FR2708807A1 - Electrical signal amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention se rapporte à un amplificateur de signaux électriques. The invention relates to an electrical signal amplifier.
Elle se rapporte plus particulièrement mais non exclusivement aux amplificateurs basses fréquences destinés à amplifier des signaux de fréquences audibles. It relates more particularly but not exclusively to low frequency amplifiers for amplifying audible frequency signals.
LT amplification de signaux électriques représentant notamment un message sonore nécessite, dTune part, de limiter la déformation du signal dans des limites données et, d'autre part, de préserver la dynamique du signal. The amplification of electrical signals representing in particular a sound message requires, on the one hand, to limit the deformation of the signal within given limits and, on the other hand, to preserve the dynamics of the signal.
Classiquement, un amplificateur consiste en un circuit électrique comprenant
- une entrée sur laquelle est reliée électriquement la source de commande dloù provient un signal à amplifier,
- une sortie reliée à une charge électrique exploitant le signal amplifié,
- des moyens dlamplification et
- des moyens dlalimentation fournissant llénergie nécessaire aux moyens d'amplification.Conventionally, an amplifier consists of an electrical circuit comprising
an input on which is electrically connected the control source from which a signal to be amplified originates,
an output connected to an electric load exploiting the amplified signal,
- means of amplification and
power supply means supplying the energy necessary for the amplification means.
Ces moyens d'amplification consistent en des éléments actifs comprenant au moins un transistor, chacun de ces éléments actifs comprenant une borne entrée et deux bornes dites de manière générale actives dont l'une est reliée à une tension d'alimentation continue au travers dTune résistance dite dlalimentation. These amplification means consist of active elements comprising at least one transistor, each of these active elements comprising an input terminal and two so-called generally active terminals, one of which is connected to a DC supply voltage through a resistor. said food.
Ces bornes dites actives sont plus généralement appelées collecteur ou émetteur mais suivant le type de transistors, par exemple dans le cas des transistors dits à effet de champs, elles peuvent également slappeler drain ou source. These so-called active terminals are more generally called collector or transmitter but depending on the type of transistors, for example in the case of so-called field effect transistors, they can also call drain or source.
Classiquement, ces moyens d'amplification sont agencés en au moins deux étages d'amplification dont un étage dit d'entrée. Classically, these amplification means are arranged in at least two amplification stages including a so-called input stage.
Toujours de manière classique, les étages sont chacun constitués de deux éléments actifs montés symétriquement autour d'un point milieu pour former deux branches d'amplification dites positive et négative. Still in a conventional manner, the stages are each constituted by two active elements mounted symmetrically around a midpoint to form two branches of amplification known as positive and negative.
Chaque étage intermédiaire jusqu'à l'étage final a son entrée dite entrée intermédiaire qui prélève le signal à amplifier sur 1 l'étage précédent fournissant quant à lui un signal de sortie dit intermédiaire. Each intermediate stage up to the final stage has its input called intermediate input which takes the signal to be amplified on the previous 1 stage providing meanwhile an output signal said intermediate.
Classiquement, l'étage d'entrée comprend deux transistors du type à effet de champs, dit TEC, pourvus chacun d'une électrode de gachette, de drain et de source, lesquels transistors TEC sont montés symétriquement autour dlun point milieu avec leurs électrodes appelées gachettes reliées à la borne d'entrée de l'amplificateur sur laquelle on applique le signal à amplifier et leurs drains reliés à une source d'alimentation en tension continue au moins indirectement au travers d'une résistance. Conventionally, the input stage comprises two transistors of the field effect type, called TEC, each provided with a trigger, drain and source electrode, which transistors TEC are mounted symmetrically about a midpoint with their electrodes called triggers connected to the input terminal of the amplifier to which the signal to be amplified and their drains connected to a DC voltage supply source are applied at least indirectly through a resistor.
Dans les circuits connus à ce jour et, notamment dans les montages symétriques, l'une des bornes actives d'un élément actif est reliée directement, sans composant passif, à l'une des bornes de l'autre élément actif et le signal d'entrée intermédiaire est prélevé directement sur un composant actif, tel un transistor, ce qui est le cas des montages dits différentiels ou en miroir de courant. In the circuits known to date, and in particular in symmetrical assemblies, one of the active terminals of an active element is connected directly, without passive component, to one of the terminals of the other active element and the signal of intermediate input is taken directly on an active component, such as a transistor, which is the case of so-called differential or current mirror assemblies.
L'équilibre du montage entre deux éléments actifs est donc directement dépendant de chaque élément actif. The equilibrium of the assembly between two active elements is therefore directly dependent on each active element.
Ces composants actifs, même s'ils sont dits identiques, ont toutefois des caractéristiques qui restent trés variables, ce qui influe sur l'amplification du signal et sa transmission au travers des étages. These active components, even if they are said to be identical, however, have characteristics that remain very variable, which influences the amplification of the signal and its transmission through the stages.
Egalement, dans ces circuits, le courant continu des circuits de polarisation est mélangé avec le signal amplifié. Also, in these circuits, the DC current of the bias circuits is mixed with the amplified signal.
En effet, dans ces circuits connus utilisant des transistors à effet de champs, la tension de polarisation de ceux-ci est injectée au niveau de l'étage final. Indeed, in these known circuits using field effect transistors, the polarization voltage thereof is injected at the level of the final stage.
Pour remédier à ces inconvénients notamment de stabilité, il est connu de faire appel à des montages mettant en oeuvre une boucle dite de contre réaction globale qui prélève en sortie de l'amplificateur une fraction représentative du signal amplifié pour le réinjecter sensiblement sur 1 l'entrée de l'amplificateur afin de générer un asservissement et une correction des distorsions induites par les composants et leurs dérives thermiques. To remedy these drawbacks in particular of stability, it is known to use assemblies implementing a so-called global feedback loop which draws at the output of the amplifier a representative fraction of the amplified signal to reinject it substantially on 1 input of the amplifier to generate a servo and a correction of the distortions induced by the components and their thermal drifts.
Si cette boucle de contre réaction globale permet de réduire la déformation du signal, elle réduit malheureusement la dynamique du signal. If this global feedback loop makes it possible to reduce the signal distortion, it unfortunately reduces the dynamics of the signal.
A 1 l'expérience, on constate que, si la déformation du signal reste contenue dans des limites prédéterminées, celle-ci n'est pas véritablement perçue par l'auditeur. Experience shows that, if the deformation of the signal remains contained within predetermined limits, it is not really perceived by the listener.
Par contre, si la dynamique est affectée, elle est trés mal ressentie par l'auditeur. On the other hand, if the dynamic is affected, it is very badly felt by the listener.
Un des résultats que l'invention vise à obtenir est un amplificateur du type précité qui rémédie à ces inconvénients et notamment présente une grande dynamique. One of the results that the invention aims to obtain is an amplifier of the aforementioned type which remedies these drawbacks and in particular has a great dynamic.
A cet effet, elle se rapporte à un tel amplificateur du type précité notamment caractérisé en ce que les éléments actifs de chaque étage intermédiaire ont chacun une de leurs branches actives reliée au point milieu au travers d'au moins un élément passif dit auxiliaire tel une résistance dite résistance auxiliaire contrôlant avec la résistance dite d'alimentation portée par l'autre branche active la tension d'entrée intermédiaire pour l'étage suivant de sorte que cette tension d'entrée intermédiaire dépend directement d'une relation mathématique entre cette résistance auxiliaire et la résistance dite d'alimentation. For this purpose, it relates to such an amplifier of the above-mentioned type, in particular characterized in that the active elements of each intermediate stage each have one of their active branches connected to the mid-point through at least one passive element called auxiliary element such as a resistor said auxiliary resistance controlling with the so-called supply resistance carried by the other branch activates the intermediate input voltage for the next stage so that this intermediate input voltage depends directly on a mathematical relationship between this auxiliary resistance and the so-called power supply resistance.
L'invention sera bien comprise à l'aide de la description ci-aprés faite à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin ci-annexé qui représente
- figures 1 à 3 : des schémas simplifiés de l'invention dans différentes formes de réalisation.The invention will be better understood using the following description given by way of non-limiting example with reference to the attached drawing which represents
- Figures 1 to 3: simplified diagrams of the invention in different embodiments.
En se reportant au dessin, on voit que, pour amplifier un signal dit de basses fréquences qui représente notamment un signal accoustique, on fait appel à un amplificateur 1. Referring to the drawing, it can be seen that in order to amplify a so-called low frequency signal which notably represents an acoustic signal, an amplifier 1 is used.
Classiquement, un amplificateur 1 consiste en un circuit électrique comprenant
- une entrée E sur laquelle est reliée électriquement une source 10 de commande d'où provient un signal à amplifier,
- une sortie S reliée à une charge électrique 2 exploitant le signal amplifié,
- des moyens d'amplification Al à A4 et - des moyens d d'alimentation +Vcc, -Vcc fournissant l'énergie nécessaire aux moyens d'amplification.Classically, an amplifier 1 consists of an electrical circuit comprising
an input E on which is connected electrically a control source from which a signal to be amplified originates,
an output S connected to an electric load 2 exploiting the amplified signal,
amplification means A1 to A4 and supply means + Vcc, -Vcc supplying the energy required for the amplification means.
Ces moyens d'amplification Al à A4 comprennent des éléments actifs BI à B4 comprenant au moins un transistor, chacun de ces éléments actifs comprenant une borne d'entrée et deux bornes A, B dites, de manière générale, actives dont l'une (B) des bornes actives est reliée à une tension d'alimentation +Vcc, -Vcc continue au travers d'une résistance R1, R4, R5, R6 dite d'alimentation. These amplification means A1 to A4 comprise active elements BI to B4 comprising at least one transistor, each of these active elements comprising an input terminal and two terminals A, B said, generally active, one of which ( B) active terminals is connected to a supply voltage + Vcc, -Vcc continues through a resistor R1, R4, R5, R6 said supply.
Classiquement, ces moyens d'amplification sont agencés au moins en deux étages d'amplification El, E2 dont un étage dit d'entrée. Classically, these amplification means are arranged at least in two amplification stages E1, E2 including a so-called input stage.
Toujours de manière classique, les étages sont chacun constitués de deux éléments actifs Bl, B2 et B3, B4 montés symétriquement autour d'un point milieu M pour former deux branches dites positive et négative. Still in a conventional manner, the stages each consist of two active elements B1, B2 and B3, B4 mounted symmetrically around a midpoint M to form two branches, positive and negative.
Chaque étage intermédiaire jusqu'à l'étage final a son entrée Dl à D4 dite entrée intermédiaire qui prélève le signal à amplifier sur l'étage précédent qui fournit quant à lui un signal de sortie dit intermédiaire. Each intermediate stage up to the final stage has its input D1 to D4 said intermediate input which takes the signal to be amplified on the previous stage which provides meanwhile an output signal said intermediate.
Classiquement, l'étage d'entrée comprend deux transistors
T1, T2 du type à effet de champs, dits TEC, pourvus chacun d'une électrode de gachette, de drain et de source, lesquels transistors TEC sont montés symétriquement autour d'un point milieu M avec leurs électrodes appelées gachettes, reliées à la borne d'entrée de l'amplificateur sur laquelle on applique le signal à amplifier ainsi qu'une tension Pol-, Pol+ de polarisation.Conventionally, the input stage comprises two transistors
T1, T2 of the field effect type, called TEC, each provided with a trigger electrode, a drain and a source, which transistors TEC are mounted symmetrically around a midpoint M with their electrodes known as gachettes, connected to the input terminal of the amplifier to which the signal to be amplified is applied as well as a polarization voltage Pol-, Pol +.
Selon l'invention, les éléments actifs B1 à B4 de chaque étage intermédiaire ont chacun une (A) de leurs branches actives A, B, reliée au point milieu M au travers d'au moins un élément passif R2, R4 dit auxiliaire tel une résistance dite résistance auxiliaire controlant avec la résistance R1, R2 dite d'alimentation la tension d'entrée intermédiaire pour l'étage suivant de sorte que cette tension d'entrée intermédiaire dépend directement d'une relation mathématique entre cet élément passif auxiliaire et la résistance dite d'alimentation. According to the invention, the active elements B1 to B4 of each intermediate stage each have one (A) of their active branches A, B, connected to the middle point M through at least one passive element R2, R4 called auxiliary such as a resistor said auxiliary resistance controlling with the resistor R1, R2 said supplying the intermediate input voltage for the next stage so that this intermediate input voltage depends directly on a mathematical relationship between this auxiliary passive element and the resistance called feeding.
Selon l'invention, la source 10 de commande est reliée à la gachette des transistors TEC par un composant de découplage
C1, C2 telle une capacité.According to the invention, the control source 10 is connected to the gate of the transistors TEC by a decoupling component
C1, C2 such a capacity.
Ceci évite de mélanger la tension de polarisation des transistors à effet de champs avec le signal à amplifier. This avoids mixing the bias voltage of the field effect transistors with the signal to be amplified.
Ainsi, chaque étage intermédiaire est contre-réactionné fortement et quasi indépendamment des autres étages. Thus, each intermediate stage is counter-reacted strongly and almost independently of the other stages.
On obtient ainsi
- une bonne qualité pour chaque étage sous réserve qu'on choisisse des composants passifs trés précis et,
- une grande dynamique.We obtain
- good quality for each floor provided that we choose very precise passive components and,
- a great dynamic.
Ainsi, si l'on se réfère à la figure 1 et si on examine la branche positive de l'amplificateur avec ses transistors T1, T3 et en supposant que le coefficient ss de l'élément actif intermédiaire T3 est grand, on peut considérer que l'intensité qui traverse le transistor d'entrée T1 et ses résistances d'alimentation R1 et auxiliaire R2 est la même. Thus, referring to FIG. 1 and examining the positive branch of the amplifier with its transistors T1, T3 and assuming that the coefficient ss of the intermediate active element T3 is large, it can be considered that the intensity which passes through the input transistor T1 and its supply resistors R1 and auxiliary R2 is the same.
En première approximation, on peut considérer en basse fréquence que le signal alternatif au point d'entrée E de l'amplificateur se retrouve intégralement sur la borne A du transistor d'entrée T1. As a first approximation, it can be considered at low frequency that the alternating signal at the input point E of the amplifier is found entirely on the terminal A of the input transistor T1.
Sur l'autre borne B du même transistor d'entrée, il est multiplié par le rapport des résistances du transistor d'entrée
R1/R2 et c'est cette tension alternative que l'on retrouve sur la borne d'alimentation C de l'étage intermédiaire.On the other terminal B of the same input transistor, it is multiplied by the ratio of the resistances of the input transistor
R1 / R2 and it is this AC voltage found on the supply terminal C of the intermediate stage.
L'amplification en tension du premier étage est donc
RI/R2.The voltage amplification of the first stage is therefore
RI / R2.
Les deux étages travaillent en classe A. Both floors work in class A.
La polarisation exacte Pol+ est fixée pour que la tension continue aux bornes de la résistance auxiliaire R2 du transistor d'entrée T1 soit telle que pour la tension alternative maximale d'entrée, l'intensité dans la résistance d'alimentation R5 de l'étage intermédiaire ne s'annule jamais et même reste nettement supérieure à zéro Volt, ceci pour diminuer la distorsion. The exact polarization Pol + is set so that the DC voltage across the auxiliary resistor R2 of the input transistor T1 is such that for the maximum AC input voltage, the intensity in the supply resistor R5 of the stage intermediate never vanishes and even remains significantly higher than zero Volt, this to reduce the distortion.
Ainsi, si on écrit les équations des tensions aux points
A, B, C précités, on a
Vcc - Vb = Va(R1/R2)
Vcc - Vc = (Va(R1/R2)) - 0,7
On applique un signal Am sin Qt au point E.So, if we write the equations of the tensions at the points
A, B, C above, we have
Vcc - Vb = Va (R1 / R2)
Vcc - Vc = (Va (R1 / R2)) - 0.7
A signal Am sin Qt is applied at point E.
Soit Am l'amplitude maxi du signal sinusoïdal au point E.Let Am be the maximum amplitude of the sinusoidal signal at point E.
Il faut que pour sin Qt = -1
Vcc - Vc = ((Va - Am) (R1/R2)) - 0,7 > O , soit
Va > Am + (0,7(R2/R1))
L'intensité dans la résistance auxiliaire R2 est choisie en fonction des transistors d'entrée T1 ou T2 et doit être grande par rapport au courant de base des transistors T3 (T4).It is necessary that for sin Qt = -1
Vcc - Vc = ((Va - Am) (R1 / R2)) - 0.7> O, that is
Va> Am + (0.7 (R2 / R1))
The intensity in the auxiliary resistor R2 is chosen as a function of the input transistors T1 or T2 and must be large relative to the base current of the transistors T3 (T4).
On peut donc calculer
R2 = Va / intensité choisie dans T1
Pour que le premier étage amplifie en tension, il faut que la résistance d'alimentation Ri soit plus grande que la résistance auxiliaire R2 mais cette résistance d'alimentation R1 ne doit pas être choisie trop grande par rapport à la résistance auxiliaire R2 afin que l'amplitude aux bornes de la résistance d'alimentation R5 du transistor de l'étage suivant ne soit pas trop importante par rapport à la tension d'alimentation.We can calculate
R2 = Va / intensity chosen in T1
For the first stage to amplify in voltage, the power supply resistor Ri must be greater than the auxiliary resistor R2, but this power supply resistor R1 must not be chosen too large with respect to the auxiliary resistor R2 so that the The amplitude across the supply resistor R5 of the transistor of the next stage is not too great with respect to the supply voltage.
On peut prendre par exemple : R1/R2 ~ 1,2 à 1,5
soit v la tension alternative sur les bases des transistors du deuxième étage T3 (T4), on a
I1 = (Vcc - Vb + v - 0,7) / R5
Comme il y a symétrie et que les tensions alternatives sur les bases sont en phase,
I2 = (Vcc - Vb - v - 0,7) / R5 === > I1 + I2 = (2(Vcc - Vb) - 1,4) / R5 = Cte , donc I1 + I2 = Cte et Vs = (1i - I2).R7 , donc
Vs = 2.v.R7/R5 avec I1 et I2, le courant qui traverse les branches reliées au point milieu des transistors du deuxième étage.We can take for example: R1 / R2 ~ 1.2 to 1.5
let V be the alternating voltage on the bases of the transistors of the second stage T3 (T4), we have
I1 = (Vcc - Vb + v - 0.7) / R5
As there is symmetry and the alternating voltages on the bases are in phase,
I2 = (Vcc - Vb - v - 0.7) / R5 ===> I1 + I2 = (2 (Vcc - Vb) - 1,4) / R5 = Cte, therefore I1 + I2 = Cte and Vs = ( 1i - I2) .R7, so
Vs = 2.v.R7 / R5 with I1 and I2, the current flowing through the branches connected to the midpoint of the second stage transistors.
Llamplication en tension du deuxième étage est donc 2.R7/R5 et l'amplification théorique maxi en tension du montage est (Rl/R2). (2.R7/R5)
En fait, comme le coefficent ss des transistors T3 (T4) n'est pas infini, l'amplification est dans la pratique inférieure à la valeur trouvée.The voltage application of the second stage is therefore 2.R7 / R5 and the theoretical maximum voltage amplification of the circuit is (R1 / R2). (2.R7 / R5)
In fact, since the coefficient ss of the transistors T3 (T4) is not infinite, the amplification is in practice less than the value found.
On choisit l'intensité dans T3 (T4) en fonction des transistors utilisés et de l'application de telle sorte que l'intensité dans T3 (T4) divisée par le coefficent ss des transistors soit trés inférieure à l'intensité qui traverse T1 (T2). The intensity in T3 (T4) is chosen as a function of the transistors used and the application so that the intensity in T3 (T4) divided by the coefficient ss of the transistors is very much less than the intensity which passes through T1 ( T2).
On peut donc calculer la résistance R5 et choisir la résistance R7 pour obtenir l'amplification en tension désirée pour le montage. It is therefore possible to calculate the resistance R5 and to select the resistor R7 to obtain the desired voltage amplification for the assembly.
R5 = ((Va.R1/R2)- 0,7) /intensité choisie dans T3 (T4)
Lors d'une impulsion positive , on a au maximum quand le transistor T3 est saturé
Vcc > (Vcc - Vc) + Vs, soit
Vcc > ((Va + Am)R1/R2)- 0,7+((R1/R2).2Am.R7/R5)
Sur le montage présenté en figure 2, on fait appel à un troisième étage d'amplification en courant utilisant des transistors de type MOSFET.R5 = ((Va.R1 / R2) - 0.7) / Intensity chosen in T3 (T4)
During a positive pulse, at most when the transistor T3 is saturated
Vcc> (Vcc - Vc) + Vs, either
Vcc> ((Va + Am) R1 / R2) - 0.7 + ((R1 / R2) .2Am.R7 / R5)
On the assembly shown in FIG. 2, use is made of a third current amplification stage using MOSFET transistors.
Le montage de la figure 3 est plus complet et fait appel au montage connu généralement sous le terme "montage cascade". The assembly of Figure 3 is more complete and uses the assembly known generally as the "cascade mounting".
Les transistors au dernier étage sont montés en parallèle afin, d'une part, d'augmenter la qualité de l'amplificateur et, d'autre part, d'améliorer la dissipation de chaleur produite au niveau de l'étage final de puissance. The transistors at the last stage are connected in parallel in order to increase the quality of the amplifier and to improve the heat dissipation produced at the final power stage.
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FR9309876A FR2708807B1 (en) | 1993-08-06 | 1993-08-06 | Electrical signal amplifier. |
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FR2708807A1 true FR2708807A1 (en) | 1995-02-10 |
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FR9309876A Expired - Fee Related FR2708807B1 (en) | 1993-08-06 | 1993-08-06 | Electrical signal amplifier. |
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- 1993-08-06 FR FR9309876A patent/FR2708807B1/en not_active Expired - Fee Related
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