Techniques de Polarisation BJT : Maîtriser les Amplificateurs Classes A, B, AB, C et D

Lors de la section sur l'émetteur commun de ce chapitre, une simulation SPICE a révélé une sortie redressée à demi-onde : le transistor n'est pas resté dans sa région active pendant la moitié du cycle d'entrée. Pour préserver la forme d'onde complète, une faible tension de biais a été introduite, maintenant le transistor en mode actif tout au long du cycle. Cette tension de biais est essentielle pour de nombreuses classes d'amplificateurs.

Dans certains scénarios, une sortie à demi-onde est intentionnelle. Certaines applications requièrent une classe de fonctionnement spécifique — désignée par les lettres A, B, C ou AB — où l'amplificateur ne reproduit qu'une partie de la forme d'onde d'entrée. Voici un aperçu concis de chaque classe.

Vue d'Ensemble des Classes d'Amplificateurs

Classe A

En Classe A, le transistor conduit pendant tout le cycle d'entrée, n'atteignant jamais la coupure ni la saturation. Un biais DC place le transistor exactement à mi-chemin entre la coupure et la saturation, centrant le signal AC entre les limites hautes et basses de l'amplificateur. Cela produit une reproduction fidèle de la forme d'onde d'entrée.

Classe B

Les amplificateurs Classe B ont été les premiers à utiliser une configuration émetteur commun sans biais DC. Le transistor conduit pendant seulement la moitié du cycle, produisant une sortie à demi-onde. Bien qu'un seul étage Classe B soit rarement utile, un couple push-pull — deux transistors complémentaires — gère séparément les demi-cycles positif et négatif. Combinés, ils recréent la forme d'onde complète tout en offrant une puissance de sortie plus élevée et une dissipation thermique réduite comparé à la Classe A.

Classe AB

La Classe AB se situe entre les Classes A et B. Le transistor conduit pendant plus de 50 % mais moins de 100 % du cycle, équilibrant linéarité et efficacité. En polarisant la base légèrement plus négativement qu'en Classe A, le transistor passe moins de temps en coupure, tout en évitant la distorsion sévère de la Classe B pure.

Classe C

Le fonctionnement en Classe C conduit pendant moins d'un demi-cycle (<180°). Bien que la sortie soit fortement écrêtée, l'association de l'amplificateur avec un circuit accordé résonnant (LC parallèle) permet aux « coups » de l'amplificateur de soutenir une oscillation haute fréquence. Cette configuration est idéale pour les émetteurs RF à fréquence fixe, comme la radio FM, où un rendement de puissance élevé est primordial.

Classe D

Les amplificateurs Classe D diffèrent fondamentalement : le transistor de sortie est piloté uniquement en coupure ou en saturation, produisant une onde carrée haute fréquence dont le rapport cyclique correspond à l'amplitude d'entrée. Après filtrage passe-bas, la sortie approxime étroitement la forme d'onde originale. Cette topologie minimise la dissipation thermique et atteint un rendement très élevé, la rendant courante dans les applications audio haute puissance et les onduleurs industriels.

Courant de Repos et Lignes de Charge

Le courant de repos est le courant stable qui circule lorsque l'entrée est nulle. En Classe A, il équivaut à la moitié du courant de saturation ; les Classes B et C ont un courant de repos nul ; la Classe AB se situe juste au-dessus de la coupure. Une ligne de charge — traçant la tension collecteur-émetteur contre le courant de collecteur — illustre le point de fonctionnement du transistor pour une résistance de charge donnée. Pour la Classe A, le point de repos se trouve au milieu de la ligne de charge, assurant un fonctionnement linéaire et évitant la saturation.

Polarisation Pratique avec Diviseurs de Tension

L'utilisation d'une batterie séparée pour fournir le biais est impraticable car la tension de la batterie dérive avec le temps. À la place, un diviseur de tension sur l'alimentation principale peut générer le biais requis. Par exemple, avec une alimentation de 15 V, en choisissant R₂ = 8,466 kΩ et R₃ = 1,533 kΩ, on obtient 2,3 V aux bornes de R₃. Cependant, placer l'entrée AC directement aux bornes de R₃ court-circuiterait la tension de biais. Un condensateur de couplage entre la source de signal et le diviseur bloque le DC tout en laissant passer l'AC, permettant un biais correct.

L'analyse par superposition montre que la composante AC passe à travers le condensateur vers R₃, tandis que le diviseur DC reste isolé pendant le biais. Le biais résultant est d'environ 2,3 V DC plus le signal AC de 1,5 V, comme souhaité.

Simulation SPICE de l'amplificateur polarisé par diviseur :

 voltage divider biasing vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 8466 r3 5 0 1533 q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

La simulation initiale montre une distorsion due au chargement du diviseur de tension par la base du transistor. L'ajustement de R₂ et R₃ (par exemple, R₂ = 6 kΩ, R₃ = 4 kΩ) restaure le biais de 2,3 V et élimine la distorsion.

 voltage divider biasing vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 6k <--- R2 decreased to 6 k r3 5 0 4k <--- R3 increased to 4 k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

Points Clés à Retenir

• Classe A – Conduction cycle complet ; reproduction fidèle de la forme d'onde ; forte dissipation thermique.
• Classe B – Conduction demi-cycle ; efficace en push-pull ; adapté à l'audio haute puissance.
• Classe AB – Hybride ; équilibre linéarité et efficacité.
• Classe C – Ultra-efficace pour RF fréquence fixe ; nécessite circuit accordé résonnant.
• Classe D – PWM haute fréquence ; dissipation en mode actif minimale ; excellent rendement pour audio et onduleurs industriels.
• Le biais via diviseurs de tension avec condensateurs de couplage est préférable aux batteries externes pour la stabilité.

Fiches d'Exercices Connexes

• Fiche d'exercices Circuits de Polarisation Transistor Bipolaire
• Fiche d'exercices Amplificateurs BJT Classe A
• Fiche d'exercices Amplificateurs BJT Classe B
• Fiche d'exercices Théorie Jonction Bipolaire (BJT)