Distorsion de passage par zéro (Zero-Cross) dans amplificateurs Classe-B/AB
La Distorsion de Passage par Zéro (souvent appelée Distorsion Zero-Cross) est la non-linéarité signature des étages de sortie Classe-B et Classe-AB en push-pull. Elle se produit à l'instant précis où le courant de sortie transitionne entre le dispositif positif (NPI) et négatif (NPN/P-channel).
Cause Racine : La "Zone Morte"
Dans un étage push-pull complémentaire (NPN + PNP, ou N-ch + P-ch MOSFET) :
- Chaque transistor requiert une tension Base-Émetteur minimum (VBE ≈ 0,6–0,7V) ou Grille-Source (VGS(th) ≈ 2–4V) pour conduire.
- Alors que le signal d'entrée passe par zéro, le transistor conduisant s'éteint *avant* que le complémentaire ne s'allume.
- Il existe une fenêtre tension (≈ 1,2–1,4V pour BJT, 4–8V pour MOSFET) où AUCUN dispositif ne conduit.
- La tension sortie reste "coincée" près zéro (tirée par charge/retour) pendant que l'entrée traverse cette fenêtre. La courbe transfert a un pli / encoche à l'origine.
Signature Forme d'onde & Spectrale
- Domaine Temporel : "Plat" ou "encoche" au passage par zéro. Ressemble à onde sinusoïdale à fond plat.
- Domaine Fréquentiel : Génère harmoniques d'ordre impair (3ème, 5ème, 7ème...) — coloration dure, "bourdonnante", "métallique". Plus audible à faibles niveaux sortie (zone morte grand % excursion signal) et hautes fréquences (vitesse passage zone morte plus lente relative à période).
Classe-AB : Le Compromis Pratique
Classe-AB polarise légèrement ON les deux dispositifs sortie au repos (Courant Repos IQ = 10–100mA typique).
- Effet : La "zone morte" est comblée. Les deux dispositifs conduisent simultanément pour petits signaux (région Classe-A).
- Distorsion Résiduelle : Appariement imparfait VBE/VGS, dérive thermique, et gain boucle fini laissent un petit pli résiduel. THD à 1W souvent 0,001%–0,01% (vs 0,1–1% pour Classe-B pure).
- Stabilité Thermique : Exige Multiplicateur VBE (Diode Caoutchouc / Servo Biais) monté sur radiateur transistors sortie pour suivre température et éviter emballement thermique (IQ ↑ → Chaleur ↑ → VBE ↓ → IQ ↑↑).
Techniques Atténuation (Au-delà Classe-AB Basique)
| Technique | Mécanisme | Compromis |
|---|---|---|
| IQ Augmenté (Classe-AB Riche / Classe-A) | Élargit région chevauchement. | Dissipation repos élevée, gros radiateurs, faible rendement. |
| Contre-réaction Globale (NFB) | Réduit distorsion boucle fermée par facteur gain boucle (1+Aβ). | Marges stabilité, TIM (Distorsion Intermodulation Transitoire), limitation slew rate. |
| Contre-réaction Locale / Dégénération Emetteur | Linéarise gm transistor individuel. | Réduit gain, exige plus tension commande. |
| Double Push-Pull / Paire Complémentaire Retour (Sziklai) | β effectif plus haut, meilleur suivi thermique. | Complexité, 4 dispositifs sortie par canal. |
| Feedforward / Correction Erreur | Soustrait distorsion chemin principal. | Complexe, stabilité critique. |
| Biais Glissant / Biais Dynamique | Augmente IQ seulement pendant transitions signal. | Circuit contrôle complexe. |
| MOSFETs VGS Linéarisé | Loi carré → allumage plus doux que BJT exponentiel. | VGS(th) plus haut exige commande plus haute ; MOSFETs latéraux préférés. |
Mesure & Vérification
- Oscilloscope (Mode XY) : Entrée vs Sortie → "Nœud papillon" / pli au centre.
- Analyseur Distorsion / FFT : Sinusoïde 1 kHz, niveau bas (0,1W–1W). Chercher hausse 3ème/5ème harmonique.
- Test Suivi Thermique : Chauffer radiateur → surveiller dérive IQ / changement distorsion.
Point Clé : La distorsion de passage par zéro est une conséquence inévitable de la topologie push-pull complémentaire et de son rendement. Elle est gérée — pas éliminée — par polarisation (Classe-AB), contre-réaction, et conception thermique. Si vous mesurez "zéro" distorsion passage zéro, vous êtes probablement en Classe-A (ou mesurez au-dessus du plancher bruit).