Une approche de la contre-réaction

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Message  œdicnème Lun 4 Mar 2024 - 11:03

Suite à ce post de février :
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1. Généralités sur le  fonctionnement d'un transistor bipolaire
¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨
Les composants actifs en électronique, transistors ou tubes ont une caractéristique commune :
ils ont une électrode qui, en alternatif, reproduit assez fidèlement la tension appliquée à leur
électrode d'entrée.

Pour les transistors bipolaires auxquels se limite ce qui suit, cette électrode a pour nom
l'émetteur (E), les deux autres étant la base (B, entrée du signal à exploiter) et le collecteur (C) .

C'est une diode qui joint la base et l'émetteur. La différence de tension à ses bornes, Vbe,
détermine le courant qui la traverse (Ib) ainsi qu'en grande partie, le courant de collecteur (Ic).

Le courant d'émetteur (Ie) est la somme des courants Ib et Ic.
Il existe des équations valables sur plus de 9 décades pour estimer de près le courant
d'émetteur (Ie). Une des plus élémentaires et la plupart du temps largement suffisante
est celle du modèle Ebers-Moll, dont les paramètres sont aisément trouvables.  

Ie est souvent décrit comme dépendant de Ib et d'un gain appelé beta (β) égal donc à Ic/Ib.
β  dont la valeur est irrégulière avec le courant, la température et d'un transistor à l'autre,
même s'ils proviennent d'un même lot de fabrication, ne rend pas prévisible le comportement
d'un transistor bipolaire.    

Un élément important d'un transistor est la résistance intrinsèque de son émetteur
appelée 're' (sans R majuscule) car elle se comporte comme une résistance variable avec le courant.
Elle est proche de 26 Ω pour 1 mA de courant continu d'émetteur. Pour un courant d'intensité différente,
il suffit de multiplier ou diviser ces 26  Ω par la nouvelle valeur de cette intensité, par exemple,
pour Ie = 6 mA, 're' = 26 / 6 = 4.3 Ω environ.

§


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Message  œdicnème Lun 4 Mar 2024 - 11:04

2. L'émetteur suiveur
¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨
Notes.  Sauf indication contraire, les tensions sont exprimées relativement à la masse (0 V),
laquelle est confondue avec le pole '-' de l'alimentation. Les tensions et courants continus
des figures sont indiquées en bleu. Pour des raisons de communication, les indications figurant
relatives sur les schémas sont en anglais.  
DC (Direct Current) = courant continu.
AC (Alternative Current) = courant alternatif.
Ld (Load) = charge.


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Cette première image est la simulation d'un transistor monté en suiveur de tension.

En continu
Pour simplifier le schéma,  la polarisation du circuit dépend de la source de tension  
continue Vbb1 en série avec la source de signal. En pratique, elle se réalise à partir
de l'alimentation avec trois résistances et un condensateur.  Le courant continu
traversant le transistor est dit courant de repos, celui du collecteur (Ic1) a été réglé
pour  6 mA.

En alternatif
L'émetteur recopie la tension de base pour l'appliquer, via la résistance intrinsèque
're' et donc avec une petite perte, à la charge constituée d'une résistance RLd1.  

On considère souvent que l'émetteur avec sa charge constitue une contre-réaction locale.
Le gain de l'émetteur suiveur est toujours légèrement inférieur à 1.

Sur cet exemple, pour 50 Hz, 1 V  appliquée à la base,
la simulation donne sur l'émetteur une tension Ve de 984.3 mV
qui entraîne un courant Ie1 de 3.281 mA dans la charge RLd1.
La distorsion harmonique en Ve est de 0.41 %.

§


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Message  œdicnème Lun 4 Mar 2024 - 11:06

3. Contre-réaction avec le circuit Sziklai (T3, T4)
¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨
C'est le circuit avec contre-réaction globale le plus simple qui soit.
Il joue le même rôle qu'un simple transistor en émetteur suiveur
tel que vu précédemment, mais il présente une impédance plus élevée
en entrée, plus faible en sortie et avec une moindre distorsion.

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En continu,
le courant de collecteur Ic3 du transistor d'entrée T3 a été réglé à 1 mA
en agissant sur Vbb3. Ce courant alimente la charge Rc3 qui est en parallèle
avec la diode interne (base-émetteur) du transistor T4. Celui-ci débite
à son tour du courant, un peu supérieur à 5 mA, dans la résistance RLd3.

En alternatif,
les tensions de la base et de l'émetteur de T3 et donc de la charge RLd3  
sont en phase (0°) avec le signal d'entrée.
La phase se retrouve est inversée (rotation angulaire de π soit 180°)
au collecteur de T3 puis et à nouveau inversée au collecteur de T4,
donc en phase avec les signaux à l'entrée et sur l'émetteur.  
Le courant Ic4 du collecteur de T4 alimente la charge RLd3 et
"prend en grande partie" la place du courant Ic3 de l'émetteur de T3
qui diminue donc, mais non le courant qui alimente RLd3
ni Ve3 qui augmente légèrement      
Le distorsion harmonique est de Ve3 est maintenant de 0.039%.

C'est l'effet de la contre-réaction
La tension base-émetteur du transistor d'entrée est passée de 15.67 mV
(émetteur suiveur) à 2.264 mV (paire Sziklai).
Ce qui se passe, c'est que, pour l'émetteur de T3, la charge RLd3 est "allégée",
comme si la résistance de RL3 avait augmenté
Cela a tout d'un "bootstrap", autrement dit,
c'est indubitablement une contre-réaction positive.

Le tableau comparatif montre l'amélioration des performances
qu'apporte le circuit Sziklai par rapport à au simple émetteur suiveur
vu dans le post précédant.


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Message  œdicnème Lun 4 Mar 2024 - 11:07

4. Contre-réaction avec gain en tension
¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨
Le troisième circuit reprend  le circuit Sziklai (avec un changement de la nomenclature
des composants) en insérant une résistance Rf de 600 Ω entre le collecteur du second
transistor (T6) et la charge de Rg de 300 Ω de l'émetteur du transistor d'entrée (T5).

Le courant Ic6 reste contrôlé par T5 mais est soumis à une résistance plus élevée,
proche de 600 + 300 = 900 Ω qu'avec le circuit Sziklai.

La tension Vc6 au collecteur de T6 est maintenant 2.946 V
soit près de ce que donne  le calcul  du gain en tension

(Rf + Rg) / Rg = (600 + 300) / 300 = 3

La tension d'entrée Vg1 est amplifiée de presque trois fois.

NB. Rf et Rg sont les abrégés anglo-saxons de "Feedback Resistor" et
"Ground Resistor", très utilisés dans les documents traitant de contre-réaction.

NB. Le courant d'émetteur du transistor d'entrée est généralement de 1 à 3 mA
pour les amplificateurs de puissance et de 0,1 à 0.3 mA pour les circuits
pour faibles signaux (préamplificateurs).

Conclusion provisoire
¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨
Les circuits contre-réactionnés habituels avec gain égal ou supérieur à 1 ne sont
que des sophistications élaborées autour du transistor d'entrée, T5 étant le dernier
dans cette petite approche.

Aussi complexes que puissent être ces sophistications,  le cœur du fonctionnement
ne dépend que d'un seul transistor ou de deux,  un NPN et un PNP, exceptionnellement
plusieurs en parallèle, ayant le même rôle, quand on recherche le plus faible bruit possible.  
Les amplificateurs à base de tubes ou de transistors à effet de champ (FET) fonctionnent
selon le même principe.


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Message  œdicnème Lun 4 Mar 2024 - 11:10

On a vu qu'une contre-réaction, précisée parfois comme étant négative,
a un lien avec un bootstrap considérée comme une contre-réaction positive.
Une approche pratique en est proposée ici qui peut aider à comprendre
le "double jeu" d'une contre-réaction telle que montrée par les précédents posts.  

Exemple de fonctionnement d'un bootstrap
¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]

Au sein d'un circuit électronique, un bootstrap consiste  à reproduire
une tension en un point à faible impédance en un autre point en amont .

Les amplificateurs à transistors des années entre 1960 et 1990 ont
beaucoup utilisé les bootstraps pour augmenter la résistance de
charge  apparente de leur principal étage de gain en tension.  

Une partie d'un tel circuit est présentée par le présent schéma.

En  alternatif
¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨
La tension d'entrée du signal apparait entre la base et l'émetteur de T1,
et commande le courant de son collecteur, Ic1. T1 ayant son émetteur
à la masse est en configuration dite "émetteur commun".

La charge du collecteur de T1 comprend ici principalement deux résistances
3.9 kΩ en série, Rc11 et Rc12.

Le courant Ic1 fait naître à la borne basse de Rc12 une tension que la base
de T2 (qui est en configuration émetteur suiveur) reproduit sur son émetteur.  

Le condensateur  C2 ne joue un rôle que lorsque le commutateur est en sur "on".
Il reproduit à son tour alors la tension Ve2 de l'émetteur de T2  au point commun
à Rc11 et Rc12.
La tension de 1.645 V à la broche basse de RC12 est donc reproduite deux fois
de suite et se retrouve fort proche sur la broche haute avec 1.635 V.      

Le bootstrap, réalisé par le condensateur quand il est en fonction,
fait que la différence de potentiel alternative aux bornes de Rc12  est faible.  
De 'off' à 'on', elle passe alors de 129.1 mV à 16.81 mV et
la charge "apparente" du collecteur de T1  de 7.545 kΩ à 133.7 kΩ.

L'action du bootstrap a fait augmenter la tension Vc1 au collecteur de T1
(et base de T2) de 258.2 mV à 1.650 V, soit un gain de 6.39 = 16.1 dB.

§


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Message  œdicnème Sam 9 Mar 2024 - 0:24

Suite à ce post de février
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voici une approche pratique de la contre-réaction.
Questions et commentaires bienvenus.
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Message  banzai Jeu 14 Mar 2024 - 7:22

Intéressant de constater que ce sujet (que nous avons débattu pour certains) ne trouve aucun écho sur le sens technique auprès d'une certaine audience... Très intéressant. Merci en tout cas pour ce sujet Wink

Bien cordialement
banzai
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Message  œdicnème Ven 15 Mar 2024 - 10:27

banzai a écrit:Intéressant de constater que ce sujet (que nous avons débattu pour certains) ne trouve aucun écho sur le sens technique auprès d'une certaine audience... Très intéressant. Merci en tout cas pour ce sujet Wink
Bien cordialement
Merci, cela fait plaisir d'avoir, disons plutôt de recevoir, enfin un post pour ce fil.

A ce jour, 284 visites, comptons-en quelques unes de l'auteur, et une seule "réaction".

Autrefois, les échanges techniques étant courants.
Maintenant les discussions portent surtout sur
"ceci c'est meilleur que cela" (ou "moins bon" )
"c'est plus cher ou ça l'est moins", etc.

Bref on se préoccupe du prix des appareils et des composants, de leurs
éventuelles qualités ou défauts subjectifs avec des adjectifs
peu en rapport avec les caractéristiques objectives
...
dont on a toujours besoin en conception et en construction.

On dédaigne (à la limite parfois de la détestation)
ce qu'est la technique pure et simple

Le but de ce fil post visait à montrer la simplicité d'un aspect
technique fondamental que l'on rencontre constamment
en électronique audio.

La différence avec ce qui se fait pratiquement tout le temps, c'est de
présenter en priorité quelques exemples simples plutôt
que de monter des schémas que l'on peut qualifier d'abstraits
(voir exemple ci-dessous) et d'aborder la pratique dans un second
temps, ce qui est vraiment peu didactique
.

[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]
Vous y pigez quelque chose, comme ça à froid ?
Rencontré partout, et pourtant bien critiquable, car - et oui -
qu'est-ce qui est contrôlé dans ce circuit "théorique" ?


Qu'en pensez-vous ?
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Message  g2fl Ven 15 Mar 2024 - 11:09

Bonjour,
Le circuit montré le 4 à 11h06 n'a pas besoin d'une appellation nouvelle. C'est un classique, appelé quelques fois Darlingnot.

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Message  œdicnème Ven 15 Mar 2024 - 16:41

g2fl a écrit:Bonjour,
Le circuit montré le 4 à 11h06 n'a pas besoin d'une appellation nouvelle. C'est un classique, appelé quelques fois Darlingnot.
On trouve l'appellation "darlingnot" sous la plume de Hiraga
pour la sortie de son premier classe A dont on trouve l'article
et le schéma ici
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Ce faisant, il faisait une erreur de conception en confondant
le petit bout de circuit qu'est un darlington et l'exploitation
qui en est faite, sur l'émetteur du deuxième transistor.

Le circuit de mon post n°4 est une portion simplifiée
des amplificateurs comme il y a eu des millions de fabriqués.
N'y sont pas représentés l'étage d'entrée avec contre-réaction,
et l'étage de sortie qui comporte plus d'un transistor que celui de T2.
Le gain en tension principal est du au transistor T1.
Le circuit fonctionnerait  très bien sans le condensateur Ce2
mais Ce2 permet d'augmenter nettement le gain.

[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]

Un exemple d'un amplificateur très simple est celui du class A
de Linsley Hood où l'on retrouve avec les transistors Tr3 et Tr2
et le condensateur C1 la structure du post n°4 avec ses T1 et T2
et son condensateur Ce2.

[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]

Cet  amplificateur de Linsley-Hood est un énorme succès auprès
des amateurs. Aujourd'hui 9595 posts à son propos ici :  
2002   [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
2024   [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]


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Message  g2fl Ven 15 Mar 2024 - 17:15

Alors, où est la nouveauté qui justifie une appellation spécifique comme "Sziklai"?
Ce n'est pas le circuit qui interpelle, il est tellement courant. Ce n'est pas sa description qui est pédagogique, bien assortie à l'item "debutants". Mais cette désignation de circuit de...machin.
L'originalité est-elle dans une autre partie d'un schéma plus vaste? Si c'est le cas, mon interrogation est nulle et non avenue.

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Message  g2fl Ven 15 Mar 2024 - 17:24

L'amplificateur de Lindsay-Hood est un OTL à transistors. Le condensateur "de bootstrap" a un rôle plus complexe autour du déphaseur à charge répartie (cathodyne ailleurs).

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Message  g2fl Ven 15 Mar 2024 - 17:47

Mon interpellation se voulait brève. Désormais elle encombre. Je la retire. Vraiment désolé.

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Message  œdicnème Ven 15 Mar 2024 - 19:33

Extrait de  
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien] :
Le transistor Darlington a été inventé en 19533 par un ingénieur des laboratoires Bell : Sidney Darlington.

Extrait de  
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
La paire de Sziklai, aussi connue sous le nom de paire composée, pseudo-Darlington ou darlingnot, est un montage électronique combinant deux transistors de types différents (NPN et PNP).

Le nom provient de son inventeur George Clifford Sziklai, hongrois exilé aux USA et auteur de 160 brevets. Le circuit qui a fait sa renommée est apparu vers 1955.
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Message  g2fl Ven 15 Mar 2024 - 23:08

Darlington nous est resté. L'autre, pas. Ingratitude!
Face à 160 brevets au compteur, ma remarque était déplacée. Elle a au moins eu le mérite de rendre hommage à la mémoire de Sziklai.

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Message  œdicnème Sam 16 Mar 2024 - 0:57

g2fl a écrit:Darlington nous est resté. L'autre, pas. Ingratitude!
Si l'on donne à une configuration particulière le nom de son inventeur,
pour quoi ne ferait-on pas de même pour une autre configuration
que l'on estime de la même famille ?
On ne voit pas souvent la configuration Darlington appelée autrement.
Par contre, la configuration Sziklai (expression tout de même
très utilisée dans le monde) prend parfois un autre manteau :  
- "complementary feedback pair" (CFP) chez Douglas Self
(qui cite tout de même un certain "Szilaki");
- "circuit compound", adjectif à la fois français et anglais,
dans la littérature française, telle celle de R. et J.-P. Brault
dans leur ouvrage "Amplificateurs hi-fi à transistors" (1974).
Perso, je préfère Sziklai, mot court à l'orthographe pas si simple
et à la première syllabe musicalement sifflante.


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Message  Thierry38+ Sam 16 Mar 2024 - 4:05

L'amplificateur de Lindsay-Hood est un OTL à transistors. Le condensateur "de bootstrap" a un rôle plus complexe autour du déphaseur à charge répartie (cathodyne ailleurs).

Oui, le condo de bootstrap permet un courant constant pour le transistor "du push"
et une CR classique.
pas de déphaseur, la tension Vbe est sur une courbe expo. pour le courant.

Il ne faut pas voir le schéma comme un push-pull.
c'est un pur classe A.

J'avais construit la version de la revue "LED", ça chauffait...( 1.5 A de repos, sous +- 25V...)
ci dessous, il monte à 2A sous +-22V (88W par canal,)
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Message  œdicnème Sam 16 Mar 2024 - 10:56

Thierry38+ a écrit:Il ne faut pas voir le schéma comme un push-pull. c'est un pur classe A.
Une classe s'applique d'abord à un transistor (ou tube)  
Chaque branche d'un push-pull a une classe.
Elles peuvent être toutes les deux en classe A
mais pas nécessairement, par exemple :

Wireless Word Juin 1973  P.L. Taylor "Audio Power Amplilier"
dont un écho avec schémas a été donné en français :  
Revue du Son  Novembre 1974 "Un nouveau circuit amplificateur de puissance"
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
NB. Aux pages suivantes de ce lien, on trouve l'extraordinaire exploitation
que l'on peut faire de l'idée de Taylor.

(Dans la même revue qui a change de nom)
Electronics World April 1998 Michael Renardson  "Class-B in a New Class".
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Message  Thierry38+ Sam 16 Mar 2024 - 12:36

Oui, pour les classes de fonctionnement,
c'était juste pour le JLH, un peu trompeur de prime abord.

c'est du "single ended" avec source de courant sur le transi du haut (le push ).

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Message  œdicnème Dim 17 Mar 2024 - 12:26

Un pas vers de la concret

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Sauf indication contraire les tensions sont référées à la masse.

La tension V1 du signal à amplifier arrive (via le condensateur
de 0.5 µF qui empêche le passage de courant continu) à la base
du transistor PNP d'entrée Tr4.

Les résistances de 39 kΩ (ou 22 kΩ), R6 (100 kΩ), R6 (100 kΩ
à ajuster) et le condensateur de 100 µF servent à régler la polarisation
en continu  de Tr4 de façon à ce que son émetteur (et donc la sortie du
circuit) soit à peu près à la moitié de la tension d'alimentation.
Cela permet d'avoir la plus grande amplitude possible des signaux
en sortie.  

La tension entre base et émetteur est d'environ 0.65 V en continu.
En alternatif, elle est au cœur la contre-réaction : elle la commande.

Le courant de collecteur de Tr4 produit une tension sur la résistance
de 8.2 kΩ et la base de T3. Cette tension commande le courant qui
traverse T3.

Au collecteur de T3, les deux résistantes R1 et R2 et le condensateur
de boostrap C1 font "croire" au courant de collecteur de Tre3 que la
résistance de sa charge est plus élevée qu'elle ne l'est en réalité.

La tension qui en résulte est appliquée à la base de Tr2, qui, en
émetteur suiveur, la "reproduit" sur son émetteur et donc en sortie.  

La résistance d'émetteur de Tr3 recopie la tension du collecteur
de Tr4 sur la base de Tr1 qui est en "émetteur commun".
La courant qui apparaît sur le collecteur de Tr1 est d'impédance
élevée mais elle n'est pas constante contrairement à des schémas
un peu similaires où ce transistor est commandé par une tension
constante et devient de ce fait une source de courant constant.

Le condensateur Ce2 isole la charge ZL (un haut-parleur) du continu.
Attention, gros oubli : il manque une résistance d'environ 1 kΩ reliée
à la masse en aval du condensateur. Sinon, on peut avoir droit à un gros
"cloc" au branchement des haut-parleurs. On ne laisse pas un
condensateur de sortie "en l'air".

La sortie de l'amplificateur (avant Ce2) est reliée par un "réseau
de contre-réaction" (R3, R4, Ce3) à l'émetteur du transistor d'entrée Tr4.

C3 empêche que le réseau soit parcouru par un courant continu important.
La tension de sortie est divisée par R3 + R4 / R4 valeur qui détermine
à peu près le "gain dit en boucle fermée" de l'amplificateur, soit environ
13 fois ici.

Si l'on met à la masse en alternatif (avec un condensateur de valeur élevée)
l'émetteur de Tr4, il n'y a plus de "contre-réaction globale". Le gain du circuit
est alors important, il est dit "en boucle ouverte".  

On arrive maintenant au morceau délicat et peu compris du fonctionnement de
la contre-réaction.

A suivre.
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