Les classes de fonctionnement des amplificateurs électroniques sont un système de lettres utilisé pour caractériser les amplificateurs électroniques. Ce classement assigne une lettre pour chaque schéma d’amplificateur électronique.

Ces classes sont définies par la relation entre la forme du signal d’entrée et celle du signal de sortie et par la durée pendant laquelle un composant actif est utilisé lors de l’amplification d’un signal, Encyclopædia Universalis, 2008. Sur le siteuniversalis.fr, consulté le 18 novembre 2008.. Cette durée est mesurée en degrés ou en pourcentage d’un signal sinusoïdal test appliqué à l’entrée de l’amplificateur, 100 % ou 360 degrés représentant un cycle completPascal Bareau, , Techniques de l'ingénieur – Électronique, éd. Techniques de l'ingénieur, Paris, novembre 2001 , vol. 1, E 310, E-310-1 à E-310-12, chap. 4 : , 7-9. . David Su, , Atheros Communications, Sunnyvale, California, in IEEE Local Chapter, 2002, 4-5-6/41. Sur le site ewh.ieee.org, consulté le 18 novembre 2008..

Il arrive que l'on décrive un amplificateur contenant plusieurs étages amplificateurs de classes différentes par une seule classe. Dans ce cas, cette classe décrit uniquement le fonctionnement de l'étage de sortie de l’amplificateur.

Introduction À l'origine, les classes d'amplificateurs permettaient de connaître la façon dont était polarisé le tube électronique servant à amplifier un signal (classe A, B, AB et C). Par la suite, cette façon de distinguer la polarisation a été reprise pour les transistors. Avec l'arrivée des amplificateurs à découpage, d'autres classes ont été ajoutées, qui permettent d'inclure les solutions techniques modernes utilisées pour amplifier un signal (classe D, E, etc.)..

vignette|Caractéristiques idéalisées d'un transistor bipolaire.

La nécessité de polariser un composant amplificateur (tube ou transistor) vient de leur forte non-linéarité ainsi que de leur unilatéralité en courant. Par exemple, un transistor bipolaire ne commence à conduire qu'au-dessus d'une tension base-émetteur de seuil (voir la caractéristique sur la figure ci-contre). Pour que le transistor amplifie (la courbe ), il faut donc lui imposer une tension supérieure à cette tension de seuil. La tension de sortie est fixée par la droite de charge qui n'est pas représentée sur le graphique ci-contre car dépendante du montage utilisé.

Afin de pallier ces défauts, on « polarise » le composant amplificateur. La polarisation fixe son état au repos (lorsque l'on ne lui applique aucun signal). Le choix de ce point de repos influence beaucoup le comportement du composant lors de son fonctionnement. Les classes d'amplification permettent de connaître la façon dont il a été polarisé et donc d'avoir des informations sur les caractéristiques de l'amplificateur global.

vignette|Vue des zones où le signal est utilisé pour les différentes classes d'amplificateurs. Pour les amplificateurs linéaires, chaque classe définit la proportion du signal d’entrée qui est utilisée par chaque composant actif pour arriver au signal amplifié (voir figure ci-contre), ce qui est aussi donné par l’angle de conduction aDans le cas des classes AB et C, l'angle de conduction dépend de l'amplitude du signal d'entrée. : Classe A La totalité du signal d’entrée (100 %) est utilisée (a = 360°). Classe B La moitié du signal (50 %) est utilisée (a = 180°). Classe AB Plus de la moitié mais pas la totalité du signal (50–100 %) est utilisée (180° < a < 360°). Classe C Moins de la moitié (0–50 %) du signal est utilisée (0 < a < 180°).

Pour les amplificateurs « à découpage », le composant amplificateur est utilisé en commutation, il est soit bloqué (aucun courant ne le traverse), soit saturé (la tension à ses bornes est quasiment nulle). Son angle de conduction est donc nul. Pour les amplificateurs à découpage, les classes servent à distinguer les technologies utilisées et non plus l'angle de conduction.

vignette|Schéma d'un montage émetteur commun. Dans ce qui suit, afin de simplifier les illustrations, un transistor bipolaire est utilisé comme composant amplificateur, mais il peut être remplacé par un transistor à effet de champ ou un tube. Le montage utilisé ici pour illustrer les classes linéaires est un montage dit « émetteur commun »Si on utilise un transistor à effet de champ, on parle alors de source commune. (voir figure ci-contre). Toujours pour des raisons de simplification, il sera représenté sans son circuit de polarisation (les résistances et ) et ses condensateurs de liaison et . Enfin, la fréquence du signal appliquée en entrée sera supposée suffisamment grande pour considérer que le condensateur de découplage « court-circuite » la résistance .

Les caractéristiques du transistor bipolaire utilisé pour illustrer l'article sont des caractéristiques idéalisées. Les caractéristiques du transistor sont représentées en bleu, les différents signaux en rouge et la droite de charge du montage en vert. En pratique, les composants actifs ne sont pas aussi linéaires et ces non-linéarités sont à l’origine de distorsions dans le signal de sortie. Afin de réduire ces distorsions, on a généralement recours à différentes formes de contre-réaction.

Classe A Dans un amplificateur de classe A, le ou les composants actifs sont toujours en conduction. Ces amplificateurs amplifient tout le signal d’entrée, limitant ainsi les distorsions sur le signal de sortie. Ils n’ont pas un bon : ils dissipent une puissance constante quelle que soit l'amplitude du signal d'entrée. Ainsi, ces amplificateurs atteignent leur rendement maximum lorsque l'amplitude du signal de sortie est aux limites de ce que peut fournir l'amplificateur. Le rendement maximum d'un amplificateur de classe A dépend de la topologie du montage utilisé : le rendement maximum théorique de ces amplificateurs est de 50 % dans le cas d'une liaison par transformateur, de 25 % dans le cas d'une liaison directe et entre 6 % et 25 % pour une liaison capacitive....

centré|200px|Amplificateur de classe A. centré|200px|Fonctionnement en classe A pour un transistor bipolaire. Amplificateur de classe A. Fonctionnement en classe Apour un transistor bipolaire.En vert la droite de charge.

Pour un montage à émetteur commun, une polarisation en classe A signifie que les tensions de repos et ont été choisies de façon que l'amplificateur ne sature pas (n'écrête pas le signal) lorsqu'on lui applique un signal d'entrée d'amplitude maximale. Le point de polarisation est généralement choisi plus important que le strict minimum afin de travailler dans la partie la plus linéaire possible des caractéristiques du composant amplificateur..

Un montage à émetteur commun est un montage à liaison capacitive. En classe A, la puissance qu'il absorbe est constante et vaut :

Avec la tension d'alimentation et le courant de polarisation. La puissance fournie à la charge dépend de l'amplitude du signal de sortie :

Avec la valeur efficace de la tension de sortie et la valeur efficace du courant de sortie. La puissance maximale dont on peut disposer en sortie est obtenue lorsque le courant et la tension de sortie sont aux limites de ce que l'amplificateur peut fournir. L'amplitude crête-crête de la tension de sortie ne peut dépasser tandis que celle du courant est limitée par Si le courant demandé dépasse , l'amplificateur fonctionne alors en classe AB..

Le calcul du rendement maximum nous donne :

Ce calcul n'est valable que si la droite de charge statique et la droite de charge dynamique sont confondues. En réalité, lors du régime dynamique, la charge se trouve reliée en parallèle avec la résistance du collecteur ( sur la figure ci-contre) augmentant ainsi (en valeur absolue) la pente de la droite de charge dynamique () par rapport à celle de la droite de charge statique () si la valeur de est suffisante pour shunter en régime dynamique. Avec un tel montage, l'amplitude crête-crête est forcément inférieure à diminuant ainsi le rendement maximum du montage.

En raison de leur faible rendement, les amplificateurs de classe A sont généralement utilisés pour faire des amplificateurs de petite puissance.. Pour un amplificateur classe A de forte puissance, les pertes énergétiques deviennent très importantes. Pour chaque watt délivré à la charge, l’amplificateur dissipera, au mieux, un autre watt. Les classe A de puissance importante ont besoin d’alimentations de très forte puissance mais aussi de larges dissipateurs thermiques afin d'évacuer l’énergie perdue.

Les amplificateurs de classe A sont généralement utilisés pour réaliser des étages préamplificateurs, des amplificateurs audio, des amplificateurs hautes fréquences à large bande ainsi que des oscillateurs hautes fréquences.. Bien que la majorité des amplificateurs audio utilisent un étage de sortie de structure classe B, certains audiophiles considèrent que ce sont les amplificateurs de classe A qui donnent la meilleure qualité sonore, de par leur linéarité.

Classe B Les amplificateurs de classe B n’amplifient que la moitié du signal d’entrée. Dans les applications basse fréquence, travaillant en bande de base, ils créent beaucoup de distorsion, mais leur rendement est élevé. Dans les applications haute fréquence, dans lesquelles une fréquence porteuse est modulée dans une relativement faible proportion, la distorsion harmonique est facilement filtrée, le premier harmonique d'amplitude importante étant le 3. Le rendement maximum théorique d'un amplificateur de classe B est de 78,5 %, mais le rendement des amplificateurs réels ne dépasse pas les 70 %..

centré|200px|Amplificateur de classe B. centré|200px|Fonctionnement en classe B pour un transistor bipolaire. Amplificateur de classe B. Fonctionnement en classe Bpour un transistor bipolaire.

Pour un montage à émetteur commun, une polarisation en classe B signifie que la tension de repos a été choisie égale à la tension de seuil de conduction du transistor (voir figure ci-contre). Ainsi, tout signal négatif apposé à la base du transistor l'amènera en dessous de son seuil de conduction et ne sera pas amplifié. A contrario, tout signal positif amènera le transistor dans la zone linéaire de sa caractéristique et sera donc amplifié.

Pour un montage à émetteur commun polarisé en classe B et dont tous les composants sont considérés comme parfaits, la puissance fournie à la charge est :

La puissance absorbée se calcule de la façon suivante :

Le rendement s'exprime de la façon suivante :

Le rendement est maximum quand vaut :

vignette|droite|Amplificateur de classe B push-pull. Les amplificateurs de basse et moyenne fréquence sont souvent réalisé avec des configurations dites « push-pull ». Ce montage associe deux éléments amplificateurs fonctionnant en classe B en parallèle sur la sortie : un pour amplifier la partie négative du signal et un second pour sa partie positive.. La totalité du signal étant amplifiée, les montages push-pull possèdent un taux de distorsion plus faible que les amplificateurs classe B « de base » tout en gardant un bon rendement. Les montages push-pull souffrent, sans contre-réaction, d’une discontinuité de signal aux alentours de la tension nulle. Ce phénomène s’appelle la distorsion de croisement. Pour cette raison, la plupart des amplificateurs audio utilisent plutôt des montages push-pull en classe AB, bien qu'ils puissent être rangés en classe B par certains auteursDouglas Self, afin de les distinguer de ceux pour lesquels la classe A couvre une part très importante de l'utilisation réelle..

On retrouve des amplificateurs de classe B de type push-pull dans l'étage de sortie des amplificateurs continu utilisés dans : les boucles d'asservissement linéaire, les générateurs de fonction, les amplificateurs en circuits intégrés., ainsi que dans l'étage de sortie de la majorité des amplificateurs audio..

Classe AB