Amplification: gain, préamplificateur, amplificateur de puissance, amplificateur opérationnel

Les amplificateurs sont essentiels pour traiter et conditionner les signaux électriques, que ce soit en audio, en instrumentation ou dans de multiples systèmes électroniques. L’amplification se caractérise par un gain permettant d’augmenter la tension ou le courant d’un signal faible. Le préamplificateur traite les signaux de très faible amplitude, tandis que l’amplificateur de puissance est conçu pour délivrer des niveaux élevés de courant ou de tension. Enfin, l’amplificateur opérationnel (AOP) est un composant extrêmement polyvalent, utilisé pour réaliser des fonctions variées telles que l’amplification, le filtrage et la conversion.

Principes généraux de l’amplification

Définition : Le gain d’un amplificateur se définit couramment comme le rapport entre la valeur de sortie et la valeur d’entrée. Mathématiquement, on peut l’exprimer par : \[ A_v = \frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}. \] De même, un gain en courant peut être spécifié selon : \[ A_i = \frac{I_{\text{out}}}{I_{\text{in}}}. \]

Les coûts d’installation, la linéarité, la plage de fréquences et l’efficacité énergétique sont des facteurs importants dans le choix d’un circuit d’amplification. Les transistors à effet de champ (MOSFET) et bipolaires (BJT) sont souvent utilisés pour concevoir ces systèmes.

Gain et schémas de configuration

Un amplificateur peut être configuré selon plusieurs schémas : émetteur commun, base commune, collecteur commun pour les BJT ; drain commun, grille commune, source commune pour les MOSFET. Ces choix influencent le gain en tension et en courant, ainsi que l’impédance d’entrée et de sortie. Les techniques de contre-réaction (feedback) permettent d’ajuster le gain et d’améliorer la stabilité du circuit.

Configuration fixe du gain : la rétroaction est déterminée par un réseau de résistances.
Configuration ajustable : un potentiomètre ou un composant variable peut modifier le préamplificateur ou le gain global.
Configurations spécifiques pour filtrage, oscillation ou égalisation.

Schéma	Caractéristique	Utilisation typique
Émetteur commun (BJT)	Gain élevé	Amplification de tension générale
Source commune (MOSFET)	Gain modéré, forte impédance d’entrée	Circuits de commutation, audio

Préamplificateur et amplificateur de puissance

Le préamplificateur agit en amont pour relever les signaux de faible amplitude (capteurs, microphones) à un niveau intermédiaire sans dégradation significative du rapport signal/bruit. L’amplificateur de puissance fournit l’énergie nécessaire pour piloter des charges plus exigeantes (haut-parleurs, moteurs). Dans certains cas, on isole les étages de préamplification de ceux de puissance pour réduire les interférences et optimiser l’efficacité globale.

Étape d’amplification	Niveau de sortie	Application
Préamplificateur	Signal de quelques volts maximum	Traitement des signaux sensibles
Amplificateur de puissance	Tension ou courant élevés	Entraînement de haut-parleurs

Amplificateur opérationnel et applications

L’amplificateur opérationnel (AOP) est un composant différentiel à très fort gain. On le modélise souvent par : \[ V_{\text{out}} = A \left( V^+ – V^- \right), \] où \(A\) est le gain interne très élevé. En pratique, on utilise une contre-réaction pour fixer le gain et la bande passante. Les AOP servent à réaliser des filtres, des comparateurs, des sommateurs ou encore des intégrateurs. Leur polyvalence et leur simplicité de mise en œuvre en font des éléments clés dans la majorité des systèmes d’amplification: gain, préamplificateur, amplificateur de puissance, amplificateur opérationnel.

Exemple 1 : Supposons que nous souhaitions amplifier un signal audio d’une amplitude de quelques millivolts pour l’enregistrer. Un préamplificateur basé sur un AOP dans une configuration non-inverseuse est utilisé. La formule du gain est \[ A_v = 1 + \frac{R_f}{R_e}, \] où \(R_f\) est la résistance de rétroaction et \(R_e\) la résistance entre l’entrée inverseuse et la masse. Avec un signal d’entrée de 5 mV et un gain de 100, on obtient 0,5 V en sortie, suffisamment élevé pour un enregistrement fiable. Ce principe est largement employé pour traiter les signaux de microphones, de guitares électriques et de divers capteurs à faible amplitude. La qualité du gain et la linéarité sont primordiales pour obtenir une reproduction sonore fidèle.

Exemple 2 : Imaginons la conception d’un amplificateur de puissance pour un haut-parleur de 8 Ω. On peut utiliser un étage de sortie push-pull, alimenté en ±15 V, pour délivrer quelques watts de puissance maximale. En calculant la puissance selon \[ P = \frac{V^2}{R_{\text{charge}}}, \] on dimensionne la tension admissible et le courant nécessaire au transistor de sortie. Un préamplificateur peut être inclus en amont pour ajuster le niveau d’entrée, tandis qu’un AOP fonctionnant sous un gain modéré assure la compensation en fréquences et la limitation de distorsion. Ce type de montage est courant dans les systèmes audio professionnels ou domestiques, où la fidélité et la dynamique doivent être préservées même à des niveaux sonores élevés.