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Dernière mise à jour : 17/12/2023

Caractéristiques principales

Puissance : 2 x 40..320 mW (1 sortie stéréo pour casque d'impédance >= 32 ohms)
Tension : +18 V (schéma 012a) ou +/-12 V (schéma 012b)
Technologie : AOP + transistors

Présentation

Un petit ampli casque stéréo peu coûteux et aux caractéristiques attrayantes.

Cet ampli est proposée en deux versions, une qui travaille avec une alimentation simple, l'autre avec une tension symétrique.

- Schéma 012a : version avec alimentation simple de valeur comprise entre +12 V et +18 V (optimum +18 V)
- Schéma 012b : version avec alimentation symétrique de valeur comprise entre +/-6 V et +/-12 V (optimum +/-12 V)

Le circuit permet au choix de travailler en classe AB ou en classe A.

Schéma 012a - avec alimentation simple

Le circuit est basé sur une réalisation de A. DORIS (descriptif publié dans la revue EP N°1624 de décembre 1977) et a été adapté pour répondre à mes besoins.

Mode de fonctionnement (classe d'amplification)

Le premier point curieux de ce schéma concerne la présence des cavaliers (jumpers) JPxx. Ceux-ci permettent de choisir le mode de polarisation des transistors de sortie Qxx, qui peuvent travailler en classe A ou en classe AB. La seule raison d'être de ces cavaliers est de permettre des écoutes comparatives sans avoir à dessouder/ressouder des composants.

Remarque : en théorie, la qualité audio obtenue avec un amplificateur travaillant en classe A est supérieure à celle obtenue en classe AB, notament lors de l'écoute de passages musicaux à très faible niveau. En pratique, les différences sonores entre classes A et AB sont très subtiles et difficiles à discerner - c'est le cas pour cet exemplaire d'amplificateur, car la contre-réaction atténue les défauts à un point tel qu'il est difficile d'y prêter l'oreille. Pour ma part, j'ai trouvé le résultat sonore de cet amplificateur meilleure en position AB qu'en position A (voir commentaires au § Prototype). Mais rien de tel que d'essayer soi-même pour se faire son opinion...

Configuration de la classe d'amplification

Classe AB : JP1L côté R8L, JP2L côté R9L, JP1R côté R8R, JP2R côté R8R ; consommation au repos = environ 20 mA
Classe A : JP1L côté R6L, JP2L côté R7L, JP1R côté R6R, JP2R côté R7R ; consommation au repos = environ 70 mA

Gain du montage

Le gain total est déterminé par le rapport des résistances R2x et R1x (R2L/R1L pour la voie gauche, R2R/R1R pour la voie droite). Avec les valeurs indiquées sur le schéma, il est voisin de +15 dB (envison 5x) et permet l'attaque de l'amplificateur avec un niveau ligne "grand public" nominal de -10 dBV, soit 320 mV. Une marge de sécurité d'environ 6 dB est prévue, la saturation en sortie survient pour une tension crête d'entrée d'environ 1 V, avec un niveau de sortie de 5 V crête.

Avec une tension de sortie de 4,5 V crête, la puissance de sortie est plus que confortable, même pour un casque d'impédance élevée, si on en croit les valeurs théoriques suivantes (bien entendu, la puissance acoustique dépend également de la sensibilité des transducteurs) :

Avec un casque 32 ohms => P(crête) = (4,5 * 4,5) / 32 = 630 mW ; P(rms) = (3,2 * 3,2) / 32 = 320 mW
Avec un casque 80 ohms => P(crête) = (4,5 * 4,5) / 80 = 250 mW ; P(rms) = (3,2 * 3,2) / 80 = 130 mW
Avec un casque 250 ohms => P(crête) = (4,5 * 4,5) / 250 = 80 mW ; P(rms) = (3,2 * 3,2) / 250 = 40 mW

Le gain peut au besoin être légèrement adapté en modifiant la valeur de R2x, mais il est conseillé de ne pas adopter ici un gain inférieur à 3x ni un gain supérieur à 20x. En utilisation normale, le potentiomètre RV1 (modèle stéréo logarithmique) qui permet de régler le volume devrait vous éviter de retoucher à ce gain.

Condensateurs de liaisons

Les amplificateurs étant alimentés avec une unique tension d'alimentation continue, le point de référence "zéro" se situe non pas au potentiel de la masse (0 V), mais à un potentiel moitié de la tension d'alimentation positive, soit +9 V pour une alimentation générale de 18 V. C'est donc une tension de repos de +9 V qu'on retrouve sur les sorties amplifiées, et nul doute que les transducteurs du casque n'apprécieraient pas de recevoir une telle tension. La présence des condensateurs de sortie C5L et C5R est de ce fait indispensable, ils seront de type "audio grade" (marque Elna ou Nichicon, par exemple). Il nous faut à cet endroit des condensateurs de forte valeur, surtout si l'impédance du casque est faible. La fréquence de coupure basse (dans les graves) Fc dépend en effet de la valeur du condensateur de liaison C et de l'impédance Z du transducteur qui y est lié, selon la formule suivante :

Fc = 1 / (2 * Pi * Z * C)

Avec un condensateur C de 470 uF et une impédance Z de 32 ohms, la fréquence de coupure Fc est de :

Fc = 1 / (2 * 3,14 * 32 * 0,00047) = 1 / 0,0944 = 10,58 Hz

ce qui nous va très bien !

Remarque : on peut abaisser la valeur des condensateurs de liaison en sortie, dans le cas où l'impédance du casque est toujours supérieure à 32 ohms - une valeur de 47 uF suffit par exemple pour un casque de 300 ohms. Mais il serait alors dommage de se priver du plaisir de tester (pour comparaisons) les vieux écouteurs 32 ohms livré avec son (vieux) smartphone...

Alimentation

L'alimentation doit être soignée, comme pour tout montage électronique. Mais ici, pour une écoute au casque, la moindre résiduelle alternative superposée à la tension continue d'alimentation risque de s'entendre. Une valeur comprise entre +12 V et +18 V est acceptée, la plus élevée (+18 V) est recommandée. L'alimentation doit pouvoir débiter une intensité de courant de 100 mA au minimum. Notez au passage la valeur élevée des condensateurs de découplage d'alimentation C6x (un par voie), c'est plus que la moyenne et ça ne fait que du bien.

Schéma 012b - avec alimentation symétrique

Pas de grande économie de composants, mais une qualité probablement légèrement supérieure (et décelable ?). A tester...

Qualité sonore supérieure ? Oui, peut-être la distorsion harmonique totale (DHT, THD) sera-t-elle un peu réduite, par rapport au montage avec une seule alimentation. Mais cela s'entendra-t-il ?

Configuration de la classe d'amplification

Encore des condensateurs de liaison en sortie ?

La plupart du temps avec un amplificateur tirant son énergie d'une alimentation double (symétrique), on peut se passer des gros condensateurs de liaison situés entre les sorties amplifiées et les transducteurs (écouteurs du casque), puisque la tension continue au repos est censée être de 0 V. Alors pourquoi en avoir mis ici, sachant que ce type de condensateur apporte toujours une coloration pas forcément bienvenue ? Pour les raisons suivantes :
- blocage tension continue de sortie pas totalement nulle (quelques mV voire une dizaine de mV, selon AOP utilisé).
- protection transducteurs en cas de panne d'une branche d'amplification (transistor de puissance en court-circuit sur une seule branche, ça peut arriver et ici aucun circuit de détection de présence de tension continue élevée en sortie n'a été prévu)
Là encore, ces condensateurs seront de type "audio grade" (Elna ou Nichicon, par exemple).

Si vous souhaitez vraiment retirer C6L et C6R, vous pouvez les strapper avec (les remplacer par) les cavaliers JP3x, à condition de vous assurer que la tension continue de sortie est en toutes circonstances inférieure à 10 mV. Pour cela, il faut :
- adopter des AOP à très faible dérive (faible offset)
- ajouter un circuit de détection de présence de tension continue en sortie

Vous pouvez aussi envisager l'insertion de fusibles en amont du casque (un sur chacune des sorties G et D).

Prototype

Prototype réalisé pour la version à alimentation unique, conformément au plan de câblage (dessin de circuit imprimé) visible plus loin.
Les essais ont d'abord été réalisés avec des signaux tests puis avec de la vraie musique (pour le bien être des oreilles, il n'est pas bon de trop s'amouracher au 1000 Hz sinus, même s'il gratte moins que le 1000 Hz carré).

Essais préliminaires

Pour commencer, alimentation de l'amplificateur sans signal audio à l'entrée, afin de s'assurer que rien ne fume à la mise sous tension et que les transistors de puissance ne chauffent pas exagérément. Puis application d'une sinus 1k d'une centaine de millivolts. Le montage amplifie comme attendu (un peu plus de 500 mV en sortie pour 100 mV en entrée). C'est déjà ça qui fonctionne...

Ce fut également pour moi l'occasion inespérée d'effectuer des relevés de tension en divers points du montage
(mais bon sang, où ai-je mis ma feuille de relevés ?).

Essais avec signaux tests et charge "fictive"

Cette étape avait pour but de vérifier l'absence de distorsion excessive sur le signal de sortie, sachant que le signal d'entrée (issu d'un générateur de fonction) était assez propre. J'ai utilisé un signal triangulaire pour "sentir" plus vite le début de l'écrêtage. Les tests ont été réalisé avec trois valeurs de charges fictives (simples résistances de 33R, 82R et 270R) :

J'ai poussé le niveau jusqu'au début de l'écrêtage et suis revenu légèrement en arrière avant de faire les copies d'écran suivante.

En classe AB (de gauche à droite : résistances de charge 32R, 82R et 270R ; alimentation 18 V) :

En classe A (de gauche à droite : résistances de charge 32R, 82R et 270R ; alimentation 18 V) :

Résultats chiffrés dans le tableau suivant (mais bon sang, où ai-je mis ma feuille de relevés - bis ?)

Charge	Classe	Conso. au repos	Conso. max	Amplitude max	Puissance max
32 ohms	AB A	20 mA 70 mA	xxx mA xxx mA	3,2 Vpp 7,0 Vpp	77 mW (crête) 371 mW (crête)
82 ohms	AB A	20 mA 70 mA	xxx mA xxx mA	5,0 Vpp 8,0 Vpp	76 mW (crête) 195 mW (crête)
270 ohms	AB A	20 mA 70 mA	xxx mA xxx mA	6,5 Vpp 11,5 Vpp	39 mW (crête) 122 mW (crête)

Les valeurs relevées (que je ne retrouve pas) collent globalement avec les valeurs théoriques que je n'ai pas calculées.
Avouez que c'est rassurant.

Essais avec musiques

Enfin !
Là, je ne pouvais pas me contenter d'un strap à la place du potentiomètre de volume (comme fait pour les tests précédents). J'ai donc ajouté un potentiomètre log stéréo à la bonne place, branché mon casque DT770 250 ohms et raccordé un petit lecteur multimédia. Et bien sûr, j'ai mis en route l'alimentation secteur, car sans elle la puissance en sortie de l'amplificateur est trop faible pour rester objectif.

Quel beau son, vraiment ! Et puis tiens, au bout d'un moment, un petit bruit curieux s'incruste sur la voie gauche, entre distorsion et fort souffle. Allons bon, que se passe-t-il ? Quelques secondes après, augmentation très nette de la distorsion, cette fois sur les deux voies G et D. Je n'en crois pas mes oreilles ! Je coupe précipitament l'alimentation secteur (pas de fumée et rien ne chauffe anormalement) et je constate alors que l'afficheur du lecteur multimédia s'est éteint. Ah ! C'est simplement la batterie de ce coquin de lecteur qui est déchargée et qui a provoqué ce mauvais son avant de se couper totalement. Je remets en charge et reprends mes tests...

Le petit lecteur multimédia m'indique que la batterie est chargée... 10 secondes après mise en charge. J'ai comme un doute... et j'ai bien raison, l'appareil ne fonctionne plus ! Pas grave, je le remplace par un PC portable et je continue. Cette fois, tout est OK, le son est de nouveau OK, aussi bien avec mon Beyer DT770 que mon Sony MDR7506 (deux casques aux sonorités complètement différentes). Super !

Comme j'aime bien bricoler, j'ai décidé de poursuivre les tests avec différents types d'AOP : LM741, TL081, NE5534, LF356, OP07, OP27, OP37 et même un LM318. Croyez-le si vous voulez, mais si tous les AOP sonnent bien à faible niveau, seul le LM741 donne satisfaction à volume "très" élevé, que ce soit avec une alimentation de 9 V ou 18 V. Puisqu'en l'état l'amplificateur fonctionne et que sa qualité sonore me convient, je m'y pencherai peut-être plus sérieusement si un jour j'en ai le temps (vous savez, ce type de phrase qu'on prononce sans en être totalement convaincu).

Alors, meilleur son en classe AB ou en classe A ?

Aussi surprenant que cela puisse paraître, j'ai trouvé le résultat sonore de cet amplificateur meilleur en AB qu'en A (sous une tension d'alimentation de 18 V). La raison est simple : le circuit a été conçu à l'origine pour travailler en classe AB. En réalité, le fonctionnement en classe A est également bon (je ne le trouve pas meilleur), mais pour une tension d'alimentation comprise entre 12 V et 15 V (constaté avec mon alimentation de labo avec tension de sortie ajustable). Ceci dit, mes oreilles ne sont plus toutes jeunes...

Pour cette réalisation, je suggère de positionner les cavaliers JP1x et JP2x en mode AB et d'alimenter le tout sous une tension de 18 V.

Circuit imprimé (PCB)

Dessiné en double face pour la version 012a (avec alimentation simple), pas dessiné pour la version 012b (avec alimentation double).

Circuit imprimé (PCB) au format PDF

Historique

17/12/2023
- Ajout photos prototype et compte-rendu des essais.

10/12/2023
- Première mise à disposition