Histoire de l'amplification
Pré- requis
Un amplificateur audio fonctionne toujours sur le même principe. Une alimentation est chargée de fournir des tensions symétriques en courant continu. La tension est la grandeur physique qui mesure la différence de potentiel électrique entre deux points d'un circuit électrique. Elle se mesure en volts (V). Le courant est une grandeur physique qui représente le flux de charges électriques à travers un conducteur. Il se mesure en ampères (A).
Ces courants sont modulés à l'image de l'entrée audio par des préamplificateurs réalisés avec des transistors, des tubes électroniques ou des circuits intégrés. Une correction de la tonalité, un réglage de la balance et un réglage du volume peuvent être introduits dans cette section ;
Le signal préamplifié est envoyé vers un amplificateur de puissance, qui transmet le signal final aux haut-parleurs.
Schéma principe de l'amplification
Afin de bien réaliser ces différentes étapes, il est important de connaitre quelque notion sur les caractéristiques de l’amplification tel que le gain, la réponse en fréquence et le rapport signal sur bruit.
Le gain donne le rapport entre le niveau en sortie de l’appareil et le niveau en entrée. Avec un certain niveau en entrée, plus le niveau en sortie sera fort, plus le gain sera élevé. Pour les préamplis, le gain est une donnée importante, car certaines sources faibles et certains micros requièrent un gain élevé pour un enregistrement correct.
Le décibel est l’unité utilisé pour mesurer le gain car c’est une mesure logarithmique permettant d’exprimer de grands écarts avec de petits nombres. Le décibel est en vérité un rapport entre deux valeurs et lorsque l’on fait des mesures, il convient de choisir une référence. Le dBV fait référence au Volt, 0dBV étant égal à 1 Volt. À chaque fois que l’on ajoute 6 dB, le voltage est doublé. Il existe aussi le dBu, 0dBu étant égal à 0,7746 Volts. En audio pro, le 0 des Vumètres est égal à + 4dBu, tandis que le matériel plus grand public utilise un niveau nominal moins élevé de — 10dBV.
La réponse en fréquence donne les niveaux de sortie en fonction de la fréquence. Généralement, on obtient un graphique avec en abscisses, les fréquences en Hertz et en ordonnées, les niveaux en dB. Le but est d’obtenir une réponse en fréquence la plus plate possible, afin que l’appareil retranscrive toutes les fréquences de la même manière.
Le rapport signal sur bruit en dB ou SNR (Signal-to-noise ratio), permet de mesurer la quantité de bruit dans le signal. Cette quantité dépend généralement du niveau du signal en sortie. Quand on augmente le gain d’un ampli ou préampli, le niveau de bruit augmente.
Lorsqu’il y a amplification, il faudra donc prendre en compte tous ses facteurs afin d’obtenir un rendu le plus proche possible du signal d’origine.
Définition
Les préamplificateurs se rencontrent dans toutes les applications où l'on désire mesurer électriquement un signal physique avant un microphone quelconque. En plus de la fonction d'amplification à bas bruit, le préamplificateur peut incorporer des fonctions de traitement de signal simple et ont différentes caractéristiques tonales basées sur leurs circuits électroniques internes. Certains préamplis sont conçus pour fonctionner sans transformateur, ce qui offrira un son plus transparent. Certains d’entre eux présentent des transformateurs d’entrée et de sortie qui ajoutent une certaine couleur au son. Certains transformateurs conserveront par nature les transitoires ainsi qu’une courbe de réponse en fréquence plate et d’autres les atténueront. Il existe deux grandes technologies que l’on retrouvera dans nos préamplificateurs : la préamplification à lampe et celle à Transistor que l’on verra par la suite.
Un amplificateur audio à la différence d’un préamplificateur est conçu pour amplifier un signal électrique audio déjà préamplifier afin d'obtenir une puissance suffisante pour faire fonctionner un haut-parleur situé dans une enceinte acoustique ou un casque audio.
Nous pouvons parfois confondre le préamplificateur d'un ampli de type hifi, prévu pour traiter des signaux de l'ordre du volt et qui on une fonction de sélecteur de sources, avec les préamplificateurs prévus pour accepter les signaux faibles délivrés par un microphone.
Le terme « ampli de puissance », souvent utilisé, est ambigu : les amplificateurs agissent bien sur la tension et l’intensité. Toutefois un « ampli de puissance » présente une impédance de sortie très faible si bien qu'il est en mesure de délivrer une puissance importante si nécessaire. Contrairement à un préamplificateur dont l'impédance de sortie est relativement élevée, ce qui lui interdit de délivrer une puissance appréciable.
Lampe double-triode de fabrication russe.
Les Lampes
Le premier grand type de préampli que vous rencontrerez sont les préamplis à lampes. Une lampe est ni plus ni moins qu'un tube de verre constitué de divers éléments. Il existe de nombreux types de lampes et chacune a un objectif bien particulier. Dans un préampli micro, la lampe a pour but d’amplifier le faible signal provenant de la sortie d’un microphone. Les lampes à vide offrent de nombreux avantages, tels qu’un écrêtage très doux, une plage dynamique plus large et une tolérance accrue aux surcharges
Les inconvénients de ce type de préamplis sont qu'ils fonctionnent sur des tensions de fonctionnement plus élevées et qu’ils consomment donc plus d'énergie. Les lampes peuvent être fragiles et volumineuse, ce qui rend la portabilité beaucoup plus difficile. Bien que les tubes soient faciles à remplacer, ils génèrent beaucoup de chaleur et sont assez coûteux.
La technologie des diodes à vides est redécouverte accidentellement en 1880, par Thomas Edison, alors qu'il essaie d'expliquer la rupture du filament et le noircissement du verre des lampes incandescentes. Edison construit une ampoule dont la surface interne est recouverte d'une feuille d'étain. Quand il connecte la feuille au filament au travers d'un galvanomètre, en appliquant une tension négative à la feuille par rapport au filament, rien ne se passe. Mais, quand il augmente la tension de la feuille de manière à atteindre une tension positive par rapport au filament, une petite circulation de courant est indiquée par le galvanomètre : des électrons sont émis par le filament chaud et attirés par la feuille, fermant ainsi le circuit. Cette unidirectionalité du courant est appelée effet Edison. A l’époque, Edison ne voie pas d'application direct pour cet effet mais il le brevettera en 1883 et ne l'étudiera plus par la suite.
Thomas Edison
En 1903, le physicien anglais John Ambrose Fleming travaille pour la société Wireless Telegraphy et, dans le cadre de recherches sur un système de détection des ondes hertziennes, découvre que l'effet Edison peut être utilisé pour la détection des ondes radios. Ce détecteur d'ondes radio est très bien accueilli à un moment où le radioconducteur, aussi appelé cohéreur, inventé par Édouard Branly était pratiquement la seule solution pour la détection de ces ondes. C'est une application directe de l'effet Edison découvert en 1880.
John Ambrose Fleming
John Ambrose Fleming développe alors un tube électronique à deux éléments connus sous le nom de diode à vide, qu'il brevette le 16 novembre 1904. La diode à vide se compose d’un filament en tungstène alimenté par un courant électrique à basse tension ; d’une cathode qui est chargée d'émettre des électrons ; d’une anode ou plaque, cylindre de tôle mince entourant la cathode ; le tout est enfermé dans une ampoule en verre dans lequel un vide très poussé a été effectué ; lorsque la cathode est chauffée, elle émet des électrons qui peuvent être captés par l'anode chargée positivement par rapport à la cathode. Le courant maximum pouvant traverser la diode dépend de la nature de la cathode et de sa température.
Outre la fonction de détection, la diode a permis le redressement du courant alternatif, surtout à l'aide de différents gaz ou de diode à vapeur de mercure. La diode à vide est le premier tube électronique faisant office de diode. Elle a été utilisée au début du 20e siècle, mais a rapidement été concurrencée par l'Audion de Lee De Forest, qui a fait l'objet de longs procès pour déterminer l’origine de l’invention.
De nos jour, l'usage de la diode à vide ou à gaz est restreint à des cas particuliers, tel que les amplificateurs à lampes utilisés par les audiophiles pour la distorsion harmonique qu’elles apportent. Ces diodes sont également très recherchées pour la réparation des anciens postes de radio.
Schéma fonctionnement diode à vide
L'audion
L'audion est un tube à vide partiel inventé par l'américain Lee De Forest en 1906 et la première triode. Au départ conçu comme un détecteur pour les récepteurs radio, il est composé de trois électrodes : un filament chauffé (cathode) porté à un potentiel négatif, une grille et une plaque métallique (anode) dont le potentiel détermine le courant entre cathode et anode. Dans la première version, la grille est disposée en dehors du tube. En 1908, Lee De Forest perfectionna l’audion en transférant la grille à l'intérieur du tube.
L'audion, 1906
En ajoutant une électrode intermédiaire à la Valve de Fleming, Lee De Forest a permis le développement du premier composant électronique amplificateur. Un faible signal électrique appliquée à la grille produit une variation importante de courant cathodique, résultant en un signal plus important sur la résistance qui charge l'anode. En modulant la tension appliquée sur la grille par rapport à la cathode, un nombre plus ou moins grand d'électrons émis par la cathode arrivent jusqu'à l'anode, créant un courant variable entre l'anode et la cathode. Une charge en série dans l'anode convertit la variation de courant en variation de tension et de puissance : l'amplification est réalisée.
Lee de Forest, 1904
Schéma fonctionnement Audion
Contrairement aux tubes à vide conçus plus tard, l'audion contenait une faible proportion de gaz, jugé nécessaire par De Forest. Ceci limitait pourtant la dynamique d'amplification, rendait les caractéristiques non linéaires et les performances erratique. Malgré ces performances limitées, les chercheurs l'utilisèrent dans les communications téléphoniques transcontinentales, autour de 1912. Les nombreuses applications pratiques motivèrent alors son développement. L'audion fut ensuite supplantée par l'arrivée de tubes à vide plus poussé, quelques années plus tard, conçus notamment par Irving Langmuir.
L’audion fut rapidement améliorée par l'adjonction d'une grille intermédiaire à un potentiel proche de celui de l'anode, réduisant cette capacité nuisible : la tétrode était créée.
Enfin la pentode permit de supprimer l'effet des émissions secondaires d'électrons sur la grille écran de la tétrode grâce à une troisième grille au potentiel de la cathode. D'autres combinaisons comme l'hexode, munie de deux grilles de commande, permettaient de réaliser le mélange de fréquences nécessaire aux récepteurs.
L'évolution s'est poursuivie vers la miniaturisation, les tubes multifonctions, l'amélioration de la durée de vie et de la fiabilité, l'augmentation de la puissance et de la fréquence au fur et à mesure des besoins de la radio et de l'électronique.
Exemple de préamplificateurs à Lampes
En électronique audio, les préamplificateurs microphones externes sont arrivées bien plus tard car les microphones intégraient une amplification à Lampe dans leur corps. Un des premiers microphones de ce type était le CMV3 (Condesator Mikrofon Verstärker : microphone à condensateur amplifié) de Neumann sorti en 1928. Au même moment, le microphone à ruban RCA 44-A était aussi utilisé avec le préamplificateur RCA BA-2A, offrant une amplification de qualité pour les enregistrements professionnels de l'époque
Microphone Neumann CMV3
Entre 1949 et 1952, la radio allemande du nord-ouest à développer le module de préamplificateur V72. Le V72 était un préampli avec un gain fixe de 34 dB. Ces premières versions ont été construites par Telefunken AEG. En 1954, Siemens et TAB ont été sous-traités pour construire le V72 et modifier la conception afin d'obtenir un gain de 40 dB avec une impédance inférieure, afin de répondre aux besoins des studios d'enregistrement. À ce stade, les V72 étaient utilisés par des sociétés telles que EMI et Decca.
Préamplificateur V72
En 1958, EMI introduit le module préamplificateur EMI REDD.17. Il a été spécialement conçu pour être utilisé dans les consoles REDD.17. REDD est une abréviation de Recording Engineering Development Department, qui était la division de fabrication d’EMI. À l'origine, EMI utilisait des modules Siemens v72 dans leurs précédentes conceptions de consoles REDD.17 et 37. En raison des dépenses élevées de la v72, la REDD.37 a été conçue pour donner naissance à la console 51. La REDD.51 avait un niveau de bruit bien plus bas que les modules v72. Chandler Limited fabrique actuellement une re-création de la REDD.47 en coopération avec EMI
Console EMI REDD 51
Console Universal Audio 610
En 1958, Bill Putnam conçu l’universel Audio 610 qui a été utilisé dans énormément d’enregistrements. Son approche consistait à offrir la flexibilité de l'égalisation et des envois d'écho intégrés dans un module facilement remplaçable. Le 610 est largement reconnu pour sa richesse, ses détails harmoniques et sa capacité à être agréablement surmené. L'un des enregistrements les plus célèbres utilisant le 610 est le disque Beach Boys, Pet Sounds. Actuellement, Universal Audio fabrique toujours le préamplificateur 610 dans un boîtier plus moderne.
Le Transistor
Le deuxième type de préampli que vous rencontrerez le plus souvent sont les préamplis à transistor à semi-conducteurs. Ils sont de conceptions plus économiques et plus léger que des préamplis à lampe dont on a déjà parler.
Les modèles à semi-conducteurs fonctionnent sur des tensions plus basses et consomment beaucoup moins d'énergie. Ils sont aussi généralement plus durables et mieux adaptés aux transports. Les composants qu'ils utilisent sont beaucoup moins coûteux et génèrent moins de distorsion harmonique que les lampes.
Différent type de Transistors
Le terme transistor provient de l'anglais transfer resistor (résistance de transfert). Il a été proposé par des ingénieurs des Bell Labs le 28 mai 1948. Pour des raisons commerciales, il fallait un nom court, sans équivoque avec la technologie des tubes électroniques, et le mot Transistor fut retenu. Ce nom correspond à la fonction de résistance électrique pouvant être commandée par une tension ou un courant électrique. Par métonymie, le terme « transistor » désigne souvent les récepteurs radios équipés de transistors (originellement appelés poste à transistors).
1er transistor, Laboratoire Bell, 1947
À la suite des travaux sur les semi-conducteurs, le transistor bipolaire a été réalisé pour la première fois le 23 décembre 1947 par les américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs des Laboratoires Bell. Ces chercheurs ont reçu pour cette invention le prix Nobel de physique en 1956.
John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, 1948
Herbert Mataré et Heinrich Welker, deux physiciens allemands, ont aussi développé parallèlement et indépendamment le « transistor européen » en juin 1948 alors qu'ils travaillaient à la Compagnie des Freins et Signaux à Paris. Ils déposèrent leur première demande de brevets pour un transistor le 13 août 1948. Les études menées par les commissaires montrent qu'ils ne se sont pas appuyés sur l'annonce du transistor du laboratoire Bell mais qu'ils ont bien eu l'idée en même temps. Le 18 mai 1949, cette invention européenne est présentée par la presse au public sous le nom de « Transistron ». L'objectif est alors de conquérir le marché mondial en premier. A l'époque, la presse technique donne l'avantage au transistron considéré plus résistant et plus stable. Néanmoins le gouvernement français étant focalisé sur la technologie nucléaire, le transistron est mis à l'écart et perd son avantage face au transistor Americain. En 1952, Herbert Mataré crée l'entreprise Intermetall qui est la première à produire des transistors et qui atteindra son apogée un an plus tard avec la présentation de la première radio à transistor un an avant celle de Texas Instruments. En 1954, Texas Instruments met au point son prototype de poste radio à transistor qui sera industrialisé par la société IDEA (Industrial Development Engineering Associates).
Le transistor est considéré comme un énorme progrès face au tube électronique : beaucoup plus petit, plus léger et plus robuste, fonctionnant avec des tensions faibles, autorisant une alimentation par piles, il fonctionne presque instantanément une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui demandaient une dizaine de secondes de chauffage, généraient une consommation importante et nécessitaient une source de tension élevée (plusieurs centaines de volts).
Une fois le transistor découvert, l'ouverture au grand public ne fut pas immédiate. La première application du transistor fut, pour la radio, en 1954, soit 7 ans après la découverte du transistor. La première radio à transistor commercialisée était le Regency TR-1. Mais à partir de ce moment son influence sur la société augmenta de façon exponentielle, en particulier chez les scientifiques et les industriels. En effet, à partir du milieu des années 1950, le transistor apparait dans les ordinateurs, les rendant assez fiables et relativement petits pour leur commercialisation. À partir de 1957, IBM construira tous les nouveaux ordinateurs avec des transistors au lieu des tubes à vide.
Exemple de préamplificateur à transistor
Voici quelques célèbres préamplis micro que vous croiserez dans les studios professionnels :
Le Neve 1073 est sans doute le préampli le plus célèbre de tous les temps. Il a été lancé en 1970, lorsque les studios Wessex de Londres se sont mis en quête d'une table de mixage plus récente et plus grande. Il comportait des transformateurs Marinair en entrée et en sortie, qui ont ensuite été recréés par Carnhill, St. Ives. Ce préampli est très connu pour sa couleur tonale et convient parfaitement a beaucoup de sources. Plusieurs versions sont construites aujourd'hui, mais l'original est le plus recherché et peut coûter jusqu'à 5 000 € par module.
L'API 312 a été introduit en 1970, il était logé dans un système "mother rack" 19 pouces ou dans une « lunchbox" connecté à la console. À l'origine, il utilisait un transformateur d'entrée construit par API, mais a ensuite été mis à niveau vers un système Jensen. Ce préampli est idéal pour enregistrer une batterie, en raison de son son très percutant. Au fil des années, les modèles d'API vintage sont devenus très recherchés. Brent Averill était l'homme connu à Los Angeles qui accumulait d'anciens modules pour les utiliser en dehors d'une console. La carte 312 a été modifiée pour fonctionner dans un rack série 500, ce qui a nécessité certaines modifications de câblage. Avetis Cafegin, qui travaillait avec Brent, avait conçu un amplificateur opérationnel appelé 1122, qu’ils ont commencé à utiliser dans leurs modules car les amplificateurs d’opération vintage 2520 étaient trop coûteux et difficiles à trouver.
À ce stade, Avetis Cafegin a apporté quelques modifications au circuit pour lui donner un chemin plus direct et une meilleure disposition. Cette version est disponible aujourd’hui chez BAE sous le numéro 312 A.
Trident n’était à l’origine qu’un studio d’enregistrement à Londres, mais par nécessité, ils ont construit leur propre console. Le résultat est la console Trident A-Range qui a vu le jour en 1970. Le designer Barry Porter s'est associé à d'autres ingénieurs tels que Ken Scott, Roy Thomas Baker et Malcolm Toft pour peaufiner et perfectionner le son. La tranche de console comprenait une section de préampli et d'égalisation. Les studios Trident ont enregistré des artistes comme les Beatles, David Bowie, Elton John et Queen. À Los Angeles, les célèbres studios Cherokee et Western ont rapidement adopté la gamme "A-Range". Le studio Cherokee a été repris les studios et se nomme maintenant East West.
De nos jours
Aujourd’hui, il existe des préamplificateurs qui mélange la technologie à tube et la technologie à transistor. C’est le cas du Universal Audio 4-710D. Ce préamplificateur possède quatre canaux hybrides avec un dosage lampes/transistors. Chaque canal dispose pour le signal d'un circuit 100 % à lampes et d'un circuit 100 % à transistors, avec la possibilité de mélanger progressivement les deux circuits. Cela donne permet d’avoir un son du plus doux au plus crunchy, et permet d'obtenir le meilleur compromis entre le caractère de la lampe et la fidélité des transistors.
Préamplificateur Universal Audio 4-710D