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Un amplificateur Hifi

L'amplificateur est l'un des éléments les plus importants dans une chaîne hifi. Ses caractéristiques, son comportement influent de manière très sensible sur le rendu sonore final d'un système.
L'amplificateur Hi-Fi peut se présenter sous une forme intégrée, ou en éléments séparés, avec le préamplificateur et l'unité de puissance qui constituent deux appareils distincts.
Il existe plusieurs catégories d'amplificateurs qui utilisent, selon le cas, des étages actifs à tubes, à transistors, ou à commutation pour les systèmes numériques. Dans les grandes lignes, le fonctionnement "de base" de tous ces appareils est identique, un amplificateur remplit toujours la même fonction.

1. Le rôle d'un amplificateur

Un amplificateur intégré ou un préamplificateur gère la sélection des sources, le réglage du niveau sonore (volume) et peut également disposer d'autres réglages comme la balance, la tonalité (grave et aiguë), etc.
Le rôle d'une unité de puissance est de fournir suffisamment d'énergie (ou de puissance) au signal audic, issu de la source (lecteur CD, tuner, etc.) pour alimenter des enceintes acoustiques. Cette énergie est fournie aux étages de sorties par un circuit d'alimentation qui "puise ses ressources" dans le secteur (220 V / 50 Hz en France).

2. L'alimentation : Classique ou à découpage ?

Il existe actuellement deux grandes catégories d'alimentations : les alimentations dites "classiques" et celles à découpage.
L'alimentation classique dispose d'un transformateur secteur qui abaisse la tension du réseau (220 V) à une valeur plus faible. En sortie du transformateur, la tension alternative est redressée (en tension continue) par un ensemble de diodes, puis filtrée par des condensateurs. Ces condensateurs de filtrage emmagasinent de l'énergie qu'ils redistribuent aux étages de puissance de manière instantanée lors des fortes demandes en courant. Sur certaines alimentations performantes, le filtrage par condensateurs est complété par des selfs (inductances).
La dimension d'un transformateur dépend de trois facteurs qui sont : la tension et le courant désirés en sortie, mais également la fréquence (en Hz) du secteur. En effet, le principe de fonctionnement d'un transformateur tient compte de la fréquence du courant au primaire (en entrée). Plus la fréquence de ce courant est élevée, plus les performances (le rendement) du transformateur sont importantes. A performances équivalentes, un transformateur attaqué par un courant de haute fréquence (plusieurs kilohertz) peut être beaucoup plus petit qu'une unité travaillant à une fréquence de 50 Hz seulement.
Ce principe régit le comportement des alimentations à découpage. Dans les grandes lignes, le principe de base d'une alimentation à découpage consiste à "transformer" la fréquence de 50 Hz du secteur en une fréquence beaucoup plus élevée, de plusieurs kHz (environ 80 kHz la plupart du temps). La tension secteur est découpée, ou hachée, en plusieurs petits échantillons. Ce découpage est réalisé par un circuit de commutation, piloté par un oscillateur haute fréquence. Avec une fréquence aussi élevée au primaire, un transformateur de petite taille peut parfaitement alimenter un amplificateur de forte puissance.
Ce type d'alimentation est difficile à réaliser. Les hautes fréquences occasionnent de nombreux rayonnements, qui réclament un filtrage soigné et particulièrement bien étudié.

3. Etage d'entrée, commutation des sources

L'étage d'entrée est la première section d'un amplificateur ou d'un préamplificateur que rencontrent les signaux audio issus des sources. En règle générale, toutes les sources de la chaîne sont reliées au préamplificateur ou aux entrées d'un amplificateur intégré. L'étage d'entrée de l'appareil dispose d'un système de commutation qui sélectionne la source à écouter. Cette sélection peut se faire à l'aide de touches, d'un contacteur rotatif, etc. qui effectue la commutation de manière directe ou par l'intermédiaire de relais. L'étage d'entrée comporte généralement un circuit d'adaptation d'impédance afin que l'amplificateur (ou le préamplificateur) constitue une charge correcte pour la source.

4. Préamplification, réglages

La section préamplificatrice "prépare", en quelques sortes, le signal audic, pour son entrée dans l'unité de puissance. Le préamplificateur amplifie légèrement le signal et dispose, en sortie, d'une impédance relativement basse. En sortie du préamplificateur, la puissance du signal est contrôlée par le réglage du volume. Ce réglage peut s'effectuer à l'aide d'un potentiomètre, d'un circuit intégré à commande analogique ou numérique, ou à l'aide d'un contacteur multiple associé à des résistances fixes calibrées. Certains préamplificateurs disposent également d'autres réglages.
La balance, par exemple, gère l'équilibre du niveau sonore entre les canaux gauche et droit. Les réglages de tonalité offrent la possibilité d'augmenter ou d'atténuer le niveau sonore dans le grave et dans l'aigu (sur certains appareils, les réglages de tonalité peuvent être mis hors fonction pour raccourcir le trajet du signal audio). Le filtre "physiologique" (ou "Loudness") augmente simultanément le niveau dans le grave et dans l'aigu, lors des écoutes à bas volume (pour compenser la faible sensibilité de l'oreille dans les deux extrémités du spectre, à bas niveau). Certains appareils, enfin, disposent de filtres d'atténuation visant à réduire le souffle (coupure dans l'extrême aigu) ou les effets de ronflement ("Rumble") à l'écoute de certains disques vinyles (coupure dans l'extrême grave).
Sur les appareils de qualité, à vocation audiophde, une fonction "Source Direct" (ou "CD Direct") met hors circuit l'ensemble de filtres et de systèmes de réglages. Cette fonction raccourcit le trajet du signal audic, qui traverse uniquement le sélecteur de source et l'étage de contrôle du volume pour une écoute théoriquement plus claire, plus définie.

5. Les étages de gain

Les étages de gain d'un amplificateur constituent la section de puissance de l'appareil (étages à tubes, à transistors ou numériques). Ces étages de sorties transmettent au signal audio l'énergie fournie par le circuit d'alimentation de l'appareil.

Gain en courant, gain en tension
Sur les amplificateurs analogiques, la puissance du signal audio, en sortie, est obtenue par des étages distincts de gain en tension et de gain en courant (on rencontre le plus souvent deux, trois ou quatre étages différents).

La lutte des classes ...

La classe d'amplification détermine la manière dont travaillent les étages de sortie d'un amplificateur. En technologie analogique, les classes les plus courantes sont de type A, B ou AB.
En classe A, le transistor ou le tube de puissance traite la totalité du signal audio, alternances positives et alternances négatives. L'étage de sortie est fortement polarisé (pour pouvoir passer la totalité des deux alternances). En l'absence de signal, A est traversé par le courant maximum que peut débiter l'ampli. En fonction du signal audio, une portion plus ou moins importante de ce courant est utilisée pour les enceintes. Ce type de montage présente une très grande disponibilité en courant pour les signaux transitoires. La classe A est réputée pour être la plus musicale, mais son très faible rendement provoque un échauffement considérable et limite la puissance disponible en sortie. En classe B, l'amplification est effectuée par deux composants actifs qui traitent séparément les alternances positives et négatives du signal.
ll n'y a pas de polarisation (chaque composant ne travaille que sur une alternance). Le rendement de la classe B est intéressant (par rapport à la classe A) mais les deux alternances positive et négative du signal se raccordent plus ou moins bien en sortie (distorsion de croisement). La classe AB est proche de la classe B, avec deux composants qui travaillent essentiellement sur une seule alternance du signal. Grâce à une polarisation de faible valeur, chaque composant travaille également sur une petite portion de l'autre alternance, ce qui "facilite" le raccordement des signaux, en sortie, et résout les problèmes de distorsion de croisement.
Il existe de nombreuses autres classes d'amplification, dont la plupart sont dérivées des classes A, B ou AB (systèmes développés par des constructeurs) .
Parmi les classes réellement différentes des trois systèmes développés plus haut, la classe D est de plus en plus utilisée pour les caissons de grave amplifiés mais aussi dans les amplificateurs à technologie numérique. Ce type d'amplification offre de nombreux avantages tels qu'un encombrement réduit, une température de fonctionnement extrêmement basse pour des puissances disponibles importantes.
En classe D, les transistors de sortie travaillent un peu à la manière d'un interrupteur, en mode de commutation "tout ou rien" (ils laissent passer ou coupent le courant). Le signal audio est transformé en pulsations de haute fréquence. La largeur de chaque impulsion est proportionnelle à l'amplitude du signal audio en entrée (signal PWM ou Pulse Width Modulation : modulation en largeur d'impulsions). Un signal de forte amplitude, en entrée, se traduit par une impulsion de grande largeur. Cette impulsion commande un temps de commutation assez long, au niveau des transistors, pour que l'enceinte puisse recevoir une quantité d'énergie importante (le système est équipé d'un circuit de filtrage et d'intégration de l'énergie qui "lissent" le signal en sortie).

Plusieurs tubes ou transistors par canal...
Que l'on utilise des tubes ou des transistors, les étages de sorties sont le plus souvent équipés de plusieurs composants par canal (les étages en classe A à un seul élément sont appelés "single ended '.).
On peut associer deux tubes ou deux transistors identiques avec une disposition en "H", où les deux composants travaillent sur un signal en opposition de phase. On peut également faire appel à un montage en push-pull ("pousser tirer" en anglais). Avec des transistors, le montage en push-pull fait intervenir deux composants différents et complémentaires (canal N et canal P).
Très souvent, on utilise plusieurs couples de transistors ou de tubes disposés en parallèle, pour augmenter la puissance de l'amplificateur et réduire son impédance de sortie (montages double push-pull, quadruple push-pull, etc.).

La contre-réaction
Pour abaisser les taux de distorsion, améliorer le silence de fonctionnement et abaisser l'impédance de sortie d'un amplificateur, on utilise très souvent des circuits de contre-réaction.
Dans les grandes lignes et en simplifiant considérablement les choses, un circuit de contreréaction compare le signal qui sort d'un étage avec le signal d'entrée en faisant "abstraction" du gain en courant ou en tension. Cette comparaison met en évidence les distorsions et le bruit de fond générés par le circuit électronique. Le signal constitué par ces bruits et ces distorsions est inversé, puis réinjecté à l'entrée du circuit.
Les circuits de contre-réaction peuvent se présenter sous plusieurs formes. On distingue les contre-réactions "globales" qui agissent sur l'ensemble des étages de gain et les contre-réactions "locales" qui interviennent au niveau d'un seul étage de gain. Ces contre-réactions peuvent travailler sur le courant ou la tension du signaL

6. Les différents types d'amplificateurs

Les amplificateurs à tubes
On retrouve schématiquement les mêmes étages qu'avec les amplificateurs à transistors. Cependant, pour l'alimentation, le transformateur doit fournir à ses différents secondaires, de la haute tension avec point milieu de 2 x 250 V à 2 x 300 V pour le redressement par valve au sens point milieu, 250 à 300 V pour le redressement par pont de diodes, une tension autour de 6 V pour le chauffage des filaments (tension qui sera redressée sur les meilleurs amplis pour diminuer le bruit de fond).
Les étages d'entrée assurent l'adaptation d'impédance (en fonction des sources) le gain en tension, voire les corrections facultatives (grave, aigu, correction physiologique et celle des courbes RIAA phonographiques). Ces étages font appel à des tubes, le plus souvent des triodes.
Très schématiquement, un tube triode est composé d'une ampoule en verre dans laquelle le vide a été fait et en allant du centre vers la périphérie, on trouve : le filament qui chauffe la cathode (élément émissif) créant une agitation thermique des atomes telle que de nombreux électrons vont se libérer et jaillir hors de la cathode qui acquiert une charge positive qui tendra à rappeler les électrons qui l'ont quittée). Deuxième élément : la grille de commande (composée d'un fil enroulé en hélice ou d'un tamis à mailles fines). Et, enfin, l'anode ou plaque qui va recevoir les électrons. Le fonctionnement de la triode peut s'apparenter à celui d'un robinet : vous avez l'arrivée de la pression de l'eau (à la cathode), ensuite le boisseau du robinet que vous commandez à la main (la grille) qui laisse passer plus ou moins le débit d'eau vers la sortie (anode). Ainsi, le fonctionnement du tube triode est dépendant de trois variables : le courant anodique, la tension anode-cathode et la tension négative de la grille.
Les autres étages seront, dans les montages classiques, les circuits déphaseurs (tensions identiques mais de phase opposée), ceux drivers, de sortie le plus souvent montés en pushpull et faisant appel à des tubes pentodes (tube ayant au total cinq'éléments : électrode, cathode, grille de commande, grille écran, grille suppressor, anode). Enfin, le transformateur de sortie (dont la qualité est primordiale sur un ampli à tubes) adapte l'impédance entre celle élevée, plusieurs milliers d'ohms, au primaire de l'étage de puissance avec celle.au secondaire correspondant à l'impédance basse de la bobine mobile des haut-parleurs, généralement 4/8/16 Ohms, à partir de plusieurs. enroulements secondaires.
Les caractéristiques de ce transformateur de sortie déterminetit en grande partie la tenue en puissance sur la plus large bande possible, la plus faible distorsion.
Il existe quelques rares montages, dits OTL, sans transformateur de sortie (utilisent de très nombreux tubes de puissance en parallèle, qui doivent disposer d'un système de protection très efficace).
Les amplificateurs à tubes bien conçus sont capables d'une grande fiabilité si on les utilise correctement avec une maintenance aisée.

Les amplificateurs à transistors
Le transistor est le composant le plus utilisé, de nos jours, pour réaliser un amplificateur. On le retrouve dans les étages de sorties des unités de puissance, mais aussi dans les sections préamplificatrices et les éventuels correcteurs de tonalité. Le transistor a largement été adopté pour sa grande capacité en courant, son faible encombrement, sa longévité et sa miniaturisation.
Les types de transistors les plus utilisés dans les montages amplificateurs sont les bipolaires "classiques" ou les Mosfets.
Un transistor dispose de trois broches de connexion. Il est relié, à la fois, au circuit d'alimentation et au signal audio. Une portion de l'énergie fournie par l'alimentation est modulée par le signal audio puis envoyée vers l'enceinte acoustique. Cette opération d'amplification s'effectue avec une consommation d'énergie importante. Par conséquent, on ne retrouve jamais, en sortie du transistor, la totalité de la puissance que pourrait fournir l'alimentation. L'énergie consommée est transformée en chaleur et le transistor doit être monté sur un radiateur de dissipation thermique.

Les amplificateurs numériques
Un amplificateur numérique est avant tout un amplificateur. Son rôle est de fournir une énergie assez importante à une enceinte acoustique, en suivant les évolutions d'un signal audio issu d'une source. Dans ce type d'amplificateur, le signal audio est numérique (composé uniquement de 1 et de 0). Par conséquent, l'appareil doit être en mesure d'envoyer, vers l'enceinte, l'énergie issue du circuit d'alimentation au rythme d'un signal composé uniquement par des 1 et des 0.
Dans un amplificateur numérique, les transistors travaillent en mode de commutation ou sont remplacés par un circuit spécifique qui agit comme un interrupteur extrêmement rapide. Lorsque cet interrupteur est en position fermée, la tension d'alimentation est appliquée directement (ou presque) à l'enceinte acoustique. En position ouverte, le circuit de commutation coupe la liaison entre l'enceinte et le circuit d'alimentation. Les cycles d'ouverture et fermeture d'interrupteur sont extrêmement rapides, il peut se produire plusieurs millions de changements d'état chaque seconde.
Entre l'alimentation et la sortie de l'amplificateur est intercalé un circuit de filtrage ou d'intégration (réservoir d'énergie). En simplifiant le fonctionnement, ce circuit est réalisé autour d'un ou plusieurs condensateurs qui accumulent, emmagasinent de l'énergie (celle qui provient de l'alimentation), puis la redistribuent vers l'enceinte acoustique. Lorsque l'interrupteur (circuit de commutation) est fermé, le circuit d'intégration est relié à l'alimentation de l'appareil et se charge petit à petit en énergie. Par conséquent, si l'interrupteur est fermé pendant longtemps, le circuit intégrateur a le temps d'accumuler beaucoup d'énergie. L'énergie envoyée à l'enceinte acoustique est ainsi proportionnelle à la durée de fermeture de l'interrupteur. Dans le cas extrême, si l'interrupteur est fermé pendant un temps extrêmement long, l'enceinte acoustique reçoit la totalité de l'énergie fournie par l'alimentation de l'appareil.
Le signal qui commande la fermeture et l'ouverture de l'interrupteur est le plus souvent de type PWM ou Pulse Width Modulation (modulation en largeur d'impulsions). Dans ce type de signal, les impulsions de grande largeur (donc de grande durée dans le temps) traduisent des mots numériques de poids élevé. Le plus souvent, (système Equibit de Tact audio, par exemple) ces impulsions PWM sont la transformée d'un signal numérique PCM conventionnel (Pulse Code Modulation ou Modulation d'impulsions codées) que l'on retrouve en sortie d'un drive lecteur CD (un mot numérique de forte valeur se traduit par une large impulsion, tandis qu'un mot de faible poids est représenté par une impulsion brève).
Le contacteur de l'étage de sortie peut également être commandé par un signal PCM de type One Bit (système 1 Bit de Sharp). Dans ce type de signal, les mots de poids fort se traduisent par une succession de très nombreux 1 numériques. L'intervalle entre chaque donnée est extrêmement réduit, cette succession très rapide de bits est interprétée comme une impulsion continue par l'amplificateur qui travaille comme s'il fonctionnait avec un signal PWM "haché".
Un type d'amplification proche de la classe D a été étudié à y a quelques années par la firme Tripath (procédé utilisé par Bel Canto). Ce constructeur a réalisé des modules spécifiques, chargés de piloter des transistors Mosfet fonctionnant en mode de commutation. Le principe d'amplification réalisé autour de ces modules a été baptisé classe T.
La classe T reprend les principes de base de la classe D, mais apporte de nettes améliorations au système en utilisant une technologie baptisée Digital Power Processing (DPP, nom déposé par Tripath). Le signal qui commande la commutation des transistors est géré par un circuit DSP qui intègre les caractéristiques des composants et la fréquence du signal source. La largeur des impulsions est proportionnelle à l'amplitude du signal audio, mais la fréquence propre du signal de commande est variable (elle peut atteindre 1,5 MHz, avec une moyenne qui s'établit entre 600 et 700 kHz). Ce signal s'adapte aux transistors qu'il doit commander ainsi qu'au signal audio que l'amplificateur est chargé de traiter.

En conclusion, un amplificateur numérique travaille selon un principe de commutation directe de l'alimentation sur la sortie haut-parleur. Ce type de fonctionnement garantit un rendement exceptionnel (de plus de 80 %) avec une absence d'échauffement caractéristique.

 


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