Montage cascode en RF

Certes, les semi-conducteurs ont rendu obsolètes l'emploi des lampes en réception radio. La seule application qui persiste pour les tubes à vide prévus pour petits signaux est la réalisation d'amplificateurs AF à très haute fidélité. Les seule lampes électroniques « petits signaux »actuellement fabriquées sont donc des lampes utilisées en audio. Heureusement, certaines lampes conçues à l'origine pour la RF sont utilisées en AF et sont donc encore fabriquées. Il s'agit de doubles triode type ECC81 et ECC88. Il n'y a plus de fabrication de pentode RF. Heureusement il est possible avec une double triode de réaliser l'équivalent d'une pentode. Ce montage appelé cascode a une amplification équivalente à celle obtenu avec une pentode de même pente, une forte impédance d'entrée et une résistance interne comprise entre 100 kohm et 1 Mohm. Le facteur bruit de ce montage est celui de la triode d'entrée et est donc très bon en RF. Le montage cascode peut donc remplacer efficacement les pentodes en amplification RF petit signal. Dans les années soixantes, ce montage a été la source de nombreuses polémiques dans les mlieux radio-amateurs. Certains conseillaient fortement le montage cascode (Guilbert Charles f3lg, technique de l'émission-réception sur ondes courtes Editions Radio – 1976), d'autres en déconseillant son emploi (Bastide Jules f8jd, Les récepteurs de trafic OC REF 1967). En pratique les résultats entre les triodes et les pentodes sont proches en HF. Le montage cascode est un peu plus stable que les pentodes, la résistance interne et le souffle un peu plus faible. Les doubles triodes RF des familles ECC81 et ECC88 permettent à l'amateur de concevoir aujourd'hui d'excellents récepteurs jusqu'à 30 MHz (par rapport aux standards amateurs des années 60-70) avec des tubes faciles à obtenir. La seule difficulté est l'absence de tube à pente variable, cette caractéristique étant déconseillée en AF. Le but de cet article est d'expliquer les caractéristiques du montage cascode de façon à l'employer correctement.

I Rappels sur la lampe triode

Dans une triode, la charge électronique autour de la cathode dépend de la tension grille Ug et la tension plaque Ua. La grille étant à proximité immédiate de la cathode, son action est bien plus efficace que celle de la tension plaque. Le coefficient d'amplification µ correspond au rapport entre les variations de tension plaque et grille donnant la même modification du courant anodique. Par exemple, si une modification d'un volt de la tension anodique donne une variation X du courant anodique et qu'il faut une variation de 0,05 volts de la tension grille pour obtenir la même variation le coefficient d'amplification est de 20. Le coefficient d'amplification µ dépend des caractéristiques géométriques de la lampe.

La pente S se définit par rapport aux variations dUg de la tension grille donnant des variations dIa du courant anodique : .

La résistance interne Ri correspond au rapport entre les variation de la tension anodique dUa et les variations de courant anodique dIa qu'elles entraînent : . La pente, la résistance interne et le coefficient d'amplification sont reliés par la relation suivante :

2 Triode en grille à la masse

Du fait de l'importante capacité grille plaque, une triode ne peut fonctionner en haute fréquence avec la cathode à la masse si les circuits grille et plaque sont accordés par un circuit oscillant. En effet, le couplage du à la capacité grille plaque suffit à faire osciller la lampe.

Le montage en grille à la masse permet d'éviter cette auto-oscillation. La capacité grille plaque a alors pour seule conséquence d'augmenter la capacité entre la plaque et la masse. Cependant ce montage n'est pas parfait car l'impédance d'entrée de la lampe (entre la cathode et la grille) est faible, de l'ordre de quelques centaines d'ohms.

Calcul de l'impédance d'entrée Ze d'un tube employé en grille à la masse :

Une variation de tension d'entrée dUe provoque dans le tube une variation d'intensité dIe telle que :

donc

L'impédance d'entrée d'un tube en grille à la masse est l'inverse de la pente S. Si la pente est de 5 mA/V, l'impédance d'entrée est de 200 ohms.

Calcul de l'impédance de sortie Zs d'un tube employé en grille à la masse :

Si une tension variation de la tension d'entrée dUe donne une variation dI du courant traversant la lampe, il faudra une tension de sortie dUs telle que pour obtenir la même variation du courant I. L'impédance de sortie Zs d'un tube en grille à la masse est donc égale à l'impédance présentée à l'entrée du tube multipliée par le coefficient d'amplification. L'impédance d'entrée comprend l'impédance de la source Zsc en série avec l'impédance d'entrée du tube Ze : .

3 Montage cascode

Le montage cascode consiste à utiliser une triode en grille à la masse, montage très stable, précédée par une triode en cathode à la masse permettant d'obtenir une impédance d'entrée Ze élevée. Si les 2 triodes sont identiques l'ensemble est identique à une triode de pente S identique à la pente des triodes ayant une impédance de sortie Zs µ fois plus élevé que la résistance interne Ri des triodes :

Calcul de l'impédance de sortie Zs

Le premier tube a pour impédance sa résistance interne Ri. Cette impédance est en série avec le deuxième tube qui est en grille à la masse. Il est donc possible de calculer l'impédance de sortie Zs : . En simplifant . Zs correspond à la résistance interne équivalente Rie du montage cascode :

Calcul de la pente équivalente Se

L'impédance d'entrée du deuxième tube est très faible, devant la résistance interne du premier tube. Le gain G1 du premier tube est donc égal à sa pente qui multiplie l'impédance d'entrée du deuxième tube : . A l'entrée du deuxième tube on a donc la même tension Ue2 que celle appliquée à l'entrée du premier tube. Ce premier tube ne sert que d'adaptateur d'impédance. On a donc . La pente résultante obtenue dans un montage cascode est donc égale à la pente d'un des tubes triodes employé seul :

Calcul du coefficient d'amplification équivalent µe

Le coefficient d'amplification équivalent µe est égal à la pente équivalente qui multiplie la résistance interne équivalente : .

Le tableau suivant montre bien qu'un montage cascode avec 2 triodes est équivalent à une pentode de même pente.

4 Avantages désavantages du montages cascode

Avantages du montage cascode :

- Impédance d'entrée élevée.

- Impédance de sortie élevée.

- Gain identique à celui d'une pentode.

- Facteur de bruit favorable, les triodes ayant en général un faible facteur de bruit.

- Bonne stabilité en radio-fréquences. En effet, l'écran apporté par la grille de la deuxième triode est plus efficace que l'écran d'une pentode.

Désavantages du montage cascode :

Ils sont simplement liés au fait d'utiliser 2 éléments triodes, même si ceux-ci sont dans la même ampoule.

Remarque :

Certaines pentodes peuvent avoir des résultats similaires au montage cascode. L'intérêt principal du montage cascode est bien d'obtenir les résultats d'une pentode avec des tubes standard encore fabriqués aujourd'hui. Reste que la stabilité du montage et le bon rapport signal sur bruit obtenu avec ce montage sont très intéressant pour l'amateur qui conçoit encore des récepteurs à tubes !

Olivier Ernst
F5LVG