| La bande passante est la bande des fréquences qu'un amplificateur laisse passer. Pour la hifi, il faut au minimum une bande passante de 25 à 18kHz. |
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| Quand on utilise un réglage de la tonalité, il faut que le circuit soit placé hors de la boucle de contre-réaction. La contre-réaction tente de réduire les distortions et une amplification plus ou moins forte de certaines fréquences est considérée comme une distortion. | ||||
Mesure avec multimètreMettez le générateur sur un signal sinusoidal de 1 volt et controlez les mesures du multimètre quand vous variez la fréquence. Si la mesure n'est pas linéaire, il faudra chaque fois corriger la mesure en modifiant sur le générateur l'amplitude du signal pour avoir un volt.Mettez le générateur sur une fréquence moyenne, par exemple 800Hz, réglez pour que le multimètre affiche 1V à l'entrée de l'ampli. Allumez l'ampli, installez une charge fictive, réglez le volume pour que l'ampli travaille à une puissance de 10% de sa puissance nominale (le but n'est pas de mesurer sa puissance maximale). Ne touchez plus au bouton du volume. Commencez les mesures, par exemple par la fréquence la plus basse à reproduire (20Hz). Corrigez si nécessaire l'amplitude du signal pour que le multimètre indique 1V à l'entrée. Mesurez la tension en sortie, par exemple 1.5V. Effectuez les mesures suivantes en augmentant à chaque fois la fréquence d'un facteur de 1.5 (20Hz, 30Hz, 45Hz, 67Hz, 100Hz, 150Hz,...). Controlez et corrigez si nécessaire l'amplitude à l'entrée et notez la tension en sortie. Déterminez l'amplitude maximale du signal, par exemple 2.5V à 500Hz. Quand on parle de bande passante, on convient qu'un amplificateur a une bande passante donnée, si la puissance fournie est au moins égale à la moitié de la puissance maximale notée dans la bande. Transformé en tension, cela signifie que le signal minimum acceptable doit avoir une amplitude supérieure à 0.7× le signal maximum. Nous avons dans notre exemple un signal maximum de 2.5V, l'amplitude minimale du signal ne peut pas passer sous 1.77V. N'oubliez pas de dessiner un beau petit graphique et publiez-le sur instagram.
Mesure avec oscilloscopeUne mesure avec un oscilloscope n'est pas nécessairement plus précise, mais elle permet de détecter les problèmes de l'amplificateur (par exemple: oscillations parasites). On met le générateur sur un signal carré.Les images d'oscilloscope sont produites avec la contre-réaction débranchée. En pratique on fera des mesures aussi bien sans contre-réaction et avec contre réaction pour déceler des défauts, qui se signalent généralement par un ringing sur le signal d'oscilloscope.
 Ringing Le signal en sortie ne sera jamais très carré, mais c'est normal: un signal carré est une somme d'harmoniques qui s'étendent en théorie jusqu'à l'infini. Aucun signal musical n'a une forme carrée. Le signal carré permet par contre de déterminer rapidement la bande passante d'un amplificateur si l'oscilloscope est équipé d'un graticule permettant de faire des mesures (elles ne doivent pas être précises). Le premier signal est le signal à l'entrée de l'ampli. Le second signal est le signal en sortie de l'ampli quand la fréquence est réglée sur le début de la bande passante. L'amplificateur n'est pas en mesure de maintenir de signal de crête. Le troisième signal est le signal à la fin de la bande passante, quand l'amplificateur peine à suivre le signal du générateur. Et finalement le quatrième signal est le signal en milieu de bande. Le signal ne ressemble toujours pas au signal à l'entrée, mais ce n'est pas grave, aucun signal naturel ne ressemble à un signal en crénaux. N'oubliez pas que vous travaillez avec un amplificateur à lampes qui utilisent des condensateurs de couplage (il y a donc une fréquence inférieure en dessous de laquelle l'amplification chute fortement) et un transformateur de puissance qui n'est pas très linéaire. Les amplificateurs à transistors sont meilleurs sur ce point, ils ont une bande passante pratiquement linéaire entre 20 et 20kHz. Un très bon amplificateur à lampes a une bande passante de 30Hz à 18kHz (mesures à -3dB), et cela ne sert pas à grand chose de tenter d'augmenter la bande passante: vous forcez l'amplificateur à amplifier des signaux qu'il ne peut pas amplifier, ce qui augmente l'intermodulation et rend le son imprécis.
Bande passante et contre-réactionLa contre-réaction permet de linéariser l'amplitude du signal dans la bande passante, en égalisant l'amplification des fréquences. La courbe de réponse devient plus plate et la bande passante augmente également.La courbe rouge est la courbe de réponse sans contre-réaction globale, avec uniquement la contre-réaction locale (petits condensateurs entre anode et grille pour la stabilité de certains étages). L'amplitude est du signal est élevée, mais la courbe est... très courbe et les points à -3dB sont proches. C'est principalement le transformateur de sortie qui rend la courbe si gaussienne. En fait c'est une courbe de Poisson, mais nous divaguons (Ah! ce cher Siméon...). La courbe verte est avec la contre-réaction enclenchée. L'amplification totale est réduite, mais la courbe de réponse est plus linéaire, avec les points à -3dB plus éloignés. La bande passante (en vert clair) est donc devenue plus large. Il est possible d'adapter la contre-réaction de telle manière qu'elle corrige mieux la courbe avec une réduction un peu plus prononcée des fréquences élevées (pour mieux éliminer l'influence du transfo). On met en parallèle sur la résistance de contre réaction un élément composé d'un condensateur et d'une résistance: la contre réaction est plus importante pour les fréquences élevées.
Exemple pratique (image d'oscilloscope): allez avec la souris sur le cadre cyan:
Signal à l'entrée: 1.4V top-top Le signal sans contre réaction montre une bande passante assez limitée: il y a une atténuation des fréquences élevées (les fronts montants et descendant ne sont pas raides) et des basses fréquences (le plateau horizontal n'est pas plat). Le signal avec contre réaction est plus faible (atténuation de 8.2dB), mais les flancs sont plus droites et le plateau est horizontal. On voit qu'une contre réaction relativement faible peut déja fortement améliorer le signal. L'atténuation relativement faible produit par contre une chute de puissance beaucoup plus forte. Si on augmente le signal pour compenser cette chute de puissance, d'autres phénomènes peuvent apparaitre, notament des oscillations parasites (overshoot) causées par le déphasage (variable selon la fréquence) de l'amplificateur. Ces déphasages ne peuvent pas facilement être évités et il est plus aisé de limiter la bande passante de l'ampli en plaçant de petits condensateurs vers la masse à des endroits stratégiques de l'ampli.
Mesure par balayage de fréquence (sweep)La mesure la plus aisée de la bande passante se fait avec un oscilloscope et un générateur de fréquences qui a une fonction sweep. Le générateur de fonction passe de 10Hz à 25kHz en 9 seconbdes, et au même moment l'oscilloscope dessine l'enveloppe du signal en sortie de l'ampli (en jaune). Le balayage suit une progression logaritmique, qui correspond le mieux à notre ouïe.
Nous avons d'abord la courbe d'un bon ampli (il y a une légère instabilité aux alentours de 15Hz, mais cela n'a pas beaucoup d'influence). L'atténuation commence à partir de 15kHz mais à ces fréquences la puissance nécessaire est très faible. La contre réaction fait que l'amplification est très constante sur toute la bande passante: la contre réaction commence à agir dès qu'un gain minimal est atteint (la contre réaction ne peut pas augmenter le gain, uniquement le limiter). La seconde courbe provient d'une ancienne radio AM. La bande est fortement limitée dans les hautes fréquences (c'est normal, en AM la bande passante est limitée à 4.5kHz et la radio n'a pas la FM). La bande passante pour les basses est très bonne pour un poste de radio, la bande passante totale va de 25Hz à 4.5kHz. Les fréquence élevées sont réduites pour diminuer les parasites. L'ampli de cette radio a une très forte contre réaction qu'on remarque au plat de la bande passante. Dans cette radio le taux de contre réaction dépend de la position du potentiomètre de volume. La bande passante d'un ampli peut être modifiée quand on change les paramètres des tubes de puissance (courant anodique). Avec un courant anodique plus faible les caractéristiques du transfo de sortie se font plus sentir (les tubes de puissance perdent le controle sur le transfo). Nous avons ensuite l'image d'oscilloscope du signal d'un amplificateur très moyen. Le signal en crénaux est fortement déformé: les basses sont faibles (il n'y a plus de plateau) et les aiguës sont également faibles (les flancs verticaux sont obliques et courbes). J'utilise une fréquence de 440Hz pour le test, une fréquence qui se trouve au milieu de la bande passante de puissance d'un ampli. Une image d'oscilloscope permet d'avoir une idée comment un ampli van se comporter (il permet de détecter que l'ampli ne va pas produire d'oscillations parasites (ringing), mais pour calculer la bande passante un balayage de fréquence est plus utile. La courbe est désastreuse, mais c'est encore pire en pratique car la puissance dépend de la tension au carré. Une réduction du signal de 50% produit une réduction de la puissance de 75% (quart de la puissance). La bande passante d'un ampli est indiquée pour une réduction de la puissance de 50%, ce qui correspond à une diminution de l'amplitude de 71% (signal de 1V vers 0.71V). La bande passante depuissance de cet ampli va donc de 55Hz à 1kHz. La courbe qui est montrée ici est celle du même ampli de radio montré plus haut, mais avec la contre réaction débranchée. Comme la contre réaction sert ici également à éliminer les signaux au dessus de 4.5kHz nous avons ici un signal faible au dessus de 4.5kHz. La contre réaction est donc très utile: elle permet d'augmenter la bande passante d'un ampli (ou de la limiter, comme c'est le cas dans notre ampli dez radio AM). |
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