Cathode suiveuse de White

Le montage à cathode suiveuse est utilisé pour réduire l'impédance d'un signal, par exemple pour l'envoyer dans un long cable. Mais le montage à cathode suiveuse n'a pas une impédance constante. Une amélioration a été proposée par un certain White.

Prenons une triode, par exemple la triode supérieure du second montage à droite, on oublie pour l'instant la triode inférieure (toute la partie verte), on la remplace par une simple résistance, c'est la résistance de cathode classique.

La triode reçoit une tension variable sur la grille. Quand la tension augmente, le tube conduit plus et son impédance diminue. Quand la tension diminue, le courant dans le tube diminue également et son impédance augmente. Dans le cas extrème, l'impédance est uniquement déterminée par la résistance de charge. Cette impédance variable est indésirable dans certaines situations.

Dès que la charge a une impédance relativement basse (par exemple la grille de commande d'un tube de puissance), le signal envoyé à la grille n'est plus symmétrique: les pics sont corrects, puisque la cathode suit la grille, mais les vallées sont écrasées, puisque c'est uniquement la résistance de la cathode qui tire la charge vers le bas.

Mais dans le montage de White la triode supérieure qui forme notre cathode suiveuse a une résistance d'anode de faible valeur. La tension sur l'anode varie donc légèrement selon le courant qui circule dans le tube, et donc son impédance.

Quand la tension sur la grille de commande diminue, le tube est moins en conduction. La chute de tension sur la résistance d'anode diminue, la tension sur l'anode augmente donc. Cette augmentation de tension est transmise à la grille du tube inférieur qui entre plus en conduction, corrigeant ainsi l'impédance du système (Oh que c'est beau).

La partie importante du schéma, c'est la résistance d'anode. Elle devra être déterminée à partir des caractéristiques des triodes utilisées (Gm ou transconductance). Ra = 1/Gm. La transconductance d'une triode utilisée comme driver est d'environ 10mA/V ou 10mS (millisiemens) on prendra une résistance d'anode de 100Ω.

Comment en est-on arrivé à cette valeur? Il faut que la réduction du courant dans le tube supérieur soit compensé par une augmentation identique du courant dans le tube inférieur (le courant qui diminue et augmente ne se perd pas: il est utilisé par la charge). Il faut que quand le courant diminue d'un mA dans le tube supérieur, il augmente d'un mA dans le tube inférieur.

Pour faire augmenter le courant d'un mA, il faut augmenter sa tension sur la grille. Mais de combien? On se base sur la transconductance ou l'amplification en courant d'un tube. Une augmentation d'un volt produit par exemple une augmentation de 10mA du courant dans la triode. Comme il nous faut une augmentation de 1mA, il nous faut une augmentation de la tension de 100mV.

Cette augmentation de 100mV, nous devons l'obtenir sur la résistance d'anode. Quand le courant diminue de 1mA, il faut une réduction de la chute de tension de 100mV. Selon la loi d'Ohm, R = U/I, donc R = 100mV/1mA ou 100Ω, cqfd.

Une des caractéristiques de ce type d'amplificateur "push pull série" (un tube voit son courant augmenter pendant que le courant dans l'autre tube diminue de façon identique), c'est qu'il doit nécessairement fonctionner en classe A. Le courant dans un tube ne peut jamais devenir 0, autrement il perd le controle sur l'autre tube.

Le rendement de l'étage ne peut jamais dépasser 50%, la puissance fournie est au mieux identique à la puissance dissipée dans un tube. En pratique on obtient une puissance maximale d'environ 60% de la puissance dissipée dans un tube, donc un rendement total de 30%.

Tous les amplificateurs de type push pull série comme le SRPP ont cette limite à la puissance maximale qu'ils peuvent fournir.

Le calcul de la résistance anodique du montage à cathode suiveuse de White est expliqué plus en détail à gauche. Le calcul a été effectué à la fois avec une résistance de charge élevée et une résistance de charge très faible, et même les cas extrèmes ont été pris en compte (résistance de charge nulle et résistance infinie).

Si on utilise une résistance anodique de faible valeur (cas extrème = résistance de 0Ω) on se retrouve avec une cathode suiveuse normale, donc avec un sweep important (déviation), mais une impédance de sortie plus élevée et variable (le tube inférieur se comporte comme une résistance ohmique).

Si on utilise une résistance anodique de valeur plus élevée on a la triode supérieure qui amplifie le signal. le résultat est que la triode inférieure ne reçoit plus sur sa grille un signal similaire au signal à l'entrée, mais un signal plus important, ce qui augmente la distorsion.

Indépendamment de la charge, le point de fonctionnement le plus optimal est avec une résistance d'anode égale à Ra = 1/Gm (réciproque de la pente).

Comme la tension en sortie est légèrement inférieure à la tension en entrée, on peut augmenter la valeur de la résistance Ra' = Ra * Ui/Uo. L'explication est valable si on utilise deux tubes identiques.

Le courant de repos de l'étage final est déterminé par la résistance cathodique du tube inférieur, tandis que la polarisation du tube de sortie est déterminé par la tension anodique de l'étage de commande.

Le montage à droite est un montage qui peut alimenter une ligne de distribution (sortie d'un préamplificateur) ou éventuellement un casque d'écoute haute impédance ou un haut parleur avec un transfo d'adaptation.

La cathode de White n'amplifie pas, on a donc ajouté un étage préamplificateur sur le schéma. Il s'agit d'un montage long tail (comparateur), on aurait aussi bien pu utiliser une simple triode, dont le signal de contre-réaction est envoyé sur la cathode.

Le montage SRPP est plus souvent utilisé, car il procure une amplification, permettant d'avoir une contre réaction plus énergique, qui réduit l'impédance de sortie et diminue les distorsion.

Un schéma pratique de la cathode suiveuse de White. Ce circuit peut parfaitement être utilisé comme étage de sortie d'un préampli. La triode ECC83 augmente le signal d'un microphone (le circuit ne peut pas être utilisé pour un pick up car la correction RIAA manque).

Grâce à l'impédance de sortie qui est très basse (de l'ordre de 10Ω) on peut utiliser des cables de liaison vers l'ampli qui sont très longs. L'impédance d'une cathode suiveuse classique est de 400Ω et est asymmétrique.

Le ECC82 supérieur est la cathode suiveuse, tandis que la triode inférieure est la résistance active. La résistance de 330kΩ sert à fixer le point de fonctionnement, pas comme contre réaction du signal. L'amplification de la triode ECC83 n'est pratiquement pas réduite par le rapport des résistances de 1:330 (l'amplification du ECC83 est de µ = 100).