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Amplificateurs radiofréquences (RF)

 

Un amplificateur R.F. (Radio Fréquences), représenté ci-dessous, amplifie de la Haute Fréquence (HF).

 

 

Cet amplificateur est constitué de filtres HF (circuit bouchon) et de circuits spécifiques :

  • le condensateur de découplage (noté Cd sur le schéma) relié à la masse et la bobine de choc montée en série au point d’alimentation du circuit évitent que la HF amplifiée « remonte » dans la ligne d’alimentation.
  •  les transformateurs adaptent les impédances entre les étages.

La résistance notée Rcr sur le schéma est une résistance de contre-réaction pour limiter les auto-oscillations du circuit. Les capacités parasites du circuit (capacité entre les pistes du circuit imprimé par exemple) ou la mutuelle-induction entre les transformateurs peuvent transformer un amplificateur en oscillateur. Rcr, en réinjectant une partie du signal en opposition de phase sur l’entrée, empêche l’amplificateur d’osciller.

la résistance présente dans le circuit de l’émetteur (notée Re sur le schéma) protège le circuit de l’emballement thermique en évitant la destruction du transistor : lorsque la température du transistor augmente, son gain augmente, ce qui augmente son courant collecteur et donc sa température. Re fait augmenter la tension d’émetteur lorsque le courant augmente et réduit la tension base-émetteur, réduisant ainsi le courant de base. Un condensateur de découplage de quelques µF, noté « Ce », stabilise la tension aux bornes de Re.

Le terme « bobine de choc » est une mauvaise traduction de « choke coil » (en anglais, to choke = étouffer) qui devrait plutôt se traduire par « bobine d’arrêt » puisque sa forte valeur arrête (ou étouffe) les courants HF.

Distorsion de fréquence

Malgré les précautions prises, il arrive souvent qu’un amplificateur RF ne soit pas linéaire. Outre le fait que les transistors génèrent du bruit sur un très large spectre de fréquences (recombinaison trou/électron), des distorsions peuvent apparaitre à la sortie de l’étage : distorsions de fréquences ou distorsions harmoniques (aussi appelées distorsions d’amplitude). Les deux distorsions sont souvent combinées. Ces distorsions sont plus facilement lisibles avec des graphiques ayant pour abscisse la fréquence (à la manière d’un analyseur de spectre).

 

Il y a distorsion de fréquences lorsque, selon sa fréquence, le signal de sortie n’est pas proportionnel au signal d’entrée.

 

Dans notre exemple, les fréquences élevées sont moins amplifiées que les fréquences basses. Mais l’inverse peut se produire ou encore le cas où une bande de fréquence est plus (ou moins) amplifiée que les autres.

Distorsion harmonique

Dans le cas d’un amplificateur ayant une distorsion harmonique, s’il n’existe qu’une fréquence en entrée, plusieurs signaux harmoniques (en général 2F et 3F, et parfois plus) seront présents en sortie à des niveaux plus faibles.

Le taux de distorsion harmonique (TDH, en %) est le rapport obtenu en divisant la tension du signal parasite par la tension du signal désiré. Les signaux parasites sont produits par la déformation du signal d’entrée après son passage dans l’amplificateur. La distorsion peut aussi s’exprimer par le niveau d’harmonique (en dB). En présence de plusieurs signaux harmoniques (V2F et V3F par exemple), la tension du signal parasite total (VP) est :

VP = (V2F² + V3F² + …)

Un signal d’entrée représenté ci-dessous est appliqué à l’entrée d’un amplificateur monté en classe A.

En sortie, le signal est déphasé de 180° (il est donc inversé) mais il est aussi déformé (saturation lors de l’amplification des alternances de sortie positives). L’amplificateur mal réglé n’est pas linéaire : sa distorsion d’amplitude génère un harmonique 2. Le signal de sortie, dans notre exemple, est la superposition du signal d’entrée amplifié et de son harmonique 2.

 

La distorsion quadratique (ou d’intermodulation)

est une forme de distorsion d’amplitude. Dans ce cas, l’amplificateur se comportera en partie comme un mélangeur, générant des produits du second ordre (ou produits quadratiques). Si on applique deux fréquences F1 et F2 à l’entrée d’un amplificateur affecté de ce défaut, on trouvera en sortie : F1 et F2 (c’est la fonction première de cet amplificateur), 2xF1 et 2xF2 (comme l’amplificateur à distorsion harmonique ci-dessus) et les mélanges « classiques » F1 + F2 et F1 – F2 (ou F2 – F1).

Exemple

À l’entrée d’un amplificateur non linéaire générant des distorsions quadratiques, les fréquences 1 kHz et 100 kHz sont présentes.

Quelles sont les fréquences en sortie ?

Réponse

 1, 2, 99, 100, 101 et 200 kHz

Distorsions cubiques (ou distorsions du 3ème ordre)

Un amplificateur génère des distorsions cubiques (ou distorsions du 3ème ordre) lorsque les mélanges font intervenir trois fois les fréquences présentes à l’entrée : 3F1, 3F2, 2F1+F2, 2F2+F1, 2F1-F2 et 2F2-F1. Ces deux derniers mélanges sont d’autant plus perturbants que F1et F2 sont des fréquences proches.

Exemple

Un amplificateur génère des distorsions cubiques avec, en entrée, 99 et 100 kHz. Fréquences en sortie ?

Réponse

98 (2F1-F2), 99 (F1), 100 (F2), 101 (2F2-F1), 297 (3F1), 298 (2F1+F2), 299 (2F2+F1) et 300 (3F2) kHz

 

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