Amplificateurs à tubes
Préamplificateur
Premier étage

Le premier étage d'un amplificateur augmente l'amplitude du signal (amplification en tension) pour que le signal soit suffisamment fort pour commander les tubes de puissance.
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Sur la page précédente, nous avons fait la liste des différentes sortes de tubes disponibles (diode, triode, penthode,...).

Dès le premier étage, nous avons beaucoup de possibilités. Il y a deux circuits standards avec une triode (ECC83) et avec une penthode (EF86), mais nous avons encore plus de possibilités.

Préamplificateur avec ECC83

C'est la solution toute faite: signal sur la grille, sortie sur l'anode. L'autre triode du tube peut soit être utilisée pour l'autre canal (stéréoà, soit pour amplifier à nouveau le signal après un réglage de la tonalité. La seconde triode peut également être utilisée comme étage déphaseur.

Regardons à nouveau les courbes caractéristiques du tube ECC83 (avec des lignes de charge en plus). Une ligen de charge indique les points de fonctionnement possible d'un tube avec une résistance de charge d'une valeur donnée.

Prenons une tension d'alimentation de 300V et une résistance d'anode de 100kΩ. Quand le tube n'est pas en conduction, la tension sur l'anode est de 300V. et le courant anodique de 0mA. Quand le tube est en cours-circuit, la tension d'anode est de 0V et le courant limité par la valeur de la résistance, donc 3mA. C'est la ligne de charge verte.

Nous avons fait la même chose avec une ligne de charge pour une résistance de 60kΩ. 5mA est le courant maximal qu'un ECC85 peut fournir: alimenté en 300V, la résistance de charge minimale ne devrait pas être inférieure à 60kΩ.

Ne parlons pas de la résistance de la cathode pour un instant, elle sert à polariser correctement la grille. A l'entrée, nous avons un signal de 500mV effectif que nous voulons porter à 10V pour commander le tube de puissance. Pour un fonctionnement le plus linéaire possible, nous choisissons un point de fonctionnement à la moitié de la tension d'alimentation, donc environ 150V pour une tension d'alimentation.

Nous prenons une résistance d'anode de 100kΩ (ligne verte). Avec une tension sur la grille de -1V nous arrivons au courant correspondant (croisement de la caractéristique du tube et de la ligne de charge). Si nous faisons varier la tension de grille de -0.5V à -1.5V nous avons une tension d'anode qui varie de 130 à 190V, donc une amplification de 60× (c'est d'ailleurs le maximum qui est possible d'obtenir dans cette configuration). Si nous utilisons deux triodes à la suite, nous obtenons une amplification de 3600×.

Il nous faut maintenant calculer la résistance de la cathode. Nous voulons une tension de -1V sur la grille au repos. Il est vrai que la grille va se polariser automatiquement à une tension négative par les électrons qui arrivent sur la grille, mais la résistance de la grille doit alors être très élevée, de l'ordre de 10MΩ. C'est un système qui n'est plus utilisé.

Nous avons une résistance de grille de 1MΩ, l'effet est donc bien moindre. Au repos, nous avons un courant de 1.5mA, nous devons donc avoir une tension sur la résistance de 1V. Nous choisissons une résistance de 680Ω.

Vous aurez remarqué que la résistance de cathode n'est pas découplée par un condensateur. Quand kla tension sur la grille augmente (devient moins négative), le courant dans la triode augmente, ce qui réduit la différence de tension entre la grille et la cathode. Le tube amplifie donc moins que prévu.

Le rapport entre la résistance d'anode et la résistance de cathode est de 150×, l'amplification du tube ne diminuera pas de beaucoup, on peut compter sur une amplification de 50×.

Nous avons donc les valeurs suivantes:

R12 : 1MΩ
R14 : 680Ω
R13 : 100kΩ

Faisons le même exercice avec un tube ECC82. Nous avons la ligne de charge verte avec une résistance d'anode de 60kΩ et une ligne d e charge rouge avec une résistance de 15kΩ. Nous polarisons la grille à -2V (on va refaire l'exercice avec une tension de -7V pour ramener la tension sur l'anode à 150V).

Avec une tension de grille de -2V nous avons un courant anodique de 3.5mA et la tension est de 75V. Si nous faisons varier la tension de grille de -1V à -3V, la tension sur l'anode varie de 60V à 90V, un taux d'amplification de 15×. Ce tube n'est pas à sa place ici où on a besoin d'une amplification en tension.

Avec une tension de grille de -7V, nous avons une tension d'anode qui varie de 135 à 160V, donc une amplification de 12.5×, encore plus faible.

Ce tube n'est pas utilisé en amplificateur de tension, mais pour commander un gros tube de puissance. Un tube de puissance a un grille très longue avec une capacité parasite importante. En commandant le tube de puissance à partir d'un tube qui a une faible résistance interne comme le tube ECC82, nous éliminons l'effet des capacités parasites. Nous prenons également une tension d'anode basse (la plus basse possible pour avoir un comportement linéaire): cela améliore le comportement dynamique de l'ensemble.

Le tube amplificateur ECC83 a quand même quelques inconvénients; à cause de la proximité de l'anode qui est à un potentiel variable, nous obtenons une amplification moindre que ce qui serait théoriquement possible (le tube a une amplification µ de 100). Une penthode peur réduire ce problème.

Préamplificateur avec une penthode EF86

La penthode a une grille écran entre la grille de commande et l'anode. Cette grille électrostatique réduit l'effet de l'anode sur le courant: il est donc possible d'obtenir une amplification plus importante du signal.

Nous indiquons ici aussi les carazctéristiques et nous voyons des courbes totalement différentes. Nous avons ici aussi tiré deux lignes de charge, une à 60kΩ et une à 200l&OMega;. Nous fixons la tension sur la grille écran à la moitié de la tension d'alimentation et nous la découplons avec un petit condensateur pour éviter que la tension ne varie quand le courant dans le tube ne varie. La tension est fixée à 140V dans les exemples.

Avec une tension de grille de -2V nous avons l'anode à une tension médiane pour une résistance de charge de 60kΩ et si la résistance de charge est portée à 220kΩ il nous faut une tension de grille de -3.5V.

Nous faisons varier la tension de grille de -1.5 à -2.5V, ce qui nous donne une une tension d'anode qui varie de 70 à 180V (amplification de 110×). Avec la résistance de charge de 220kΩ et la tension de grille qui varie de -3 à -4V nous avons une variation de la tension à l'anode de 50 à 220V (amplification de 170×). En pratique on va utiliser la seconde configuration, car le souffle de la penthode augmente avec le courant.

R1 : 1MΩ
R2 : 3.9kΩ
R3 : 1MΩ
R4 : 220kΩ

Nous obtenons un point de fonctionnement correct avec une résistance de 1MΩ entre l'alimentation positive et la grille écran. Le petit condensateur de 0.47µF stabilise le fonctionnement. La résistance de cathode non-découplée limite l'amplification à 50× (220/3.7). En pratique on va découpler la résistance à moitié pour obtenir l'amplification voulue.

La résistance non-découplée agit comme contre-réaction et va réduire le taux de distortion, mais d'un autre coté augmente également l'impédance du tube (ce qui est à éviter). Mais il existe des moyens d'avoir une contre-réaction sans augmenter l'impédance du tube.

On peut utiliser cette lampe quand on a besoin d'une amplification plus poussée (par exemple parce qu'il y a un réglage de la tonalité). Le signal à amplifier ne doit pas être trop faible (microphone ou pick up dynamique) car les penthodes ont un souffle plus prononcé.

La lampe a une résistance interne plus importante: elle n'est pas faite pour commander directement un tube de puissance ou un circuit de controle de la tonalité.

Triode double (ECC83)

On peut réduire les inconvénients de la triode et de la penthode en utilisant deux triodes en cascade. Il y a ici aussi plusieurs possibilités.

Montage Cascode

Le tube inférieur reçoit le signal à amplifier sur sa grille et transmet le signal amplifié au tube supérieur, qui est branché en montage à grille commune. Le signal à amplifier entre par la cathode tandis que la grille est maintenue à un potentiel fixe.

Nous allons diviser la tension d'alimentation de façon équilibrée sur chaque tube, donc 100V sur le tube inférieur, 100V sur le tube supérieur et 100V sur l'anode. La cathode du tube supérieur se trouve donc à 100V et notre diviseur de tension est rapidement calculé: R4 = 1MΩ, R2 = 2.2MΩ. Nous prenons 100kΩ pour R11 ce qui fixe également le courant dans l'ensemble à 1mA.

Nous reprenons notre graphique. Pour avoir un courant de 1mA avec une tension d'anode de 100V il nous faut une tension de grille d'environ -0.6V. La résistance de la cathode est ainsi calculée rapidement: R14 = 600Ω, R12 = 1MΩ. Le condensateur anonyme de découplage peut avoir une valeur de 0.22µF.

Combien va amplifier ce circuit? Faisons varier la tension sur la grille de -0.1 à -1.1V. La tension sur l'anode ne varie pratiquement pas, car elle est maintenue fixe par le tube supérieur. Le courant peut varier de 1.9mA à 0.6mA. Le second tube ne modifie pas ce courant, qui se retrouve donc sur l'anode. Avec un courant de 0.6mA nous avons une tension de 60V sur la résistance d'anode, avec un courant de 1.9mA nous avons une chute de tension de 190V. On obtient ainsi un taux d'amplification de 130×. Avec la résistance inférieure non découplée l'amplification est réduite à 100× environ.

Un avantage de ce circuit (par rapport à la penthode), c'est qu'il n'y a pratiquement pas de souffle, les électrons n'ont en effet pas à choisir entre la grille écran et l'anode. Un tel circuit peut être utilisé pour amplifier le signal d'un microphone ou d'un tourne disque à cellule dynamique.

Il n'y a pas d'influence du second tube sur le premier, il n'y a donc pas de capacité parasite entre l'entrée et la sortie. Cette construction était principalement utilisée dans les tuners des télévisions, mais on la retrouve également dans les syntonisateurs modernes, sous la forme d'un transistor mosfet à deux gates (rien ne se perd, rien ne se créé, toutse transforme, disait l'autre)

Tout comme avec une penthode, la résistance interne est plus élevée qu'avec une triode seule. Un tel circuit peut avoir tendance à osciller: un petit condenstateur de 10pF à 47pF entre l'anode (sortie) et la grille (entrée) élimine totalement les oscillations sans réduire les aigues (le condensateur est indiqué en rouge). Le condensateur peut également être relié à la résistance de cathode. A cause de sa valeur plus basse, la veleur du condensateur peut passer de 22pF à 220 à 470pF.

Un circuit cascode ou penthode est idéal pour commander l'étage déphaseur: avec sa résistance de cathode très élevée, l'impédance d'entrée du déphaseur est très élevée.

Series Regulated Push Pull

Il existe encore un circuit, le SRPP, mais il n'est normalement pas utilisé comme étage d'entrée, mais comme étage de sortie. Ce circuit qui correspond à la cascode, mais avec le tube de sortie branché en anode commune a une résistance interne très basse. Il est ainsi possible de commander directement un écouteur avec une double triode ECC82.

Après l'étage préamplificateur, nous avons l'étage déphaseur qui va produire les signaux déphasés pour commander l'atage final en push pull. Si on utilise un étage final à simple tube, il ne faut pas d'étage déphaseur.

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