Technique Chapitre 7 A mplificateurs, oscillateurs, mélangeurs

1. Le cours de F6KGL présenté par F6GPX TechniqueChapitre 7Amplificateurs, oscillateurs, mélangeurs Ce diaporama est le complément du fichier Tech07.mp3 enregistré le 17/05/13 et disponible sur : http://f6kgl.free.fr/mp3/Tech07.mp3 http://www.f6kgl-f5kff.fr

2. 7-1) classes d'amplification • La tension de repos est la tension en l’absence de signal à l’entrée du circuit. Cette tension définit la classe d’amplification (ou de polarisation). Il en existe 3 : • Classe A • montage linéaire et très courant • la tension de repos est centrée sur le signal • rendement faible (30% maxi) • déphasage du signal de 180° • Classe B • utilise deux transistors qui amplifient chacun une alternance du signal. • rendement moyen (50%) • encombrant et difficile à régler • nécessite des transistors appairés et/ou complémentaires (PNP/NPN) Voir pages CNFRA (Radio-REF nov. 2012)ici Montage en collecteur commun, amplification en classe A

3. 7-1) classes d'amplification • Classe C • montage peu courant (CW, FM) • fort rendement (80% et +) • génère un fort niveau d’harmoniques • seule une partie du signal est amplifiée le reste du signal est restitué par le circuit oscillant de sortie accordé sur la fréquence du signal d’entrée • Classe AB • très répandue en Hi-Fi dans les étages de puissance, moins en HF • la tension de repos est inférieure à celle de la classe A, ce qui augmente le rendement de l’amplificateur sans trop détériorer sa linéarité • AB1 : pas d'absorption du courant de l'étage précédent amplificateur à haute impédance, utilisé en HF suivi d’un filtre • AB2 : absorption d’une partie du courant de l'étage précédent, utilisé en HF comme les montages en classe C (CW, FM) • classe D (impulsion à largeur variable) : non utilisée par les RA • Autres classes : se basent sur les principes d’une des 4 classes de base (A, B, C ou D)

4. 7-2) résistance de charge • La résistance de charge est le dispositif normalement utilisé pour récupérer les variations de tension aux bornes de sortie du transistor. Cette résistance est responsable déphasage de 180° du montage en émetteur commun. • Le graphique donnant les paramètres de fonctionnement du transistor et du montage détermine la tension de sortie en fonction de la tension d’entrée.

5. 7-3) liaisons entre les étages • Les différents étages d'un montage peuvent être liés de différentes manières • En direct, le collecteur est relié à la base du transistor de l'étage suivant • Mais ce montage reste peu utilisé • Pour éviter des problèmes de niveau de tension, • en courant continu • une ou plusieursdiodes sont rajoutées en série • en courant alternatif • un condensateur en série séparera les étages • afin d’adapter des impédances, la liaison par transformateur est utilisée

6. 7-4) amplificateur RF (radio fréquences) • L’amplificateur RF amplifie de la HF. Il est constitué de filtres HF (circuit bouchon) et de circuits spécifiques : • sur l’alimentation • condensateur de découplage • bobine de choc • liaison par transformateur (adaptation des impédances) • résistance de contre-réaction • protection contre l’emballement thermique

7. 7-4) amplificateur RF (radio fréquences) • Malgré les précautions prises, il arrive souvent qu'un amplificateur RF ne soit pas linéaire. Dans ce cas des distorsions se produisent : le signal de sortie n’est plus identique (proportionnel) à celui d’entrée. • Distorsion de fréquences • selon sa fréquence, le signal de sortie n'est pas proportionnel au signal d'entrée : • dans notre exemple, les fréquences élevées sont moins amplifiées que les fréquences basses. • mais l’inverse peut se produire • ou encore le cas où une bande de fréquence est plus (ou moins) amplifiée que les autres • ce type de distorsion ne génère pas trop de problèmes

8. 7-4) amplificateur RF (radio fréquences) • Distorsion harmonique (ou d’amplitude) • s'il n'existe qu'une fréquence en entrée, plusieurs signaux harmoniques (en général 2F et 3F, et parfois plus) seront présents en sortie à des niveaux plus faibles • Le taux de distorsion harmonique (TDH, en %) est le rapport obtenu en divisant • la tension du signal parasite • par la tension du signal désiré. • On doit donc définir la tension parasite (2F ou 3F dans l’exemple ci-contre) • Lorsque l’on parle de « taux de distorsion harmonique total », on prend en compte l’ensemble des signaux parasites et, dans ce cas, on n’additionne pas leur tension mais on retient pour les signaux parasites : U = (2F² + 3F² + …)

9. 7-4) amplificateur RF (radio fréquences) • Les signaux parasites sont produits par la déformation du signal d’entrée (saturation lors de l’amplification des alternances de sortie positives comme ci-dessous) après son passage dans l’amplificateur. Voir pages CNFRA dans Radio-REF - avril 2010 (types de distorsions) : ici - juin 2009 (distorsions quadratiques) : ici Décomposition du signal de sortie Signal d’entrée Signal de sortie Signal d’entrée amplifié harmonique généré signaux en phase (+) signaux en déphase (-)

10. 7-4) amplificateur RF (radio fréquences) • Distorsion quadratique (ou distorsion d’intermodulation) • l’amplificateur non linéaire se comporte en partie comme un mélangeur générant des produits du second ordre (ou produits quadratiques). • Si on applique deux fréquences • F1 et F2 à l’entrée de cet étage • non linéaire, on trouvera en sortie : • F1 et F2 (c’est normal pour un amplificateur), • 2xF1 et 2xF2 (comme l’amplificateur à distorsion d’amplitude) • et les mélanges « classiques » F1 + F2 et F1 – F2 (ou F2 – F1). • Distorsion cubique • Un circuit amplificateur génère des distorsions cubiques (ou distorsions du 3ème ordre) lorsque les mélanges font intervenir trois fois les fréquences présentes à l’entrée : • 3F1, 3F2, • 2F1+F2, 2F1-F2, 2F2+F1 et 2F2-F1

11. 7-4) amplificateur RF (radio fréquences) • Exemples : • A l’entrée d’un amplificateur non linéaire générant des distorsions quadratiques, les fréquences 1 kHz et 100 kHz sont présentes. Quelles sont les fréquences en sortie ? • Même question avec 99 et 100 kHz • L’amplificateur génère à présent des distorsions cubiques. Quelles sont les fréquences en sortie (avec toujours 99 et 100 kHz) ?

12. 7-5) oscillateurs • Un oscillateur est un circuit générateur de signaux sinusoïdaux de fréquence calculée. Il existe des oscillateurs • à fréquence fixe (à quartz) (VXO) • à fréquence variable commandés • mécaniquement avec un condensateur variable (VFO), • par la variation de tension sur une diode Varicap (VCO) • électroniquement • avec un synthétiseur (PLL) • et plus récemment DDS • Le fréquencemètre mesure la fréquence d’un signal en comptant les périodes pendant une durée de référence connue et stable. • Plus cette durée est longue, plus l’affichage de la fréquence mesurée est fin. • La précision de l’instrument dépend de l’oscillateur générant la durée de référence.

13. 7-5) oscillateurs • Le quartz se trouve à l’état naturel sous forme de cristaux de silice (SiO2). Le composant nommé quartz est constitué • d'une lamelle de roche de quartz coincée entre les deux plaques d'un condensateur. • schéma • le courant circule à vitesse très réduite dans le quartz (environ 5700 m/s) • la fréquence dépend donc de l’épaisseur de la lamelle utilisée • Les quartzs fonctionnent grâce à l'effet piézo-électrique du matériau. • si une pression est exercée sur le quartz, des charges électriques y apparaissent. • inversement, si une tension est appliquée à ses faces, la lame se dilate ou se contracte selon la polarité appliquée.

14. 7-5) oscillateurs • Autopsie d’un Quartz • Boîtier • Pattes de connexion • Cadre de maintien • Plaques (condensateur) • Lame de Quartz • Ressort de compression • Isolant (bakélite)

15. 7-5) oscillateurs • Les schémas fonctionnels ne sont pas au programme de l’examen. Seuls les schémas de principe du PLL et du DDS sont au programme. Les principaux montages sont : • Hartley • Clapp • Colpitts • Un oscillateur fonctionne grâce à la réinjection en phase d’une partie du signal amplifié sur l’entrée du circuit. • Les facteurs affectant les conditions de stabilité des oscillateurs sont : • les variations de la tension d’alimentation, • les variations de température des composants (en particulier des transistors et des quartz) • les défauts de blindage des boîtiers contenant le montage (effet de main). Voir les schémas détaillésde ces montages sur le cours de F6KGL

16. 7-5) oscillateurs • Analyse du schéma synoptique d’un PLL (de l’anglais : Phase Lock Loop, boucle à verrouillage de phase) • Principe de fonctionnement • Notions complémentaires : • diviseur logique • oscillateur de référence • comparateur de phase

17. 7-5) oscillateurs • Analyse du schéma synoptique d’un DDS (de l’anglais : Direct Digital Synthesis, synthèse digitale directe) • Principe de fonctionnement • Notions complémentaires : • algorithme • échantillonnage • crénelage • théorème de Nyquist

18. 7-6) multiplicateurs de fréquences • Un multiplicateur de fréquence est un circuit amplificateur RF monté en classe C (générateur de très fortes distorsions harmoniques) dont le filtre de sortie est accordé sur un des harmoniques de la fréquence d'entrée : • x 2 • x 3 • ou x 5 maximum • nombre entier • si la fréquence doit être multipliée par 9, deux multiplicateurs par 3 seront montés à la suite l’un de l’autre. • le spectre d'un signal passant par un multiplicateur est modifié : • en FM, l’excursion du signal est augmentée mais le signal reste « démodulable » • en AM ou en BLU, seules les crêtes du signal sont amplifiées (montage en classe C) ce qui rend le message incompréhensible.

19. 7-6) multiplicateurs de fréquences • Exemple : quel est l’étage marqué ?

20. 7-7) mélangeurs • Un mélangeur est un circuit multiplicateur de tension: • l’amplificateur n’est pas linéaire et la distorsion particulière du circuit (distorsion quadratique) nous permettra de récupérer en sortie un mélange de fréquences. • le filtre de sortie sélectionne une des deux fréquences. • soient F1 et F2 deux fréquences présentes aux entrées du mélangeur. • à la sortie du mélangeur, deux fréquences sont générées : • Fmax = F1 + F2 (somme) • Fmin = F1 – F2 (différence) • pour trouver F1 et F2 à partir des fréquences de sortie : • F1 = (Fmax + Fmin) / 2 • F2 = Fmax – F1

21. 7-7) mélangeurs • Le schéma du mélangeur n’est pas à connaître pour l’examen Voir le schéma fonctionnel sur le cours de F6KGL • Si le mélangeur ne multiplie pas exactement les tensions présentes à son entrée, on trouvera à la sortie : • les mélanges « classiques » F1 + F2 et F1 – F2 (mélanges du 2nd ordre) • mais aussi : • les fréquences F1 et F2 et leurs harmoniques (distorsions harmoniques) • S’il n’y a que les harmoniques 2 (2xF1 et 2xF2), ce sont des distorsions quadratiques (qui sont une forme de distorsion harmonique) • ainsi que d’autres combinaisons comme par exemple • [(2 x F1) + F2] ou [(2 x F1) – F2] (mélanges du 3ème ordre ou distorsions cubiques, une autre forme de distorsion harmonique). • Les mélangeurs équilibrés ont des caractéristiques particulières Voir article CNFRA sur ces mélangeurs dans Radio-REF de février 2009 : ici

22. 7-7) mélangeurs • Exemple 1 : à l'entrée d'un mélangeur, on a 5 MHz et 8 MHz. Quelles fréquences trouve-t-on à la sortie du mélangeur ? • Exemple 2 : à la sortie d'un mélangeur, on a 2 MHz et 22 MHz. Quelles sont les fréquences d’entrée du mélangeur ?

23. Chapitre 7Le montage de la soirée • Présentation d’un amplificateur décamétrique de 1 kW fonctionnant avec deux tubes en parallèle montés en classe AB, grilles à la masse (équivalent à « base commune ») Circuit d’entrée et neutrodynage Relais de commutation Les deux tubes Sélecteur et bobines du filtre en Pi Ampli décamétrique Bobines de choc

24. Le cours de F6KGL était présenté par F6GPX Bonne chance à tous les candidats et à bientôt sur l’air73 de F6GPX Jean-Luc Retrouvez-nous tous les vendredis soir au Radio-Clubde la Haute Île à Neuilly sur Marne (93) F5KFF-F6KGL ou sur 144,575 MHz (FM) ou encore sur Internet. Tous les renseignements sont sur notre site Internet http://www.f6kgl-f5kff.fr