Amplificateurs à tubes
intermodulation, contre-réaction, harmoniques,...
Contre réaction

La contre-réaction permet de réduire la distortion. Cette page est consacrée à la contre-réaction globale, celle qu'on utilise le plus souvent.
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La contre-réaction compare le signal à l'entrée (en jaune) avec une partie du signal en sortie (en violet) prélevé au secondaire du transfo de sortie. Le signal avec la correction est le signal cyan, les couleurs du schéma correspondent aux couleurs des traces sur l'oscilloscope.

Comme nous retournons une partie du signal en sortie vers l'entrée, nous diminuons le gain de l'ampli, mais dans la plupart des cas nous avons une réserve d'amplification suffisante pour appliquer une contre-réaction.

C'est le cas avec les amplificateurs équipés de tubes PCL86: la triode amplifie jusqu'à 100× et la pentode 30×. L'amplitude du signal sur le primaire du transfo de sortie est 15× plus grand que ce qui est nécessaire avec un signal à l'entrée de 500mV effectifs. Nous pouvons utiliser le surplus d'amplification pour réduire les distortions grâce à la contre-réaction.

Le signal à amplifier est injecté sur la grille et une partie du signal en sortie est envoyé sur la cathode. Sur l'anode on reçoit une image du signal à amplifier (en cyan) tant que l'amplitude du signal n'est pas trop importante. Le sinus peut être légèrement déformé, car il compense les différences entre l'entrée et la sortie (c'st le signal d'erreur).

Il est plus aisé de déterminer les déformations d'un ampli en se basant sur ce signal, qui est plus déformé que le signal en sortie. Les déformations de moins de 0.1% peuvent difficilement être mesurées. On détermine d'abord combien la contre-réaction diminue l'amplification totale (par exemple 10× = 20dB). On calcule ensuite la déformation du signal d'erreur, par exemple 1%. La distortion du signal en sortie est d'environ 1% / 10 = 0.1%. Une distortion du signal d'erreur se remarque plus vite que la distortion du signal de sortie.

On voit à droite trois images d'oscilloscope, où on augmente la puissance que l'ampli doit fournir. Tant que l'ampli n'est pas trop chargé, le signal d'erreur est un sinus. Une fois que l'ampli est surchargé (il n'arrive plus à suivre le signal à l'entrée) on voit les déformations qui apparaissent, d'abord sur le signal d'erreur, ensuite également sur le signal de sortie. On peut ainsi déterminer rapidement à partir de quelle puissance l'amplificateur ne peut plus suivre le signal à l'entrée.

La seconde image d'oscilloscope montre le point à partir duquel les déformations apparaissent. On ne les entend à peine, mais le signal de correction montre déjà un pic, dans une tentative de forcer l'ampli à augmenter le signal en sortie. La troisième image d'oscilloscope montre une déformation très prononcée qui s'entend très nettement.

Contrairement à un amplificateur à transistors où on voit un écrètage très marqué, ici la distortion augmente très graduellement, ce qui rend difficile de déterminer la puissance maximale de l'ampli.

Sur la quatrième image, on envoie un signal en créneaux à l'ampli. Un tel signal n'existe pas en pratique, mais cela permet de mesurer les caractéristiques d'un ampli, un signal en créneaux comtient une fréquence de base et toutes ses harmoniques. L'amplitude du signal est suffisamment faible pour ne pas surcharger l'ampli. L'ampli a du mal à maintenir les créneaux horizontaux, on voit ainsi un signal de correction avec les paliers qui augmentent.

La contre-réaction réduit l'impédance de sortie de l'ampli, ce qui est une très bonne chose. La sortie suit mieux le signal à l'entrée et permet de réduire les oscillations parasites de la bobine du haut parleur. L'ampli a un meilleur facteur d'amortissement. Les basses sont plus puissantes et mieux définies. Ce n'est évidemment le cas tant que l'ampli n'est pas surchargé.

Dans bon nombre de schémas on utilise une contre réaction négative qui va du secondaire du transfo de sortie jusqu'à l'entrée de l'amplificateur (voir tracé en bleu en haut). Pour compenser la réduction de l'amplification, il faut parfois utiliser un étage supplémentaire.

L'étage supplémentaire peut prendre la forme d'un étage préamplificateur comme dans l'exemple, ou comme un double étage de commande des pentodes (entre le déphaseur et les pentodes). La seconde solution est préférée, même si elle nécessite une triode en plus:

  • le déphaseur ne doit pas commander directement les tubes de puissance (en général il n'aime pas çà).
  • l'étage déphaseur ne doit fournir qu'un signal d'amplitude relativement modeste
  • une contre réaction locale peut être ajoutée aisément

Problèmes de la contre réaction

Je ne suis pas grand amateur d'un montage qui n'utilise qu'une contre réaction globale. Chaque étage produit un déphasage à cause des condensateurs de couplage et de découplage. Le transfo de sortie produit aussi un déphasage. Les circuits dont la contre-réaction agit sur plus de trois étages ne sont pas très stables et nécessitent des mesures pour compenser le déphasage.

Le déphasage est bien controlé pour les fréquences médianes, c'est aux extrèmes de la bande de fréquences de l'ampli que le déphasage change, pouvant transformer une contre réaction négative en contre réaction positive. Même si l'amplificateur ne se met pas à osciller, il peut se produire des petites oscillations amorties aux transitoires.

Un des éléments correctifs est indiqué en rouge. Il limite l'amplification aux fréquences élevées (au dessus de 25kHz). Les déphasages qui causeraient une instabilité à partir de cette fréquence ne sont plus amplifiés. C'est le système le plus simple.

Un autre élément qu'on retrouve sur certains schémas c'est un petit condensateur en parallèle sur la résistance qui apporte la contre réaction (indiqué en magenta et également présent sur le schéma en haut de page). On utilise soit l'une soit l'autre correction, mais rarement les deux à la fois.

Ce condensateur ne sert pas à réduire l'amplification du système aux fréquences élevées, mais à compenser directement le déphasage. Cette solution est la préférée des puristes, mais elle n'est pas sans inconvénients.

Le déphasage est principalement causé par le transfo de sortie, la valeur du condensateur est donc déterminée par le transfo (valeurs de 47 à 220pF). Mais le type de haut parleur qui est branché à l'ampli joue également un rôle. La correction peut donc fonctionner très bien pour un type de haut parleur, et provoquer une instabilité pour un autre type.

Les haut-parleurs ont une impédance complexe et les amplificateurs à transistors qui utilisent une forte contre-réaction ont un petit circuit RC en parallèle sur la sortie pour limiter le déphasage causé par le haut parleur (C de 0.47µF et R de 10Ω). Un tel circuit peut également être utilisé avec les amplificateurs à lampes.

La contre réaction globale doit d'abord être testée avec une charge résistive. Si l'amplificateur se met à osciller, c'est que la polarité de la contre réaction est inversée. Il suffit de brancher la contre réaction avec le secondaire inversé.

Mais la contre réation globale peut avoir des conséquences inatendues

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