EP2543142A1 - Amplificateur audio très haute fidélité - Google Patents

Amplificateur audio très haute fidélité

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EP2543142A1
EP2543142A1 EP10716396A EP10716396A EP2543142A1 EP 2543142 A1 EP2543142 A1 EP 2543142A1 EP 10716396 A EP10716396 A EP 10716396A EP 10716396 A EP10716396 A EP 10716396A EP 2543142 A1 EP2543142 A1 EP 2543142A1
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EP
European Patent Office
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voltage generator
output
reference voltage
input
power voltage
Prior art date
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Pending
Application number
EP10716396A
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German (de)
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Inventor
Pierre-Emmanuel Calmel
Mathias Moronvalle
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Devialet SA
Original Assignee
Devialet SA
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Publication date
Family has litigation
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/181—Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers
    • H03F3/183—Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/185—Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only with field-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/68—Combinations of amplifiers, e.g. multi-channel amplifiers for stereophonics
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/30—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • H03F1/301—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters in MOSFET amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/03—Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier being designed for audio applications
    • H—ELECTRICITY
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    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/432—Two or more amplifiers of different type are coupled in parallel at the input or output, e.g. a class D and a linear amplifier, a class B and a class A amplifier

Definitions

  • the present invention relates to a high fidelity audio amplifier with low distortion and high efficiency of the type comprising:
  • a reference voltage generator of very high linearity and of low output impedance, able to receive as input the musical signal to be amplified
  • a power voltage generator whose output is connected to the output of the reference voltage generator, via a coupling impedance whose module is at least 10 times smaller than the modulus of the impedance of the load specific to be powered by the output of the amplifier;
  • Means for inputting the power voltage generator input signal representative of the current output by the reference voltage generator US 6 937 095 describes an amplifier having two voltage generators coupled output. These two generators are voltage generators in that they have a very low output impedance.
  • the reference voltage generator behaves as a follower while the power voltage generator supplies, through an impedance, the output current needed to supply the load.
  • the reference voltage generator is constructed to have very high linearity and low output impedance so as to obtain low distortion at the output of the amplifier.
  • the current consumed by the reference voltage generator is measured and its value is used to control the amplification members of the power voltage generator. Thus, most of the electrical power is supplied by the power voltage generator.
  • the reference voltage generator of very high linearity is used to provide the output signal, which affects the accuracy of the amplified output signal.
  • the object of the invention is to propose an amplifier having further improved output performance, especially with regard to the distortion rate.
  • the subject of the invention is an amplifier of the aforementioned type, characterized in that the means for inputting a signal representative of the current output by the reference voltage generator to the input of the power voltage generator are suitable for provide a linear control of the power voltage generator.
  • the amplifier comprises one or more of the following features:
  • the means for inputting, at the input of the power voltage generator, a signal representative of the current supplied by the reference voltage generator comprises an integral derivative-proportional regulator (PID);
  • PID integral derivative-proportional regulator
  • the amplifier comprises means for inputting, at the input of the power voltage generator, a signal representative of the musical signal to be amplified, in addition to the signal representative of the current supplied at the output by the reference voltage generator;
  • the output of the reference voltage generator is connected directly to the power supply output of the load without the interposition of an impedance
  • the power voltage generator is a class D amplification stage
  • the power voltage generator is pulse width modulated or sigma / delta controlled, and the coupling impedance is an inductance, a resistance, or the combination of the two;
  • the power voltage generator is an analog class A or AB amplification stage, and the coupling impedance is a resistance, an inductance or a combination of the two;
  • said input means of input of the power voltage generator of a signal representative of the current output by the reference voltage generator comprise means for measuring the instantaneous intensity consumed by the reference voltage generator
  • said input means of input of the power voltage generator of a signal representative of the current supplied at the output by the reference voltage generator comprise means for measuring the current supplied by the reference voltage generator arranged only upstream the power supply output of the load and the output of the reference voltage generator is connected directly to the coupling point without interposing resistive element therebetween;
  • the output impedance of the reference voltage generator is less than 0.2 Ohms.
  • the audio amplifier 10 shown in FIG. 1 comprises an input 12 adapted to receive an analog audio signal to be amplified and an output 14 for supplying the amplified signal to which is connected a charge formed by a loudspeaker 16.
  • the loudspeaker speaker 16 is connected directly, without other resistive element, between the output 14 of the amplifier and the ground.
  • the input 12 of the amplifier is adapted to receive a control voltage whose reference is the ground.
  • the amplifier 10 comprises a reference voltage generator 18 of very high linearity and low output impedance and a power voltage generator 20.
  • the outputs of the two generators are coupled to each other at the output 14 by a coupling impedance 22.
  • the input of the reference voltage generator 18 is connected directly, without the interposition of an impedance at the input 12 of the amplifier while the output of the reference voltage amplifier 18 is connected directly to the output 14 without interposition of any resistive, capacitive or inductive element.
  • the outputs of the voltage generators 18 and 20 are connected at a coupling point 24, the coupling impedance 22 being arranged between the output of the power voltage generator 20 and the coupling point 24.
  • the reference voltage generator 18 comprises a voltage amplification stage 26 schematized by a differential amplifier whose non-inverting input is connected directly to the input 12 and whose inverting input is connected to a feedback loop 27 is connected directly to the output of the differential amplifier 26.
  • the voltage amplification stage is formed, for example, of an operational amplifier mounted as a voltage follower.
  • the reference voltage generator 18 is a class A amplifier having a very high linearity and a low output impedance.
  • the output impedance of the reference voltage generator is less than 0.2 ohms.
  • the differential amplifier 26 is powered by two direct voltages V + and V and consumes a current respectively noted and l 2 on each of these supply inputs.
  • Means for measuring the current consumed 28A, 28B are provided on each of the supply inputs of the differential amplifier 26.
  • These means are formed, for example, of current detectors as described in document US Pat. No. 6,937,095. They are capable of supplying information representative of the current output by the reference voltage generator, the current supplied by the generator 18 being directly connected. aware that it consumes.
  • the outputs of the current sensors 28A, 28B are connected to an adder 30 forming the input of a PID linear regulator 32 having a linear amplification stage 34, a bypass stage 36 and an integration stage 38 each connected in parallel and receiving as input a value representative of the sum of the currents consumed by the reference voltage generator 18.
  • the outputs of the 34, 36 and 38 are connected to an adder 40.
  • the PID regulator 32 is able to provide at the output a signal representative of the current output by the reference generator 18.
  • the summator 40 is connected by another input to the input 12, via a linear amplification stage 42 to receive the musical signal to be amplified.
  • the power voltage generator 20 is formed in the example considered of a differential amplifier 50 mounted as a follower, and whose inverting input is connected directly to the output by a feedback loop 51 while the input not Inverter is connected to the output of summator 40.
  • the power voltage generator 20 is adapted to receive as input a combination of the audio signal to be amplified from the input 12 and a value representative of the current consumed by the reference voltage generator.
  • the differential amplifier 50 consists of a class D amplifier, that is to say an amplifier of the "push / pull" type comprising, according to its amplifier branch, two transistors. MOSFET “mounted anti-series, these two transistors being driven according to a pulse width modulation law.
  • the impedance 22 consists of an inductance, a resistance or a combination of both.
  • the two transistors are controlled according to a sigma / delta law.
  • the power voltage generator 20 consists of a class A or class AB amplifier.
  • the coupling impedance 22 consists of an inductance, a resistance or a combination of both.
  • the coupling impedance 22, whether it is a coil or a resistor has a module less than ten times the load module, namely the loudspeaker 16, in the frequency range useful.
  • the resistor 22 used in the case of a class AB amplifier to form the power voltage generator 20 is less than 0.4 ohms.
  • the inductance of the coil forming the coupling impedance is less than 100 ⁇ .
  • the value representative of the current supplied by the reference voltage generator introduced into the PID regulator 32 is given by the difference of the potentials measured across the impedance 22 and a complementary resistor disposed between the coupling point 24 and the output 14 according to the assembly described in the document FR 2 873 872.

Landscapes

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Abstract

Cet amplificateur audio haute fidélité à très faible distorsion et haut rendement (10) comporte : une entrée (12) pour un signal audio à amplifier et une sortie (14) d'alimentation d'une charge (16) à partir du signal audio amplifié; un générateur (18) de tension de référence de très haute linéarité et de faible impédance de sortie, propre à recevoir en entrée le signal musical à amplifier; un générateur (20) de tension de puissance dont la sortie est connectée à la sortie du générateur de tension de référence (18), à travers d'une impédance de couplage (22) dont le module est au moins 10 fois inférieur au module de l'impédance de la charge (16) propre à être alimentée par la sortie (14) de l'amplificateur; et des moyens (28A, 28B, 30, 32) pour introduire en entrée du générateur de tension de puissance (20) un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence (18). Les moyens (28A, 28B, 30, 32) pour introduire en entrée du générateur de tension de puissance (20) un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence (18) comportent un régulateur dérivé-proportionnel intégral (32).

Description

Amplificateur audio très haute fidélité
La présente invention concerne un amplificateur audio très haute fidélité à faible distorsion et haut rendement du type comportant :
- une entrée pour un signal audio à amplifier et une sortie d'alimentation d'une charge à partir du signal audio amplifié ;
- un générateur de tension de référence de très haute linéarité et de faible impédance de sortie, propre à recevoir en entrée le signal musical à amplifier ;
- un générateur de tension de puissance dont la sortie est connectée à la sortie du générateur de tension de référence, au travers d'un impédance de couplage dont le module est au moins 10 fois inférieur au module de l'impédance de la charge propre à être alimentée par la sortie de l'amplificateur ; et
- des moyens pour introduire en entrée du générateur de tension de puissance un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence Le document US 6 937 095 décrit un amplificateur comportant deux générateurs de tension accouplés en sortie. Ces deux générateurs sont des générateurs de tension en ce sens qu'ils présentent une impédance de sortie très faible.
Dans cet amplificateur de l'état de la technique, le générateur de tension de référence se comporte en suiveur alors que le générateur de tension de puissance fournit, au travers d'une impédance, le courant de sortie nécessaire à l'alimentation de la charge. Le générateur de tension de référence est construit pour avoir une très haute linéarité et une faible impédance de sortie de manière à obtenir de faibles distorsions en sortie de l'amplificateur.
Le courant consommé par le générateur de tension de référence est mesuré et sa valeur est utilisée pour assurer la commande des organes d'amplification du générateur de tension de puissance. Ainsi, l'essentiel de la puissance électrique est fourni par le générateur de tension de puissance.
Toutefois, même s'il est peu sollicité, le générateur de tension de référence de très haute linéarité est mis à contribution pour fournir le signal de sortie, ce qui nuit à la précision du signal de sortie amplifiée.
L'invention a pour but de proposer un amplificateur ayant des performances de sortie encore améliorées, notamment en ce qui concerne le taux de distorsion.
A cet effet, l'invention a pour objet un amplificateur du type précité, caractérisé en ce que les moyens pour introduire en entrée du générateur de tension de puissance un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence sont propres à assurer une commande linéaire du générateur de tension de puissance. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'amplificateur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- les moyens pour introduire en entrée du générateur de tension de puissance un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence comportent un régulateur dérivé-proportionnel intégral (PID) ;
- l'amplificateur comporte des moyens pour introduire en entrée du générateur de tension de puissance, un signal représentatif du signal musical à amplifier, en plus du signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence ;
- la sortie du générateur de tension de référence est reliée directement à la sortie d'alimentation de la charge sans interposition d'une impédance ;
- le générateur de tension de puissance est un étage d'amplification de classe D ;
- le générateur de tension de puissance est à pilotage en modulation de largeur d'impulsion ou sigma/delta, et l'impédance de couplage est une inductance, une résistance, ou la combinaison des deux ;
- le générateur de tension de puissance est un étage d'amplification analogique de classe A ou AB, et l'impédance de couplage est une résistance, une inductance ou la combinaison des deux ;
- lesdits moyens d'introduction en entrée du générateur de tension de puissance d'un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence comportent des moyens de mesure de l'intensité instantanée consommée par le générateur de tension de référence ;
- lesdits moyens d'introduction en entrée du générateur de tension de puissance d'un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence comportent des moyens de mesure du courant fourni par le générateur de tension de référence disposés seulement en amont de la sortie d'alimentation de la charge et la sortie du générateur de tension de référence est reliée directement au point de couplage sans interposition d'élément résistif entre eux ; et
- l'impédance de sortie du générateur de tension de référence est inférieure à 0,2 Ohms.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique sur laquelle est représenté le schéma électrique d'un amplificateur audio haute fidélité à faible distorsion et très haut rendement selon l'invention.
L'amplificateur audio 10 représenté sur la figure 1 comporte une entrée 12 propre à recevoir un signal audio analogique à amplifier et une sortie 14 de fourniture du signal amplifié à laquelle est reliée une charge formée d'un haut-parleur 16. Le haut-parleur 16 est relié directement, sans autre élément résistif, entre la sortie 14 de l'amplificateur et la masse.
L'entrée 12 de l'amplificateur est propre à recevoir une tension de commande dont la référence est la masse.
L'amplificateur 10 comporte un générateur de tension de référence 18 de très haute linéarité et de faible impédance de sortie et un générateur de tension de puissance 20. Les sorties des deux générateurs sont accouplées l'une à l'autre à la sortie 14 par une impédance de couplage 22.
L'entrée du générateur de tension de référence 18 est reliée directement, sans interposition d'une impédance à l'entrée 12 de l'amplificateur alors que la sortie de l'amplificateur de tension de référence 18 est reliée directement à la sortie 14 sans interposition d'aucun élément résistif, capacitif ou inductif.
Les sorties des générateurs de tension 18 et 20 sont reliées en un point de couplage 24, l'impédance de couplage 22 étant disposée entre la sortie du générateur de tension de puissance 20 et le point de couplage 24.
Le générateur de tension de référence 18 comporte un étage d'amplification de tension 26 schématisé par un amplificateur différentiel dont l'entrée non inverseuse est reliée directement à l'entrée 12 et dont l'entrée inverseuse est reliée à une boucle de contre-réaction 27 reliée directement à la sortie de l'amplificateur différentiel 26. De préférence, l'étage d'amplification en tension est formé, par exemple, d'un amplificateur opérationnel monté en suiveur en tension.
Le générateur 18 de tension de référence est un amplificateur de classe A ayant une très haute linéarité et une faible impédance de sortie. De préférence, l'impédance de sortie du générateur de tension de référence est inférieure à 0,2 Ohms.
L'amplificateur différentiel 26 est alimenté par deux tensions continues V+ et V. et consomme un courant noté respectivement et l2 sur chacune de ces entrées d'alimentation.
Des moyens de mesure du courant consommé 28A, 28B sont prévus sur chacune des entrées d'alimentation de l'amplificateur différentiel 26.
Ces moyens sont formés par exemple de détecteurs de courant comme décrits dans le document US 6 937 095. Ils sont propres à fournir une information représentative du courant fourni en sortie par le générateur de tension référence, le courant fourni par le générateur 18 étant directement lié au courant qu'il consomme.
Les sorties des capteurs de courant 28A, 28B sont reliées à un sommateur 30 formant l'entrée d'un régulateur linéaire de type PID 32 comportant un étage d'amplification linéaire 34, un étage de dérivation 36 et un étage d'intégration 38 chacun monté en parallèle et recevant en entrée une valeur représentative de la somme des courants consommés par le générateur de tension de référence 18. Les sorties des 34, 36 et 38 sont reliées à un sommateur 40. Ainsi, le régulateur PID 32 est propre à fournir en sortie un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de référence 18.
En outre, le sommateur 40 est connecté par une autre entrée à l'entrée 12, par l'intermédiaire d'un étage d'amplification linéaire 42 pour recevoir le signal musical à amplifier.
Le générateur de tension de puissance 20 est formé dans l'exemple considéré d'un amplificateur différentiel 50 monté en suiveur, et dont l'entrée inverseuse est connectée directement à la sortie par une boucle de contre-réaction 51 alors que l'entrée non inverseuse est reliée à la sortie du sommateur 40.
Ainsi, le générateur de tension de puissance 20 est propre à recevoir en entrée une combinaison du signal audio à amplifier issu de l'entrée 12 et une valeur représentative du courant consommé par le générateur de tension de référence.
Suivant un premier mode de réalisation, l'amplificateur différentiel 50 est constitué d'un amplificateur de classe D, c'est-à-dire d'un amplificateur de type « push/pull » comportant suivant sa branche d'amplificateur deux transistors « MOSFET » montés en anti-série, ces deux transistors étant pilotés suivant une loi de modulation par largeur d'impulsion. Dans ce cas, l'impédance 22 est constituée d'une inductance, d'une résistance ou de la combinaison des deux. En variante, les deux transistors sont pilotés suivant une loi en sigma /delta.
Suivant un autre mode de réalisation, le générateur de tension de puissance 20 est constitué d'un amplificateur de classe A ou de classe AB. Dans ce cas, l'impédance de couplage 22 est constituée d'une inductance, d'une résistance ou de la combinaison des deux.
Avantageusement, l'impédance de couplage 22, qu'il s'agisse d'une bobine ou d'une résistance a un module inférieur à dix fois le module de la charge, à savoir du haut- parleur 16, dans la gamme de fréquence utile.
Ainsi, par exemple pour un haut-parleur dont la résistance est de 4 Ohms, la résistance 22 utilisée dans le cas d'un amplificateur de classe AB pour former le générateur de tension de puissance 20 est inférieure à 0,4 Ohms.
De même, dans le cas d'un amplificateur de class D formant le générateur de tension de puissance 20, pour alimenter un haut-parleur dont l'inductance est de 1 mH et la résistance de 4 Ohms, l'inductance de la bobine formant l'impédance de couplage est inférieure à 100μΗ. Suivant un autre mode de réalisation, la valeur représentative du courant fourni par le générateur de tension de référence introduite dans le régulateur PID 32 est donnée par la différence des potentiels mesurés aux bornes de l'impédance 22 et d'une résistance complémentaire disposée entre le point de couplage 24 et la sortie 14 suivant le montage décrit dans le document FR 2 873 872.
On conçoit qu'avec un tel agencement, la prise en compte du signal d'entrée de l'amplificateur directement sur l'entrée de commande du générateur de tension de puissance 12, en plus du signal représentatif du courant fourni par le générateur de tension de référence allège encore la sollicitation du générateur de tension de référence, améliorant ainsi la linéarité de l'amplificateur classe A faisant office de générateur de tension de référence et réduisant d'autant la distorsion.
Le recours à une commande linéaire permet d'éviter les régimes de saturation des capteurs de mesures de courants 28A, 28B et de l'amplificateur 20 aux limites de la plage de linéarité de ces composants.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Amplificateur audio haute fidélité à très faible distorsion et haut rendement (10) comportant :
- une entrée (12) pour un signal audio à amplifier et une sortie (14) d'alimentation d'une charge (16) à partir du signal audio amplifié ;
- un générateur (18) de tension de référence de très haute linéarité et de faible impédance de sortie, propre à recevoir en entrée le signal musical à amplifier ;
- un générateur (20) de tension de puissance dont la sortie est connectée à la sortie du générateur de tension de référence (18), au travers d'un impédance de couplage (22) dont le module est au moins 10 fois inférieur au module de l'impédance de la charge (16) propre à être alimentée par la sortie (14) de l'amplificateur ; et
- des moyens (28A, 28B, 30, 32) pour introduire en entrée du générateur de tension de puissance (20) un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence (18),
caractérisé en ce que les moyens (28A, 28B, 30, 32) pour introduire en entrée du générateur de tension de puissance (20) un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence (18) sont propres à assurer une commande linéaire du générateur de tension de puissance (20).
2. Amplificateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens pour introduire en entrée du générateur de tension de puissance (20) un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence (18) comportent un régulateur dérivé-proportionnel intégral (PID) (32).
3. Amplificateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (42) pour introduire en entrée du générateur de tension de puissance (20), un signal représentatif du signal musical à amplifier, en plus du signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence (18).
4. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie du générateur de tension de référence (18) est reliée directement à la sortie (14) d'alimentation de la charge (16) sans interposition d'une impédance.
5. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de tension de puissance (20) est un étage d'amplification de classe D.
6. Amplificateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le générateur de tension de puissance est à pilotage en modulation de largeur d'impulsion ou sigma/delta et en ce que l'impédance de couplage (22) est une inductance, une résistance, ou la combinaison des deux.
7. Amplificateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le générateur de tension de puissance (20) est un étage d'amplification analogique de classe A ou AB et en ce que l'impédance de couplage (22) est une résistance, une inductance ou la combinaison des deux.
8. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction en entrée du générateur de tension de puissance (20) d'un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence (18) comportent des moyens (28A, 28B) de mesure de l'intensité instantanée consommée par le générateur de tension de référence (18).
9. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction en entrée du générateur de tension de puissance (20) d'un signal représentatif du courant fourni en sortie par le générateur de tension de référence (18) comportent des moyens de mesure du courant fourni par le générateur de tension de référence (18) disposés seulement en amont de la sortie d'alimentation de la charge et la sortie du générateur de tension de référence (18) est reliée directement au point de couplage (24) sans interposition d'élément résistif entre eux.
10. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'impédance de sortie du générateur de tension de référence (18) est inférieure à 0,2 Ohms.
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