Notes Technique Radio 4 — Amplis/oscillateurs/mélangeurs, ampli-op & logique, propagation & antennes
Suite de la série de notes techniques HAREC. Voir les pages précédents pour les chapitres 0-6. Cette page couvre les chapitres 7, 8 et 9.
7. Amplificateurs, oscillateurs, mélangeurs
7.1 Classes d'amplification
Les classes définissent la position du point de repos (sans signal) par rapport à la plage de fonctionnement linéaire :
| Classe | Principe | Usage |
|---|---|---|
| A | signal centré, jamais hors de la plage linéaire | fidélité maximale, rendement faible |
| B | deux transistors amplifient chacun une alternance | encombrant (transformateurs), nécessite des transistors appairés |
| C | seule une partie du signal est amplifiée, le reste restitué par un circuit oscillant accordé en sortie | à proscrire pour un signal modulé en amplitude (AM, BLU) — utilisable pour CW/FM |
| D | commutation à impulsions de largeur variable, puis filtrage | fort rendement, forte puissance (HF et audio) |
| AB | intermédiaire A/B, signal non centré | étages de puissance ; AB1 (pas de courant absorbé de l'étage précédent) vs AB2 |
Un amplificateur classe C déforme fortement un signal AM/BLU (il n'amplifie que les crêtes) — c'est une notion d'examen récurrente.
7.2 Résistance de charge et droite de charge
En classe A, la résistance de charge $R_c$ convertit les variations du courant collecteur en tension de sortie. Le point de fonctionnement suit une droite de charge de pente négative, tracée entre $U(+)$ (tension d'alimentation) et $U(+)/R_c$ (courant maximum).
Pour un fonctionnement linéaire, la droite de charge doit rester dans la zone où les courbes $I_b$ sont "plates" (avant saturation) et ne jamais dépasser la courbe de dissipation maximale (échauffement) donnée par le constructeur.
7.3 Liaisons entre étages
| Type de liaison | Usage |
|---|---|
| Directe (collecteur → base) | rare |
| Par diode(s) en série | adaptation de niveau en continu |
| Par condensateur | isolation en alternatif |
| Par transformateur | adaptation d'impédance en alternatif |
Un étage séparateur (tampon) adapte niveaux/impédances entre deux étages ; il n'apparaît souvent pas sur les synoptiques car il ne participe pas à la "logique" fonctionnelle du montage.
7.4 Amplificateur RF et distorsions
Éléments caractéristiques d'un ampli RF : condensateur de découplage + bobine de choc (empêchent la HF de remonter sur l'alimentation), transformateurs d'adaptation, résistance de contre-réaction $R_{cr}$ (évite l'auto-oscillation), résistance d'émetteur $R_e$ (protection contre l'emballement thermique).
Types de distorsion :
| Type | Description | Exemple (entrée $f_1, f_2$) |
|---|---|---|
| Fréquence | gain non uniforme selon la fréquence (circuits accordés) | — |
| Harmonique | présence de $2f, 3f, \dots$ en sortie pour un signal d'entrée pur | — |
| Quadratique (2ᵉ ordre) | l'ampli se comporte partiellement en mélangeur | $f_1, f_2, 2f_1, 2f_2, f_1+f_2, |
| Cubique (3ᵉ ordre) | mélanges faisant intervenir 3 fois les fréquences | $3f_1, 3f_2, 2f_1{\pm}f_2, 2f_2{\pm}f_1$ |
Les produits d'intermodulation du 3ᵉ ordre ($2f_1-f_2$, $2f_2-f_1$) sont particulièrement gênants quand $f_1$ et $f_2$ sont proches, car ils retombent près de la bande utile.
Taux de distorsion harmonique (TDH) : rapport entre la tension parasite totale $V_P = \sqrt{V_{2F}^2+V_{3F}^2+\dots}$ et la tension du signal désiré.
7.5 Oscillateurs
| Type | Principe |
|---|---|
| VXO | quartz, fréquence fixe |
| VFO | condensateur variable, fréquence variable mécaniquement |
| VCO | tension sur diode Varicap, fréquence variable électriquement |
| PLL | boucle à verrouillage de phase, synthèse par comparaison de phase |
| DDS | synthèse numérique directe, microprocesseur + CNA |
Le quartz exploite l'effet piézoélectrique (pression → charges électriques, et réciproquement). Fréquence de résonance en fonction de l'épaisseur de la lame :
$$f(\text{MHz}) = \frac{5{,}7}{2 \cdot e(\text{mm})}$$
Un quartz ne fonctionne en pratique que jusqu'à ~30 MHz (au-delà, la lame devient trop fine et fragile). Pour aller plus haut, on utilise un VCO asservi par PLL.
Principe de l'oscillateur : réinjection en phase d'une partie du signal amplifié sur l'entrée. Facteurs affectant la stabilité : variations d'alimentation, de température, défauts de blindage (effet de main).
Synoptique PLL — VCO → diviseur logique programmable → comparateur de phase (avec référence VXO stable) → filtre passe-bas → correction de la tension du VCO.
Synoptique DDS — microprocesseur + quartz de cadencement → échantillonnage numérique → CNA → filtrage anti-crénelage. Selon le théorème de Shannon-Nyquist, la fréquence maximale générée est la moitié de la fréquence d'échantillonnage (en pratique on se limite au quart).
7.6 Multiplicateur de fréquence
Amplificateur classe C (fortement non linéaire), dont le filtre de sortie est accordé sur un harmonique de l'entrée (×2, ×3, ×5 max, jamais de facteur non entier). Pour ×9, on chaîne deux étages ×3.
Un multiplicateur de fréquence reste exploitable pour un signal FM (l'excursion est multipliée dans le même rapport) mais détruit un signal AM ou BLU (le montage classe C n'amplifie que les crêtes).
7.7 Mélangeurs
Un mélangeur multiplie (ne superpose pas) deux tensions d'entrée $F_1$ et $F_2$, générant en sortie $F_1+F_2$ et $|F_1-F_2|$ ; un filtre sélectionne la fréquence utile.
$$f_{max} = f_1+f_2 \qquad f_{min} = |f_1-f_2| \qquad\qquad f_1 = \frac{f_{max}-f_{min}}{2} \qquad f_2 = f_{max}-f_1$$
Exemple — entrées 5 et 8 MHz → sorties 13 MHz et 3 MHz.
Dans un mélangeur imparfait, on retrouve en plus les fréquences d'entrée elles-mêmes, leurs harmoniques, et des combinaisons d'ordre supérieur ($2f_1\pm f_2$, etc. — mêmes produits parasites qu'en §7.4).
8. Amplificateurs opérationnels et circuits logiques
8.1–8.2 L'amplificateur opérationnel (AOP)
Caractéristiques idéalisées : impédance d'entrée infinie (aucun courant n'entre), impédance de sortie nulle, gain infini. Deux entrées (+ non-inverseuse, − inverseuse) et une sortie.
Montage fondamental (inverseur, seul vraiment au programme) — signal appliqué sur l'entrée inverseuse, contre-réaction par $R_2$ :
$$G = -\frac{R_2}{R_1}$$
Le gain est négatif (inversion de phase, 180°), sans gain en intensité ($I_E = I_{R1} = I_{R2} = I_S$).
Exemple — $R_1=5,\text{k}\Omega$, $R_2=25,\text{k}\Omega$ → $G = -5$. Pour $U_E=-0{,}5,\text{V}$ → $U_S = +2{,}5,\text{V}$.
Montage non inverseur (mentionné à l'examen, moins central) : $G = \dfrac{R_2}{R_1}+1$.
8.3 Autres montages (culture générale)
Intégrateur, dérivateur, comparateur, etc. — non centraux au programme mais bons à connaître pour comprendre les filtres actifs et la classe D évoquée au §7.1.
8.4 Circuits logiques (algèbre de Boole)
Niveaux logiques TTL : 1 ≈ 5 V, 0 ≈ 0 V.
| Porte | Symbole logique | Sortie = 1 quand… | Équivalent booléen |
|---|---|---|---|
| ET (AND) | & | les deux entrées sont à 1 | multiplication |
| OU (OR) | ≥1 | au moins une entrée est à 1 | addition |
| NON (NOT) | rond en entrée/sortie | l'entrée est à 0 (inversion) | complément |
| OU EXCLUSIF (XOR) | =1 | une seule entrée est à 1 | $\oplus$ |
Le trigger de Schmitt évite l'auto-oscillation en zone de transition (hystérésis) : le seuil de bascule 0→1 est différent du seuil 1→0. Monté avec un R-C en contre-réaction, il peut servir d'oscillateur à signaux carrés.
Bascule R/S (mémoire élémentaire, Reset/Set) : mémorise le dernier état imposé sur ses entrées ; remplacée aujourd'hui par un condensateur + MOSFET dans les mémoires modernes.
8.5 Système binaire et traitement numérique
- Bit (base 2), octet = 8 bits, 1 ko = 1024 octets, hexadécimal (base 16, chiffres 0-9 puis A-F).
- CAN/ADC : échantillonne une tension analogique → nombre. CNA/DAC : nombre → tension.
- Fréquence de Nyquist = moitié de la fréquence d'échantillonnage — c'est la fréquence maximale théoriquement reconstructible sans repliement (alias). Un filtre passe-bas anti-repliement est placé avant le CAN.
- FFT (Transformée Rapide de Fourier) : accélère l'analyse spectrale numérique, au prix d'un nombre d'échantillons imposé en puissance de 2 (256, 1024…).
- Filtres numériques : FIR (réponse impulsionnelle finie, imite un filtre passif type RC/LC) vs IIR (réponse impulsionnelle infinie, avec rétroaction — imite les filtres actifs, risque d'auto-oscillation).
- Filtre SAW (ondes de surface) : filtre mécanique à quelques dizaines de MHz basé sur un cristal piézoélectrique.
Section C — Radioélectricité
9. Propagation et antennes
9.1 Longueur d'onde / fréquence
$$\lambda(\text{m}) = \frac{v(\text{m/s})}{f(\text{Hz})} \qquad\qquad \lambda(\text{m}) \cdot f(\text{Hz}) = 3\times10^8,\text{m/s}$$
Formule pratique : $\lambda(\text{m}) = 300 / f(\text{MHz})$.
Effet Doppler : le rapprochement rapide de deux stations (liaison satellite) augmente artificiellement la fréquence reçue ; l'éloignement la diminue.
9.2 Modes de propagation
| Mode | Fréquences | Principe |
|---|---|---|
| Onde de sol | basses fréquences (< 2 MHz efficace) | suit le relief terrestre, atténuation croissante avec f |
| Onde réfléchie (ondes d'espace) | HF/décamétrique | rebond sur l'ionosphère, bond max ≈ 4000 km |
| Onde directe | VHF/UHF et au-delà (> 100 MHz privilégié) | antennes en vue directe l'une de l'autre |
9.3 La propagation en ondes réfléchies — l'ionosphère
Trois couches, par altitude croissante :
| Couche | Altitude | Rôle |
|---|---|---|
| D | 50-90 km | n'existe que le jour ; atténue (ne réfléchit pas), surtout gênante en bandes basses (40 m et +) |
| E | 90-130 km | ionisation faible, parfois "E sporadique" (réflexion ponctuelle imprévisible) |
| F (F1/F2 le jour, fusion la nuit) | 130-650 km | densité électronique maximale, permet les bonds longue distance |
- FMU (Fréquence Maximum Utilisable) : fréquence limite haute réfléchie vers l'horizon.
- LUF / ECOF : limites basses (atténuation couche D / coupure couche E).
- FOT (fréquence optimale de travail) ≈ 80 % de la FMU.
Règle pratique pour les radioamateurs européens : liaisons lointaines vers l'Est (Asie) plutôt le matin, vers l'Ouest (Amériques) plutôt en fin de journée — on privilégie l'éclairement du trajet côté correspondant.
Activité solaire : indices Fs (flux solaire, bruit à 2,8 GHz) et R (nombre de Wolf, taches solaires) — plus ils sont élevés, meilleure est la propagation HF. Cycle solaire ≈ 11 ans. Activité magnétique : indices K et A — une forte activité (orages géomagnétiques, aurores) dégrade la propagation.
9.4 Antenne doublet demi-onde (dipôle)
Une antenne est un transducteur passif et réciproque (mêmes caractéristiques en émission et réception).
$$L(\text{m}) = \frac{150}{f(\text{MHz})}\ \text{(longueur totale du doublet demi-onde)}$$
- Extrémités : intensité nulle, tension maximale.
- Centre : intensité maximale, tension minimale → impédance faible au point d'alimentation.
- Impédance au centre : 73 Ω si les brins sont alignés (180°), 52 Ω à 120°.
- En pratique, longueur réelle ≈ 5 % plus courte que la valeur théorique.
9.5 Antenne quart d'onde verticale (Ground Plane)
$$L(\text{m}) = \frac{75}{f(\text{MHz})}$$
Nécessite un plan de sol (radians, au moins 3, longueur λ/4) pour reconstituer électriquement le second brin. Impédance : 36 Ω si radians à 90°, 52 Ω si radians à 120°. Un brin raccourci peut être compensé par une bobine (chargement) ou une capacité terminale — au prix d'une impédance plus faible à la résonance.
9.6 Antenne Yagi (Beam)
Ajout d'éléments parasites au dipôle : directeurs (plus courts) devant, réflecteurs (plus longs) derrière. Plus le nombre d'éléments augmente, plus le gain (directivité) augmente et plus l'impédance du dipôle diminue.
9.7 Gain d'une antenne
Référence à l'antenne doublet ($dB_d$) ou à l'antenne isotrope idéale ($dB_{iso}$) — sphère parfaite de rayonnement uniforme.
9.8 Puissance apparente rayonnée (PAR / ERP) et PIRE / EIRP
$$\text{PIRE} = \text{PAR} + 2{,}14,\text{dB} = \text{PAR} \times 1{,}64$$
(le doublet a un gain de 2,14 dB par rapport à l'isotrope).
Exemple — émetteur 100 W, antenne 13 dB$_d$ (rapport ≈ 20) : PAR = $100 \times 20 = 2000,\text{W}$.
9.9 Angle d'ouverture
Écart angulaire entre les directions où la puissance rayonnée tombe à −3 dB (moitié) de la direction la plus favorable. Se mesure en pratique au S-mètre en tournant l'antenne jusqu'à perdre 3 dB de part et d'autre du maximum. Le rapport avant/arrière compare la puissance à 0° et à 180°.
9.10 Compléments (niveau approfondi)
Densité de puissance, champ électrique, formule de Friis
$$P_d(\text{W/m}^2) = \frac{\text{PIRE}}{4\pi d^2} \qquad\qquad E(\text{V/m}) \approx \frac{\sqrt{30\cdot\text{PIRE(W)}}}{d(\text{m})}$$
La formule de Friis relie puissance reçue et surface effective de l'antenne réceptrice : $S(\text{m}^2) = G \times (\lambda/4\pi)^2$, $P_r = P_d \cdot S$.
Ventres, nœuds, polarisation
- Aux extrémités d'un dipôle ouvert : nœud d'intensité ($I=0$), ventre de tension. Ces valeurs s'inversent tous les quarts d'onde électriques.
- Chaque ventre d'intensité correspond à un lobe de rayonnement.
- Polarisation de l'onde = direction du champ électrique = direction du brin rayonnant (verticale pour un quart d'onde, horizontale pour un doublet posé à l'horizontale). Une mauvaise polarisation en réception peut coûter jusqu'à 20 dB en VHF/UHF — la polarisation devient peu critique en décamétrique (les réflexions ionosphériques la mélangent).
- Impédance théorique d'un long fil (via l'abaque de Smith) : ≈ 750 Ω pour un brin demi-onde entier, ≈ 36 Ω pour un quart d'onde pur.
Fin de cette page. Couvre les chapitres 7, 8 et 9. Il reste 3 chapitres au programme technique : lignes de transmission et adaptation (ch. 10), synoptiques (ch. 11), types de modulation (ch. 12) — voir
notes-technique-radio-5., qui clôturera la série. Lien du cours de base
- Rappels d'algèbre — Lois d'Ohm et de Joule link1
- Courants alternatifs, bobines, condensateurs — Transformateurs, piles, galvanomètres link2
- Décibel, circuits R-C / L-C / RLC — Diodes — Transistors link3
- Amplis/oscillateurs/mélangeurs — AOP et logique — Propagation et antennes link4
- Lignes de transmission et adaptation — Synoptiques — Types de modulation link5