Commentaires

Si un certain pourcentage du signal de sortie d'un amplificateur est connecté à l'entrée, de sorte que l'amplificateur amplifie une partie de son signal de sortie, nous avons ce qu'on appelle un feedback .

Catégories de commentaires

Les commentaires se présentent sous deux formes : positif (également appelé régénérative ) , et négatif (également appelé dégénérative ) .

Commentaires positifs

Renforce la direction du changement de tension de sortie d'un amplificateur, tandis que la rétroaction négative fait exactement le contraire.

Un exemple familier de larsen se produit dans les systèmes de sonorisation (« PA ») où quelqu'un tient le microphone trop près d'un haut-parleur :un « gémissement » ou un « hurlement » aigu s'ensuit, car le système d'amplification audio détecte et amplifie son bruit. Plus précisément, ceci est un exemple de positif ou régénérative rétroaction, car tout son détecté par le microphone est amplifié et transformé en un son plus fort par le haut-parleur, qui est ensuite détecté à nouveau par le microphone, et ainsi de suite. . . le résultat étant un bruit dont le volume augmente régulièrement jusqu'à ce que le système devienne « saturé » et ne puisse plus produire de volume.

On peut se demander quel est le retour d'information d'un circuit amplificateur, étant donné un exemple aussi ennuyeux que le « hurlement » d'un système de sonorisation. Si nous introduisons un retour positif ou régénératif dans un circuit amplificateur, il a tendance à créer et à entretenir des oscillations, dont la fréquence est déterminée par les valeurs des composants gérant le signal de retour de la sortie à l'entrée. C'est une façon de faire un oscillateur circuit pour produire du courant alternatif à partir d'une alimentation en courant continu. Les oscillateurs sont des circuits très utiles, et le feedback a donc une application concrète et pratique pour nous.

Commentaires négatifs

D'autre part, la rétroaction négative a un effet « d'amortissement » sur un amplificateur :si le signal de sortie augmente en amplitude, le signal de rétroaction introduit une influence décroissante dans l'entrée de l'amplificateur, s'opposant ainsi au changement du signal de sortie. Alors que la rétroaction positive dirige un circuit amplificateur vers un point d'instabilité (oscillations), la rétroaction négative le pousse dans la direction opposée :vers un point de stabilité.

Un circuit amplificateur équipé d'une certaine quantité de rétroaction négative est non seulement plus stable, mais il déforme moins la forme d'onde d'entrée et est généralement capable d'amplifier une plus large gamme de fréquences. Le compromis pour ces avantages (il n'y a que a être un inconvénient à la rétroaction négative, n'est-ce pas?) est un gain diminué. Si une partie du signal de sortie d'un amplificateur est « renvoyée » à l'entrée pour s'opposer à tout changement dans la sortie, il faudra une plus grande amplitude de signal d'entrée pour conduire la sortie de l'amplificateur à la même amplitude qu'auparavant. Ceci constitue un gain diminué. Cependant, les avantages de stabilité, de distorsion inférieure et de bande passante plus large valent le compromis d'un gain réduit pour de nombreuses applications.

Examinons un circuit amplificateur simple et voyons comment nous pourrions y introduire une rétroaction négative, en commençant par la figure ci-dessous.

Amplificateur à émetteur commun sans rétroaction.

La configuration d'amplificateur montrée ici est un émetteur commun, avec un réseau de polarisation de résistance formé par R1 et R2. Le condensateur couple Vinput à l'amplificateur afin que la source de signal ne soit pas soumise à une tension continue imposée par le réseau diviseur R1/R2. La résistance R3 sert à contrôler le gain de tension. Nous pourrions l'omettre pour un gain de tension maximal, mais comme les résistances de base comme celle-ci sont courantes dans les circuits amplificateurs à émetteur commun, nous les conserverons dans ce schéma.

Comme tous les amplificateurs à émetteur commun, celui-ci inverse le signal d'entrée lorsqu'il est amplifié. En d'autres termes, une tension d'entrée positive fait diminuer la tension de sortie ou se déplacer vers le négatif, et vice versa.

Les formes d'onde de l'oscilloscope sont illustrées dans la figure ci-dessous.

Amplificateur à émetteur commun, sans rétroaction, avec formes d'onde de référence pour comparaison.

Parce que la sortie est inversée, ou en miroir, reproduction du signal d'entrée, toute connexion entre le fil de sortie (collecteur) et le fil d'entrée (base) du transistor dans la figure ci-dessous se traduira par négatif commentaires.

La rétroaction négative, la rétroaction du collecteur, diminue le signal de sortie.

Les résistances de R1, R2, R3 et Rfeedback fonctionnent ensemble comme un réseau de mélange de signaux de sorte que la tension vue à la base du transistor (par rapport à la terre) est une moyenne pondérée de la tension d'entrée et de la tension de rétroaction, résultant dans un signal d'amplitude réduite entrant dans le transistor. Ainsi, le circuit amplificateur de la figure ci-dessus aura un gain de tension réduit, mais une linéarité améliorée (distorsion réduite) et une bande passante accrue.

Une résistance reliant le collecteur à la base n'est cependant pas le seul moyen d'introduire une rétroaction négative dans ce circuit amplificateur. Une autre méthode, bien que plus difficile à comprendre au début, consiste à placer une résistance entre la borne de l'émetteur du transistor et la masse du circuit dans la figure ci-dessous.

Rétroaction de l'émetteur :une méthode différente pour introduire une rétroaction négative dans un circuit.

Cette nouvelle résistance de contre-réaction fait chuter la tension proportionnellement au courant d'émetteur à travers le transistor, et cela de manière à s'opposer à l'influence du signal d'entrée sur la jonction base-émetteur du transistor. Examinons de plus près la jonction émetteur-base et voyons quelle différence cette nouvelle résistance fait dans la figure ci-dessous.

En l'absence de résistance de rétroaction connectant l'émetteur à la terre dans la figure ci-dessous (a), quel que soit le niveau de signal d'entrée (Vinput) passant par le condensateur de couplage et le réseau de résistances R1/R2/R3 sera appliqué directement à travers la jonction base-émetteur comme la tension d'entrée du transistor (VB-E). En d'autres termes, sans résistance de rétroaction, VB-E est égal à Vinput. Par conséquent, si Vinput augmente de 100 mV, alors VB-E augmente de 100 mV :un changement dans l'un est identique à un changement dans l'autre puisque les deux tensions sont égales l'une à l'autre.

Considérons maintenant les effets de l'insertion d'une résistance (Rfeedback) entre le fil de l'émetteur du transistor et la masse dans la figure ci-dessous (b).

(a) Pas de retour vs (b) retour émetteur. Une forme d'onde au niveau du collecteur est inversée par rapport à la base. En (b) la forme d'onde de l'émetteur est en phase (émetteur suiveur) avec la base, déphasée avec le collecteur. Par conséquent, le signal de l'émetteur se soustrait du signal de sortie du collecteur.

Notez comment la chute de tension sur Rfeedback s'ajoute avec VB-E pour égaler Vinput. Avec Rfeedback dans la boucle Vinput—VB-E, VB-E ne sera plus égal à Vinput. Nous savons que Rfeedback fera chuter une tension proportionnelle au courant de l'émetteur, qui est à son tour contrôlé par le courant de base, lui-même contrôlé par la tension tombée aux bornes de la jonction base-émetteur du transistor (VB-E). Ainsi, si Vinput augmentait dans le sens positif, cela augmenterait VB-E, provoquant plus de courant de base, plus de courant de collecteur (charge), plus de courant d'émetteur et plus de tension de retour sur Rfeedback. Cette augmentation de la chute de tension à travers la résistance de rétroaction, cependant, soustrait de Vinput pour réduire le VB-E, de sorte que l'augmentation de tension réelle pour VB-E soit inférieure à l'augmentation de tension de Vinput. Une augmentation de 100 mV de Vinput n'entraînera plus une augmentation complète de 100 mV pour VB-E, car les deux tensions ne sont pas égaux les uns aux autres.

Par conséquent, la tension d'entrée a moins de contrôle sur le transistor qu'auparavant, et le gain de tension pour l'amplificateur est réduit :exactement ce que nous attendions d'un retour négatif.

Dans les circuits à émetteur commun pratiques, la rétroaction négative n'est pas seulement un luxe; c'est une nécessité pour un fonctionnement stable. Dans un monde parfait, nous pourrions construire et faire fonctionner un amplificateur à transistors à émetteur commun sans rétroaction négative, et avoir la pleine amplitude de Vinput imprimée à travers la jonction base-émetteur du transistor. Cela nous donnerait un gain de tension important. Malheureusement, cependant, la relation entre la tension base-émetteur et le courant base-émetteur change avec la température, comme le prédit "l'équation de la diode". Au fur et à mesure que le transistor chauffe, il y aura moins de chute de tension directe à travers la jonction base-émetteur pour un courant donné. Cela nous pose un problème, car le réseau diviseur de tension R1/R2 est conçu pour fournir le courant de repos correct à travers la base du transistor afin qu'il fonctionne dans la classe de fonctionnement que nous désirons (dans cet exemple, j'ai montré l'amplificateur fonctionne en mode classe A). Si la relation tension/courant du transistor change avec la température, la quantité de tension de polarisation CC nécessaire pour la classe de fonctionnement souhaitée changera. Un transistor chaud tirera plus de courant de polarisation pour la même quantité de tension de polarisation, le faisant chauffer encore plus, tirant encore plus de courant de polarisation. Le résultat, s'il n'est pas coché, est appelé emballement thermique .

Cependant, les amplificateurs à collecteur commun (figure ci-dessous) ne souffrent pas d'emballement thermique. Pourquoi est-ce? La réponse a tout à voir avec les commentaires négatifs.

Amplificateur collecteur commun (émetteur suiveur).

Notez que l'amplificateur à collecteur commun (figure ci-dessus) a sa résistance de charge placée au même endroit que la résistance Rfeedback dans le dernier circuit de la figure ci-dessus (b):entre l'émetteur et la terre. Cela signifie que la seule tension appliquée à travers la jonction base-émetteur du transistor est la différence entre Vinput et Voutput, ce qui se traduit par un gain de tension très faible (généralement proche de 1 pour un amplificateur à collecteur commun). L'emballement thermique est impossible pour cet amplificateur :si le courant de base augmente en raison du chauffage du transistor, le courant de l'émetteur augmentera également, faisant chuter plus de tension à travers la charge, ce qui à son tour soustrait de Vinput pour réduire la quantité de tension tombée entre la base et l'émetteur. En d'autres termes, la rétroaction négative offerte par le placement de la résistance de charge rend le problème de l'emballement thermique autocorrecteur . En échange d'un gain de tension considérablement réduit, nous obtenons une stabilité et une immunité exceptionnelles contre l'emballement thermique.

En ajoutant une résistance de « rétroaction » entre l'émetteur et la masse dans un amplificateur à émetteur commun, nous faisons en sorte que l'amplificateur se comporte un peu moins comme un émetteur commun « idéal » et un peu plus comme un collecteur commun. La valeur de la résistance de rétroaction est généralement un peu inférieure à la charge, ce qui minimise la quantité de rétroaction négative et maintient le gain de tension assez élevé.

Un autre avantage de la contre-réaction, visible clairement dans le circuit à collecteur commun, est qu'il a tendance à rendre le gain de tension de l'amplificateur moins dépendant des caractéristiques du transistor. Notez que dans un amplificateur à collecteur commun, le gain de tension est presque égal à l'unité (1), quel que soit le du transistor. Cela signifie, entre autres, que nous pourrions remplacer le transistor d'un amplificateur à collecteur commun par un autre ayant un différent et ne pas voir de changements significatifs dans le gain de tension. Dans un circuit à émetteur commun, le gain de tension dépend fortement de . Si nous devions remplacer le transistor d'un circuit à émetteur commun par un autre de différent, le gain de tension de l'amplificateur changerait considérablement. Dans un amplificateur à émetteur commun équipé d'une rétroaction négative, le gain de tension dépendra toujours du transistor dans une certaine mesure, mais pas autant qu'avant, rendant le circuit plus prévisible malgré les variations du transistor β.

Le fait de devoir introduire une contre-réaction dans un amplificateur à émetteur commun pour éviter l'emballement thermique est une solution peu satisfaisante. Est-il possible d'éviter l'emballement thermique sans avoir à supprimer le gain de tension intrinsèquement élevé de l'amplificateur ? Une solution du meilleur des deux mondes à ce dilemme s'offre à nous si nous examinons de près le problème :le gain de tension que nous devons minimiser pour éviter l'emballement thermique est le DC gain de tension, pas le AC gain de tension. Après tout, ce n'est pas le signal d'entrée CA qui alimente l'emballement thermique :c'est la tension de polarisation CC requise pour une certaine classe de fonctionnement :ce signal CC au repos que nous utilisons pour « tromper » le transistor (essentiellement un dispositif CC) pour qu'il amplifie un signal alternatif. Nous pouvons supprimer le gain de tension continue dans un circuit amplificateur à émetteur commun sans supprimer le gain de tension alternative si nous trouvons un moyen de faire fonctionner la rétroaction négative uniquement avec le courant continu. Autrement dit, si nous ne renvoyons qu'un signal CC inversé de la sortie à l'entrée, mais pas un signal CA inversé.

La résistance de l'émetteur Rfeedback fournit une rétroaction négative en faisant chuter une tension proportionnelle au courant de charge. En d'autres termes, la rétroaction négative est réalisée en insérant une impédance dans le chemin de courant de l'émetteur. Si nous voulons réinjecter du courant continu mais pas du courant alternatif, nous avons besoin d'une impédance élevée pour le courant continu mais faible pour le courant alternatif. Quel type de circuit présente une haute impédance au courant continu mais une faible impédance au courant alternatif ? Un filtre passe-haut, bien sûr !

En connectant un condensateur en parallèle avec la résistance de rétroaction de la figure ci-dessous, nous créons la situation même dont nous avons besoin :un chemin de l'émetteur à la terre qui est plus facile pour le courant alternatif que pour le courant continu.

Gain de tension alternative élevé rétabli en ajoutant Cbypass en parallèle avec Rfeedback

Le nouveau condensateur « contourne » le courant alternatif de l'émetteur du transistor à la terre de sorte qu'aucune tension alternative appréciable ne tombe de l'émetteur à la terre pour « renvoyer » à l'entrée et supprimer le gain de tension. Le courant continu, en revanche, ne peut pas traverser le condensateur de dérivation et doit donc traverser la résistance de rétroaction, faisant chuter une tension continue entre l'émetteur et la terre, ce qui réduit le gain de tension continue et stabilise la réponse continue de l'amplificateur, empêchant ainsi l'emballement thermique. Parce que nous voulons que la réactance de ce condensateur (XC) soit aussi faible que possible, Cbypass doit être dimensionné relativement grand. Parce que la polarité à travers ce condensateur ne changera jamais, il est sûr d'utiliser un condensateur polarisé (électrolytique) pour la tâche.

Une autre approche au problème du gain de tension réduisant la rétroaction négative consiste à utiliser des amplificateurs à plusieurs étages plutôt que des amplificateurs à transistor unique. Si le gain atténué d'un seul transistor est insuffisant pour la tâche à accomplir, nous pouvons utiliser plus d'un transistor pour compenser la réduction causée par la rétroaction. Un exemple de circuit montrant une rétroaction négative dans un amplificateur à émetteur commun à trois étages dans la figure ci-dessous.

La rétroaction autour d'un nombre « impair » d'étages à émetteur commun à couplage direct produit une rétroaction négative.

Le chemin de retour de la sortie finale à l'entrée passe par une seule résistance, Rfeedback. Étant donné que chaque étage est un amplificateur à émetteur commun (donc inverseur), le nombre impair d'étages de l'entrée à la sortie inversera le signal de sortie ; la rétroaction sera négative (dégénérative). Des quantités relativement importantes de rétroaction peuvent être utilisées sans sacrifier le gain de tension, car les trois étages d'amplification fournissent un gain important, pour commencer.

Au début, cette philosophie de conception peut sembler inélégante et peut-être même contre-productive. N'est-ce pas un moyen assez grossier de surmonter la perte de gain encourue par l'utilisation de la rétroaction négative, de simplement récupérer le gain en ajoutant étape après étape ? Quel est l'intérêt de créer un gain de tension énorme en utilisant trois étages de transistors si nous allons de toute façon atténuer tout ce gain avec une rétroaction négative ? Le point, bien que peut-être pas apparent au début, est une prévisibilité et une stabilité accrues du circuit dans son ensemble. Si les trois étages de transistor sont conçus pour fournir un gain de tension arbitrairement élevé (de l'ordre de dizaines de milliers ou plus) sans rétroaction, on constatera que l'ajout d'une rétroaction négative rend le gain de tension global moins dépendant de l'individu. gains d'étage, et approximativement égal au rapport simple Rfeedback/Rin. Plus le circuit a de gain de tension (sans rétroaction), plus le gain de tension se rapprochera de Rfeedback/Rin une fois que la rétroaction est établie. En d'autres termes, le gain de tension dans ce circuit est fixé par les valeurs de deux résistances, et rien de plus.

C'est un avantage pour la production en série de circuits électroniques :si des amplificateurs à gain prévisible peuvent être construits en utilisant des transistors de valeurs très variées, cela facilite la sélection et le remplacement des composants. Cela signifie également que le gain de l'amplificateur varie peu avec les changements de température. Ce principe de contrôle de gain stable par le biais d'un amplificateur à gain élevé « dompté » par une rétroaction négative est élevé presque à une forme d'art dans les circuits électroniques appelés amplificateurs opérationnels , ou amplis-op . Vous pourrez en savoir plus sur ces circuits dans un chapitre ultérieur de ce livre !

AVIS :

• Commentaires est le couplage de la sortie d'un amplificateur à son entrée.
• Positive , ou régénérative La rétroaction a tendance à rendre un circuit amplificateur instable, de sorte qu'il produit des oscillations (AC). La fréquence de ces oscillations est largement déterminée par les composants du réseau de rétroaction.
• Négatif , ou dégénérative la rétroaction a tendance à rendre un circuit amplificateur plus stable, de sorte que sa sortie change moins pour un signal d'entrée donné que sans retour. Cela réduit le gain de l'amplificateur, mais a l'avantage de diminuer la distorsion et d'augmenter la bande passante (la gamme de fréquences que l'amplificateur peut gérer).
• Une rétroaction négative peut être introduite dans un circuit à émetteur commun en couplant le collecteur à la base, ou en insérant une résistance entre l'émetteur et la terre.
• Une résistance de « rétroaction » émetteur-terre se trouve généralement dans les circuits à émetteur commun en tant que mesure préventive contre l'emballement thermique .
• La rétroaction négative a également l'avantage de rendre le gain de tension de l'amplificateur plus dépendant des valeurs de résistance et moins dépendant des caractéristiques du transistor.
• Les amplificateurs à collecteur commun ont beaucoup de rétroaction négative, en raison du placement de la résistance de charge entre l'émetteur et la terre. Ce retour explique le gain de tension extrêmement stable de l'amplificateur, ainsi que son immunité contre l'emballement thermique.
• Le gain de tension pour un circuit à émetteur commun peut être rétabli sans sacrifier l'immunité à l'emballement thermique, en connectant un condensateur de dérivation en parallèle avec l'émetteur « résistance de rétroaction ».
• Si le gain de tension d'un amplificateur est arbitrairement élevé (des dizaines de milliers ou plus) et qu'une rétroaction négative est utilisée pour réduire le gain à des niveaux raisonnables, on constatera que le gain sera approximativement égal à R_feedback /R_dans . Les changements de transistor β ou d'autres valeurs de composants internes auront peu d'effet sur le gain de tension avec un retour en fonctionnement, résultant en un amplificateur stable et facile à concevoir.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les amplificateurs BJT de classe A