Quentin Tilly - Mémoire de fin d'études
Réalisation d'un pré-ampli micro issu des consoles SSL 9000k
1) Présentation de la carte et du schéma fonctionnel
La carte de pré-amplification reçoit le signal issu du microphone, ce signal est trop faible pour être enregistré et traité sans soucis, c'est pourquoi une pré-amplification est nécessaire.
Il faut l'amplifier pour atteindre le niveau ligne, qui est normalisé pour l'audio professionnel à +4dBu soit 1,23V (0,775*10^(4/20)).
Le niveau d'un microphone dépend de sa sensibilité en mV/Pa, elle est plus élevée pour un micro électrostatique que pour un dynamique (cf. doc 1et 2).
Doc 1 : Sensibilité du Shure SM58.
Doc 2 : Sensibilité du AKG C414B-XLII.
Doc : 3 Tableau comparatif.
Il est donc nécessaire d'avoir un pré-ampli avec un gain d'au moins 55 à 60dB, ce qui revient à amplifier par environ 1000 (20log1000 = 60dB)
Doc 4 : Schéma fonctionnel de la carte pré-ampli.
2) FS1.1 L'étage d'entrée
Première partie de la carte de pré-amplification, l'étage d'entrée, on peut tout de suite remarquer 2 entrées, appelées « Input Hi » et « Input Lo », qui représentent les deux signaux issus de la liaison symétrique du microphone.
En effet, dans ce pré-ampli, les 2 canaux sont traités indépendamment, on retrouve donc deux fois le même circuit de pré-amplification.
Dans un soucis de simplicité, je parlerai du canal « Hi » seulement étant donné que le canal « Lo » est identique.
Doc 5 : Schéma de l'étage d'entrée du pré-ampli.
Premier élément du circuit, c'est le condensateur de liaison C69 (cf. doc 5). Ce condensateur sert à bloquer la composante continue issue de l'alimentation phantom afin qu'elle ne parvienne pas à l'étage d'amplification. L'impédance d'un condensateur étant inversement proportionnelle à la fréquence du signal, lorsque qu'un signal continu (fréquence = 0Hz) est à ses bornes, le condensateur s'apparente à un circuit ouvert.
On trouve ensuite un filtre RF (Radio Frequency), qui consiste à filtrer les fréquences dépassant une certaine limite, cette dernière étant placée au-delà de la limite haute de la bande audio, donc bien au-dessus des 20kHz. Ce filtre permet d'éviter les interférences dues aux fréquences de la radio, télévision et radiocommunications en général.
Il est composé d'une bobine et de condensateurs, qui constituent un filtre passe-bas.
3) FS1.2 Premier étage de pré-amplification
Doc 6 : Schéma du premier étage d'amplification.
Ce pré-ampli a comme particularité d'avoir deux étages d'amplification. Le premier présenté dans cette partie est basé sur un transistor bipolaire NPN (cf. doc 7) monté en émetteur commun (cf. doc 6).
Un transistor bipolaire est un composant ayant deux utilisations, la première en commutation, il fonctionne comme un interrupteur et en amplification, cas qui nous intéresse ici.
Doc 7 : Symbole électronique du transistor bipolaire NPN.
Le transistor utilisé dans ce schéma est le MAT-02, c'est un double transistor NPN faible bruit dans un boitier unique à 6 pattes.
Les deux transistors sont montés en amplification à émetteur commun, ce genre de montage permet un gain en fonction du courant dans le collecteur. Le courant dépend, d'après la loi d'Ohm, de la tension et de la résistance. La tension est ici fixe, c'est donc avec un potentiomètre (VR3 sur le schéma) que l'on va augmenter ou diminuer le gain.
On trouve sur la doc technique du MAT-02 la plage de gain possible :
Doc 8 : Plage de gain du MAT-02.
On voit ici que le gain est fonction du courant dans le collecteur, il peut aller jusqu'à 600 fois, soit 55 dB (20log600 = 55 dB)
On trouve ensuite un amplificateur opérationnel (AOP), ce type de composant permet d'effectuer des opérations mathématiques, des amplifications, des adaptations d'impédance, etc.. (cf. doc 9)
Doc 9 : Symbole simplié de l'AOP.
Ici c'est le 5534AN (cf. doc 10), qui est un AOP à faible bruit, servant à adapter l'impédance entre les deux étages d'amplification.
Pour finir, il y a un condensateur (C84) qui permet d'éviter toute composante continue entre les deux étages.
Doc 10 : Schéma du deuxième étage d'amplification.
Le deuxième étage d'amplification tourne autour d'un montage amplificateur avec AOP, les 5534AN (cf. doc 9).
Le montage créé ici est un amplificateur non-inverseur, il permet un gain qui est fonction des résistances autour de lui, c'est pourquoi le potentiomètre est utilisé, il permet de modifier la valeur de la résistance et donc du gain.
Grâce à ses deux étages d'amplification, on peut espérer un gain théorique allant jusqu'à 70dB.
4) FS1.3 Deuxième étage de pré-amplification
5) FS1.4 Le soustracteur
Doc 11 : Le schéma du montage soustracteur.
Dernière étape sur la carte de pré-amplification, la soustraction, qui permet de passer le signal symétrique en signal asymétrique afin de pouvoir traiter les perturbations qui peuvent se trouver sur le signal (cf. doc 11).
L'AOP (IC24) est un 5534AN monté en différentiel, il effectue une soustraction, la tension aux bornes de l'entrée non-inverseuse moins celle aux bornes de l'entrée inverseuse.
Sachant que dans un signal symétrique, on trouve sur le point froid, l'inverse du point chaud, c'est à dire les deux signaux en opposition de phase (cf. doc 10), lorsque l'on effecteur l'opération, A-B, cela reviens à faire A+A, puisque B = -A.
Doc 12 : Représentation d'un parasite sur un liaison symétrique.
Pour ce qui est du parasite, il est arrivé simultanément sur les deux fils A et B, avec la même polarité, donc la soustraction va l'annuler (cf doc. 10).
6) Schéma structurel complet de la carte
Doc 13 : Schéma structurel complet de la carte de pré-amplification
FS 1.1 = Etage d'entrée, permet de bloquer la composante continue de l'alimentation +48V et de
filtrer le signal entrant.
FS 1.2 = Premier étage d'amplification.
FS 1.3 = Deuxième étage d'amplification.
FS 1.4 = Soustraction, passage de symétrique à asymétrique, suppression des parasites.
Sur le schéma deux autres amplificateurs opérationnels sont présents (cf. doc 11), le TL052 contenant deux AOP, qui servent uniquement à supprimer la composante continue possible afin d'éviter l'utilisation de condensateur en sortie.
Citation de Andy Millar, concepteur des 9k :
« At first glance I don't think any of the capacitors are very critical for type in terms of audio performance (except the 2u2 input caps), most of them are there to achieve a dead flat high frequency response - we're talking 200kHz not 20kHz so any effects a dodgy dielectric produces should only be of interest to highly trained bats. As suggested the smaller ones should be ceramic. The 470n can be anything you like - they're to produce the DC 'servo' voltages so they don't pass audio. The 330pf and 470pf I probably would use some sort (any sort) of plastic film type, but to be honest I would be very surprised if anyone noticed if they were ceramic. But I'll have a bit more of a think when I'm awake. »
« The 3p3s, 10ps and 100ps don't need to be NPO/COG, any old ceramic will do, for highest performance the others up to 470p could be. (Because NPO/COG capacitors are very stable with temperature this stops any high frequency phase differences between the two halves of the balanced channel. But it is probably me being a bit perfectionist!) »
« In answer to the question way above, the reason for using ceramics is (to put it simply) they keep their capacitance up to very high frequencies - well into the MHz - and the challenge with 5534s is to stop them turning into radio transmitters which is what the really small value capacitors are for. Otherwise ceramics are dreadful for audio due to their distortion, but this is only a problem if the capacitance is starting to have an effect seriously down into the audio band, which none of these are. »
En français :
« La seule spécification importante des TL052 est l'offset en tension et en courant, les deux caractéristiques doivent être les plus basses possibles. Il n'y a pas de signal audio qui passe dedans ils servent uniquement l'asservissement de la composante continue afin d'éviter l'utilisation de capacités en sortie. Il y a probablement mieux maintenant.
Premièrement, je ne pense pas qu'il y ai des capacités critiques pour la qualité du son (hormis les capas d'entrée de 2,2uF), la majorité servent à assurer que la réponse en fréquence soit la plus plate possible - sur une bande de 200Khz, pas sur 20Khz - Comme suggéré, les plus petites capacités peuvent être des céramiques, les condensateurs de 470nF peuvent être ce que vous voulez, ils ne servent qu'à produire la tension continue d'asservissement et ne véhiculent pas de signal audio.
Pour les capas de 330 et de 470pF, j'utiliserai probablement des capas à films plastiques "quelconques", mais pour être honnête, je serai surpris si quelqu'un trouve une différence si on utilise des céramiques. Mais j'aurai un peu plus les idées claires une fois éveillé. »
« Les capas de 3.3, 10 et 100pF n'ont pas besoin d'être des NPO/COG, des céramiques de base feront l'affaire, pour avoir des performances élevées (<470p) les autres peuvent être des NPO/COG (car le capas NPO/COG sont très stables en température et permettent d'éviter des différences de phases sur les hautes fréquences dans les deux branches du pré-ampli. Mais je dois être perfectionniste!). »
« En réponse à une précédente question, l'utilisation de capas céramiques est justifiée car elles ont une très bonne tenue en fréquence – jusqu'au Mhz – et le problème ici avec le 5534 est d'éviter qu'il se transforme en émetteur radio; c'est à ça que servent ces petites capas. Autrement, les céramiques sont des horreurs en audio à cause des distorsions quelles génèrent, mais c'est un problème uniquement si elles ont un effet dans la bande audio, ici aucune d'elles n'intervient dans la bande audio. »
Cette citation est extraite du forum de DIY audio http://www.prodigy-pro.com et du forum d'audiofanzine. Elle donne des informations intéressantes au sujet des condensateurs afin d'améliorer au mieux son pré-ampli.