Préamplificateur à 4 Entrées + RIAA - Sortie Casque

Projet publié dans Electronique Pratique n° 322 de décembre 2007 sous le titre: "Préamplificateur stéréophonique en AOP - 5 entrées - sortie casque - 100 mW"

NovoTone - Préamplificateur à 4 entrées + RIAA - Sortie 600 Ohms + casque


Ce préamplificateur permet la sélection de 5 sources dont une avec correction RIAA. Il possède une sortie 1 Veff sous 600 Ω et intègre un amplificateur haute fidélité pour écoute au casque.
Sa distorsion propre est inférieure à 0,03% et la bande passante s’étend de 10 Hz à 50 kHz à -1 dB.
L’ensemble tient sur une carte unique et utilise exclusivement des circuits intégrés ce qui rend sa réalisation à la portée de tous. La carte peut être embarquée dans un coffret extra plat de 40 mm de haut.


LE SCHEMA

Le préamplificateur
Schéma du préamplificateur
Les deux canaux étant identiques, nous étudierons le canal droit dont la nomenclature des composants est impaire.
Le combinateur d’entrée permet la sélection de cinq sources différentes. La première position met en circuit un correcteur RIAA, les quatre autres sont linéaires et proposent une sensibilité programmable par le choix des résistances R17 à R23.


La correction RIAA
La correction RIAA met en œuvre un LM833. La correction RIAA est obtenue par contre-réaction. Ce circuit et le calcul de ses éléments sont décrits en détail dans la note d’application AN-346 de National et publié sur la toile.
Le pôle à 3180 µSec est réalisé par le dipôle R11/200 kΩ et C9/15 nF, le pôle à 75 µSec par le dipôle R9/16 kΩ et C7/4,7 nF.  Le gain de cet étage est de 35 dB à 1 kHz. Le bruit rapporté en entrée est spécifié à 330 nV, ce qui nous donne un rapport signal / bruit théorique de 60 dB pour un signal de 3 mV à 1 kHz en entrée. En pratique une cellule spécifiée à 3mV/5cm/Sec-1 à 1 kHz sort un signal maximal de 10 mVac, le rapport signal / bruit est alors de 70 dB. La mesure de la conformité à la norme est de +/- 0,4 dB. L’impédance d’entrée est fixée par la mise en parallèle de R1/100 kΩ et R3/91 kΩ, soit 47,6 kΩ. La résistance R71 est un pontage et peut être remplacée par une résistance afin d’éviter la saturation pouvant éventuellement survenir à la sortie d’IC2 (gain = 15 dB) en utilisant une cellule particulièrement dynamique. Une valeur de 47 kΩ réduira la sensibilité à 6 mV à 1 kHz si nécessaire. L’AOP est polarisé à +1,3 Vdc afin de maintenir le condensateur électrolytique C15 sous tension.
Le signal de sortie de l’AOP est routé vers la position ‘’1’’ du commutateur.


Préamplification et correction de tonalité
L’AOP IC2 présente un gain de 15 dB et pilote sous une impédance nulle le correcteur de tonalité. La correction de tonalité est hors-service par défaut. Le relais K1 au repos prélève le signal directement en sortie de IC2. Le correcteur de tonalité est du type Baxandall. Ce correcteur a été décrit en détail dans Electronique Pratique n°317 de juin 2007 et sur notre site au projet 25. Le gain à l’équilibre et à la fréquence ‘’pivot’’ est unitaire. La fréquence ‘’pivot’’ (Turnover Frequency) est placée ici à 500 Hz à une position physiologiquement plus centrale que les 1000 Hz habituels. L’accentuation / désaccentuation à 30 Hz et 10 kHz est indépendante et réglable jusqu’à 15 dB.
Le signal est ensuite appliqué au potentiomètre de balance suivi du potentiomètre de volume. L’activation du relais K2 provoque la mise en parallèle des deux canaux. L’AOP4 est configuré en gain unitaire, les résistances R53 et R55 fixent l’impédance de sortie à 600 Ω. Les condensateurs C41 de 2,2 pF et C29 de 4,7 nF limitent la bande passante à 100 kHz à –3 dB. 
Les deux relais K1 et K2 ont une bobine de 1 kΩ environ. Les résistances R80 et R81 de 270 Ω sont placées en série afin de pouvoir les activer par la tension de 15 Vdc.


Amplificateur pour écoute au casque
Le circuit utilisé est un LM386N4. Il développe une puissance maximale de 1 Weff. La puissance est limitée ici à 100 mW dans 64 Ω. Le LM386 est configuré par défaut pour un gain de 20, ce qui est trop important pour notre usage.
La note d’application de National spécifie que le gain minimal ne peut descendre en dessous de 9 sous risque d’instabilité. Les résistances intégrées aux entrées (broches 2 et 3) font 50 kΩ et fixent l’impédance d’entrée.  La contre-réaction réalisée par R61-R59 limite le gain à 9 (19 dB) en sortie de l’AOP et à 7 (17 dB) après R63 en présence d’une charge de 64 Ω. Le signal prélevé au curseur du potentiomètre P4 est appliqué à l’entrée directe via un atténuateur R57-R69 de 15,5 dB. Le gain global entre le curseur du potentiomètre et la sortie casque s’élève 17 – 15,5 dB, soit 1,5 dB. Avec 1 Vac en sortie audio, nous appliquons 1,2 Vac au casque, soit une puissance de 22 mWeff.
La puissance maximale avant écrêtage est de 100 mW dans 64 Ω.
Le circuit C35-R65 imposé par la note d’application assure la stabilité du montage. Le condensateur C37 de 150 pF limite la bande passante à 90 kHz à –3 dB.


Alimentation
Schéma de l’alimentation
Le succès de cette réalisation est directement conditionné par la qualité de son alimentation. Le choix du transformateur d’alimentation s’est porté sur un modèle torique de 15 VA. Sa puissance est largement surévaluée, mais comme les pertes magnétiques sont faibles, la consommation au primaire se stabilise à 2,5 VA et monte à 3,5 VA quand les deux relais K1 et K2 sont activés.
La régulation utilise deux circuits intégrés 7815 et 7915. Ils ne nécessitent pas de refroidisseur. La tension d’ondulation des + et – 15 Vdc est inférieure à 200 µVac.
De plus les deux premiers AOP sont isolés du bruit du souffle de l’alimentation par une cellule RC 100 Ω - 1 µF (ex. R90-C90) et quand on sait que le taux de réjection de l’alimentation pour ce type d’AOP est de l’ordre de 100 dB on a de ce fait éliminé toute source de bruit pouvant venir de l’alimentation. La mesure ‘’Ronflement + Bruit’’ est faite avec le commutateur en position ‘’2’’, entrée en court-circuit et potentiomètre de volume au maximum : le ronflement en sortie n’excède pas 3 µVac, et la mesure du ronflement + bruit (Hum & Noise) pour une bande de 20 kHz donne 12 µVac ! Le rapport signal / bruit est alors de 98 dB.   


MISE EN OEUVRE

La mécanique

La carte a été placée dans un coffret TEKO modèle DS3470, les dimensions font 330x170mm sur 43 mm de haut.  Les photo 2, photo 3 et photo 4 montrent l’agencement réalisé. La carte est fixée par 4 entretoises de 10 mm sur le couvercle du fond. Les divers perçages sont effectués ‘’in-situ’’ à l’aide de la carte nue. La carte contient tous les composants actifs et alimentée en 2x15 Vac, elle fonctionne de manière autonome. Elle peut s’intégrer facilement dans tout autre coffret, c’est pourquoi nous ne proposerons pas de plan mécanique.


Le circuit imprimé

NovoTone - Préamplificateur à 4 entrées + RIAA - Sortie 600 Ohms + casque
Typon à l’échelle 1

Le montage de la carte ne présente pas de difficultés (figure 3 et photo 5). Les 10 picots de 1,3 mm sont sertis en premier lieu, ensuite on soudera les pontages. Le reste sera assemblé par ordre croissant de grandeur en terminant par les quatre potentiomètres et enfin le combinateur. Le raccordement à la masse du châssis est pris sur la carte dans le coin arrière gauche (à côté de C1). 


MISE SOUS TENSION ET TEST

Vu le nombre de composants installés, il vaut mieux vérifier plusieurs fois la pertinence du montage. Gare aux impatients ! Mais pour autant que les circuits intégrés soient montés dans le bon sens, le non-fonctionnement de la carte n’aura pas de conséquences catastrophiques.
Pour la mise en service, il suffit de brancher le 2x15 Vac du transformateur et la carte fonctionne de manière autonome. Vérifier la présence des + et – 15 Vdc. Raccorder une source, de préférence un signal sinusoïdal de 800 mVac à 1 kHz  en entrée ‘’5’’. Positionner P1, P2 et P3 à mi-course et le potentiomètre de volume au maximum. Le signal montrera une amplitude de 2 Vac aux bornes du potentiomètre P3  et une tension de 1 Vac aux bornes de P4.  La sortie casque indiquera 1,4 Vac sans charge.
Ensuite on vérifiera le bon fonctionnement du contrôle de tonalité. Pour une fréquence de 500 Hz, l’activation du contrôle de tonalité doit laisser le signal inchangé. Positionner P1 et P2 au maximum et assurez-vous qu’il y a bien accentuation des graves et des aigus.
Pour tester le fonctionnement du préampli RIAA, nous injecterons un signal sinusoïdal de 3 mVac à 1 kHz ce qui nous restituera ce même signal avec une amplitude de 500 mVac en sortie.


LES MESURES

Nous présentons un ensemble de mesures très complet qui met littéralement cette réalisation à nu.
Outre les mesures relatives au préamplificateur et à son correcteur de tonalité, à l’amplificateur pour casque, une mesure sérieuse de la conformité à la norme RIAA s’imposait.

Les figure 4 et figure 5 présentent respectivement la réponse au signal carré du préampli et de l’ampli pour casque.
Bien que ces deux vues semblent curieusement semblables, elles sont bien le résultat des deux mesures respectives. Ceci démontre le comportement exceptionnel de l’ampli casque dont le temps de montée est de 4 µSec. 
La mesure de la distorsion harmonique et du bruit de la partie préampli est visualisée en figure 6. On notera que le niveau de référence de la mesure du bruit est de –60 dBV et que seule la composante à 50Hz est présente. De plus elle résulte en partie de l’installation de test.
Le taux de distorsion à 1 kHz pour 1 Veff en sortie préampli mesuré au distorsiomètre est de 0,01%.
Aus fréquences de 100 Hz et 1 kHz, les harmoniques sont noyées dans le bruit sous les – 80dB. La représentation spectrale montre la seule présence de H2 à - 76 dB  pour le seul test à 10 kHz.

La figure 7 présente la mesure de la DHT et de la distorsion d’intermodulation de l’ampli casque.
La DHT reste inférieure à 60 dB à –1 dB de la puissance nominale. La DIM est de –76 dB par rapport au signal à 60 Hz placé à 0 dB. On distingue les deux battements à 50 Hz de part et d’autre de la porteuse à 7 kHz. Il s’agit de l’influence parasite de l’installation de test. Seuls les deux battements à 60 Hz doivent être pris en considération.
La courbe de réponse présentée en figure 8 montre l’effet des corrections de tonalité sur une échelle de 40 dB. La mesure en position neutre est légèrement affectée par l’influence résiduelle du Baxendall. La réponse entre 20 Hz et  20 kHz reste inférieure à 1 dB.

Le test de conformité du préampli RIAA est plus délicat en raison de l’interaction fréquence-amplitude. Pour réaliser ce test, nous utilisons un auxiliaire de test ‘’anti-RIAA’’ qui normalise la mesure. Il suffit alors d’injecter un signal d’amplitude constante de 20 Hz à 20 kHz et de mesurer le signal en sortie. Nous ne montrerons pas ici la courbe de réponse RIAA, car avec son amplitude de 40 dB sur l’axe Y, toutes les courbes de tous les préamplis RIAA sont identiques. Le graphe en figure 10 montre l’écart en pas de 0,1 dB par rapport à la dite norme.  Cet écart de +/- 0,4 dB entre 20 Hz et 20 kHz n’est pas critique en regard de la linéarité des cellules MM qui est rarement inférieure +/- 1,5 dB.


Caractéristiques techniques relevées sur le prototype: figure 11

Nomenclature:
Liste des composants


CONCLUSION

A l’usage, cette réalisation se révèle très complète et propose la plupart des fonctionnalités indispensables en audio. Au test d’écoute, le préamplificateur est simplement ‘’transparent’’, il n’ajoute aucune coloration tout en apportant un gain programmable de 10 dB. Les réglages de tonalité sont progressifs et en aucun cas agressifs. L’écoute au casque restitue le message musical avec une excellente dynamique et une définition étonnante.


Besoin d’un complément d’information ?

Envoyez un courriel à l'adresse: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.


- End of text -



Récapitulatif des photos (Haute définition)

NovoTone - Préamplificateur à 4 entrées + RIAA - Sortie 600 Ohms + casque NovoTone - Préamplificateur à 4 entrées + RIAA - Sortie 600 Ohms + casque NovoTone - Préamplificateur à 4 entrées + RIAA - Sortie 600 Ohms + casque NovoTone - Préamplificateur à 4 entrées + RIAA - Sortie 600 Ohms + casque
NovoTone - Préamplificateur à 4 entrées + RIAA - Sortie 600 Ohms + casque