Electronique > Réalisations > Commutateurs audio > Commutateur audio 001

Dernière mise à jour : 25/07/2010

Présentation

Le montage qui suit est basé sur l'utilisation de portes logiques de type CD4066. Les performances audio sont correctes, voire bonnes, mais ne peuvent pas vraiment être qualifiées de HiFi. Cependant, ce montage n'a pas à rougir devant un interrupeur de qualité standard. Si vous recherchez un commutateur plus performant, jetez un oeil au montage de la page Commutateur audio 002. Deux montages sont proposés ici :
- Schéma 001 : montage de base avec deux portes analogiques pour usage en stéréo;
- Schéma 001b : montage plus évolué avec quatre portes analogiques pour usage en stéréo.
Le second montage permet une atténuation bien plus marquée en mode OFF. Mais est-ce vraiment utile ?

Schéma 001

En temps normal, ce genre de schéma ne fait pas trop peur.

Commutateur audio 001

Commutation audio
La commutation audio est assurée ici par deux des quatre élements contenus dans un CD4066, que l'on appelle des portes analogiques. Pourquoi le terme "Portes" ? Parce qu'il s'agit d'élements qui font partie d'un circuit intégré, lui même faisant partie d'une grande famille de circuits logiques. Pourquoi le terme "Analogique" ? Parce que contrairement aux portes logiques classiques, qui ne travaillent qu'avec des tensions d'entrée ou de sortie en "tout ou rien" (tension d'alimentation ou zéro volt), ce type de porte est capable de faire passer ou de bloquer toute tension comprise dans une plage donnée, plage légèrement inférieure à celle imposée par la tension d'alimentation. Dans le cas présent, avec une alimentation simple (non symétrique) de 15V, la tension des signaux audio appliqués sur les entrées IN L et IN R, pourront atteindre une valeur crête à crête de 10V (ça peut être 0,1V, 1V, 3,5V, ...). Il faudra veiller à ne pas dépasser cette valeur de 10V, sous peine d'endommager irrémédiablement le circuit intégré CD4066 . 10 Vcac représente tout de même une bonne amplitude, et il faut tout de même y aller, ça fait plus de 12 dBu. Un signal audio aux normes -10 dBu ou +4 dBu conviendra donc parfaitement.
 
Alimentation simple (non symétrique) et signal BF ?
Comme un signal BF est généralement composé d'alternances positives et négatives, et que le montage est alimenté avec une tension continue positive seulement, cela pose un problème avec les portes analogiques : les alternances négatives sont ecrêtées, elles sont rabottées, et ne passent pas. Et je vous assure que ce n'est pas beau à entendre. Mais alors, ce montage est inutilisable ? Bien entendu que non, sinon, pourquoi perdre son temps à écrire ou à lire ce texte ? Un simple condensateur de liaison [C] et deux résistances de polarisation [R + R] vont permettre de sauver la face. Nous utilisons ici le même principe que celui de la masse virtuelle. Ouf ! Et ce pour deux entrées, puisque l'on travaille en stéréo. Et bien multiplions par deux l'ensemble [C + R + R], et nous obtenons : [C1 + R1 + R2], [C2 + R3 + R4]. Toutes ces résistances de polarisation (quel affreux terme) vont porter chaque entrée des portes analogiques à un niveau de tension égale à la moitié de la tension d'alimentation (+7,5V pour alimentation générale de +15V, dans le cas présent), de telle sorte que les signaux audio sont toujours positifs. Un simple décalage vers le haut, en somme. Ce n'est pas si compliqué, finalement, vous êtes d'accord ? Au lieu d'évoluer autour d'une tension de référence de 0V, les alternances négatives et positives du signal audio se balladent au dessus et en dessous d'une tension de +7,5V. La zone située entre 0V et +7,5V est dévolue aux alternances négatives, et la zone située entre +7,5V et +15V est réservée aux alternances positives. Pourquoi ne pas utiliser une alimentation symétrique, avec une branche négative ? Parce que les circuits intégrés du type utilisé ici ne peuvent travailler qu'avec une tension positive, il ne faut pas chercher plus loin.

Commande
La commande est assurée par un inverseur, à positions fixes (interrupteur) ou de type fugitif (bouton poussoir), choisissez celui qui conviendra le mieux à votre application. Les deux portes analogiques U1:A et U1:B sont passantes (fermées) quand une tension positive est appliquée sur les broches de commande (borne 13 pour U1:A et borne 12 pour U1:B). Et ces deux portes sont bloquées (ouvertes) quand ces même broches de commande (12 et 13) sont reliées à la masse. On aurait pû cabler l'interrupteur SW1 directement sur le +15V d'une part et sur la masse d'autre part. Alors pourquoi mettre les résistances R6 et R7 de 22K ? En fait, ces résistances fonctionnent avec R5 et C5, le tout permettant d'envoyer une tension de commande qui ne passe pas brutalement de +15V à 0V (ou inversement). Un adoucisseur de position ON/OFF, si vous voulez. Je vous invite à ne pas cabler le quadruplet R5/R6/R7/C5 dans un premier temps, afin que vous vous rendiez compte de vous même de ce que cela donne sans ces composants.

Schéma 001b

Schéma pour atténuation plus importante en position OFF.

commutateur_audio_001b

On fait appel à deux portes supplémentaires (U1:C et U1:D), une pour chaque voie audio gauche et droite. Ces portes sont en position inverse des deux premières (U1:A et U1:B), grâce au transistor Q1 qui inverse l'état logique du signal de commande issus de l'inverseur SW1.
- Quand SW1 est en position ON, les portes U1:A et U1:B sont fermées (passantes) et les portes U1:C et U1:D sont ouvertes (non passantes).
- Quand SW1 est en position OFF, les portes U1:A et U1:B sont ouvertes (non passantes) et les portes U1:C et U1:D sont fermées (passantes).
Le fait de rendre passantes les portes U1:C et U1:D conduit à quasiment court-circuiter à la masse le résidu de signal BF qui arrive à passer les deux premières portes. C'est ainsi que l'on arrive à un taux d'atténuation nettement plus élevé, sans grand effort supplémentaire.

Comparaison entre schéma 001 (deux portes) et schéma 001b (quatre portes)
L'atténuation apportée par le système quand l'inverseur SW1 est en position ON est négligeable pour les deux schémas et est très proche de 0 dB. Si on entre un signal de 1 Vcac, il ressort à 1 Vcac (Vcac = Volt crête à crête). Quand l'interrupteur est en position OFF dans le premier schéma (001), un signal entrant de 1 Vcac ressort avec un niveau d'environ 100 uV, c'est à dire 10000 fois moins, ce qui correspond à une atténuation de 80 dB. C'est déjà très bien ! Quand l'interrupteur est en position OFF dans le second schéma (001b), un signal entrant de 1 Vcac ressort avec un niveau d'environ 500 nV, c'est à dire environ 2000000 fois moins, ce qui correspond à une atténuation supérieure à 120 dB ! Je vous rassure tout de suite, il n'est pas aisé de mesurer une telle performance car on se situe déjà plus que probablement dans le plancher de bruit (bruit de fond si vous préférez). Déjà qu'avec 80 dB d'atténuation vous y êtes déjà sûrement - tout dépend de votre équipement audio. Bref, voir ce que ça donne avec deux portes (schéma 001) et adopter les deux portes supplémentaires (schéma 001b) si vous avez de quoi entendre la différence. Après tout, peut-être faites-vous partie des chanceux qui possèdent un ampli dont la dynamique atteind allègrement 140 dB comme on peut le voir dans certaines pubs...

Autres portes analogiques ?

Les portes CD4066 ne sont pas ce qui se fait de mieux pour les applications audio. Il existe des circuits intégrés réellement spécialisés pour cet usage, offrant des caractéristiques bien meilleures (meilleure diaphonie, bande passante plus large, résistance ON plus faible, bruit de commutation plus faible, etc). Voici quelques produits dédiés pris au hasard chez quelques fabricants :

Fabricant
Produits proposés et liens
Maxim
MAX333A, MAX319, MAX391, MAX4501, MAX4544, MAX4621
Note d'application AN130 (en anglais)
Note d'application AN684 (en anglais)
Réduire la distorsion harmonique apportée par les commutateurs analogiques dans les systèmes audio (en anglais)
Selectionner le bon commutateur analogique (en anglais)
Analog Device
SSM2404, ...
Allez donc faire un petit tour sur cette page, et comptez le nombre de produits proposés :
Interrupteurs analogiques (en anglais)

ADG201
National Semiconductor
Peu (ou pas) de commutateurs audio, mais des atténuateur programmables avec fonction de mute (att. > 100dB) :
Atténuateur audio 2 canaux LM1972 (en anglais)

Ce qu'il faut retenir

Deux petits points, juste comme ça...

Résistance à l'état passant
Les portes analogiques doivent présenter une faible résistance à l'état passant. Il faut savoir que la résistance à l'état passant n'est pas une constante, sa valeur dépend un peu de la tension d'alimentation et de l'amplitude même du signal audio qui transite dans la porte. La variation de cette résistance en fonction de ces deux critères doit être la plus faible possible, car elle joue sur le taux de distorsion harmonique (THD). On imagine en effet aisement que si la résistance ON varie avec l'amplitude du signal, on se trouvera sans doute avec un signal en sortie légèrement modifié, et ce en fonction de son amplitude (non linéarité de transfert). Par exemple, le circuit ADG884 de Analog Device présente une résistance ON de seulement 0,5 ohms, et cette valeur de résistance varie très peu en fonction de l'amplitude du signal qui la traverse.

Amplitude maximale du signal audio entrant
Elle ne doit pas dépasser les bornes de la tension d'alimentation des portes analogiques. Si l'alimentation du montage est de +15 V par rapport à la masse, on ne devrait en théorie pas dépasser une amplitude de 15 Vcac (+/-7,5 V par rapport au point centrale de +7,5 V). Dans la pratique, il convient de s'accorder une petite marge de sécurité et de ne pas dépasser une amplitude de 10 Vcac toujours pour une alimentation de +15 V. En allant trop loin, on commence à entendre de la distorsion, puis si on insiste un peu les portes finissent par rendre l'âme.