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Amplificateur.
Le présent mémoire donnera d'abord une application particulière du couplage en retour négatif. Il décrira aussi quelques-montages assurant, par l'application dudit couplage en retour négatif, plusieurs des avantages du montage en push-pull connu, sans qu'il soit nécessaire d'appliquer la tension alternative d'alimentation à deux grilles d'un ampli- ficateur équilibré. Un montage extrêmement simple utilisant le principe du couplage en retour négatif, visant à réduire la distorsion et l'influence des variations dans les tensions d'alimentation et les caractéristiques des lampes, s'obtient en introduisant dans le circuit d'anode de la lampe une cer- .
@ taine impédance. Un tel montage est indiqué à la figure 1 des
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dessins annexés. Les valeurs de La, Ca' Cg' Rg sont choisies telles que leur influence sur les courants alternatifs en question puisse être négligée. Sur les autres figures ces éléments seront omis, comme aussi les batteries, au moins quand celles-ci n'ont pas d'intérêt pour les caractéristi- ques considérées du montage. Le type de lampe utilisé (triode, pentode, etc.) n'a aucun intérêt pour le principe du montage.
Si la pente de la lampe est désignée par s, c'est-à- dire si une tension alternative de 1 volt entre grille et çathode engendre un courant alternatif de s mA dans le cir- cuit d'anode, et si la tension entre grille et cathode est de eg volts, la résistance Re sera parcourue par un courant égal à Eg xs mA, ce courant y engendrant une tension eK = R1 eg s volts (R1 étant donnée en milliers d'Ohms). Si R1 est une résistance pure, la phase de cette tension sera la même que celle de eg, et on peut poser e1 = eg + ek = eg (1 + Rl S) (1) Cette expression s'écrit avec une petite modification: ek = el R1/1/2+R1 =e1 R1 Rs+R1 (2) où Rs 1 représente une résistance remplaçant la lampe et s située entre la grille et la cathode.
La relation (2) représente évidemment le montage en série de Rs et Rl montré à la figure 2, si ce montage est relié à un générateur à tension constante el. Cette équiva- lence exprime le fait que la grille ne prend presqu'aucun cou- rant du montage précédant l'amplificateur (ce fait sera repris plus loin).
La résistance Ru montrée sur la figure exprime symbo- liquement qu'elle est parcourue par le même courant qui circu- le par R1' cependant sans que cette résistance Ru puisse exer-
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cer une influence quelconque sur ce courant. 0'est pour cette raison que la résistance Ru n'est reliée sur la figure qu'à un seul point au reste du montage. La position relative de Rs' R1 et Ru exprime aussi les tensions de signal relati- ves dans ces résistances.
Afin d'obtenir un important effet stabilisateur de couplage en retour, R1 doit être grand par rapport à Rs; en pratique ce rapport devra être d'environ 10 au moins. Pour une lampe avec pente s = 2.5 mA / V, on aura Rs = 400 Ohms et l'on aura donc pour la valeur minima de Rl 4000 Ohms... Si la charge extérieure est limitée à 8000 Ohms, ce qui est nor- mal pour une lampe du type en question, Ru ne pourrait pas dépasser 4000 Ohms puisque, pour la lampe, la résistance R1 sert aussi de résistance de charge en série avec Ru. Il y a donc une perte importante dans l'énergie de sortie disponi- ble.
Selon l'invention l'énergie en R1 constitue une partie de l'énergie disponible, et dans ce but R1 n'est pas exécuté comme résistance mais comme enroulement sur le trans- formateur de sortie. Le principe de ce montage est indiqué à la figure 3; il a aussi pour conséquence que l'effet sta- bilisateur du couplage en retour négatif a son effet en premier lieu sur la tension à la résistance extérieure; une modification de cette résistance entraînera une variation dans la tension qui est beaucoup inférieure à la variation occasionnée dans le courant.
Cette action est à préférer au cas inverse (courant à peu près constant - tension variable, comme on l'obtient dans le montage de la figure 1), presque partout où la charge extérieure est variable, en particu- lier lorsque cette variabilité est la conséquence de la divi- sion de la charge en plusieurs parties lesquelles peuvent être connectées ou déconnectées indépendamment l'une de l'au-
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tre ; car dans ce cas seul le montage en parallèle donne des résultats satisfaisants, et conséquemment dans un montage selon la figure 2 les parties en circuit subiront une influen- ce négligeable de la connexion ou déconnexion des autres parties, tandis que dans le montage de la figure 1 cette influence est importante.
Lorsque la charge est faible le montage selon la figure 1 pourrait même donner lieu à une certaine distorsion; car si Ru devenait trop grand, e2 pourrait atteindre une valeur si considérable qu'au maximum la tension de plaque mo- mentanée deviendrait négative, la pente momentanée devenant égale à o; on sait que dans un tel cas la distorsion ne peut plus être compensée par le couplage en retour négatif. Il y a encore d'autres raisons pour tâcher d'obtenir l'effet à tension constante sur la sortie., effet qu'on pourrait résu- mer comme étant une "impédance de sortie faible". Un avanta- ge accompagnant le montage de la figure 1 doit être vu dans la faible charge donnée par la grille pour la source de e1' cette charge étant en effet plus faible que si la cathode du tube était mise à la terre directement ou par l'intermédiaire d'une grande capacité.
Ceci est expliqué à la figure 5.
Dans un montage normal (sans couplage en retour) R1 serait zéro (ou une résistance réactive faible consistant en un condensateur si R1 sert à la polarisation de la cathode).
La tension entière e1 agit alors sur la capacité cgk en pa- ralléle avec la résistance Rg, la résistance réactive de la batterie de polarisation de grille étant supposée de faible valeur. Dans le montage en couplage en retour négatif, R1 ne sera pas égal à zéro (comme il sera montré plus loin, R1doit être considérable par rapport à 1/2, pour se conformer à ce qui a été dit trois paragraphes plus haut) et la tension sur ledit montage en parallèle n'est qu'une faible fraction de
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el, c'est-à-dire 1/ (1 + Rl). Le courant absorbé par ce montage a une valeur plus faible correspondante de sorte que la charge sur la source de el est plus faible.
D'autre part la charge due à la capacité entre grille et anode est aussi plus faible; dans un montage normal le courant absorbé par cga est de g + 1 fois plus considérable que dans le cas où seule la tension el agirait sur cette capacité, g étant le rapport entre les tensions de plaque et de grille par rapport à la cathode. Ce rapport est déterminé dans un mon- tage à couplage en retour négatif par un g apparent plusieurs fois plus faible que le vrai g,. de sorte que ce courant aussi constitue une charge beaucoup plus faible. De ces effets di- vers en pratique les deux effets de capacité sont les plus importants. A titre d'exemple, on indiquera que pour un tube (AL 4) on mesura un cga de 1 ou 1.5 pikofarads et un gck d'en- viron 17 pikofarads, g étant à peu près 80.
La capacité de grille apparente fut mesurée dans un montage d'amplification normal à 92 pikofarads. Dans un montage où l'anode était mise à la terre par l'intermédiaire d'un grand condensateur et R1 avait environ la valeur de 8000 Ohms, la capacité apparente de grille était d'environ 3 pikofarads, cette capacité étant occasionnée presqu'exclusivement par le pied de lampe ; unetelle différence de capacité peut être précieuse particuliè- rement pour les fréquences élevées. Cet effet contrebalance en grande partie la nécessité,, dont il sera question plus loin, d'avoir une tension plus considérable à .la grille de la lampe couplée en retour.
Sur la figure 3, R1' et R2' représententles parties de la charge extérieure Ru transformée sur l'enroulement pri- maire total du transformateur de sortie, en tant que ces parties sont actives dans les circuits de cathode ou d'anode du tube. Par un choix convenable du rapport de R1' et R2' plusieurs avantages peuvent être obtenus; si par exemple on
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choisit ce rapport égal à l'unité, les tensions de signal à la cathode et à l'anode seront égales mais opposées ce qui est particulièrement favorable lorsque la tension sur Ru doit être symétrique par rapport à la terre.
Le dit rapport pourrait aussi être choisi égal au rapport des impédances dues aux capacités parasitaires ca et ck (voir la figure 3), choix par lequel on obtient que le rapport entre les impédan- ces entre la cathode et la terre ou l'anode et la terre reste, même pour les fréquences élevées, égal à celui pour la basse fréquence; la caractéristique de fréquence qui en résulte sera donc égale.
Plus loin on se réferera à un cas particulier, où dans le choix de ce rapport on s'est basé sur des considéra- tions ayant trait aux tubes précédant le montage selon l'in- vention (voir les figures 18 et 19).
Encore une valeur possible de R2' est zéro, c'est- à-dire que toute la charge extérieure (transformée) est dans le circuit de cathode (figure 6) . Ainsi la valeur maxima de l'effet de couplage en retour à réaliser avec une seule lampe peut être obtenue. Evidemment, une difficulté de ce montage est la très haute tension de signal requise à la grille.
En pratique, dans le cas en question, la tension transformée à la charge extérieure est à peu près la même que la tension à la grille de la lampe. Cependant le courant dans la charge extérieure est beaucoup plus grand que celui qui est pris à la source de la tension de signal ; deplus, puisque l'impédance pour cette dernière est beaucoup plus grande que pour une lampe dans un montage normal, ce fait ayant été démontré plus haut, la lampe débitera donc certai- nement une énergie amplifiée. -
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L'invention n'est pas limitée aux amplificateurs où le courant d'émission est conduit à la lampe par l'inter- médiaire de l'enroulement du transformateur, mais elle s'ap- plique aussi bien dans le cas de la figure 4.
Les selfs L1 et L2 peuvent y être construites comme unités séparées, ou bien comme deux enroulements sur noyau commun. En ce qui concerne le rapport entre L1 et L2 ce qui précède est appli- cable.
Si l'amplificateur fonctionne avec une lampe à grille-écran on devra prendre soin que cette grille ne soit pas mise à la terre (pour les tensions alternatives), mais qu'au contraire elle soit à même de suivre le potentiel alternatif de la cathode. Ceci se réalise de préférence en prévoyant sur le transformateur portant l'enroulement qui relie la charge à la cathode, un enroulement supplémentaire ayant le même nombre de tours que ledit enroulement, la grille-écran étant reliée à sa source de tension par cet enroulement supplémentaire (figure 7). Un avantage de ce montage réside dans l'absence de l'effet magnétisant du courant de la grille-écran. De préférence, les deux enroule- ments sont enroulés simultanément de sorte que les capacités parasitaires sont pratiquement réduites à zéro.
Des considérations analogues sont valables dans le cas où le courant unilatéral n'est pas admis par un transfor- mateur mais par une self, auquel cas l'enroulement supplémen- taire devra être prévu sur cette dernière.
Dans les amplificateurs ayant deux lampes à l'étage final, les montages décrits peuvent être utilisés avec avan- tage. Un premier exemple est donné par la figure 8; les deux tubes agissent en parallèle sur la charge, mais de telle fa- çon que pour la première lampe la charge soit dans le circuit de @
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plaque et pour la seconde dans le circuit de cathode. La ten- sion de signal est directement admise à la première lampe et, par l'intermédiaire de la résistance R'dans le circuit d'anode de la première lampe, à la seconde lampe.
Le fonctionnement de ce montage pourrait être le mieux expliqué en se référant au schéma de remplacement de la figure 9. La charge extérieure y est représentée comme divisée en deux parties R3 et R4' de telle manière que le montage de ces deux parties en parallèle rétablisse la ré- sistance initiale, tandis que R3 est exclusivement alimen- tée par la première lampe et R4 par la seconde. Les tensions aux résistances R3 et R4 sont donc fondamentalement égales.
De même la tension entre G2 et la terre est la même que celle entre P1 et la terre. La tension à la résistance R est donc la même qu'à Rs' laquelle a la même signification qu'à la figure 2 et est donc égale à 1/s. La distribution du courant sur R et Rs est donc inverse à leurs valeurs. Si les lampes sont du même type il est désirable de choisir R égale à R ; dans ce cas les deux lampes débitent la même puissance. Les harmoniques engendrées dans la première lampe seront présen- tes dans la tension appliquée à la grille de la seconde lampe, avec amplitude et phase telles que la distorsion dans cette lampe soit compensée au moins en ce qui concerne les harmo- niques d'ordre pair.
La puissance de la première lampe, la- quelle est atteinte de distorsion, est alors mélangée avec une quantité égale de puissance de la seconde lampe, qui n'a point subi de distorsion, de sorte que le pourcentage des secondes harmoniques dans la puissance de sortie est réduit à la moitié. La distorsion peut aussi être composée de façon connue par l'introduction d'un élément non linéaire dans la résistance R; l'application de ce principe au présent cas
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se montre très avantageuse, puisque cette distorsion com- plémentaire ne doit être prévue que dans la résistance R.
La distorsion dans la puissance fournie par la seconde lampe pourra alors compenser celle de la première lampe. Comme il ressort du schéma de la figure 8 le transformateur est par- couru de telle façon par les courants d'émission, que leurs magnétisations agissent en sens contraire. Une compensation est aussi obtenue en ce qui concerne la réaction sur la source anodique d'alimentation. Si des lampes à grille-écran sont utilisées, le principe de la figure 7 est applicable, un enroulement séparé n'étant cependant dans ce cas pas nécessaire et la jonction indiquée en pointillé étant suffisante. La compensation des courants d'émission sera alors, pour un réglage égal des lampes, aussi complète que possible, puisque les courants des grilles-écran y sont aussi pris en considé- ration.
Lesdits avantages du montage selon les figures 8 et 9 sont aussi obtenus dans un amplificateur équilibré or- dinaire, mais dans le cas de l'invention on obtient en outre que la tension du signal peut être admise à l'une des grilles seulement; comme on le verra plus loin ce montage se prête donc, contrairement au montage en push-pull, très bien à une combinaison avec des étages précédents, combinaison dans la- quelle le couplage en retour négatif est appliqué (figures 18 et 19). Le fait que l'impédance de sortie transformée sur le primaire est de 1 de celle dans un amplificateur push-pull normal constitue encore un avantage, lequel peut être d'impor- tance pour les fréquences élevées, puisque l'influence des ca- pacités parasitaires dans le transformateur en sera réduite.
Il est désirable d'enrouler les spires de a et b du transfor- mateur simultanément, puisqu'il en résulte un couplage très
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étroit et la réduction au strict minimum des capacités parasi- taires.
Une variante du schéma de la figure 8 est montrée à la figure 10, où chacune des lampes est munie d'une partie de la charge du côté anode aussi bien qu'à son circuit de cathode. Il est possible, bien que non indispensable, de prévoir les enroulements c et d sur un seul noyau.
Tout comme dans les montages des figures 3 et 4 le montage montré donne déjà lieu à un certain degré de cou- plage en retour négatif ayant pour résultat une réduction de l'impédance de sortie de l'amplificateur. Le rapport entre les parties c et d peut aussi être choisi tel que la symétrie soit obtenue ou aucune certaine inégalité désirée en résulte, un exemple particulier étant donné à la figure 11. Dans cette figure on a admis que pour certaines raisons (voir fi- gure 18) on trouve désirable de réduire l'amplitude de ten- sion sur la cathode de la première lampe à une valeur in- férieure à la moitié de l'amplitude totale débitée par la lampe.
Dans un montage selon la figure 10, cette condition pourrait seulement être satisfaite avec un transformateur dissymétrique ; or en choisissant les enroulements de cathode des deux lampes égaux et en donnant à l'enroulement d'anode de la seconde lampe une valeur supérieure correspondante, la symétrie pourrait être rétablie. Il sera nécessaire alors d'insérer la résistance dans l'enroulement d'anode de la première lampe en un point f tel que ce point possède à peu près le même potentiel de signal que le point g.
Selon la figure 12, la charge extérieure totale pour la première lampe est située dans le circuit de cathode, et pour la seconde lampe dans le circuit d'anode. Ainsi le couplage en retour négatif maximum est réalisé. L'inégalité dans la charge des deux lampes, occasionnée par la présence de la résistance r peut être compensée en augmentant le nombre @
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des spires de la charge de la seconde lampe. Ce principe est aussi applicable dans les montages selon les figures précédentes, par exemple celui de la figure 8. Du schéma de cette figure on obtient alors celui de la figure 13. La figure 14 représente un exemple où la charge des deux lampes est située dans le circuit d'anode.
Les avantages du montage équilibré sont obtenus à la sortie, tandis que par rapport à la figure 10 on a l'avantage que l'enroulement secondaire peut être exécuté sans coupure; comme auparavant une seule connexion de grille pour la tension de signal peut suffire.
Une mesure évidente est d'obtenir la polarisation de la grille en profitant de la résistance ohmique de la partie de l'enroulement située dans le circuit de cathode d'une lampe. Si cette résistance n'était pas assez grande, elle pourrait être complétée par une résistance extérieure pourvue de façon connue d'un condensateur en pont ; peut utiliser un fil plus résistant pour l'enroulement et si la résistance était trop grande on y remédierait par une prise telle (figure 15) que la tension correcte soit obtenue.
Dans la description de la figure 5 il semble que l'extrémité inférieure de la résistance R doit avoir de préférence un potentiel de signal correspondant à peu près à celui de la cathode. Ceci peut s'obtenir au moyen d'une résistance auxiliaire Rh et d'un condensateur Ch, ce dernier étant relié à la cathode (figure 16). Au lieu de Rh et Ch un enroulement supplémentaire k (figure 17) pourrait être utilisé, cet enroulement consistant en un fil extrêmement fin qui, grâce à cela, peut être enroulé sans inconvénient avec l'enroulement de cathode.
Comme il a été dit déjà à propos des figures 5, 8 et 9 quelques caractéristiques seront exposées en se réfé- rant aux figures 18 et 19, ces caractéristiques ayant trait
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à la combinaison d'un montage à lampe, couplé en retour, et un amplificateur selon l'invention. A la figure 18, le montage d'amont comporte une seule lampe, tandis qu'à la figure 19 il y a deux lampes d'amont.
Dans les deux figures, on voit d'emblée qu'il est désirable de choisir la tension de signal sur la grille de la dernière lampe au maximum telle que sa valeur de crête soit à peu près égale à la moitié de la tension d'alimenta- tion de ,1-*anode, puisque lorsque la pénultième lampe est couplée à la lampe suivante par une résistance, la chute de tension dans cette résistance, ou bien la tension de repos de l'anode, ne peuvent jamais être dépassées. Dans le premier cas on aurait une inversion du courant dans la résistance de couplage, ce qui est impossible et dans l'autre cas le potentiel de l'anode de la pénultième lampe devien- drait négatif ce qui entraînerait une distorsion ne pouvant plus être compensée par le couplage en retour négatif.
En pratique, la crête de la tension de signal ne devra pas dé- passer le tiers ou les 2/5 de la tension d'alimentation de l'anode. Pour la lampe de l'étage final, où le potentiel d'anode est pratiquement le même que celui de la. source d'ali- menta.tion la valeur de crête peut approcher, à une faible fraction près, de ce potentiel. Il a été dit plus haut que le potentiel de la cathode de la dernière lampe égale à peu près la tension de grille. Ce qui précède conduit donc à la condition que le potentiel de cathode ne dépasse pas les 2/5 de la tension totale sur la charge extérieure, transformée sur le primaire, si les lampes sont toutes alimentées par la même source d'anode. Cette condition fixe donc en même temps le rapport entre les parties de la charge situées res- pectivement dans le circuit de cathode et dans le circuit d'anode.
De plus il est évident de ces figures que les mon-
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tages conviennent très bien pour l'application du couplage en retour aux étages précédents, une impédance de sortie faible étant le but poursuivi.
A la figure 18, il n'y a qu'une seule lampe outre la lampe finale. Le couplage en retour est donc préférable- ment réalisé au moyen de deux résistances R7 et R6, comme il a été indiqué.
En comparaison avec un montage normal (donc avec mise à la terre de la cathode de la lampe finale) on a l'avantage que la valeur de R7 (laquelle doit de préférence être élevée par rapport à l'impédance de sortie) peut être moins élevée puisque cette résistance ne se trouve pas comme dans ce montage, en pont sur l'impédance de sortie totale, mais seulement sur une partie de cette impédance. Il peut être recommandable de prévoir la résistance indiquée en pointillé, afin d'équilibrer le montage sur toute la gamme de fréquences. Outre R7 on peut aussi réduire R6 en valeur, l'influence des capacités parasitaires se trouvant réduite par cette mesure.
Dans le montage de-la figure 18, un faible cou- plage en retour négatif dans l'étage initial suffit déjà pour obtenir une impédance de sortie faible puisque la lampe finale en soi possède déjà cette caractéristique à un certain degré.
A la figure 19, la résistance R7 du couplage en retour doit être reliée à la cathode de la lampe finale, afin de tenir compte de la présence de deux lampes initiales.
Pour le reste ce montage présente les mêmes avantages que celui de la figure 18. Dans la majorité des montages avec couplage en retour négatif sur trois lampes en cascade les difficultés d'instabilité en dehors de la gamme des fréquen- ces à amplifier, sont considérables ; le présent montage
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elles sont beaucoup moins graves puisque les rotations de pha- se, qui en sont la cause, sont réduites dans la lampe finale par l'action du couplage en retour négatif.
Pour simplifier l'exposé, les figures 18 et 19 ne montrent qu'une seule lampe finale, arrangée comme il a été indiqué aux figures 3 et 4, mais les susdites considérations restent valables en grande partie lorsque l'étage final comprend deux lampes, arrangées selon la figure 8 ou selon l'une des figures suivantes ; la valeur de R7 pourrait dans ce cas être encore réduite puisque l'impédance de sortie est réduite à la moitié en vertu de la mise en parallèle des deux lampes.
Par contre le monta.ge en push-pull ordinaire se prête mal à la combinaison avec le couplage en retour négatif aux étages initiaux puisque cette combinaison ren- drait nécessaire un transformateur ou un étage d'amplification supplémentaire afin d'effectuer l'inversion de phase et puis, pa.rce qu'une inégalité des caractéristiques des deux lampes finales aurait pour résultat une distorsion ou une sensibi- lité aux influences perturbatrices ; complication mention- née comporterait des rotations de phase arbitraires (les- quelles sont incompa.tibles avec la stabilité) et la distorsion ou la sensibilité mentionnée en second lieu ne dépend plus du degré de couplage en retour.
Dans les montages décrits on peut prévoir pour des raisons pratiques plusieurs lampes, de façon qu'elles puissent être considérées au schéma comme une seule lampe.
Partout où il est question dans le texte ou dans le résumé d'une seule lampe ou organe, ce terme doit être considéré comme comprenant aussi une telle combinaison de lampes ou organes.
Les montages donnés comme exemples sont suscepti- bles de modifications. On pourrait par exemple prévoir à la
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figure 10 l'impédance extérieure directement entre les catho- des des deux lampes, le ou les transformateurs étant remplacés par une ou des selfs et des condensateurs sont préférablement prévus entre la cathode de chaque lampe et la plaque de l'autre. Ainsi l'on obtient un montage possédant quelques-uns des avantages du montage équilibré (absence de réaction de la tension de signal sur la source, pas de magnétisation par le courant continu), mais fonctionnant sans transformateurs, de sorte que l'amplificateur fonctionne sur une gamme plus étendue. Lorsque les susdits condensateurs sont omis la ou les selfs doivent avoir une action transformatrice.
En consé- quence de l'arrangement particulièrement favorable des enrou- lements cette ou ces selfs peuvent fonctionner sur une gamme de fréquences plus étendue qu'un transformateur normal.
REVENDICATIONS
1.- Amplificateur thermionique d'énergie caracté- risé en ce que la charge extérieure est reliée toute ou en partie.à la cathode.
2. - Amplificateur thermionique caractérisé en ce que la charge extérieure est reliée à la. cathode et à la plaque de telle façon que la tension à engendrer dans la charge réagisse toute ou en partie sur la cathode de manière à pro- voquer un couplage en retour négatif.