Les bases de l’amplificateur audio
Les amplificateurs à transistor ont de nombreuses applications utiles dans les systèmes audio mono et stéréo.
Pour des raisons plus pratiques, chaque canal d'un système stéréo peut être décomposé en trois sections de circuit distinctes, ou blocs, comme le montre la figure 1.
FIGURE 1
La première section est le bloc sélecteur/préamplificateur.
Il permet à l'utilisateur de
sélectionner le type souhaité de source de signal d'entrée et d'appliquer une
quantité appropriée d'amplification et de correction de fréquence au signal afin
que le signal de sortie résultant soit adapté à une utilisation par le deuxième
bloc de circuit.
La deuxième section est le bloc de contrôle de
tonalité/volume, qui permet à l'utilisateur d'ajuster les caractéristiques de
fréquence du système et l'amplitude du signal de sortie en fonction de ses goûts
personnels.
Cette section peut contenir des circuits de filtrage et des gadgets supplémentaires, tels que des filtres de scratch et de grondement, des circuits de mixage audio, etc.
Sa sortie est envoyée à la section finale du système (l'amplificateur de puissance audio) qui pilote les haut-parleurs.
Une variété de circuits pratiques de préamplificateur, de contrôle de tonalité et associés sont décrits ici. Les circuits amplificateurs de puissance audio seront traités dans une prochaine section (voir Les bases de l'amplificateur de puissance).
PRÉAMPLIS SIMPLES
La fonction de base d'un préamplificateur audio est de modifier les caractéristiques du signal d'entrée afin qu'elles donnent le niveau de réponse en fréquence et l'amplitude de sortie moyenne nominale de 100 mV nécessaires pour piloter le système de contrôle de tonalité de l'amplificateur.
Si l'entrée provient d'un tuner radio, d'un lecteur CD, etc., les caractéristiques du signal sont généralement telles qu'elles peuvent être transmises directement aux sections de contrôle de tonalité, en contournant le circuit du préamplificateur.
S'ils sont dérivés d'un
microphone ou d'un capteur d'enregistrement (disque) à l'ancienne, ils
nécessitent généralement une modification via un étage de préampli.
Les
microphones et les micros sont généralement des appareils magnétiques ou en
céramique/cristal.
Les types magnétiques ont généralement une faible impédance de sortie et une faible sensibilité du signal ou amplitude de sortie moyenne (environ 2 mV nominal). Leurs sorties doivent donc être acheminées vers des étages de préamplificateur à gain élevé.
Les types céramique/cristal ont
généralement une impédance de sortie élevée et une sensibilité élevée (environ
100 mV nominal). Leurs sorties doivent donc être alimentées vers un étage de
préampli à haute impédance avec un gain de tension proche de l'unité.
La
plupart des microphones ont une réponse en fréquence égale et peuvent être
utilisés avec de simples étages de préampli.
La figure 2 montre un préampli
à gain unitare qui peut être utilisé avec la plupart des microphones
céramique/cristal à haute impédance. Il s'agit d'un circuit émetteur-suiveur
avec un réseau d'entrée amorcé (via C2-R3) et a une impédance d'entrée d'environ
deux mégohms — son alimentation est découplée via C4-R5.
FIGURE 2
Les figures 3 et 4 montrent des
circuits préamplifiés pouvant être utilisés avec des microphones magnétiques. Le
circuit à un étage de la figure 3 donne un gain de tension de 46 dB (x200) et
peut être utilisé avec la plupart des microphones magnétiques.
FIGURE 3
Le circuit à deux étages de la figure 4 donne un gain de tension de 76 dB et est destiné à être utilisé avec des microphones magnétiques à très faible sensibilité.
FIGURE 4
CIRCUITS DE PRÉAMPLI RIAA
Si un signal à fréquence variable d'amplitude constante de 20 Hz à 20 KHz est enregistré sur un disque (enregistrement) phonographique standard de 33,3 tr/min à l'aide d'un équipement d'enregistrement stéréo conventionnel, et que l'enregistrement est ensuite relu, il génère la courbe de réponse en fréquence hautement non linéaire, illustré à la figure 5 :
la ligne pointillée montre la forme idéalisée de cette courbe et la ligne continue montre sa forme pratique.
La réponse idéalisée se situe entre 500 Hz et 2120 Hz, mais augmente à un taux de 6 dB/octave (20 dB/décennie) au-dessus de 2120 Hz et diminue à un taux de 6 dB/octave entre 500 Hz et 50 Hz.
La réponse aux fréquences est
inférieures à 50 Hz.
FIGURE 5
Ces réponses permettent d'effectuer des enregistrements sur disque avec de bons rapports signal/bruit et de larges plages dynamiques, et sont utilisées sur tous les enregistrements normaux.
Par conséquent, lorsqu'un disque est relu, sa sortie doit être transmise à l'amplificateur de puissance via un préampli avec une courbe d'égalisation qui est exactement l'inverse de celle utilisée pour effectuer l'enregistrement sur disque original, de sorte qu'un enregistrement global linéaire sur une réponse de relecture est obtenue.
La figure 6 montre la forme du RIAA nécessaire.
FIGURE 6
RIAA (Record Industry Association of America) courbe d’égalisation.
Un circuit d'égalisation RIAA pratique peut être réalisé en câblant une paire de réseaux de rétroaction C-R dans un préampli standard (de sorte que le gain diminue à mesure que la fréquence augmente), avec un réseau contrôlant la réponse de 50 Hz à 500 Hz, et l'autre la réponse de 2120 Hz à 20 KHz.
La figure 7 montre un tel
amplificateur.
FIGURE 7
Le circuit de la figure 7 peut être utilisé avec n’importe quelle cartouche de capteur magnétique.
Il donne une sortie de 1 V à partir d'une entrée de 6 mV à 1 KHz et fournit une égalisation qui se situe à 1 dB près de la norme RIAA entre 40 Hz et 12 KHz.
Le préampli actuel est conçu
autour de Q1 et Q2, C2-R5 et C3-R6 formant le réseau d'égalisation de
rétroaction. Q3 est un étage tampon émetteur-suiveur et pilote le contrôle de
volume optionnel RV1.
Les capteurs en céramique/cristal donnent
généralement une qualité de reproduction inférieure à celle des types
magnétiques, mais donnent des signaux de sortie d'une amplitude bien plus
grande.
Ils peuvent donc être utilisés avec un type très simple de préampli d'égalisation et se retrouvent donc dans de nombreux systèmes de tourne-disques populaires.
Les figures 8 et 9 montrent d'autres circuits de préamplificateur de phonographe qui peuvent être utilisés avec des cartouches de lecture en céramique ou en cristal.
Dans chaque cas, le circuit préampli/égaliseur est conçu autour de Q1, et Q2 est un étage de sortie émetteur-suiveur qui pilote le contrôle de volume optionnel RV1.
Le circuit de la figure 8 peut être utilisé avec n'importe quelle cartouche de détection ayant une capacité comprise entre 1 000 pF et 10 000 pF.
L'égalisation en deux étapes est fournie via C1-R2 et C2-R3 et se situe généralement à 1,6 dB de la norme RIAA entre 40 Hz et 12 KHz.
FIGURE 8
Le circuit alternatif de la figure 9 ne peut être utilisé qu'avec des capteurs avec des valeurs de capacité comprises entre 5 000 pF et 10 000 pF, puisque cette capacité fait partie du réseau de réponse en fréquence.
L'autre partie est formée par C1-R3. À 50-60 Hz, ce circuit a une impédance d'entrée élevée (environ 600 K) et n'entraîne qu'une légère charge de la cartouche.
Cependant, à mesure que la fréquence augmente, l'impédance d'entrée diminue fortement, augmentant ainsi la charge de la cartouche et réduisant efficacement le gain du circuit.
La courbe d'égalisation se
rapproche de la norme RIAA et les performances sont adéquates pour de nombreuses
applications pratiques.
FIGURE 9
UN PRÉAMPLI UNIVERSEL
La plupart des amplificateurs audio utilisent des préamplis aux caractéristiques variables, telles qu'une réponse linéaire à gain élevé pour une utilisation avec des microphones magnétiques, une réponse linéaire à faible gain pour une utilisation avec un tuner radio et une égalisation RIAA à gain élevé pour une utilisation avec un médiator magnétique. etc.
Pour répondre à cette exigence, il est normal d'équiper le système d'un seul circuit de préampli universel du type illustré à la figure 10.
Il s'agit essentiellement d'un
amplificateur linéaire à gain élevé dont les caractéristiques peuvent être
modifiées par commutation d'autres types de réseaux de résistances/filtres dans
ses boucles de rétroaction.
FIGURE 10
Ainsi, lorsque le sélecteur est réglé sur « MAG P.U. », S1a connecte l'entrée à la cartouche de capteur magnétique et S1b connecte le réseau d'égalisation RIAA C4-R7-C5 à la boucle de rétroaction.
Dans les positions restantes du commutateur, des sources d'entrée alternatives sont sélectionnées via S1a et des résistances de rétroaction de contrôle de gain à réponse linéaire appropriées (R8, R9 et R10) sont sélectionnées via S1b.
Les valeurs de ces résistances de rétroaction doivent être sélectionnées (entre 10K et 10M) pour répondre aux besoins individuels — le gain du circuit est proportionnel à la valeur de la résistance de rétroaction.
CONTRÔLE DU VOLUME
Le circuit de contrôle du volume d'un système d'amplificateur audio est normalement placé entre la sortie du préampli et l'entrée du circuit de contrôle de tonalité et consiste en un diviseur de potentiel variable ou potentiomètre.
Ce pot peut faire partie d'un
circuit actif, comme le montrent les figures 7 à 9, mais le problème ici est que
des variations rapides de la commande peuvent appliquer brièvement des
potentiels continus au circuit suivant, ce qui peut perturber sa polarisation et
générer une grave distorsion du signal.
La figure 11 montre la forme et
l'emplacement idéaux du contrôle du volume. Il est entièrement isolé en courant
continu de la sortie du préampli via C1 et de l'entrée du circuit de contrôle de
tonalité via C2.
La variation du curseur RV1 n'a
donc aucun effet sur les niveaux de polarisation CC de l'un ou l'autre circuit.
RV1 devrait être un pot de type log.
FIGURE 11
CIRCUITS DE CONTRÔLE DE TON
Un réseau de contrôle de tonalité permet à l'utilisateur de modifier la réponse en fréquence du système d'amplification en fonction de son humeur ou de ses besoins personnels.
Les réseaux de contrôle de tonalité simples sont constitués d'ensembles de filtres C-R, à travers lesquels les signaux audio passent. Ces réseaux sont passifs et provoquent un certain degré d'atténuation du signal.
La figure 12 montre le circuit pratique d'un réseau de contrôle de tonalité passif qui donne environ 20 dB d'atténuation du signal lorsque les commandes de graves et d'aigus sont en position à plat, et donne des valeurs maximales d'amplification et d'atténuation des graves et des aigus d'environ 20 dB par rapport à la performance plate.
L’entrée de ce circuit peut
provenir du contrôle de volume du circuit et la sortie peut être envoyée à
l’entrée de l’amplificateur de puissance principal.
FIGURE 12
L'action de base du réseau de contrôle de tonalité de la figure 12 peut être comprise à l'aide des figures 13 et 14, qui montrent
(a) le circuit de base
et ses équivalents
(b) boost,
(c) coupure
et (d) dans des conditions plates des réseaux de contrôle des tonalités des graves et des aigus, respectivement.
De brèves explications de ces deux diagrammes sont les suivantes.
Dans le schéma de contrôle des basses de la figure 13, C1 est court-circuité via RV1 lorsque RV1 est en position d'amplification maximale, pour donner le circuit équivalent de (b), qui ne donne qu'une légère atténuation des basses.
Lorsque RV1 est en position de coupure maximale, il court-circuite C2, pour donner le circuit équivalent de (c), ce qui donne environ 40 dB d'atténuation des basses.
Enfin, lorsque RV1 est en position plat, cela donne le circuit équivalent de (d), qui donne environ 20 dB d'atténuation du signal à toutes les fréquences.
Ainsi, ce circuit de contrôle
des basses donne un maximum d'environ 20 dB d'amplification ou d'atténuation des
basses par rapport aux signaux plats.
FIGURE 13
Dans le diagramme de contrôle des aigus de la figure 14, R1 est court-circuité lorsque RV1 est en position d'augmentation maximale, pour donner le circuit équivalent de (b), et R2 est court-circuité lorsque RV1 est en position de coupure maximale, pour donner le circuit équivalent de (c).
Lorsque RV1 est réglé sur la position plat, l'équivalent du circuit est celui de (d), qui donne environ 20 dB d'atténuation du signal à toutes les fréquences.
Le résultat net est que ce
circuit de contrôle des aigus donne un maximum d'environ 20 dB d'accentuation ou
d'atténuation des aigus par rapport aux signaux at.
FIGURE 14
Un réseau de contrôle de tonalité passif du type de base décrit ci-dessus peut facilement être connecté au chemin de rétroaction d'un amplificateur à transistor de sorte que le système donne un gain global de signal (plutôt qu'une atténuation) lorsque ses commandes sont en position atténuée.
La figure 15 montre un exemple pratique d'un circuit de commande de tonalité active de ce type.
FIGURE 15
Dans cet exemple particulier, la conception utilise une version modifiée du circuit de contrôle de tonalité de base de la figure 12, qui permet au circuit de contrôle de tonalité d'utiliser trois (au lieu de quatre) condensateurs de contrôle de tonalité.
CIRCUITS DE MIXAGE AUDIO
Un gadget utile qui peut être installé dans la zone de contrôle du volume/tonalité d'un amplificateur audio est un mélangeur audio multicanal, qui permet de mélanger plusieurs signaux audio différents pour former un seul signal de sortie composite.
Cela peut être utile, par
exemple, pour permettre à l'utilisateur d'entendre les sons d'urgence d'un
microphone de porte d'entrée ou de chambre de bébé, etc., tout en écoutant des
sources de divertissement normales.
La figure 16 montre un exemple de
simple mélangeur audio à trois canaux qui donne un gain unitaire entre la sortie
et chaque entrée.
FIGURE 16
Chaque canal d'entrée comprend un seul condensateur de 100 nF (C1) et une résistance de 100 K (R1) et présente une impédance d'entrée de 100 K.
Le circuit peut recevoir n'importe quel nombre souhaité de canaux d'entrée en ajoutant simplement davantage de composants C1 et R1.
Lors de l'utilisation, le
mélangeur doit être placé entre la sortie du circuit de contrôle de tonalité et
l'entrée de l'amplificateur de puissance principal, avec une entrée provenant de
la sortie de contrôle de tonalité et les autres provenant des sources de signaux
souhaitées.
La figure 17 montre un moyen simple d'ajouter un volume
indépendant et un contrôle marche/arrêt à n'importe quel nombre souhaité de
canaux d'entrée du circuit de mixage audio de base de la figure 16 : RV1
contrôle le volume et S1 fournit la fonction marche/arrêt.
FIGURE 17
FILTRES RAYURES/GRONDEMENTS
Un ennui courant lors de la lecture de vieux disques/disques est celui des bruits de grattage et/ou de grondement.
Les bruits de grattage sont principalement des sons à haute fréquence (supérieurs à 10 KHz) captés par la surface du disque, et les grondements sont des sons à basse fréquence (moins de 50 Hz) qui sont principalement provoqués par de lentes variations de la vitesse du moteur.
Chacun de ces bruits peut être
considérablement réduit ou éliminé en faisant passer les signaux audio du
lecteur à travers un filtre qui rejette les parties gênantes du spectre audio.
Les figures 18 et 19 montrent des circuits appropriés.
Le filtre
passe-haut de la figure 18 donne un gain de tension unitaire aux signaux
supérieurs à 50 Hz, mais donne une réjection de 12 dB par octave à ceux en
dessous de cette valeur, c'est-à-dire qu'il donne 40 dB d'atténuation à 5 Hz,
etc.
L'émetteur-suiveur Q1 est polarisé à demi-volts d'alimentation du point de faible impédance R1-R2-C3, mais a une rétroaction négative appliquée via le réseau de filtres R3-C2-C1-R4.
Le point de retournement de fréquence du circuit peut être modifié en modifiant les valeurs C1-C2 (qui doivent être égales). Ainsi, si les valeurs C1-C2 sont réduites de moitié (à 110 nF), la fréquence de retournement double (à 100 Hz), etc.
FIGURE 18
Le filtre scratch passe-bas de la figure 19 donne un gain de tension unitaire aux signaux inférieurs à 10 KHz, mais donne une réjection de 12 dB par octave à ceux situés au-dessus de cette valeur.
Ce circuit est similaire à celui de la figure 18, sauf que les positions des principaux composants du réseau de filtres sont transposées.
La fréquence de retournement du circuit peut être modifiée en modifiant les valeurs C2-R4 ; par exemple, des valeurs de 3,3 nF donnent une fréquence de 7,5 KHz.
FIGURE 19
Les circuits des figures 18 et 19 peuvent être combinés pour créer un filtre composite anti-rayures et grondements, en connectant la sortie du filtre passe-haut à l'entrée du filtre passe-bas.
Si vous le souhaitez, les
filtres peuvent être équipés de commutateurs de dérivation, permettant de les
mettre facilement en circuit et hors circuit, en utilisant les connexions
illustrées à la figure 20.
FIGURE 20
Notez que si les conceptions des figures 18 et 19 sont construites comme une
seule unité, quelques composants peuvent être économisés en rendant le réseau de
polarisation R1-R2-C3 commun aux deux circuits.
