Amplificateurs à tubes
intermodulation, contre-réaction, harmoniques,...
Distortion

La distortion, l'intermodulation, le clipping, les harmoniques (paires et impaires, bien sûr!)
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Le signal de 4kHz est modulé par le signal de 200Hz
Un amplificateur à lampes d'une puissance de 15W donnera un son plus puissant qu'un amplificateur à transistors de 15W. Pourtant, l'amplificateur à lampes, si on le connecte à un oscilloscope ne pourra pas fournir une puissance continue de 15W, mais seulement une puissance "musicale" pendant une dixaine de secondes (la dissipation maximales des tubes en classe AB est dépassée). L'amplificateur à lampes produit des harmoniques et un son plus agréable qu'un ampli à transistors, mais ne venez pas me parler de hifi, surtout quand l'amplificateur travaille près de ses limites.

Intermodulation

L'intermodulation est la modulation d'un signal d'une fréquence donnée par un signal d'une autre fréquence. Il y a des applications où cette modulation est très recherchée (changement de fréquence en radio), mais ici c'est un phénomène qui est à éviter.

Une distorsion du signal qui est fort présente avec les lampes (et principalement les triodes) c'est l'intermodulation causée par les caractéristiques des tubes: la courbe est courbe (ben tiens) et pas linéaire. La lampe va par exemple amplifier plus fort les signaux positifs et moins les signaux négatifs (ou l'inverse).

L'intermodulation fait apparaitre des harmoniques qui colorent le son. Le signal devient moins bien défini

Dans le cas d'amplificateurs single ended, on corrige parfois la distorsion à priori, en polarisant le premier étage pour qu'il produise une déformation dans le sens inverse de l'étage final. Si on utilise un étage symmetrique (push pull) on réduit fortement les harmoniques paires et donc l'intermodulation.

Prenons par exemple un signal audio de 200Hz d'une amplitude de 75% de la déviation maximale (il faut utiliser une résistance de charge au lieu des haut-parleurs!). On ajoute un signal de 4000Hz avec une amplitude de 10%. L'amplificateur travaille ainsi a forte puissance, mais sans dépassement de capacité.

Quand le signal de 200Hz est positif, on a une amplification plus élevée, ce qui influence également le signal de 4000Hz. Quand le signal de 200Hz est négatif, on a une amplification moindre, et donc également un signal de 4000Hz moindre. Nous avons donc une modulation d'un signal par un autre. Le signal de 200Hz module le signal de 4000Hz.

C'est un effet qui est recherché avec certaines lampes (mélangeuses), mais c'est un effet qu'il faut éviter avec un amplificateur haute fidélité. L'intermodulation rend le son mal défini à puissance élevée. Quand un orchestre joue à fort volume, on ne peut plus faire la différence entre une flute et un violon.


Un autre effet causé par l'amplification différente des pics positifs (ou négatifs), c'est qu'il apparait une composante de basse fréquence. Il ne s'agit pas ici d'intermodulation (nous envoyons une seule fréquence dans l'ampli).

Cette basse fréquence n'est généralement pas audible: elle est masquée par la fréquence principale. Cette très basse fréquence peut par contre modifier le fonctionnement de l'ampli: risque d'oscillations parasites, clipping,...).

La composante négative du signal très basse fréquence (quand l'amplitude du signal principal est faible) est causé par le couplage par condensateurs utilisé dans les amplis à tubes qui ne permettent pas une composante continue. Quand le signal moyen est positif, cela doit être compensé par une partie négative pour que les condensateurs de ouplage reprennent leur polarisation normale.

Pour fortement réduire la distortion d'intermodulation, on peut utiliser un amplificateur bi-ampli dont le filtre de séparation est expliqué ici.

Les harmoniques

L'intermodulation s'entend plus que la déformation harmonique. Les guitares électriques utilisent des amplificateurs avec un taux d'intermodulation élevé pour produire un son plus plaisant avec beaucoup d'harmoniques. Le son est plus coloré, c'est un peu comme si plusieurs guitares jouaient en même temps.

La figure suivante montre la déformation d'un signal par la seconde et la huitième harmonique. Les harmoniques paires apparaissent dans tous les amplificateurs à lampes dès qu'ils fonctionnent à une puissance moyenne ou élevée.

Pour autant que la 8ieme harmonique est encore dans le spectre accoustique, elle s'entendrait plus fortement qu'une seconde harmonique (à amplitude identique). En pratique les harmoniques supérieures deviennent plus faibles.

Les harmoniques paires sont produites par une asymmétrie des composants. Les harmoniques paires sont les plus présentes dans un étage de puissance single ended. Les harmoniques impaires sont produites dans un montage symmétrique (comme un push pull). Selon les "experts", les harmoniques impaires dérangent plus et c'est pourquoi beaucoup de circuits à lampes sont réalisés en montage single ended, même si le rendement est franchement mauvais.

Clipping ou écrètage

Le clipping ou écrétage produit des déformations symmétriques (aussi bien l'amplitude positive que négative est touchée). Quand un amplificateur est en clipping (écrètage) on obtient d'autres déformations (nous montrons un amplificateur à transistors qui passe en clipping). Nous avons la fréquence à reproduire (en vert), le signal de sortie (jaune) et le signal d'erreur (en rouge). Le signal d'erreur est principalement une somme d'harmoniques impaires.

Un amplificateur en écrètage produit un son très désagréable. L'écrètage se produit avec des basses fréquences (dont l'amplitude est plus élevée). Ces basses fréquences (par exemple 110Hz) s'entendent moins, mais les harmoniques se trouvent dans la région où nos oreilles sont le plus sensible (330Hz, 550Hz, 770Hz,...). Les harmoniques s'entendent plus que la fréquence fondamentale, même si leur amplitude est moindre.

Comment je mesure la distorsion?

Il y a plusieurs méthodes pour mesurer la distorsion. Il existe des appareils spécialement adaptés pour faire cette mesure, mais il sont chers si on ne les utilise que peu. Mon système permet de faire des mesures sur différentes fréquences et avec différentes formes d'onde. En pratique je ne travaille qu'avec des sinus, parfois des triangles. Ce système est par contre moins précis et ne permet pas de mesurer un taux de distortion inférieur à 0.1%. Il reste toujours une partie de "bruit" que je n'arrive pas à éliminer (très légers déphasages). C'est pour cela que j'indique sur certains appareils que j'ai réalisé "distorsion < 0.1%".

Pour déterminer plus précisément le taux de distorsion sur les amplificateurs équipés d'une contre réaction, je mesure le signal sur l'anode de la triode qui compare le signal entrant au signal de contre réaction. Comme je connais le taux de contre réaction, je peux aisément calculer les distorsions. Le signal sur l'anode est le signal correcteur, qui contient une plus grande proportion de déformations.

Pour calculer la distorsion, j'ai un module de calcul sur mon oscilloscope. J'envoie le signal arrivant à l'ampli sur l'entrée A et le signal à la sortie sur l'entrée B, l'ampli étant chargé avec une résistance ohmique pure. Le générateur est mis sur 1kHz, 400Hz ou 2.5kHz (c'est interessant de voir comment évolue la distorsion selon la fréquence).

Je montre les deux traces sur l'oscilloscope. Le potentiomètre du volume est à 50%. J'entre en 500mV effectifs, la sortie est à 10V effectifs. Je règle l'oscilloscope pour qu'il me montre les deux traces au même niveau.

La troisième trace, c'est le résultat du calcul A - B. Je règle maintenant le potentiomètre du volume pour que l'amplitude de la trace calculée soit la plus faible possible. Il faut que l'appareil calcule uniquement la distorsion, par la différence de niveau.

J'ai un petit circuit pour déphaser la trace A (et compenser le déphasage de l'ampli), à régler pour encore réduire l'amplitude de la trace calculée. Ceci pour annuler l'erreur causée par le déphasage de l'ampli (ce réglage doit parfois être refait si on fait une mesure à une autre fréquence).

L'oscilloscope indique également la tension RMS de la trace calculée. Ce n'est pas un pourcentage, mais une mesure absolue par rapport à la trace B. Supposons que l'oscilloscope affiche une valeur RMS de 50mV RMS par rapport au signal de 10V RMS en B. Nous avons donc une distorsion de 0.5%. Avec un peu d'expérience, on a directement une idée du taux de distorsion en comparant visuellement les traces A et B superposées à l'écran.

Tenter d'obtenir un taux de distorsion inférieur à 0.1% n'a pas beaucoup de sens, la distorsion des haut parleurs est généralement supérieure à 0.5%.



L'oscilloscope dispose également d'une fonction FFT, elle me permet de voir les harmoniques, mais pas de calculer la distorsion. L'axe horizontal n'est plus une unité de temps, mais de fréquence. Cette échelle n'a plus aucun rapport avec l'échelle des deux signaux jaune et bleu. C'est une courbe qui a été calculée.

Le premier tracé est celui de l'étage de commande (driver). Il y a une déformation notable (elle s'entend très bien). Il s'agit principalement d'harmoniques paires, les marqueurs se trouvent sur 1 et 2kHz. Les harmoniques paires sont aussi désastreuses que les harmoniques impaires. La condition a été causée par un condensateur qui fuit, placé entre l'anode du tube précédent et la grille de ce tube, la polarisation correcte de ce tube n'étant alors plus assurée.

Dans certains amplis de guitare on crée volontairement une telle distortion pour rendre le son de la guitare plus riche, mais il ne faut pas l'essayer avec un ampli hiti.

La seconde distortion est si prononcée, qu'elle n'a pu être réalisée qu'avec un ampli à transistors. Le transistor reçoit une tension trop basse sur sa base et devient momentanément hors conduction. Il y a ici encore plus d'harmoniques, et elles s'étendent jusqu'à 9kHz, ce qui rend le son particulièrement desagréable, avec le son caractéristique du clipping.

... et nous continuons avec les résistances d'arrêt et les condensateurs de cathode

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