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Technique - Les distorsions


Ce chapitre aurait pu se trouver en complément de l'amplification. Le sujet étant déjà assez vaste, j'ai préféré lui dédier une section complète.
La distorsion est un mal permanent contre lequel nous luttons avec toute notre énergie. La distorsion par exemple va rendre votre modulation très désagréable à écouter, la distorsion va élargir votre spectre d'émission etc. Pour chaque cas nous n'avons pas systématiquement affaire au même type de distorsion.
D'une manière générale, on pourra dire que la distorsion est due aux non linéarités dans les amplificateurs.

A votre droite, l'amplificateur à transistor parfait, le signal de sortie a une forme rigoureusement identique au signal d'entrée. Attention, nous parlons de la forme du signal, pas de son amplitude, c'est évident, nous avons affaire à un amplificateur.

Dans notre cas l'amplitude originelle est multipliée par un facteur A qui est le coefficient d'amplification. (Us = Ue . A  - la tension de sortie Us = tension d'entrée Ue x par coeff d'amplification).

class2.gif (2288 octets)

Bien maintenant prenons un cas extrême nous cherchions à réaliser un amplificateur linéaire (qui restitue intégralement en sortie la forme du signal d'entée), nous avons commis une erreur dans la polarisation et nous obtenons ceci :

Alors là le signal de sortie ne ressemble pas du tout au signal d'entrée. Le signal que vous observez à la sortie comporte une multitude de composants harmoniques non voulus.

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Nous avons vu ici des cas extrêmes, c'était pour les besoins de la démonstration, analysons plus finement maintenant les causes et les résultats de la distorsion.
La distorsion harmonique ou distorsion d'amplitude :

distor1.gif (2666 octets) Bon accrochez-vous pour comprendre ce schéma (je plaisante) car il m'est toujours aussi difficile de tracer des sinus avec Paint.
Voici la caractéristique de transfert d'un transistor. On y voit l'allure du courant de sortie en fonction de la tension d'entrée.
Le signal d'entrée est une sinusoïde parfaitement symétrique que j'ai scindé en deux parties E1 et E2 pour montrer que E1=E2. Il n'y a aucune distorsion dans ce signal.
Une fois amplifié, nous obtenons en sortie un signal composé de S1 + S2.
Et là ce n'est plus la même chose, on voit clairement (du moins je l'espère) que S1 est < à S2. Ceci signifie qu'une alternance, S2 en l'occurrence sera plus grande que l'autre, notre signal sera entaché de distorsion.
Si nous utilisons une toute petite partie de la caractéristique de transfert, le défaut passe pratiquement inaperçu car cette petite portion de la caractéristique peut être assimilée à une droite. En revanche dès que nous utilisons une portion plus grande, càd que nous fonctionnons en grands signaux, le défaut se manifeste de manière flagrante.
On appelle cette distorsion, distorsion d'amplitude car l'amplitude d'une alternance est supérieure à l'autre, on l'appelle également distorsion harmonique et nous allons voir pourquoi.

distor2.gif (2707 octets)

Sur le plan spectral, c'est une véritable catastrophe. Si du point de vue temporel (ce que l'on observe avec un oscilloscope, analyse du signal en fonction du temps) on ne mesurait pas trop la gravité du phénomène, en analyse fréquentielle (ce que l'on observe avec un analyseur de spectre - analyse du signal en fonction de la fréquence) cela devient subitement plus parlant.
Notre signal d'origine qui ne contenait qu'une composante F1 se retrouve en sortie avec naturellement F1 mais aussi 2xF1 et 3F1. On appelle donc cette distorsion aussi du nom de distorsion harmonique, ou distorsion non linéaire (car due aux non-linéarités de l'amplificateur)
Comment calculer le taux de distorsion harmonique ?

Mieux vaut vous prévenir tout de suite, pour réaliser cette opération il faut un peu de matériel de mesure mais il n'empêche que cela est intéressant à connaître. Les amplitudes des harmoniques (à ce propos je rappelle qu'on dit UN harmonique) vont décroissantes en fonction du rang. En d'autres termes H2 > H3> H4 etc.
ll suffit de connaître l'amplitude de la fondamentale est de la comparer aux amplitudes des harmoniques.
Si nous posons U1 la fondamentale (le signal "utile") U2 l'amplitude de l'harmonique 2 et U3 l'amplitude de l'harmonique 3, nous pouvons calculer les taux partiels comme suit :
                                      U2
taux partiel H2 =  ______  x 100
                                      U1
                                         U3
taux partiel H3 =  ________ x 100
                                         U1
Si nous désirons connaître le taux global de distorsion harmonique, nous appliquerons :
distor3.gif (1850 octets)
Tt = taux total
t = taux partiel

La distorsion de fréquence :

Les amplificateurs ont une bande passante dans laquelle ils amplifient  toutes les composantes d'entrée à un niveau égal. Hors bande passante, l'amplification diminue. Voilà ce que cela donne quand on applique un signal complexe à amplifier contenant de nombreuses composantes spectrales.

distor4.gif (2799 octets)

Ce défaut est particulièrement ressentit dans les amplificateurs HI FI qui doivent amplifier des signaux très complexes du point de vue spectral. Ils doivent, pour restituer un son complet, avoir une large bande passante, bien plus importante que la bande passante théorique de l'oreille humaine.

la distorsion de phase:
C'est une distorsion qui déphase les composantes d'un signal complexe. Si le signal d'origine contient un spectre composé d'une fréquence fondamentale et de n harmoniques, la distorsion de phase va déphaser par rapport au signal d'origine, la phase des harmoniques et bien sur altérer le signal. Ceci est toujours dû à la bande passante de l'amplificateur qui dans sa bande passante restitue à peu près convenablement la phase des signaux. Hors bande passante, ce n'est plus le cas d'où apparition de cette distorsion.

La distorsion d'inter modulation (IMD) :

C'est certainement une des plus fréquentes et des plus embêtantes que nous rencontrons dans notre vie de radioamateur car elle affecte aussi bien les récepteurs que les émetteurs. Sur les émetteurs, vous n'y prenez pas garde et vous avez une émission très large ce qui gêne les autres et en réception vous détectez des signaux qui n'existent pas. La chianlit !
A quoi cela est-il du ?
Tout amplificateur, même en classe A, produit des non linéarités car la caractéristique de transfert des éléments amplificateurs (tubes ou transistors) n'est pas une droite. Notez au passage et nous y reviendrons que ce défaut nous arrange parfois. Nous l'utiliserons pour faire des mélanges ou des multiplications de fréquence. Ceci prouve bien qu'à toute chose malheur est bon...
La distorsion d'intermodulation apparaît quand on applique deux fréquences (au moins) différentes à amplifier à l'entrée de l'amplificateur. Inutile de vous dire que c'est particulièrement fréquent. Ces deux fréquences  et les harmoniques produits vont se mélanger entre eux (la catastrophe) et donner les fameux produits d'intermodulation.
Exemple pratique pour un émetteur
Nous transmettons sur la bande des 7 MHz et nous injectons à l'entrée microphone deux signaux basse fréquence, l'un de 1000 Hz, l'autre de 1500 Hz. Que se passe t'il si des éléments amplificateurs présentent des non linéarités ? L'afficheur de fréquence indique 7.050 MHz. Nous allons normalement générer deux fréquences, l'une sur 7.049 MHz et l'autre sur 7.0485 MHz.
Hélas, nous allons aussi produire une émission sur 7.0495 MHz et  7.048 MHz ce qui n'est pas du tout désiré. Que s'est-il passé ?
Les non linéarités de nos amplificateurs ont produit des produits d'intermodulation en générant des harmoniques de nos signaux d'origine, en l'occurrence et entres autres 2F1, 2F2, 3F1, 3F2 etc. Ces signaux se sont mélangés entre eux et ont produit une résultante très proche de nos fréquences souhaitées.
Pour le cas cité en exemple, nous avons eu affaire à :
2F1 - F2 et 2F2 - F1.
Chaque produit d'intermodulatoin à un ordre. 2F1 - F2 ou 2F2 - F1 sont de produit du troisième ordre, on appelle ceci l'IMD3
On retiendra :

IMD3 =  2F1 - F2    et  2F2 - F1
IMD5 =  3F1 - 2F2  et  3F2 - 2F1

Le rang du produit d'intermodulation est déterminé par ( 3F1 - 2F2)   3 + 2 = 5

 

Les ordres impairs sont les plus délicats car ils tombent très près de la fréquence de transmission et ne peuvent être éliminés par filtrage.
ET pour un récepteur ?
Le même phénomène peut se développer. Si l'étage d'entrée de votre récepteur et/ou le mélangeur sont saturés, on assiste aussi à la production de signaux harmoniques qui vont se mélanger et produire des signaux, dans le récepteur, qui n'existent pas en réalité. Mettez un atténuateur à l'entrée de votre récepteur et observez: Si le récepteur revient calme et s'il vous semble qu'il y a beaucoup moins de stations présentes sur la bande que vous écoutez, c'est que vous avez eu affaire à ce phénomène.

Nous en avons fini avec les distorsions, nous en retiendrons qu'elles sont dues aux non linéarités des dispositifs amplificateurs (mais pas exclusivement) que nous utilisons. Tout élément non linéaire introduit de la distorsion et qu'il convient de limiter celle-ci à la plus faible valeur possible sauf naturellement quand cet effet est recherché, mais ceci est une autre histoire.