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LE CATHODYNE

Le déphaseur cathodyne, parfois désigné sous le terme « Concertina » dans la littérature anglo-saxonne, est l’inverseur de phase le plus simple et le plus intuitif. Il repose sur l’utilisation d’un tube – généralement une triode, bien que certains montages fassent appel à une pentode – dont les charges anodique et cathodique sont rigoureusement identiques.

 Son fonctionnement est basé sur un montage en cathode commune avec une résistance de cathode non découplée, où les charges anodique et cathodique présentent des valeurs équivalentes.

 Ainsi, le signal présent sur la charge anodique est en opposition de phase par rapport à l’entrée, tandis que celui prélevé sur la charge cathodique est en phase avec l’entrée. Lorsque les charges cathodique et anodique sont strictement identiques, ce circuit délivre deux signaux de même amplitude, mais en opposition de phase.

Le déphaseur cathodyne est un excellent choix lorsqu’on cherche simplicité et équilibre en tension, mais il est sensible aux charges et à la manière dont les signaux sont exploités par l’étage suivant. Son gain légèrement inférieur à l’unité impose de le coupler avec un étage driver afin de garantir une excitation optimale des tubes finaux et de maximiser la dynamique du signal.

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Fig1-Déphaseur cathodyne et préamplificateur à triode.

 

La figure 1 représente un déphaseur cathodyne précédé d’un préamplificateur à cathode commune dont la liaison entre les deux étages est réalisée en direct. Le modèle équivalent de cet étage complet est donné en figure 2.

Cette typologie est utilisée en particulier dans l’amplificateur Williamson et présente l’avantage d’éviter d’insérer une capacité de liaison. Nous reviendrons sur ce point dans la suite de cet article.

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Fig-2 Modèle équivalent préampli et déphaseur cathodyne

Dans un premier temps nous allons nous allons nous intéresser au déphaseur seul. Les deux figures ci-dessous présente ce circuit et son modèle équivalent.

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 Fig-3 : Déphaseur cathodyne

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Fig-4 : Modèle équivalent.

Pour calculer les gains et impédances de sortie anodique et cathodique il est possible de se livrer à un exercice d’électrocinétique. Comme ce circuit est indique à un montage en « cathode commune à résistance de cathode non découplée » nous pouvons en reprendre les équations. 

Gain du cathodyne.

Le gain anodique est donné par l’équation suivante

image005.gif        (1)

Le gain Cathodique est donné par la même équation à l’exception du signe moins devant le facteur d’amplification de la triode μ qui indique que cette sortie ne déphase pas.

image006.gif     (2)

Il alors possible d’écrire le gain global du déphase comme suit:

Gdephaseur= -Ganode=Gcathode               (3)

D’autre part ce déphaseur ayant des charges cathodique et anodique identiques il est possible d’écrire:

Ra=Rk=R (3) 

L’équation du gain du déphaseur se simplifie alors :

image007.gif       (4)

L’équation indique clairement que le gain du cathodyne est toujours inferieur à l’unité. Ceci s’explique par la contre réaction engendrée par la résistance de cathode.

Impédances de sortie.

  • impédance vue de la charge anodique

Le calcul des impédances de sortie procède d’un calcul classique d’électrocinétique. Il est possible de se livrer à ce dernier mais une fois encore nous pouvons nous appuyer sur les calculs d’impédance de sortie réalisé sur le montage en cathode commune avec résistance de cathode non découplée.

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Fig-5 Impédance vue de la sortie anodique

Impédance vue de la charge anodique.

Le calcul de l’impédance de sortie se fait en court-circuitant le générateur et en observant l’impédance de sortie depuis l’anode. La contre réaction provoquée par Rk, celle-ci voit sa valeur multipliée comme suit : Rk(μ+1).

En conséquence l’impédance de sortie vue de l’anode est la suivante:

image009.gif(6)

Comme Ra=Rk=R l’équation (6) se simplifie :

image010.gif8)

Toutefois si l’on considère que μR et très grand devant ρ il est possible de simplifier l’équation (10) :

image011.gif

Impédance vue de la charge cathodique.

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Fig-6 Impédance vue de la sortie cathodique.

A l’inverse si l’on observe ce circuit depuis la cathode l’ensemble des autres impédances autres que Rk se trouvent alors divisées par (μ+1).

image013.gif(13)

 

image014.gif(14)

image015.png(16)

Si Rk=Ra=R

equation_18.JPG(17)

Si nous divisons le numérateur par R l'équation peut s'écrire :

equation_19.JPG

De la même manière qu’avec l’approximation de l’impédance vu de l’anode si μ+2 et très grand devant ρ il est possible d’écrire :

equation_20.JPG

Gain

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Impédance de sortie cathodique

equation_19.JPG

Impédance de sortie anodique

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Il apparait à la lumière des équations ci-dessus que le déphaseur cathodyne n’apporte rigoureusement aucun gain, celui-ci étant toujours légèrement inférieur à l’unité.

D’autre part les impédances sont sensiblement différentes en fonction des sorties anodiques et cathodiques. Ces différences d’impédances affectent aussi les bandes passantes respectives sur l’anode et la cathode.

Polarisation de l’étage

La cathode est portée à un potentiel élevé à l’instar du « cathode follower. Il est donc nécessaire de polariser cet étage en conséquence

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Polarisation fixeFig-7

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Polarisation automatiqueFig-8

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Polarisation directe avec le préamplificateur   Fig-9

Conclusion

Le déphaseur cathodyne, malgré sa simplicité et son efficacité, présente plusieurs limites qu'il convient de prendre en compte lors de son utilisation dans des circuits audio ou d'amplification. Voici ses principaux défauts :

1. Impédances de sortie asymétriques

  • Bien que les signaux de sortie aient des amplitudes égales et opposées, leurs impédances de sortie sont différentes :
    • L’impédance de sortie côté cathode est relativement faible (proche de la résistance de cathode).
    • L’impédance de sortie côté anode est plus élevée (environ la résistance de charge de l’anode en parallèle avec l’impédance interne du tube).
  • Cette asymétrie peut poser des problèmes si le circuit suivant présente une charge différente sur chaque sortie, ce qui peut provoquer une déséquilibration du signal.

2. Faible capacité en courant

  • Ce circuit ne fournit qu’un courant limité, ce qui peut poser problème si les étages suivants ont une faible impédance d’entrée. Dans ce cas, la charge risque de modifier le rapport des amplitudes des signaux de sortie et de détériorer la symétrie.

3. Non-linéarité et distorsion en régime dynamique

  • Lorsque le déphaseur cathodyne fonctionne à des niveaux de signal élevés, il peut introduire de la distorsion due aux différences d’impédances et aux non-linéarités du tube.
  • À fort niveau, la capacité de l’étage à fournir des signaux équilibrés se détériore.

4. Sensibilité aux variations de charge

  • La symétrie du circuit repose sur l’égalité des charges anodique et cathodique. Toute variation des charges connectées aux sorties (par exemple, un étage suivant avec une impédance mal adaptée) peut rompre cet équilibre et provoquer un déséquilibre du signal.

5. Bande passante limitée en présence de charges capacitives

  • La différence d’impédance entre les sorties entraîne une réponse en fréquence inégale si elles sont chargées par des impédances capacitives différentes. Cela peut se traduire par des déphasages et des écarts d’amplitude entre les signaux inversés.

6. Gain inférieur à 1

  • Contrairement à d’autres types de déphaseurs (comme le déphaseur de Schmidt ou à charge répartie), le cathodyne ne présente pas de gain supérieur à l’unité.
  • En effet, son gain global est légèrement inférieur à 1 en raison des pertes internes du tube et de l'influence des charges.
  • Par conséquent, il doit être suivi d’un étage driver pour fournir une tension suffisante aux tubes de puissance et compenser cette faiblesse en gain.

Jean-Marc CAVALIER LACHGAR

Janvier 2025

 


Date de création : 27/01/2025 23:00
Catégorie : INVERSEURS DE PHASES -
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