutation de sortie (bipolaire, FET, IGBT, etc.) dans leur conception d’amplificateur.

⚡ Ce transistor de sortie unique est polarisé autour du point Q, au milieu de sa ligne de charge, et n’est donc jamais entraîné dans ses régions de coupure ou de saturation. Cela lui permet de conduire le courant sur les 360 degrés complets du cycle d’entrée.

⚠️ Le transistor de sortie d’une topologie de classe A ne s’éteint jamais, ce qui est l’un de ses principaux inconvénients.

 

👍 La classe A est considérée comme la meilleure classe de conception d’amplificateurs, en raison de son excellente linéarité, de son gain élevé et de ses faibles niveaux de distorsion du signal, lorsqu’ils sont conçus correctement.

➡️ Bien que rarement utilisés dans les applications d’amplification haute puissance, à cause de considérations d’alimentation thermique, les amplificateurs de classe A sont probablement ceux qui sonnent le mieux parmi toutes les classes d’amplificateurs.

✅ Ces ampli’ sont utilisés dans les conceptions d’amplificateurs audio haute fidélité.

 

Classe la plus musicale et chaleureuse, mais qui souffre de surchauffe

🌟 Pour obtenir une linéarité et un gain élevés, l’étage de sortie d’un amplificateur de classe A est polarisé ON (conducteur) en permanence.

➡️ Pour qu’un amplificateur soit dans la classe A, le courant de repos du signal 0 dans l’étage de sortie doit être égal, ou supérieur, au courant de charge maximal (généralement un haut-parleur) requis pour produire le signal de sortie le plus important.

Comme un amplificateur de classe A fonctionne dans la partie linéaire de ses courbes caractéristiques, le dispositif de sortie unique conduit sur 360 degrés complets de la forme d’onde de sortie.

⚡ L‘amplificateur de classe A équivaut donc à une source de courant.

 

Comme un amplificateur de classe A fonctionne dans la région linéaire, la tension de polarisation continue de la base des transistors doit être choisie correctement, afin de garantir un fonctionnement correct et une faible distorsion.

🔛 Cependant, comme le dispositif de sortie est sur ON, il transporte constamment du courant, ce qui représente une perte continue de puissance dans l’amplificateur.

🔥 À cause de cette perte continue de puissance, les amplificateurs de classe A créent d’énormes quantités de chaleur qui s’ajoutent à leur très faible efficacité d’environ 30%. Cela les rend inutilisables pour les amplifications à haute puissance.

🔌 En raison également du courant de ralenti élevé de l’amplificateur, l’alimentation doit être dimensionnée en conséquence, et bien filtrée, pour éviter tout ronflement et bruit d’amplificateur.

💡 À cause du faible rendement et des problèmes de surchauffe des amplificateurs de classe A, des classes d’amplificateurs plus efficaces ont été développées.

 

Schéma – amplificateur de classe A

👉 Dans ce schéma, le transistor est utilisé comme amplificateur. Le signal d’entrée est appliqué à la base du transistor, et le signal amplifié est pris en sortie du collecteur.

⚡ L’alimentation est appliquée entre la base et le collecteur, et la résistance de charge est connectée entre la sortie du collecteur et la masse.

Dans l’amplificateur de classe A, le courant de collecteur de base est constant et égal à la charge totale, divisée par la résistance de charge.

👉 Le transistor est en conduite tout au long de la période de cycle du signal d’entrée, ce qui en fait l’un des amplificateurs les plus fiables en termes de reproduction du signal d’entrée.

⚠️ Cependant, cela signifie également que l’amplificateur de classe A est très inefficace en termes de consommation d’énergie, car une grande partie de l’énergie est convertie en chaleur, plutôt que d’être utilisée pour amplifier le signal.

 

Classes d’amplificateurs de classe B

 

👉 Les amplificateurs de classe B ont été inventés pour résoudre les problèmes d’efficacité, et de surchauffe, associés à l’amplificateur de classe A.

⚡ L’amplificateur de base de classe B utilise 2 transistors complémentaires, soit bipolaires soit FET, pour chaque moitié de la forme d’onde, avec son étage de sortie configuré dans un arrangement de type push-pull. Le but est que chaque dispositif à transistor n’amplifie que la moitié, de la forme d’onde de sortie.

➡️ Dans l’amplificateur de classe B, il n’y a pas de courant continu de polarisation de base, car son courant de repos est nul. La puissance continue est faible et son efficacité est bien supérieure, à celle de l’amplificateur de classe A.

💡 L’amélioration de l’efficacité se trouve dans la linéarité du dispositif de commutation.

 

Classe rare & inadaptée aux applications d’amplification audio de précision

➡️ Lorsque le signal d’entrée devient positif, le transistor polarisé positif conduit, tandis que le transistor négatif est désactivé.

De même, lorsque le signal d’entrée devient négatif, le transistor positif passe sur OFF, tandis que le transistor polarisé négatif passe sur ON, et conduit la partie négative du signal.

💡 Ainsi, le transistor ne conduit que la moitié du temps, soit sur un demi-cycle positif ou négatif du signal d’entrée.

👉 Chaque dispositif à transistor de l’amplificateur de classe B ne conduit que sur une moitié, ou 180 degrés, de la forme d’onde de sortie en alternance de temps stricte. Mais comme l’étage de sortie a des dispositifs pour les 2 moitiés de la forme d’onde du signal, les 2 moitiés sont combinées ensemble, pour produire la forme d’onde de sortie linéaire complète.

 

👍 Cette conception push-pull de l’amplificateur est plus efficace que la classe A (à environ 50%). Mais le problème avec la conception de l’amplificateur de classe B, est qu’elle peut créer une distorsion au point de passage par 0 de la forme d’onde, en raison de la bande morte des transistors.

⚡ Il faut une tension base-émetteur d’environ 0,7 volt, pour qu’un transistor bipolaire commence à conduire. Dans un amplificateur de classe B, le transistor de sortie n’est pas polarisé à un état de fonctionnement ON, tant que cette tension n’est pas dépassée.

❌ Cela signifie que la partie de la forme d’onde, qui tombe dans cette fenêtre de 0,7 volt, ne sera pas reproduite avec précision.

Cela rend l’amplificateur de classe B inadapté aux applications d’amplification audio de précision.

🧑‍🔬 Pour surmonter cette distorsion de passage par 0 (ou distorsion croisée), des amplificateurs de classe AB ont été développés.

 

Schéma – amplificateur de classe B

👉 Dans ce schéma, le transistor est utilisé comme amplificateur. Le signal d’entrée est appliqué à la base du transistor, et le signal amplifié est pris en sortie du collecteur.

⚡ L’alimentation est appliquée entre la base et le collecteur, et la résistance de charge est connectée entre la sortie du collecteur et la masse.

Dans l’amplificateur de classe B, le courant de collecteur de base n’est présent que pendant la moitié de la période de cycle du signal d’entrée.

👍 Cela signifie que le transistor n’est en conduite que pendant la moitié de la période de cycle, ce qui en fait l’un des amplificateurs les plus efficaces en termes de consommation d’énergie.

⚠️ Cependant, cela peut également entraîner une distorsion légère du signal, car le transistor n’est pas en conduite pendant la moitié de la période de cycle.

 

Classes d’amplificateurs de classe AB

 

👉 L’amplificateur de classe AB est une combinaison des amplificateurs de type Classe A, et B.

💡 La classification AB des amplificateurs est l’un des types de conception d’amplificateurs de puissance audio, les plus couramment utilisés.

➡️ L’amplificateur de classe AB est une variante d’un amplificateur de classe B. Sauf que la classe AB élimine les problèmes de distorsion de croisement, de l’amplificateur de classe B.

⚡ Les 2 transistors ont une très faible tension de polarisation (5 à 10% du courant de repos pour polariser les transistors, juste au-dessus de son point de coupure). Le dispositif conducteur (bipolaire ou FET) sera ON pendant plus d’un demi-cycle (mais moins d’un cycle complet du signal d’entrée).

Dans une conception d’amplificateur de classe AB, chacun des transistors push-pull est conducteur, pendant un peu plus que le demi-cycle de conduction en classe B. Mais beaucoup moins que le cycle complet de conduction de classe A.

En d’autres termes, l’angle de conduction d’un amplificateur de classe AB se situe quelque part entre 180 et 360 degrés, selon le point de polarisation choisi.

 

Amplificateur de classe AB – le bon compromis

👍 L’avantage de cette faible tension de polarisation, fournie par des diodes ou des résistances en série, est que la distorsion de croisement, créée par les caractéristiques de l’amplificateur de classe B, est surmontée, sans les inefficacités de la conception de l’amplificateur de classe A.

✅ L’amplificateur de classe AB est donc un bon compromis entre la classe A, et la classe B, en termes de rendement et de linéarité.

 

Schéma – amplificateur de classe AB

👉 Dans ce schéma, le transistor est utilisé comme amplificateur. Le signal d’entrée est appliqué à la base du transistor, et le signal amplifié est pris en sortie du collecteur.

⚡ L’alimentation est appliquée entre la base et le collecteur, et la résistance de charge est connectée entre la sortie du collecteur et la masse.

➡️ Dans l’amplificateur de classe AB, le courant de collecteur de base est présent pendant une partie de la période de cycle du signal d’entrée, généralement entre 70 et 90%.

👍 Cela signifie que le transistor n’est en conduite que pendant une partie de la période de cycle, ce qui en fait l’un des amplificateurs les plus efficaces en termes de consommation d’énergie, tout en maintenant une faible distorsion du signal.

⚠️ Cependant, l’amplificateur de classe AB n’est pas aussi efficace en termes d’énergie que l’amplificateur de classe B, car le transistor est en conduite pendant une plus grande partie de la période de cycle.

 

Classes d’amplificateurs de classe C

 

👉 La conception de l’ amplificateur de classe C a la plus grande efficacité, mais la linéarité la plus faible des classes d’amplificateurs mentionnées ici.

Les classes, A, B et AB sont considérées comme des amplificateurs linéaires, car l’amplitude et la phase des signaux de sortie sont linéairement liées, à l’amplitude et à la phase des signaux d’entrée.

➡️ Cependant, l’amplificateur de classe C est fortement polarisé, de sorte que le courant de sortie est nul pendant plus de la moitié d’un cycle de signal sinusoïdal d’entrée, avec le transistor au ralenti à son point de coupure.

En d’autres termes, l’angle de conduction du transistor est nettement inférieur à 180 degrés, et se situe généralement autour de la zone des 90 degrés.

⚠️ Alors que cette forme de polarisation du transistor donne une efficacité bien améliorée (environ 80%) à l’amplificateur, elle introduit une très forte distorsion du signal de sortie. Par conséquent, les amplificateurs de classe C ne conviennent pas à une utilisation en tant qu’amplificateurs audio.

 

Amplificateur de classe C – ne conviennent pas à une utilisation en tant qu’amplificateurs audio

👉 À cause de sa forte distorsion audio, les amplificateurs de classe C sont couramment utilisés dans les oscillateurs à onde sinusoïdale haute fréquence.

📻 Ils sont également utilisés dans certains types d’amplificateurs radiofréquence, où les impulsions de courant produites à la sortie des amplificateurs, peuvent être converties en ondes sinusoïdales complètes d’une fréquence particulière, par l’utilisation de circuits résonnants LC dans son circuit collecteur.

 

Schéma – amplificateur classe C

👉 Dans ce schéma, le transistor est utilisé comme amplificateur. Le signal d’entrée est appliqué à la base du transistor, et le signal amplifié est pris en sortie du collecteur.

⚡ L’alimentation est appliquée entre la base et le collecteur, et la résistance de charge est connectée entre la sortie du collecteur et la masse.

👉 Dans l’amplificateur de classe C, le courant de collecteur de base n’est présent que pendant moins de 50%, de la période de cycle du signal d’entrée.

👍 Cela signifie que le transistor n’est en conduite que pendant une très faible partie de la période de cycle, ce qui en fait l’un des amplificateurs les plus efficaces en termes de consommation d’énergie.

⚠️ Cependant, cela peut également entraîner une distorsion significative du signal, car le transistor n’est pas en conduite pendant la majeure partie de la période de cycle. L’amplificateur de classe C est généralement utilisé pour les amplificateurs à haute fréquence, en raison de sa performance à haute fréquence.

 

Résumé des classes d’amplificateurs

➡️ Le point de fonctionnement CC au repos (point Q) d’un amplificateur détermine sa classification.

En réglant la position du point Q à mi-chemin sur la ligne de charge, de la courbe des caractéristiques de l’amplificateur, l’amplificateur fonctionnera comme un amplificateur de classe A.

En déplaçant le point Q plus bas sur la ligne de charge, l’amplificateur devient un amplificateur de classe AB , B ou C.

 

Classes d’amplificateur & efficacité

👉 En plus des amplificateurs audio, il existe un certain nombre de classes d’amplificateurs à haut rendement, relatives aux conceptions d’amplificateurs à découpage, qui utilisent différentes techniques de commutation pour réduire la perte de puissance, et augmenter l’efficacité.

Certaines conceptions de classe d’amplificateurs utilisent des résonateurs RLC, ou plusieurs tensions d’alimentation, pour réduire la perte de puissance, ou sont des amplificateurs numériques de type DSP (traitement numérique du signal), qui utilisent des techniques de commutation à modulation de largeur d’impulsion (PWM).

 

Autres classes d’amplificateurs

Amplificateur de classe D

Un amplificateur audio de classe D est un amplificateur de commutation non linéaire, ou un amplificateur PWM.

➡️ Les amplificateurs de classe D peuvent théoriquement atteindre une efficacité de 100%, car il n’y a pas de période pendant un cycle, où les formes d’onde de tension et de courant se chevauchent, car le courant n’est tiré que par le transistor allumé.

 

Amplificateur de classe F

➡️ Les amplificateurs de classe F augmentent à la fois l’efficacité et la sortie, en utilisant des résonateurs harmoniques dans le réseau de sortie, pour façonner la forme d’onde de sortie en une onde carrée.

Les amplificateurs de classe F sont capables d’atteindre des rendements élevés de plus de 90%, si un réglage harmonique infini est utilisé.

 

Amplificateur de classe G

➡️ La classe G offre des améliorations à la conception de base, de l’amplificateur de classe AB.

⚡ La classe G utilise plusieurs rails d’alimentation de différentes tensions, et bascule automatiquement entre ces rails d’alimentation lorsque le signal d’entrée change.

👍 Cette commutation constante réduit la consommation électrique moyenne, et donc la perte de puissance causée par la chaleur perdue.

 

Amplificateur de classe I

➡️ L’amplificateur de classe I possède 2 ensembles de dispositifs de commutation de sortie complémentaires, disposés dans une configuration push-pull parallèle. Les 2 ensembles de dispositifs de commutation échantillonnent la même forme d’onde d’entrée.

💡 Un appareil de classe l commute la moitié positive de la forme d’onde, tandis que l’autre commute la moitié négative similaire à un amplificateur de classe B.

En l’absence de signal d’entrée appliqué, ou lorsqu’un signal atteint le point de passage à 0, les dispositifs de commutation sont activés et désactivés simultanément, avec un cycle de service PWM de 50% annulant tous les signaux haute fréquence.

📈 Pour produire la moitié positive du signal de sortie, la sortie du dispositif de commutation positif est augmentée en rapport cyclique, tandis que le dispositif de commutation négatif est diminué du même, et vice versa.

 

Amplificateur de classe S

➡️ Un amplificateur de puissance de classe S, est un amplificateur à mode de commutation non linéaire, dont le fonctionnement est similaire à celui de l’amplificateur de classe D.

📈 L’amplificateur de classe S convertit les signaux d’entrée analogiques, en impulsions numériques à onde carrée, par un modulateur delta-sigma, et les amplifie pour augmenter la puissance de sortie, avant d’être finalement démodulés par un filtre passe-bande.

Comme le signal numérique de cet amplificateur à découpage est toujours complètement ON, ou OFF (dissipation de puissance théoriquement nulle), des rendements atteignant 100% sont possibles.

 

Amplificateur de classe T

➡️ L’amplificateur de classe T est un autre type de conception d’amplificateur, à commutation numérique.

Les amplificateurs de classe T sont une conception d’amplificateur audio de plus en plus appréciée, en raison de l’existence de puces de traitement numérique du signal (DSP), et d’amplificateurs de son surround multicanaux.

👍 Ils convertissent les signaux analogiques, en signaux numériques modulés en largeur d’impulsion (PWM) pour amplification, augmentant ainsi l’efficacité des amplificateurs.

💡 Les conceptions d’amplificateurs de classe T combinent, à la fois les niveaux de signal à faible distorsion d’un amplificateur de classe AB, et l’efficacité énergétique d’un amplificateur de classe D.

 

Classe d’amplificateur par angle de conduction

Les amplificateurs de classe AB, B et C peuvent être définis en termes d’angle de conduction, θ comme suit :

Classe d’amplificateur	Description	Angle de conduction
Classe A	Cycle complet 360 o de conduction	θ = 2π
Classe B	Demi-cycle 180 o de conduction	θ = π
Classe AB	Un peu plus de 180 o de conduction	π < θ < 2π
Classe C	Un peu moins de 180 o de conduction	θ < π
Classe D à T	Commutation non linéaire ON-OFF	θ = 0

 

 

Conclusion