Contre réaction
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En électronique le principe de la contre-réaction permet le contrôle des circuits d'amplification et de filtrage.

Historique

Le principe de la contre-réaction a été découvert par Harold Stephen Black le 2 août 1927. Cette idée lui serait venue alors qu'il se rendait à son travail aux laboratoires Bell (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935. Après avoir construit des avions de combat durant la Seconde Guerre mondiale, mais aussi le premier avion à...) [1] [2] . Ses précédents travaux sur la réduction des distorsions dans les amplificateurs lui avaient déjà permis de découvrir les amplificateurs " a priori " (feedforward en anglais) qui modifient le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps...) à amplifier de façon à compenser les distorsions dues aux composants de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) [3]. Bien qu'ayant refait surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...) dans les années 70 pour compenser les distorsions des amplificateurs BLU, dans les années 20 la réalisation pratique des amplificateurs " a priori " s'avère difficile et ils ne fonctionnent pas très bien. En 1927, la demande de brevet Black pour la contre-réaction fut accueillie comme une demande d'invention de mouvement perpétuel (Le mouvement perpétuel désigne l'idée d'un mouvement (généralement périodique), au sein d'un système, capable de durer indéfiniment sans apport extérieur...). Elle fut finalement acceptée 9 ans plus tard [4] [5] , en décembre 1931, après que Black et d'autres membres des laboratoires Bell ont développé la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) relative à la contre-réaction.

Fonctionnement

Le fonctionnement est fort simple. Par l'intermédiaire d'un circuit annexe, appelé boucle de contre-réaction, dès que le signal de sortie du circuit à piloter atteint un certain seuil, on réinjecte sur l'entrée une partie du signal de sortie inversé, qui en s'additionnant au signal originel, diminue l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du signal réel sur l'entrée du circuit.

Dans les filtres actifs, la boucle de contre-réaction est en fait un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) qui réinjecte sur l'entrée uniquement les signaux indésirables, les maintenant ainsi à un niveau très faible, pendant que l'on peut amplifier fortement les signaux désirés.

La contre réaction (En électronique le principe de la contre-réaction permet le contrôle des circuits d'amplification et de filtrage.) dans les amplificateurs électroniques

Le principal effet de la contre-réaction est de diminuer le gain du système. Cependant, les distorsions dues à l’amplificateur sont elles aussi soustraites au signal d’entrée. De cette façon, l’amplificateur amplifie une image réduite et inversée des distorsions. La contre-réaction permet aussi de compenser les dérives thermiques ou la non-linéarité des composants. Bien que les composants actifs soient considérés comme linéaires sur une partie de leur fonction de transfert (Une fonction de transfert est une représentation mathématique de la relation entre l'entrée et la sortie d'un système linéaire invariant. Elle est utilisée dans l'analyse des systèmes continus (monovariables...), ils sont en réalité toujours non linéaires ; leur lois de comportement étant en puissance de deux. Le résultat de ces non-linéarités est une distorsion de l'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.).

Un amplificateur (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) de conception soignée, ayant tous ses étages en boucle ouverte (sans contre-réaction), peut arriver à un taux de distorsion de l’ordre du " pour cent ". À l’aide de la contre-réaction, un taux de 0,001 % est courant. Le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.), y compris les distorsions de croisement, peut être pratiquement éliminé.

C’est l’application qui dicte le taux de distorsion que l’on peut tolérer. Pour les applications de type hi-fi (Hi-Fi est l'abréviation du terme anglophone « High Fidelity », qui signifie en français « Haute Fidélité »,...) ou amplificateur d’instrumentation, le taux de distorsion doit être minimal, souvent moins de 1 %.

Le concept de contre-réaction est utilisé avec les amplificateurs opérationnels pour définir précisément le gain, la bande passante (La bande passante (angl. bandwidth) est un intervalle de fréquences pour lesquelles la réponse d'un appareil est supérieure à un minimum. Elle est généralement confondue avec la largeur de bande...) et beaucoup d’autres paramètres.

Controverse de la fin des années 70 pour les amplificateurs audio

Alors que la contre-réaction semble être le remède à tous les maux d’un amplificateur, beaucoup pensent que c’est une mauvaise chose. Comme elle utilise une boucle, il lui faut un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) fini pour réagir à un signal d’entrée et pendant cette courte période, l’amplificateur est " hors de contrôle ". Une transitoire musical dont la durée est du même ordre de grandeur que cette période sera donc grossièrement distordue. Et cela, même si l’amplificateur possède un taux de distorsion faible en régime permanent. C’est essentiellement cela qui explique l’existence des " distorsions d’intermodulations transitoires " dans les amplificateurs. Ce sujet a été largement débattu à la fin des années 70 et pendant un grande partie des années 80 [6] [7] [8].

Ces arguments ont été sources de controverses pendant des années, et ont amené à prendre en compte ces phénomènes lors de la conception d’un amplificateur afin de les éliminer [9] [10]. Dans les faits, la majorité des amplificateurs modernes utilisent de fortes contre-réactions, alors que les schémas utilisés pour les amplificateurs audio haut de gamme cherchent à la minimiser.

Quels que soient les mérites de ces arguments sur la façon dont elle modifie la distorsion, la contre-réaction modifie l’impédance de sortie de l’amplificateur et par conséquent, son facteur d’amortissement. Pour faire simple, le facteur d’amortissement caractérise l’habileté d’un amplificateur à contrôler une enceinte. Si tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) se passe bien, plus la contre-réaction est forte, plus l’impédance de sortie est faible et plus le facteur d’amortissement est grand. Cela a un effet sur les performances en basses fréquences de beaucoup d’enceintes qui ont un rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de...) des basses irrégulier si le facteur d’amortissement de l’amplificateur est trop faible.

Notes et références

  1. (en) Ronald Kline: “Harold Black and the negative-feedback amplifier”, IEEE Control Systems Magazine, Volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.): 13(4), pages: 82-85, August 1993.
  2. (en) Ron Mancini, Op Amps for Everyone, second edition, page: 1-1.
  3. (en) Brevet U.S. 1686792
  4. (en) Brevet U.S. 2102671
  5. (en) http://eepatents.com/patents/2102671.pdf
  6. (en) Otala, M., and E. Leinonen: “The Theory of Transient Intermodulation Distortion”, IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, ASSP-25 (1), February 1977.
  7. (en) Petri-Larmi, M. Otala, M. Leinonen, E. Lammasniemi, J. : “Audibility of transient intermodulation distortion” , IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP ’78), Volume: 3, pages: 255-262, April 1978.
  8. (en) Cherry, E : “Comments on "The theory of transient intermodulation distortion"” , IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Volume: 27 (6), pages: 653-654, December 1979.
  9. (en) Matti Otala : “Transient Distortion in Transistorized Audio Power Amplifiers” , IEEE Transactions on Audio Electroacoustics, Volume: AU-18, pages: 234-239, september 1970.
  10. (en) Cherry, E : “Transient Intermodulation Distortion-Part I: Hard Nonlinearity” , IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Volume: 29 (2), pages: 137-146, April 1981.
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