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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Distorsion thermique dans les amplificateurs HiFi. Partie 2. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Amplificateurs de puissance à transistors Considérons le circuit semi-conducteur le plus simple (Fig. 1), dans lequel une diode semi-conductrice et une résistance conventionnelle forment une chaîne en série. Un tel circuit peut être utilisé dans un amplificateur HiFi (Fig. 2). Si le circuit est resté allumé pendant une longue période et qu'un certain équilibre thermique a été établi, la tension de sortie Uout est constante. À mesure que le signal d’entrée augmente, le courant circulant dans le circuit augmente. Sous son influence, la chute de tension aux bornes de la diode augmente légèrement et celle-ci commence à chauffer davantage. Le chauffage se poursuit jusqu'à ce qu'un nouvel équilibre thermique soit atteint, puis tout se stabilise dans de nouvelles conditions.
La plupart des mesures sont réalisées autour de ce point, se contentant d'enregistrer le nouvel équilibre thermique. Tout irait bien si, sous l'influence du chauffage, la résistance de la diode semi-conductrice ne changeait pas, ce qui, en raison du coefficient de température négatif, entraîne une diminution de la chute de tension aux bornes de la diode. Par conséquent, il y a à la fois une augmentation et une diminution de la chute de tension, et tout cela se produit à différents moments. L'augmentation de la chute de tension avec l'augmentation du courant se produit presque instantanément (avec un temps de retard « électronique » de l'ordre des pico- et nanosecondes), tandis que sa diminution est déterminée par la vitesse de chauffage de la diode avec le corps (lentement, à une vitesse « thermique »). Le chauffage est caractérisé par plusieurs constantes de temps. La jonction semi-conductrice elle-même, qui a une faible masse, chauffe le plus rapidement. L'ensemble de la diode enfermée dans le boîtier chauffe beaucoup plus lentement. Compte tenu de tous ces processus de décroissance lente affectant la tension de sortie, il n'est pas difficile de conclure que la réponse de la diode à un changement progressif du courant sera d'abord un changement progressif de la tension, dont le niveau se rapprochera ensuite progressivement de la valeur d'origine ( et la vitesse d'approche sera déterminée par plusieurs constantes de temps) . Ainsi, la transmission régulière des surtensions par le circuit n'est pas idéale : des « surtensions » apparaissent dont l'amplitude et la constante de temps d'amortissement ne sont associées à aucune caractéristique électrique. Les distorsions qui en résultent sont d'origine purement thermique. Évidemment, dans ce cas, peu importe qu'il s'agisse de diodes et de transistors discrets ou de circuits intégrés. Étant donné que les diodes comprennent à la fois des diodes massives et miniatures, la plage des constantes de temps peut être très large. Soumettons l'émetteur suiveur le plus simple à la même analyse inhabituelle, dont le circuit est représenté sur la figure 3. Demandons-nous si un tel circuit contient une constante de temps basse fréquence (fréquence limite inférieure) et les processus transitoires dépendants de la fréquence qu'elle provoque ? S'appuyant sur les manuels scolaires, spécialistes et non-spécialistes répondent à l'unisson : NON ! Après avoir tiré les leçons de nos expériences précédentes, nous l'examinerons de plus près.
Supposons que le circuit soit allumé depuis un certain temps, que le transistor et son environnement aient déjà atteint une sorte d'équilibre thermique, auquel la puissance P1 est dissipée sur le transistor, maintenant une température constante du transistor. Uce1*Ic1=P1 Modifions le point de fonctionnement du transistor en modifiant sensiblement la tension d'entrée. Dès que le courant de collecteur du transistor change (bien qu'ici la constante de temps puisse être prise en compte), la tension émetteur-collecteur changera également. Le transistor va maintenant dissiper la puissance P2 Uce2*Ic2=P2, qui diffère de ce qui précède, ce qui entraînera une modification de la température en régime permanent du transistor. Pour illustrer les distorsions qui surviennent dans ce cas, parmi les nombreux paramètres à surveiller, nous sélectionnerons l'un des plus faciles à mesurer : la tension Ueb. Uout1=Uin1-Ueb1. qui peut être facilement mesuré, par exemple avec un multimètre. Le changement de tension d'entrée au premier instant atteint presque complètement la sortie. Cependant, le transistor a désormais un point de fonctionnement différent, correspondant à la puissance dissipée P2. Cela affecte la tension Ueb (-2 mV/°C) et provoque un décalage (dérive) de la tension de sortie (puisque le transistor est maintenant légèrement plus froid ou plus chaud par rapport à l'état précédent). Le changement de tension doit être ajouté (avec la polarité correcte) à la tension de sortie et la constante de temps thermique doit être déterminée dans chaque cas. Les questions les plus importantes se posent ici : - quelle est la constante de temps thermique ; La manière dont un transistor chauffe ou refroidit à un nouveau point de fonctionnement dépend de son état au point de fonctionnement précédent. Si le transistor fonctionnait dans un état d'adaptation de puissance (Uce = 0,5 Upit), alors il répond à tout changement du point de fonctionnement par refroidissement. Par conséquent, dans ce cas, lorsqu'il est exposé à une petite tension de commande constante, le transistor produit toujours un signal parasite du même type, qui est ajouté au signal de sortie. Si le point de fonctionnement du transistor diffère de celui convenu, au nouveau point de fonctionnement, le transistor peut à la fois refroidir et chauffer. Dans ce cas, la polarité du signal parasite apparaissant en sortie dépendra de la polarité du signal de commande. En fonction du signal de commande, le signal de bruit thermique peut désormais être ajouté ou soustrait du signal de sortie. Considérons le circuit amplificateur différentiel (Fig. 4), qui présente également un intérêt d'un point de vue historique : il y a plusieurs décennies, les distorsions thermiques générées par ce circuit constituaient l'essentiel de toutes les distorsions thermiques.
Il y a deux situations possibles. Dans le premier cas, lorsque l'amplificateur différentiel est adapté en puissance, l'influence du signal de commande entraîne le refroidissement des deux transistors (qui ont quasiment les mêmes dimensions). Puis, dans le signal amplifié présent au niveau des collecteurs des transistors, une nouvelle composante en phase apparaît (sous l'influence du refroidissement, Ueb augmente, le courant du collecteur augmente et, En conséquence, la tension du collecteur diminue). Dans des cas défavorables, cette composante peut se propager davantage dans l'amplificateur et, par exemple, « perturber » le réglage du point de fonctionnement de l'étage de sortie push-pull, ou provoquer des décalages désagréables des points de fonctionnement des autres étages. On dit généralement qu’il n’y a pas d’interférence significative dans le signal différentiel de sortie. L'amplitude du signal de mode commun résultant est proportionnelle à la tension de commande d'entrée et au gain de tension de mode commun, qui est déterminé avec une bonne approximation par le rapport des résistances du collecteur et de l'émetteur. Étant donné que pour les amplificateurs audiofréquence, ces valeurs sont généralement assez proches, nous pouvons supposer que le signal de mode commun est amplifié plusieurs fois (par exemple, 1...10). Par conséquent, si l’étage possède déjà un signal différentiel de niveau suffisamment élevé, l’amplitude de la tension de mode commun peut être assez importante. Ce signal (en phase) lui-même n'est pas audible, mais il peut avoir un effet perturbateur sur les points de fonctionnement des étages suivants. À propos, un changement de température ambiante a exactement le même effet, entraînant un changement de température des dispositifs à semi-conducteurs (par exemple, lors de l'utilisation d'un amplificateur par une journée chaude et ensoleillée ou par temps glacial). Les deux effets considérés sont résumés. Ainsi, lors de la conception d’amplificateurs HiFi, il ne suffit plus de s’occuper des couplages thermiques statiques. Il est également nécessaire de prendre en compte les effets dynamiques de mode commun mentionnés ci-dessus. Dans le second cas, lorsque l'amplificateur différentiel fonctionne avec une inadaptation de puissance, des processus transitoires avec une constante de temps thermique se produisent sous l'influence du signal de commande en sortie. En amplitude et en fréquence, ils sont dans ce cas comparables au signal de commande, ils peuvent être détectés comme des distorsions du signal différentiel de sortie utile, mesurés ou entendus de manière appropriée. Comme l'un des transistors va chauffer et l'autre va refroidir, un signal parasite anti-phase apparaît, pratiquement impossible à distinguer du signal utile. Une question délicate concerne la valeur de la constante de temps thermique. Il n'y a aucune donnée à ce sujet dans aucun catalogue, et ici nous ne pouvons nous fier qu'à quelques faits expérimentaux. Certaines de ces données expérimentales ont été publiées dans des publications hautement spécialisées à petit tirage d'un certain nombre d'entreprises intéressées (par exemple, Tektronix, Philips, Ates, etc.). Pour eux, ces données n’étaient pas trop surprenantes. Les jonctions pn de transistors semi-conducteurs de taille « décente », comme celles du 2N3055 (nous ne parlons pas encore du dispositif semi-conducteur lui-même dans le boîtier, dont les dimensions peuvent également dépendre de la série et du fabricant) peuvent suivre thermiquement (c'est-à-dire chauffage/refroidissement) fréquences jusqu'à la limite supérieure - environ 1 kHz. Les appareils avec une jonction pn plus petite, par exemple BC107, ou encore plus petite, suivent des fréquences jusqu'à 90 kHz (!). Pour les éléments montés en surface (SM - Surface Montage) et les circuits intégrés, la fréquence limite est encore plus élevée. Naturellement, il existe un bon contact thermique entre le cristal semi-conducteur et le boîtier, et la constante thermique élevée du boîtier tend, en fonction de la quantité de transfert de chaleur depuis le contact, à amortir les fluctuations de température. Je pense qu'il est maintenant clair qu'un amplificateur CC (par exemple, l'émetteur-suiveur représenté sur la figure 3, qui est également une sorte d'UPT) a la même fréquence limite inférieure (!) que, par exemple, un émetteur-suiveur à 200 MHz. Ces distorsions de fréquence audio ne peuvent pas être mesurées à l’aide des méthodes traditionnelles. Le principe « attendons que le circuit se réchauffe », souvent utilisé dans les mesures, évite les problèmes évoqués ici. Mais comment détecter cet effet lors de l’écoute d’un morceau de musique via un amplificateur HiFi ? Bien entendu, ce qui nous intéresse le plus, c’est l’ampleur de l’effet. D'après les mesures effectuées, il s'est avéré que le signal secondaire ainsi généré dans l'amplificateur (qui peut être perçu comme une distorsion) peut facilement atteindre 5...20 % de l'amplitude du signal utile. Il est fort possible que de nombreux lecteurs disposent d'amplificateurs HiFi dans un boîtier en plastique, posés sur des étagères, qui ont tout en ordre avec « l'ambiance », et qui présentent pourtant de très fortes distorsions thermiques. Ils ne déforment pas forcément tout à tout moment, mais seulement certaines mélodies et dans certaines combinaisons sonores (après une frappe, etc.). Et avec les méthodes traditionnelles de mesure de la distorsion, l'amplificateur semble très bien. Auteur : S.GYULA ; Publication : N. Bolchakov, rf.atnn.ru
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