THEORIE OTL ATMAS-PHERE

AMPLIFICATEURS Atma-Sphere

Etude des circuits de base
Par Ralph Karsten

Comme nous fabriquons des amplificateurs OTL, les gens pensent souvent que nous utilisons un modèle conventionnel Futterman. Ce n’est pas le cas. Nos produits sont conçus autour d’une idée directrice : les circuits symétriques présentent par essence une faible distorsion et une excellente stabilité. Nous fabriquons des circuits de sortie sans transformateur qui adoptent cette idée. Cet article à pour but de faire la lumière sur la technologie utilisée. La plupart des circuits utilisés dans nos équipements ont été conçus dans les années 1940 et 1950, officiellement pour des applications militaires. Nous utilisons des amplificateurs différentiels, des amplificateurs cascode et des amplificateur en pont, pour tous les sous ensembles de nos amplificateurs. Nous allons exposer des avantages de chacun, ainsi que la manière dont ils ont été utilisés pour créer notre design symétrique différentiel breveté.
FIG1

LA TRIODE

La triode
Pour comprendre le fonctionnement des circuits plus complexes, il est important de connaître les circuits de base. Le circuit à triode asymétrique montré sur la figure 1, a été utilisé depuis les années 1920 et représente la cellule de base de 99% des préamplificateurs à tubes et de la plupart des amplificateurs utilisés aujourd’hui. Il est étonnant de voir que la plupart des appareils actuels ont été conçus il y a si longtemps.
L’amplificateur à triode dans sa forme de base, utilise peu de composants, a une bonne linéarité (comparée à un circuit à pentode ou à transistor) et a un faible coût. Il est sujet à une dérive due au vieillissement, présente une bonne rejection du bruit et un gain relativement faible. La distorsion peut être considérablement réduite en ajoutant une résistance de cathode, mais au dépend du gain et au prix d’une augmentation de l’impédance de sortie. Pour obtenir des gains plus importants, deux étages peuvent être couplés en tandem par l’adjonction d’une capacité de couplage. Un tel circuit est connu sous le nom d’amplificateur à triode en cascade.

L'AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL

L’amplificateur différentiel
L’amplificateur différentiel est la cellule de base de nos amplificateurs de tension. Les amplificateurs différentiels ont de nombreux avantages par rapport à l’amplificateur asymétrique conventionnel. Les amplificateurs différentiels sont du type symétrique, bien qu’ils ne soient certainement pas les seuls. Un amplificateur différentiel est constitué de deux étages de gain, reliés par leur cathode (ou un autre dispositif d’émission). Cela signifie qu’un amplificateur différentiel possède deux entrées et deux sorties. Tout signal sur l’une des deux entrées de l’amplificateur engendre deux sorties égales mais de sens opposé. Les principaux avantages sont :
Une plus grande immunité de l’alimentation. Les amplificateurs différentiels présentent une charge constante pour l’alimentation. Il en résulte un bruit plus faible dans l’alimentation. L’entrée des amplificateurs différentiels est aussi beaucoup plus résistante au bruit de l’alimentation.
Moins de bruit. L’amplificateur différentiel présente un bruit inférieur d’environ 6 dB par rapport au circuit équivalent asymétrique. Ceci peut être très important pour les étages préamplificateurs des cellules mobiles.
Moins de distorsion. Les amplificateurs différentiels tendent à annuler les distorsions, ce qu’un amplificateur asymétrique ne peut pas faire.
La dérive est réduite grâce au couplage étroit entre les deux moitiés de l’amplificateur. Les caractéristiques dans le temps sont améliorées.
Réjection du bruit. Le taux de réjection de mode commun est la mesure de l’aptitude de l’amplificateur à ne pas amplifier le bruit commun aux deux entrées. typiquement il est supérieur à 55 dB et peut approcher 104 dB dans certaines réalisations pointues.
Il ont aussi quelques désavantages :
Coût plus important. Un amplificateur différentiel nécessite plus de composants. Pour un nombre donné d’étages de gain, les amplificateurs différentiels utilisent 50% de composants supplémentaires.
Plus de complexité. bien que le nombre d’étage de gain demeure identique que ce soit avec les amplificateurs asymétriques ou bien différentiels, les amplificateurs différentiels sont plus exigeants, par exemple, ils nécessitent une alimentation négative supplémentaire.
A l’étude, dans la littérature et en utilisation réelle, les amplificateurs différentiels ont de meilleurs performances, particulièrement du continu à 100 kHz, le domaine audio. En pratique, leur fiabilité égale ou dépasse celle des amplificateurs asymétriques conventionnels s’ils sont conçus correctement

L'AMPLIFICATEUR CASCODE

L’amplificateur cascode
L’amplificateur cascode est une autre méthode d’utilisation de deux triodes dans un seul étage de gain.Dans ce cas la plaque du premier tube est utilisée pour
alimenter la cathode du second tube (en haut), comme sur la figure 3. Le tube du haut est monté comme une source de courant constant qui a pour effet d’agir comme le circuit de la figure 1 avec une résistance de plaque très grande et une tension de plaque très élevée. Dans cette configuration, le gain et la linéarité sont considérablement améliorés par rapport à l’amplificateur à triode de base. Le gain peut atteindre un facteur approchant le carré du gain du tube, ce qui signifie un gain proche de celui d’un circuit à pentode, mais avec une faible distorsion typique des amplificateurs à triode. Les avantages sont les suivants :
Fort gain, comme expliqué ci-dessus.
Faible bruit par rapport au gain développé
Bonne bande passante dans les hautes fréquences. Celle-ci varie avec la capacité parasite et la capacité interne inter électrodes des tubes utilisés.
Faible distorsion, comme expliqué ci-dessus, sans avoir besoin de recourir à de forts courants.
Quantité de composants faible en regard du gain résultant (circuit simple).
Les principaux désavantages sont :
de sortie (que ce soit un tube ou un transistor), l’absence d Impédance de sortie élevée. Il en résulte que certains tubes ne conviennent pas pour un circuit cascode, comme le 12AX7.

L'AMPLIFICATEUR EN PONT

L’amplificateur en pont
Un amplificateur en pont est un type d’amplificateur symétrique possédant certaines propriétés uniques. L’une des plus importante est la possibilité de coupler la sortie de l’amplificateur directement sur n’importe quelle niveau de tension. Ceci signifie qu’un amplificateur en pont peut être utilisé en couplage direct comme préamplificateur ou amplificateur de sortie. Un amplificateur en pont est constitué de deux amplificateurs asymétriques assemblés en pont comme le montre la figure 4. Il possède donc deux entrées, pour un fonctionnement push-pull, comme un amplificateur différentiel. Les avantages de ce circuit sont :
Haute stabilité. Ce type d’amplificateur est extrêmement stable, quelque soit le signal d’entrée ou la charge.
Large bande passante. Comme le nombre de composants utilisés est faible la bande passante n’est limité que par la capacité parasite. Il en résulte que les versions à forte puissance de ce montage ont des réponses convenant aux applications RF.
Fonctionnement symétrique. Voir les amplificateurs différentiels ci-dessus. Les composantes de distorsion peuvent s’annuler dans le circuit de charge.
Haute fiabilité. Même en cas de panne grave d’un élément e composant fragile dans l’étage de sortie empêche que les dégâts ne touchent d’autres pièces que la pièce défectueuse.
Immunité aux variations de l’alimentation et de la charge. Le RADIOTRON DESIGNER’S HANDBOOK (publié par RCA, 4ième édition), décrit ainsi les amplificateurs de sortie en pont : « la régulation des alimentations plaque et filament devient généralement inutile. Elle n’est normalement utilisée que pour les appareils de laboratoire. ». De plus, L’impédance de sortie réduite et la stabilité améliorée permettent à cet amplificateur de fonctionner correctement avec des charges extrêmes, bien que les performances puissent être altérées.
Les désavantages sont :
Coût accru. Dû principalement à :
La nécessité de deux alimentations flottantes indépendantes mais de même valeur.

CONCLUSIONS

Conclusions

Par une combinaison originale des circuits ci-dessus, nous avons créé un circuit à tubes jamais utilisé dans les amplificateurs auparavant : la cascode différentielle. Ce type de circuit possède tous les avantages des amplificateurs cascode et des amplificateurs différentiels, avec moins de composants par rapport à un circuit conventionnel à triode ayant le même gain, et présentant dans le même temps une distorsion et un bruit plus faibles. Ce circuit, ainsi que l’utilisation d’amplificateurs en pont permet à nos préamplificateurs et amplificateurs de fonctionner en différentiel et de manière symétrique de l’entrée jusqu’à la sortie. Nous appelons cette conception Balanced Differential Design.
L’avantage de cette technique est que la distorsion est annulée à chaque étage du circuit, ce qui signifie que chaque étage successif n’amplifie pas cette distorsion. Ceci permet d’obtenir un son beaucoup moins distordu et plus naturel, tout en autorisant un fort gain et un faible bruit. Notre préamplificateur possède la plus forte sensibilité d’entrée phono qu’un préamplificateur à tube ai jamais proposé (jusqu’à 0,07 mV) et cependant le préamplificateur n’est composé que de trois étages de gain. Il en résulte une simplicité ultime, une fiabilité et une musicalité, qui sont la marque de ce type d’amplification. De plus, ATMA-SPHERE MUSIC SYSTEMS a développé une méthode pour réduire encore plus la distorsion dans l’amplificateur en pont, tout en conservant ses avantages normaux. ainsi il est possible de créer un amplificateur avec une distorsion extrêmement faible et une large bande passante, même sans avoir à utiliser la contre-réaction négative. Ceci permet d’améliorer la dynamique ce qui renforce le réalisme.