Amplificateurs à tubes
pour casque d'écoute
Headphones amp

Il y a une mode qui veut que les meilleurs amplificateurs pour casque d'écoute sont équipés de tubes.
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Il y a 70 ans déja on construisant des amplificateurs pour casque d'écoute (ou très petit haut parleur) avec une triode double ECC40. Prenez la peine de regarder ce circuit historique, avec la forme typique des résistances.

Les amplificateurs pour casque d'écoute n'ont généralement pas de transformateur de sortie. Pour arriver à la basse impédance nécessaire, il faut passer par un montage à cathode suiveuse, et ici on a plusieurs possibilités:

  • Le circuit SRPP (series regulated push pull), qui est le plus souvent utilisé.

  • Le circuit à cathode suiveuse de White, peu connu, qui a de bonnes caractéristiques mais nécessite une triode supplémentaire.

  • Le circuit circlotron est un circuit push pull totalement symmétrique à double cathode suiveuse.
Le circuit circlotron sort du lot et n'est pas décrit ici. Je ne connais pas d'amplificateurs pour casque d'écoute qui utilisent le principe du circlotron. Le montage circlotron est complexe (surtout s'il s'agit de seulement commander un casque) et produit un signal de sortie symmétrique, non compatible avec la plupart des casques d'écoute (cables à trois brins conducteurs avec commun).

Les deux autres circuits sont asymmétriques, la sortie est référencée par rapport à la masse. Actuellement on préfère le terme de "single ended" qui sonne mieux (en parole, pas nécessairement à l'écoute).



Une des caractéristiques de tous ces circuits (sauf le circlotron) c'est qu'ils doivent nécessairement fonctionner en classe A. L ecourant dans un tube ne peut jamais devenir nul, car alors le tube perd le controle du circuit. Le rendement ne peut jamais dépasser 50% et la puissance disponible est au mieux égale à la dissipation dans une des triodes.

La base théorique de ces deux circuits est expliquée ici. Les notions qui sont expliquées sur cette page sont importantes pour comprendre le fonctionnement du circuit et effectuer le calcul des composants.

Venons-en maintenant à quelques schémas concrets. Les caractéristiques des triodes sont reprises ici. Ces deux types de circuits sont principalement utilisés pour commander des écouteurs. Pour le choix des écouteurs, il faut choisir des types qui ont la plus haute impédance possible (nous allons faire le calcul pour une impédance de 32Ω et 500Ω).


Montage SRPP

Le premier circuit est un circuit SRPP utilisant un demi-ECC82 comme préamplificateur et un ECC88 comme étage de puissance. Les deux étages amplifient le signal: chaque étage amplifie environ 20×, ce qui est beaucoup trop (on aurait pu prévoir une contre-réaction). Le signal à l'entrée de de 200mV effectif devient un signal de 80V effectif (ce qui produirait un écrètage en pratique).

Le tube ECC88 est un tube particulier utilisé à l'origine comme amplificateur cascode VHF dans certaines télévisions. Les tubes utilisés comme amplificateurs haute fréquence travaillent avec un courant important pour réduire la proportion de bruit de fond. Une caractéristique importante, c'est la tension entre anode et cathode qui doit être limitée à 130V (cela ne pose normalement pas de problème dans un montage cascode). Ici, cela limite le sweep possible à 60V en crête, donc environ 20V effectifs (c'est suffisant pour commander un casque, même à haute impédance).

Nous avons donc deux valeurs limites avec ce premier circuit: le sweep maximal qui est d'environ 20V effectifs et le courant maximal qui est de 25mA. Avec un casque de 32Ω le courant produit une chute de tension de 0.8V, donc une puissance de 20mW. Avec un casque de 500Ω le courant produit une chute de tension de 12.5V, donc une puissance de 300mW.

Chaque triode dissipe environ 1.5W, ce qui est très près des limites de fonctionnement du tube.

L'impédance la plus idéale est une impédance de casque élevée, mais pas plus élevée que 800Ω, car à ce moment la limite de fonctionnement devient le sweep maximal autorisé de l'étage de puissance.

Le montage srpp a un fonctionnement qui se rapproche très fort d'un montage push pull, où les déformations d'un tube (distortions harmoniques) sont compensées par les déformations identique (mais de phase inverse) dans l'autre tube.

Cathode suiveuse de White

Le second circuit est un montage de White, qui est le plus approprié comma ampli pour casque d'écoute. Il a une basse impédance de sortie (comme tous les étages à cathode suiveuse) mais a en plus une impédance constante indépendante de l'amplitude (ce qui n'est pas le cas avec un étage à cathode suiveuse normal).

Ici on utilise également un demi-ECC82 suivi d'un ECC99. Seul le premier étage amplifie le signal (environ 20×), le signal à l'entré doit déjà être à haut niveau car l'amplification totale du circuit est limitée à 3.3× à cause de la contre réaction. Les deux triodes de puissance n'augmentent pas l'amplitude du signal.

Le tube ECC99 est une double triode particulière de fabrication récente, conçue spécialement pour les applications où il faut une triode plus puissante. La dissipation maximale par triode est de 3.5W.

Le schéma n'indique pas les tensions effectives, il faut donc les déterminer par approximation. Avec une résistance de cathode de 330Ω on a un courant d'environ 14mA et une tension de grille de -4.5V. La dissipation de chaque triode est de 2.1W.

Mais ce circuit a un problème important. Comme beaucoup de circuits, il a été réalisé par quelqu'un qui ne s'y connait pas. Eh, oui. Cela se remarque à la résistance anodique qui devrait avoir une valeur de 105Ω (si on tient compte d'une transconductance de 9.5mA/V). La personne qui a réalisé le circuit a simplement pris la même valeur que la résistance cathodique pour "rendre le montage plus symmétrique"...

En tenant compte du facteur d'amplification <1 on choisira une résistance de 120Ω au lieu de la valeur calculée de 105Ω.

Le sweep de ce circuit est beaucoup plus élevé: il peut donc commander des casques à haute impédance (plus de 500Ω). Mais pour avoir un sweep de 15V, il faut une tension à l'entrée de 5V, et donc un étage préamplificateur supplémentaire (si on garde la contre-réaction).

Le montage à cathode suiveuse de White est moins symmétrique qu'un montage SRPP et on recommande d'utiliser une contre-réaction pour réduire les distortions.

Cathode suiveuse de White II

Un schéma un peu plus correct qui utilise une contre-réaction limitée (amplification totale de 14.5×) se trouve à droite. Le circuit est un peu plus compliqué, mais il élimine les défauts des circuits précédents.

Le préamplificateur se compose de deux triodes ECC83, cette partie a un gain théorique de 3500× limité ici par la contre-réaction. La valeur de la résistance de 10kΩ peut être adaptée pour obtenir la sensibilitée voulue.

Le second étage préamplificateur a un bootstrap, un truc qu'on rencontre dans tous les circuits à cathode suiveuse, comme par exemple dans les circlotrons. Il permet de linéariser le fonctionnement de la triode. Grace au condensateur de bootstrap de 10µF, l'impédance dynamique de la résistance d'anode devient très élevée. Il peut être nécessaire d'adapter la résistance cathodique de 680Ω pour avoir une tension de sortie qui est de 50% de la tension d'alimentation (augmenter la résistance si la tension de sortie est trop basse).

L'étage de puissance est un montage à cathode suiveuse de White. Selon les calculs nous devons avoir une résistance d'anode de 105Ω, qu'on peut obtenir avec une résistance de 1kΩ en parallèle (c'est la résistance de grille du tube inférieur). La tension d'alimentation est de 300V, le courant est de 14mA dans l'étage de sortie. Lec ourant est déterminé par la résistance cathodique du tube inférieur.

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Si on tient compte dans les calculs du facteur d'amplification légèrement inférieur à l'unité (étage cathode suiveuse), la valeur de la résistance d'anode doit avoir une valeur de 120Ω. La résistance de grille peut alors avoir une valeur de 1MΩ et le condensateur de couplage peut être réduit à 0.22µF.

Alimentation

Comme dans tous les circuits single ended, il faut avoir un très bon filtrage de la haute tension pour éliminer tout ronflement. L'étage de puissance n'est pas symmétrique et ne permet pas de réduire automatiquement le ronflement. Contrairement à un ampli push pull, le courant consommé reste le même quel que soit le signal à amplifier, le ronflement reste donc tout aussi présent, même à très bas volume.

Le transformateur d'alimentation doit avoir un écran électrostatique mis à la masse pour bloquer les parasites du réseau. Ceux-ci s'entendent plus aisément avec un casque d'écoute qui isole le bruit extérieur. On ajoutera de petits condensateurs de 10nF vers la masse pour éliminer les bruits à la commutation des diodes.

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