6.1 Comment simuler un amplificateur ?
Sommaire
6.1.1 Comment modéliser un transistor ?
6.1.2 Comment simuler un amplificateur ?
6.1.3 Simulation de quelques schémas d'amplificateur
6.1.4 Quelle stabilité thermique pour un amplificateur bipolaire en classe B ?
6.1.1 COMMENT MODÉLISER UN TRANSISTOR ?
Afin de décrire le comportement d'un composant électronique, des modèles sont proposés.
Ces modèles servent ensuite de base aux logiciels de simulation.
Une bonne simulation, c'est-à-dire une simulation représentative d'un aspect de la réalité, c'est d'abord des bons modèles !
Malheureusement, les modèles proposés par les fabricants de semi-conducteurs sont parfois éloignés de la réalité.
Voir, par exemple, cette comparaison à propos du MJL3281A :
http://andyc.diy-audio-engineering.org/spice_models_1.htm
Pour représenter le transistor bipolaire, Ebers-Moll ont proposés un modèle en 1954 avec 12 paramètres.
Ce modèle a été amélioré en 1970 par Gummel-Poon qui ont rajoutés 41 paramètres.
Depuis d'autres modèles sont apparus : VBIC, Modella, Mextramdella...
http://www.simucad.com/products/analog/spicemodels/spicemodels_book_hires.pdf
Le modèle Gummel-Poon (GP) est probablement le modèle le plus utilisé.
Les équations et paramètres de celui-ci sont détaillés ici :
http://virtual.cvut.cz/dynlabmodules/ihtml/dynlabmodules/semicond/node48.html
http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/rottinger/node61.html
La difficulté consiste à calculer les coefficients du modèle à partir de données expérimentales. Une méthode est détaillée ici :
http://www.idea2ic.com/PlayWithSpice/pdf/G%20U%20M%20M%20E%20L%20-%20P%20O%20O%20N.pdf
Des utilitaires existent pour cette "extraction des paramètres Spice" à partir des fiches techniques des fournisseurs de composants.
Citons comme exemples de logiciel :
- le Spice Model Wizard d'Altium :
- la feuille Excel d'Analog Services :
http://www.analogservices.com/excel.htm
- le SpiceMod d'Intusoft :
http://www.intusoft.com/spicemod.htm
- le programme Model de Micro-Cap :
http://www.micro-cap.co.uk/feature.asp?prod=feature024&Go=Go
- le Model Editor de PSpice / Orcad :
http://www.youspice.com/spice-modeling-of-a-bjt-from-datasheet/2/
- le programme MODPEX :
http://www.modpex.com/index.html
- le Parameter Extractor de Tina :
http://www.designwareinc.com/parext.htm
- le ModelMaker de Those Engineers :
http://www.those-engineers.co.uk/modelmaker
Certains de ces logiciels ont été comparés dans le cadre de l’exploitation de la fiche technique du transistor 2SB649 afin d’extraire les paramètres Spice représentatifs des courbes Vbe(Ic), hFE(Ic), Vce(Ic) et fT(Ic) :
La principale conclusion est que, avec les mêmes données d’entrée, les paramètres obtenus sont très variables en fonction du logiciel utilisé.
Cette variabilité a probablement deux origines :
- l’algorithme d’optimisation est plus ou moins performant,
- les équations du modèle G-M sont plus ou moins simplifiées. En clair, tous les logiciels n’utilisent pas les mêmes équations !
On notera également la difficulté rencontrée par ces logiciels pour représenter l'effet du courant Ic sur fT.
Compte-tenu de ce contexte, j'ai souhaité modéliser les fiches techniques des fournisseurs de composants avec une méthode de ce type :
http://www.spicemodel.com/modelingservice.html
La première étape consiste à automatiser le processus de numérisation des fiches techniques afin d'obtenir des tableaux de valeurs Vbe(Ic), hFE(Ic), etc...
Un bon outil gratuit pour cette opération, signalé par Jean-Luc Paillard sur [son-qc], que je remercie, est Engauge Digitizer :
http://digitizer.sourceforge.net/
A partir de la datasheet de Siemens des BF420/BF422 :
http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/siemens/BF422.pdf
Il a été déterminé les paramètres Spice IS, NF, ISE, NE, BF, CJC, VJC, MJC, CJE, TF...
La feuille de calcul utilisée pour cette modélisation est disponible ici :
6.1.2 COMMENT SIMULER UN AMPLIFICATEUR ?
L'objectif du tutoriel proposé est de faciliter la conception d'un amplificateur grâce à la simulation.
Le logiciel utilisé est la version de démonstration de Micro-Cap 9.0.1 :
http://www.spectrum-soft.com/index.shtm
Le fichier de simulation, qui a servi de support à ce tutoriel, est :
Il s'agit d'un schéma basé sur le 20W classe A de Jean Hiraga pour l'étage d'entrée :
http://www.tcaas.btinternet.co.uk/hiraga3f.htm
et sur le 8W de l'Audiophile pour l'étage de sortie :
http://www.tcaas.btinternet.co.uk/monster27f.htm
Le tutoriel :
Je remercie chaleureusement Neptune pour ses remarques constructives :
http://www.abcelectronique.com/forum/showthread.php?t=33984&page=1&pp=10
On pourra également se reporter à cet exemple de simulation d'un amplificateur audio :
http://www.ecircuitcenter.com/Circuits_Audio_Amp/Basic_Amplifier/Basic_Audio_Amplifier.htm
(MAJ le 20/01/2016)
Un aspect important de la simulation concerne le choix des modèles Spice.
Prenons un exemple avec ce schéma d'un amplificateur sans contre-réaction globale.
Les modèles utilisés viennent de Cordell Audio
http://www.cordellaudio.com/book/Cordell-Models.txt
La version 10 de Micro-Cap permet d'afficher assez simplement le taux de distorsion total (DHT) + le bruit (N) en fonction de la puissance dissipée dans la charge:
Pour une puissance dissipée dans la charge de 10W, la DHT+N est égale à 0,48%.
Si on remplace le modèle de Cordell Audio du 2SK1056 par le modèle de Icap régulièrement présenté sur les forums:
http://www.diyaudio.com/forums/solid-state/22756-looking-lateral-mosfet-spice-models.html
En conservant le même courant de repos d'environ 150 mA, la DHT+N passe à 1,92% @10W !
Se pose alors la question: Parmi ces deux modèles, lequel est le plus représentatif ?
Pour un MOSFET, une caractéristique importante est la courbe Id(Vds) qui, pour le 2SK1056, se présente sous cette forme:
http://documentation.renesas.com/doc/products/transistor/rej03g0906_2sk1056ds.pdf
Les équations représentant l'influence de Vgs sur Id font intervenir les paramètres Spice RS, RD, KP, W, L, LAMBDA et VTO:
Vds* = Vds - (RS+RD)*Id
Id = KP/2*W/L*(1+LAMBDA*Vds*)*(Vgs*-VTO)^2 dans la zone VTO < Vgs* < Vds*
soit Vgs* = VTO + racine(Id/(KP/2*W/L)/(1+LAMBDA*Vds*))
Vgs = Vgs* + RS*Id
http://www.prenhall.com/howe3/microelectronics/pdf_folder/lectures/mwf/lecture12.fm5.pdf
La comparaison de la courbe Id(Vgs) à 25°C du constructeur Renesas avec les simulations utilisant les modèles de Cordell Audio et Icap donne ceci:
Le fichier Excel ayant servi a faire ce graphe est disponible ici:
2SK1056_Renesas_Cordell_Icap.xls
Il apparaît clairement que le modèle de Cordell Audio est davantage représentatif des données du constructeur que celui d'Icap !
MAJ le 27/09/2020
La dernière version 12 de Micro-Cap est maintenant gratuite !
6.1.3 SIMULATION DE QUELQUES SCHÉMAS D'AMPLIFICATEUR
Une discussion animée sur le thème de la conception des amplificateurs a démarré en Septembre 2003 sur Delphi intitulée "Choix ampli pro d'occas?" :
http://forums.delphiforums.com/HAUTE_FIDELITE/messages?msg=11860.1
Une autre discussion intéressante sur le même thème a démarré en Mai 2005 sur le forum Audax avec pour titre "ampli sono en hifi" :
http://www.audax.fr/forum/read_mess.php3?id=37377
Suite à ces échanges, j'ai ouvert le sujet "Concours conception ampli" afin de permettre à chacun de participer en présentant son schéma favori.
La première campagne de juin 2005 - septembre 2005 :
http://www.audax.fr/forum/read_mess.php3?id=38061
La deuxième campagne de janvier 2006 - juin 2006 :
http://www.audax.fr/forum/read_mess.php3?id=49046
La troisième campagne de septembre 2006 - avril 2007, dédiée à des montages originaux.
Ces campagnes de simulation sont résumées ici :
Une synthèse des résultats des simulations se trouvent ici :
La note attribuée prend en compte la linéarité, la stabilité thermique, la réjection de l'alimentation, la stabilité sur charge capacitive et le dégradé du spectre de distorsion.
Ce dernier critère utilise des coefficients de pondération inspirés d'une publication de Klippel :
http://www.klippel.de/download/bin/AN7 - Weighted Harmonic Distortion (HI-2).pdf
L'intérêt de ce concours est ses vertus didactiques, c'est à dire la mise en évidence des particularités, des points forts et des points faibles de chaque schéma.
Le classement proposé est un des classements possibles. Chacun peut obtenir son propre classement en utilisant ses propres critères.
A l'occasion de ces simulations, un autre débat a été ouvert par Jimmy "JIM" Thomas à propos du son de la distorsion :
http://www.audax.fr/forum/read_mess.php3?id=55162
http://www.stereophile.com/reference/406howard
http://jimmy.thomas.free.fr/temp/EUPHONIE/HIRAGA/Harmonie_THD_Hiraga.htm
Par ordre d'apparition sur le forum Audax, les circuits simulés sont :
1. Le Jean-Marc Plantefeve 30W paru dans la RDS217
2. Le schéma de Selem
-> stabilité modeste sur charge capacitive
3. Le schéma type Kanéda de Faugeras
-> réjection modeste de l'alimentation
4. Le 8W classe A de la revue l'Audiophile n°27
-> linéarité modeste
5. Le schéma avec ampli OP AD746 de l'Audiophile n°32 de mars 95
-> puissance faible (0,8W) et très grande linéarité
6. Le schéma type John Linsley Hood de la revue LED n°2
7. Mon schéma du 60W classe AB
et sa variante un peu plus linéaire sans différentiel au 1er étage
8. Le schéma de Christophe
-> stabilité thermique modeste
9. Le 50W Compact de la revue Elektor n°227
-> stabilité thermique modeste et très grande linéarité
10. Le schéma en pont avec ampli OP de la revue LED n°165
-> taux de distorsion H3 élevé
11. Le schéma de base de Mike Renarson
-> stabilité thermique modeste
12. L'amplificateur PSS 600 de PSS Audio
-> fonctionnement en classe B et réjection de l'alimentation modeste
13. Le Palimpseste de Jean-Michel Le Cléac'h
-> simplicité (4 transistors), bonne linéarité et impédance de sortie assez élevée
14. Le Dartzeel
-> linéarité volontairement limitée
15. Le Zenquito évolution de Jean-Marc Plantefeve
-> distorsion un peu élevée, réjection alimentation modeste
16. Le Mosquito de Jean-Marc Plantefeve
-> performances globalement meilleures que celles du Zenquito
Jean-François "JFG67" Gros a réalisé une variante classe A de ce montage en augmentant le courant de repos (3x0,11 -> 3x0,42A) et en diminuant la tension d'alimentation (+/-50 -> +/-42V), ce qui se traduit par une amélioration sensible de la linéarité.
17. Le Son of Zen de Nelson Pass
-> simplicité (3 transistors), consommation importante (375 W!) et impédance de sortie élevée
18. Le JBL SA660
-> bonne linéarité, très faible impédance de sortie, mauvaise stabilité sur charge capacitive
19. Le schéma de Jimmy Thomas
-> puissance modeste (8,6W/5.5ohm) mais performances exceptionnelles grâce à l'utilisation d'un OP134 en amplificateur de tension
20. L'intégré première génération de l'Artec ARTP70 Signature
-> bonnes performances générales
21. Le TriphonII/Profet commercialisé par Selectronic
-> simplicité (4 transistors), linéarité et réjection alimentation modestes et impédance de sortie élevée
22. Le schéma de l'ampli 60W dont 30W en classe A de François Mastroianni
-> bonne linéarité mais instable sur charge capacitive
23. Le LFA-50 "Optim-A" d'Elektor
-> bonne linéarité et bonne stabilité thermique mais instable sur charge capacitive
24. Le Shabda de Jean-Michel Le Cléac'h
-> bon rapport performances/simplicité et impédance de sortie élevée
25. Le schéma de Hervé Lebbolo
-> distorsion essentiellement H2, bonne stabilité thermique
26. Le 20W de la Nouvelle Electronique
-> performances dans la moyenne après modifications
27. Le Bryston 9B-SST
-> bonne linéarité
28. Le Dalix A260
-> simplicité (4 transistors), mauvaise réjection de l'alimentation et impédance de sortie élevée
29. Le Vander Elst PX701
-> bonne réjection de l'alimentation mais distorsion élevée constituée d'harmoniques impaires
30. Le Denon PMA-S10II
-> excellentes performances
31. Le Jager
-> stabilité thermique remarquable
32. Le Ian Hugglun
-> simplicité, performances modestes
6.1.4 QUELLE STABILITÉ THERMIQUE POUR UN AMPLIFICATEUR BIPOLAIRE EN CLASSE B ?
Sur le forum Delphi, un commentaire de Pierre Lacombes illustre les problèmes attendus de dérive thermique pour un étage de sortie bipolaire à faible courant de repos :
http://forums.delphiforums.com/HAUTE_FIDELITE/messages?msg=11860.77
Douglas Self traite, dans son livre Audio Power Amplifier Design Handbook 3nd edition p.339, l'effet d'un échelon de chaleur à dissiper sur l'évolution de l'erreur de polarisation.
Sa principale conclusion est : "This shows that a temperature sensor mounted on the main heatsink can never give accurate bias compensation for jonction temperature".
Douglas Self propose alors d'installer le transistor capteur de température directement sur le boitier du transistor de puissance.
Le transistor P utilise parfois une puce plus grande que celle du transistor N. Il faut alors installer le transistor capteur de température sur la puce la plus grande ayant une résistance thermique jonction - boitier un peu plus faible.
Mes propres simulations du fonctionnement thermique d'un amplificateur classe B à étage de sortie bipolaire montrent que :
- il est difficile de stabiliser le courant de repos,
- le fait de coller le transistor multiplicateur de Vbe sur le transistor de puissance plutôt que sur le radiateur n'améliore pas de façon significative le problème,
- si le courant de repos est réglé à chaud, celui-ci devient insuffisant à froid et génère de la distorsion de croisement.
Equilibre_thermique_ampli_classe_B.pdf
Sanken propose maintenant des darlingtons compensés en température, les SAP15 :
http://perso.orange.fr/jm.plantefeve/sap15n.pdf
Une résistance d'émetteur de 0,22 ohm est intégré au boitier.
Le courant de repos recommandé est de 40mA.
On trouve ces transistors dans les amplificateurs Arcam FMJ A32, Cambridge A300 et A500, Musical Fidelity X150, kW550 et kW750 ainsi que dans le montage d'Elektor paru en juillet 2005 :
