Analyse du circuit
Le préamplificateur EZ1073 pre est une réplique du Neve 1073 au format 500. Ce format a été inventé par API dans les années 70 et est largement utilisé en studio pour son faible encombrement et les prix souvent moins cher qu’un rack plus grand. Pour utiliser des périphériques audios au format 500, il faut un rack que l’on appelle « Lunchbox » qui permet d’alimenter les différents périphériques. Afin de pouvoir accueillir n’importe quelle machine dans une Lunchbox, le format 500 à une norme de connections universelles qui permet une grande compatibilité.
Exemple de Lunchbox Midas L6
Présentation des différentes cartes PCB
Schéma général ez1073
LE EZ1073 est composé de 7 cartes PCB :
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1 carte principale où sont fixée les autres cartes, le sélecteur de Gain et les Transformateurs
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2 cartes d’amplification : Gain Stage 1 et Gain Stage 2
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1 carte d’amplification de sortie : Output Stage
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1 carte qui contrôle les surtensions : Surge Control
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1 carte qui embarque le potard de TRIM
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1 carte qui embarque les switches du 48V, la phase et l’impédance.
Les fonctions de ce préamplificateur peuvent apparaitre sur le synoptique ci-dessous :
Synoptique ez1073
Sur le synoptique on repère mieux comment se fait le chemin du signal. Il rentre dans le dans le transformateur d’entrée. Ensuite, en fonction du selecteur de Gain, le signal traverse soit le circuit d’amplification n°1, soit il traverse simplement le switch pour aller directement au circuit d’amplification n°2. Un fois que le signal est passé dans les étages d’amplification, il passe ensuite dans une carte qui intègre le potentiomètre de Trim. Pour finir, il passe dans l’étage de sortie qui va amplifier une dernière fois le signal, passer dans le transformateur de sortie et enfin passer par le switch inverseur de polarité.
Entrée micro
Schéma entrée micro
L'entrée micro est de type symétrique, c'est à dire qu'on utilise 3 conducteurs pour transmettre le signal du micro : un fil est utilisé pour la masse et les deux autres étant respectivement le point chaud et le point froid.
Le signal arrive donc bien par 3 broches notées :
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"Input Hi" = point chaud = (+) = broche n° 2 de la prise XLR
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"Input Lo" = point froid = (-) = broche n° 3 de la prise XLR
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"Chassis Ground" = masse = 0V = tresse du câble blindé = broche n° 1 de la prise XLR
Une fois que le signal est correctement connecté, nous avons le choix d’activer, avec un switch, l’alimentation Phantom qui sert à alimenter des microphones à condensateurs nécessitant une tension de 48 Volt pour fonctionner.
Le signal du micro traverse ensuite un switch qui permet de choisir l’impédance d’entrée sur deux positions : Hi et Low. La position Hi pour l’entrée à 1200 ohms et la position Low pour l’entrée à 300 ohms.
L’impédance est une résistance dont les caractéristiques varient avec la fréquence. L’adaptation de l’impédance est cruciale en audio professionnelle car elle permet de garantir une bonne transmission du signal. Une mauvaise adaptation d’impédance peut augmenter le bruit de fond, la distorsion et la réponse en fréquence du signal. Pour faire une bonne adaptation, il faut que l’impédance de sortie Zs soit beaucoup plus petite que l’impédance d’entrée Ze . Cette adaptation d’impédance se fait avec un transformateur.
Schéma principe adaptation impédance
Sur le schéma
Dans une position, les deux enroulements du transfo coté primaire sont reliés en série. Ceci a pour conséquence d'augmenter l'impédance d'entrée à 1200 ohms.
Dans l'autre position, les deux enroulements primaires du transformateur sont reliés en parallèle. Le nombre de spires ne change pas. L’impédance d’entrée est de 300 ohms.
Le transformateur permet aussi de s'affranchir des problèmes d'interférences et de bruit parasites car les composantes continues de la tension et du courant ne sont pas transmises. Il un désymétrise le signal.
Ici nous avons la documentation du transformateur Carnhill présent dans le circuit. Le même type de transformateur est aussi utilisé dans le NEVE 1073 et porte une grande influence sur la qualité du son final car il modifie la réponse en fréquence du signal. En jouant sur le nombre de spire le transformateur fournit du gain en sortie
Le transformateur
Un transformateur est un composé d’un ou plusieurs enroulements (bobinage) primaires, et d’un ou plusieurs enroulements secondaires. Le principe de fonctionnement repose sur le transfert d'énergie par inductance. Le courant alternatif qui parcourt l'enroulement primaire crée un champ magnétique, qui est "capté" par l'enroulement secondaire qui le transforme alors en courant. Le rapport de transformation est lié au nombre de spires de l'enroulement primaire, par rapport au nombre de spires de l'enroulement secondaire
Schéma transformateur
Dans le cas où toutes les pertes et les fuites de flux sont négligées, pertes par effet Joule et pertes magnétiques. Le rapport du nombre de spires primaires sur le nombre de spires secondaires détermine totalement le rapport de transformation du transformateur.
Adaptation d'impédance : Les rapports des tensions et des courants étant modifiés entre le primaire et le secondaire, une impédance en entrée ne sera pas perçue avec sa valeur initiale au secondaire. On a la formule :
Sur le schéma
Dans une position, les deux enroulements du transfo coté primaire sont reliés en série. Il y a donc plus de spires. N1 augmente donc Z1 augmente aussi. Ceci a pour conséquence d'augmenter l'impédance d'entrée à 1200 ohms.
Dans l'autre position, les deux enroulements primaires du transformateur sont reliés en parallèle. Le nombre de spires ne change pas. L’impédance d’entrée est de 300 ohms.
Le transformateur permet aussi de s'affranchir des problèmes d'interférences et de bruit parasites car les composantes continues de la tension et du courant ne sont pas transmises. Aussi, grâce à ses caractéristiques, il un désymétrise le signal.
Ici nous avons la documentation du transformateur Carnhill présent dans le circuit. Le même type de transformateur est aussi utilisé dans le NEVE 1073 et porte une grande influence sur la qualité du son final car il modifie la réponse en fréquence du signal. En jouant sur le nombre de spire le transformateur fournit du gain en sortie.
Tableau caractéristique transformateur entrée ez1073
Pour finir, le condensateur de 180pF au secondaire est un condensateur de liaison qui sert à bloquer la tension continue et laisser passer la tension alternative.
Le Sélecteur de Gain
Une fois que le signal est passé dans le transformateur, il passe dans le sélecteur de Gain qui va diriger le signal vers un seul chemin. Ce sélecteur de Gain est un Grayhill à 12 positions que l’on retrouve dans de nombreux périphérique audio haut de gamme. Grâce à ses positions fixes, il permet de retrouver facilement les réglages de gain et possède une plus grande durée de vie. En fonction de la position de se sélecteur, il peut se passer plusieurs choses.
Sélecteur Grayhill
Soit le signal passe directement vers le Stage Gain 1 pour ensuite aller dans Stage Gain 2 et obtenir une forte amplification.
Soit le signal va directement dans le Stage 2
Soit le signal est atténué par un pont diviseur et va aussi dans le Stage 2
En fonction de la position, le signal traversera plus ou moins d’étage d’amplification et sera donc plus ou moins amplifié.
Le pont diviseur
Le pont diviseur, c'est une structure que l'on rencontre couramment en électronique
Schéma pont diviseur
Les deux résistances R1 et R2 forment un pont diviseur : la tension Ve en entrée est divisée par un certain nombre qui dépend de la valeur des 2 résistances et qui nous donne la tension Vs en sortie.
Cette structure sert à diminuer la tension, à imposer une certaine tension à un endroit du circuit et revient à multiplier la tension d'entrée par un gain inférieur à 1. C’est donc une atténuation.
Le Gain est calculé par la relation : K = 20 log (R2 / (R1 + R2))
Le premier traitement que subi le signal ne sera pas forcément un gain. Cela pourra être une atténuation suivant le réglage du sélecteur de gain du préamplificateur
Les étages d’amplification
Comme on l’a vu dans la première partie, le transistor est l’élément qui permet une amplification du signal. Un amplificateur électronique utilise un ou plusieurs composants actifs (transistor ou tube électronique) afin d’augmenter la puissance électrique du signal présent en entrée. Le transistor est un composant dit actif car il nécessite l’apport d’une Energie externe. Les composants actifs utilisés dans les amplificateurs électroniques permettent de contrôler leur courant de sortie en fonction d’une grandeur électrique (courant ou tension), image du signal à amplifier. Le courant de sortie des composants actifs est directement tiré de l’alimentation de l’amplificateur. Suivant la façon dont ils sont implantés dans l’amplificateur, ils peuvent jouer plusieurs rôles mais les principaux sont la commutation (fonction d’interrupteur) et l’amplification de courant et/ou tension. Le principe de fonctionnement d’un amplificateur est présenté dans le schéma simplifié ci-contre.
Principe de fonctionnement d’un transistor
Schéma d'un transistor NPN
Voici un transistor NPN du même type que celui utilisé par Neve dans ses montages.
Comme on peut le voir sur le schéma, le transistor a 3 pattes qui sont :
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· La base (c'est l’entrée)
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· L’émetteur (c'est la masse)
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· Le collecteur (c'est la sortie).
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Le transistor fonctionne en mode actif lorsqu'une petite tension est appliquée entre la base et l'émetteur permettant à un courant de base de circuler.
Un petit courant de base contrôle un courant beaucoup plus grand entre le collecteur et l'émetteur. Le signal en sortie est amplifié.
Polarisation
Une des caractéristiques du transistor est qu’il fonctionne dans 3 régimes diffèrent. Le graphique ci-dessous l’évolution de la tension de sortie en fonction de la tension d’entrée.
Graphique évolution de Tension de sortie en fonction Tension d'entrée
Le fonctionnement se découpe en 3 zones :
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De 0V à 0,5V environ, la tension de sortie est constante et vaut 10V. Le transistor ne réagit pas, il est bloqué
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De 0,5V à 4V, la tension de sortie diminue, et la courbe est presque une droite. On dit que c'est linéaire.
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De 4V à 5V, la tension de sortie a atteint 0V et ne diminue plus. On a atteint la saturation
En audio, on va chercher à profiter de la caractéristique linéaire pour que notre tension de sortie reproduise de façon fidèle l'allure de la tension d'entrée. Pour cela, nous allons devoir utiliser la notion de polarisation.
La polarisation a pour rôle de placer le point de fonctionnement du transistor dans la zone linéaire de ses caractéristiques en appliquant sur ses connections des potentiels continues. Il existe différente manière de polariser un transistor et dans le montage du 1073ez, nous utilisons des ponts diviseurs afin de générer une tension stable à la base du transistor, ce qui aide à maintenir un point de fonctionnement constant, indépendamment des variations du gain du transistor et des fluctuations de température. On évalue les performances d’un amplificateur en étudiant son rendement, sa linéarité, sa bande passante et le rapport signal sur bruit entre l’entrée et la sortie.
En effet, la caractéristique des transistors n’est jamais totalement linéaire. Le Gain du transistor n’est pas prévisible et peut varier dans un gros pourcentage à cause du phénomène d’emballement thermique. Si le transistor chauffe, le courant augmente et le ainsi de suite. Cet emballement thermique conduit à la distorsion harmonique car le transistor entre en saturation au bout d’un moment. Heureusement, il existe un moyen de réduire cette distorsion par une boucle de contre réaction.
Boucle de Contre réaction
La contre réaction est un principe de base qui rend les caractéristiques du préampli prévisibles, et indépendantes du transistor utilisé. L’idée est simple. Il s'agit de mesurer l'état du montage en sortie et de réinjecter le résultat de cette mesure en entrée, de façon que l'écart par rapport à la normale soit corrigé.
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Dans le cas où la rétroaction a tendance à augmenter l'amplification du montage initial, on parle de rétroaction positive ou de réaction.
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Dans le cas contraire où la rétroaction a tendance à diminuer l'amplification, on parle de rétroaction négative ou de contreréaction.
Pour bien comprendre, voici le schéma représentant une boucle de contre réaction :
Schéma Contre réaction
Le bloc A appelé "chaine directe" est en général un amplificateur qui possède un gain très grand, mais pas précis. Ce gain varie énormément avec la température et la tension.
Pour contrer cela, on peut faire un gain abaisseur par un pont diviseur très précis.
Ce pont diviseur très précis c’est le bloc B appelé "chaine de retour" ou "contre réaction" qui ne fait que mesurer une image de la sortie.
Un bloc différenciateur calcule la différence entre l'entrée que l’on veut obtenir et la sortie que l'on a déjà et injecte le tout dans notre bloc A
Supposons que notre ampli A ait un gain de 10.
Supposons que le bloc B abaisse la tension d'un facteur 10. Ce bloc a donc un gain de 0,1
Supposons que le signal d'entrée vaille 1V, on voit sur le schéma les différentes tensions aux différents points du montage.
La tension de sortie vaut 9,99V soit environ 10V. L’ampli ainsi constitué a un gain très proche de 10. Ce gain de 10 est exactement l'inverse du gain du bloc B (qui est 0,1).
Le gain de l'ampli global ainsi constitué ne dépend plus que du bloc B que l’on connait avec précision. On peut donc contrôler efficacement le gain.
Sur le schéma du Gain stage on retrouve les blocs "A" et "B" de notre système bouclé. La première boucle en bleu assure la stabilisation des transistor Q2 et Q4. La deuxième boucle en rouge assure la stabilisation des trois transistors.
Cette technique est fondamentale en électronique, elle est utilisée partout.
En audio, cela permet de :
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Fixer le gain avec précision
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Réduire la distorsion
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Réduire l'impédance de sortie
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Augmenter l'impédance d'entrée
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Annuler les dérives thermiques et dues aux caractéristiques des semi-conducteurs.
Cette technique n’a que des avantages.
Différent type de montage d’un transistor
Il existe diffèrent types de montage d’un transistor et suivant ces montages, le transistor n’aura pas les mêmes fonctions. Dans le ez1073, on retrouve deux types de montages présents ci-dessous :
Le montage amplificateur en émetteur commun est très répandu dans le domaine audio. L'entrée se fait sur la base et la sortie se fait sur le collecteur. Il présente une impédance d'entrée moyenne, de l'ordre de quelques kOhms, qui dépend fortement des résistances utilisées pour la polarisation de la base. Son impédance de sortie est faible à moyenne, quelques centaines ohms à quelques KOhms, et est grosso-modo équivalente à la valeur de la résistance de charge du collecteur. Il s'agit du seul montage où la phase du signal de sortie est inversée par rapport à la phase du signal d'entrée. Le gain peut être assez élevé.
Le montage en collecteur commun est parfait pour réaliser une adaptation d'impédance, car il possède une impédance d'entrée un peu plus élevée que pour le montage émetteur commun, et une impédance de sortie très basse, de quelques dizaines d'ohms. L'entrée se fait sur la base et la sortie se fait sur l'émetteur. Le signal de sortie est en phase avec le signal d'entrée. Ici, le gain est faible (environ 1).
Le Stage Gain
Schéma Gain Stage 1 et 2
Voici le circuit du stage 1 qui est identique au stage 2
Ici les transistors bipolaires NPN sont montés en cascade. Chaque étage est polarisé et stabilisé grâce à des une boucle de contre réaction.
L'association directe de deux transistors en montage émetteur commun permet d’obtenir un Gain important avec les transistors Q2 et Q4. Le premier transistor agit comme un amplificateur de tension et le deuxième transistor est utilisé pour amplifier davantage le signal déjà amplifié par le premier transistor. Enfin, le transistor Q3 monté en collecteur commun ne fournit pas de Gain mais offre une impédance de sortie faible.
L’ampli est aussi non inverseur puisque la phase en identique en sortie et en entrée.
Le potentiomètre de Trim
Schéma TRIM
Une fois que le signal soit passé dans les étages d’amplification, il va passer par un potentiomètre de Trim qui va permettre d’ajuster une dernière fois le Gain.
Le potentiomètre de tableau « Trim » est associé à un potentiomètre ajustable qui sert à fixer/régler une valeur de résistance fixe. Ce potentiomètre ajustable fonctionne de la même manière que le potentiomètre de tableau a la seule différence qu’il est plus précis et qu’il se règle à l’aide d’un tournevis à l’intérieur du préamplificateur.
L’étage de sortie
Schéma Output Stage
L’étage de sortie possède 2 transistors en montage direct. Le premier transistor Q8 est monté en émetteur commun et le deuxième transistor Q9 est monté en collecteur commun. Dans cette configuration, le transistor Q8 émetteur commun fournit un gain en tension élevé, tandis que le transistor Q9 en collecteur commun fournit un gain en courant élevé. Cela permet d'obtenir à la fois un gain en tension, une large bande passante et une impédance d'entrée et de sortie appropriée pour interfacer avec d'autres circuits.
Le circuit de control de surtension
Schéma Surge Control
Ce circuit est composé d’un relais avec une diode de protection intégrée qui est utilisé pour protéger les circuits électroniques contre les surtensions ou les rétroactions inductives générées lorsque le relais est désactivé. Cette diode est généralement appelée diode de roue libre ou diode de suppression de retour et permet d'améliorer la fiabilité et la durabilité du circuit dans lequel le relais est utilisé.
Sortie du signal
Schéma Sortie du signal
Pour finir, le signal passe dans un transformateur de sortie Carnhill pour éliminer toutes les perturbations et resymétriser le signal. Il contribue également à la coloration sonore caractéristique de ces préamplificateurs. Le signal passe ensuite dans un switch pour inverser ou non la polarité.
Les deux filtres en fin de chaine sont des filtres EMI. Ils sont utilisés pour supprimer les interférences générées par l'appareil ou par un autre équipement afin de rendre un appareil plus immunisé contre les signaux d'interférence électromagnétique présents dans l'environnement.
Enfin, nous retrouvons les trois points de sortie qui sont le point chaud, le point froid et la masse.
