Charges actives

Avec une charge resistive d'anode, la formule de gain révèle toute la situation : Av = µ × R_L / (rp + R_L). Puisque R_L / (rp + R_L) est toujours inférieur à 1, le gain Av est toujours inférieur à µ. Pour un 12AX7 avec µ = 100 et une résistance d'anode typique de 100kΩ, on obtient Av ≈ 61 — à peine 61% du facteur d'amplification du tube.

La résistance gaspille aussi la tension B+. Au point de repos, la résistance absorbe une fraction significative de l'alimentation. Avec B+ = 300V et une charge de 100kΩ, la tension de plaque se situe vers 170V — la sortie ne peut excurser que de 170V en crête avant d'atteindre le rail d'alimentation, et encore moins dans l'autre sens avant le passage en courant de grille.

Remplacez maintenant la résistance par une source de courant constant (SCC). Une SCC présente une impédance infinie en CA — sa droite de charge est parfaitement horizontale sur les courbes de plaque. Résultat : R_L → ∞, la formule de gain se simplifie en Av ≈ µ. Le facteur d'amplification complet est réalisé. L'excursion en tension approche 2×B+ car la SCC maintient un courant constant quelle que soit la tension de plaque. La réjection de l'alimentation s'améliore dramatiquement car l'ondulation d'alimentation ne crée aucune variation de courant à travers la charge d'impédance infinie.

La SCC la plus élégante utilise ce que nous avons déjà : un autre tube. Les pentodes sont d'excellentes sources de courant constant car leurs courbes caractéristiques de plaque sont presque plates — une fois passé le coude, le courant de plaque varie à peine avec la tension de plaque. La tension de grille écran programme le courant de fonctionnement.

Les pentodes adaptées incluent l'EF184 (coupure franche, faible bruit), l'EL83 (pentode de puissance, supporte un courant élevé), et le remarquable EL822 (frame-grid, impédance de sortie extrêmement élevée). Le courant de fonctionnement est fixé par : Ik ≈ gm × (Vg2 − |Vg1(coupure)|), avec ajustement fin par résistance cathodique.

Les concepteurs modernes de tubes utilisent souvent des dispositifs SCC à semi-conducteurs. Le transistor gère la tâche DC de maintenir un courant constant tandis que le tube fait ce qu'il fait le mieux : amplifier le signal. Cette philosophie hybride accepte que c'est le chemin de signal qui compte sur le plan sonore, et que le réseau de polarisation DC peut être à semi-conducteurs sans compromis.

La SCC à semi-conducteur la plus simple est le MOSFET à déplétion (DN2540N5, IXTP01N100D). Connectez la grille à la source via une résistance — c'est tout. Deux composants. Le DN2540N5 est spécifié à 400V et peut être réglé de 1mA à 15mA en choisissant Rs. I = Idss × (1 − Vgs/Vp)² avec Vgs = −I×Rs.

Le µ-follower empile deux triodes : le tube inférieur amplifie tandis que le tube supérieur agit comme SCC. La cathode du tube supérieur se connecte à la plaque du tube inférieur, et sa grille est découplée à la masse via un condensateur. Le tube supérieur voit le signal de sortie sur sa cathode et ajuste son courant pour maintenir un fonctionnement constant — présentant une charge d'impédance très élevée au tube inférieur.

Le résultat est extraordinaire : avec un 12AX7 en bas et un 6J5 en haut (µ = 20), l'impédance de charge effective est µ₂ × rp₂ = 20 × 7,7k = 154kΩ. Le gain passe de 61 à environ 91. Le PSRR s'améliore de 26dB — de 6dB à 32dB. Avec un tube supérieur connecté en pentode (µ ≈ 500+), la droite de charge devient essentiellement horizontale et Av approche le µ complet de 100.

Limitations : le µ-follower nécessite le double de courant de chauffage et présente une impédance de sortie légèrement plus élevée qu'un étage cathode commune simple car le rp du tube supérieur apparaît en parallèle. Il est optimisé pour le gain maximum, pas pour attaquer des charges.

Le SRPP semble identique au µ-follower sur le schéma — deux triodes empilées avec un nœud plaque/cathode partagé. La différence cruciale est l'intention et la charge. Le µ-follower est optimisé pour un gain élevé dans une entrée haute impédance. Le SRPP est conçu pour fournir une capacité d'attaque push-pull dans une impédance de charge définie.

Dans le SRPP, lors des excursions positives du signal, le tube inférieur tire plus de courant (cathode commune classique), tandis que lors des excursions négatives, le tube supérieur pousse du courant dans la charge via son action de suiveur cathodique. Cela donne un véritable fonctionnement push-pull avec seulement deux triodes. L'impédance de charge optimale pour un fonctionnement push-pull équilibré est : R_charge = rp / 2.

Pour un 6922/E88CC avec rp ≈ 2,6kΩ, la charge optimale SRPP est d'environ 1,3kΩ — proche de l'impédance d'une ligne symétrique 600Ω ou d'un casque raisonnable. Avec un 12AU7 (rp ≈ 7,7kΩ), la charge optimale est d'environ 3,8kΩ. Si la charge réelle diffère significativement de rp/2, la symétrie push-pull se dégrade et une triode fait l'essentiel du travail, réduisant l'avantage par rapport à un simple étage cathode commune.

Une erreur courante est d'utiliser le SRPP pour attaquer une grille haute impédance — dans ce cas, le tube supérieur participe à peine et on ne bénéficie pas du push-pull. Utilisez plutôt un µ-follower. Le SRPP excelle quand on a une charge définie d'impédance modérée à piloter.

Un simple suiveur cathodique a une impédance de sortie Zout ≈ 1/gm, typiquement 200–500Ω. Le suiveur cathodique de White ajoute un second tube dans un arrangement de contre-réaction qui multiplie la transconductance effective. L'impédance de sortie chute à : Zout ≈ 1 / (gm₁ × gm₂ × Ra).

Avec deux sections de 6SN7 (gm ≈ 2,6 mA/V chacune) et Ra = 47kΩ, le CF de White atteint Zout ≈ 3Ω. C'est assez bas pour piloter des casques, de longs câbles, ou servir d'étage de sortie d'un amplificateur OTL (sans transformateur de sortie). Le CF de White existe en deux formes : autonome (les deux tubes dans la même enveloppe) et avec contre-réaction d'un étage de gain externe.

L'amplificateur cascode empile deux triodes en série : un tube inférieur en cathode commune attaque un tube supérieur en grille commune. Le tube supérieur protège le tube inférieur de la capacité Miller et multiplie efficacement la résistance de plaque. Quand on combine un cascode avec une charge SCC, on obtient une droite de charge horizontale sur une paire de tubes avec un µ équivalent extrêmement élevé.

Un exemple pratique : cascode 6SN7 (ou 7N7) avec SCC MOSFET à déplétion DN2540. Le cascode fonctionne à 8mA+ pour une linéarité maximale. B+ = 400V. La SCC maintient un courant parfaitement constant tandis que la paire cascode fournit un µ effectif de µ² (20 × 20 = 400 pour le 6SN7). Le gain dépasse 350, avec une excursion en tension approchant 600Vcc.

Les charges actives transforment chaque étage d'un amplificateur à tubes. Voici les applications où elles comptent le plus, avec des valeurs de composants pratiques issues de conceptions éprouvées.