Amplificateurs à tubes
l'intermodulation
Distorsion

La distortion d'intermodulation apparait quand un élément non-linéaire produit une modulation entre deux signaux de fréquences différentes.
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Le signal de 4kHz est modulé par le signal de 200Hz
(son amplitude varie avec celle du signal 200Hz)

Lisez d'abord la page consacrée à la distorsion harmonique. Les deux effets qui sont liés sont causés par le fonctionnement non-linéaire de l'ampli.

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 dans les récepteurs, modulateur radio), mais ici c'est un phénomène qui est à éviter.

Nous partons de deux signaux de fréquence différente qui sont additionnés. On a par exemple le signal basse fréquence du piano et le signal haute fréquence d'un violon. Quand tout va bien, il n'y a pas d'influence d'un signal sur l'autre. Par contre, quand un élément non-linéaire est ajouté dans le circuit, il se produit une (inter)modulation: l'influence d'une fréquence sur l'autre. Au lieu d'une simple addition de deux signaux, il y a une multiplication: l'amplitude instantanée d'une fréquence influence l'amplitude de l'autre fréquence.

Distorsion dans les amplificateurs

Une distorsion du signal qui est fort présente avec les lampes (et principalement les triodes) est 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), c'est la première courbe à droite à coté de l'indication 200Hz.

La distorsion fait apparaitre des harmoniques qui colorent le son. Le signal devient moins bien défini. On peut réduire la distorsion en augmentant la contre réaction, mais les puristes qui utilisent des triodes attrappent des boutons quand on parle de contre réaction (cela se soigne avec de la poudre de tétrodes).

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) les harmoniques paires sont fortement réduites, et donc aussi l'intermodulation.

Intermodulation

Prenons par exemple un signal audio de 200Hz d'une amplitude de 75% de l'amplitude 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. Les fréquences basses ont une amplitude plus élevée pour produire le même effet auditif.

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. Il y a également une modulation inverse (du signal de 200Hz par le signal de 4kHz), mais elle ne se remarque pas en pratique.

C'est un effet qui est recherché avec certaines lampes (mélangeuses), mais 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.


Intermodulation causée par une pentode usée

Les deux images d'oscilloscope montrent le signal à l'entrée et en sortie d'un ampli single ended dont la pentode de puissance a une émission réduite. En pratique une telle distorsion d'intermodulation ne sera présente dans aucun amplificateur qui fonctionne correctement.

On voit assez bien que le problème est causé par une pentode de puissance épuisée. La lampe ne peut plus fournir la puissance demandée, la tension anodique ne descend plus en dessous de 150V car la conduction de la lampe est trop faible. La distorsion est graduelle et le son que l'ampli produit est encore acceptable. Il ne s'agit pas d'une surcharge du tube (overload) qui produit une distorsion qui ressemble plus à un clipping (écrètage) et qui apparait aussi bien sur les pointes positives et négatives.

Intermodulation recherchée

L'intermodulation était par contre recherchée dans certaines radios bon marché. Les fréquences basses ne peuvent pas être reproduites par le haut parleur qui est trop petit et le transfo de sortie est également trop faible (les petites radios portatives à transistors ont les mêmes défauts, mais ici on ne cherche même pas à les masquer).

Les fréquences basses ne peuvent pas être repoduites, mais elles modulent les fréquences élevées, on entend un trémolo (variation rapide de l'amplitude) à la fréquence des basses. La seule chose qu'il faut, c'est que le signal complet arrive jusqu'au tube de puissance qui par sa caractéristique courbe va effectuer la modulation. On "entend" alors les fréquences basses, mais uniquement quand d'autres fréquences sont également présentes.


Intermodulation et distorsion de croisement
causées par une tension de grille écran trop basse
L'image suivante provient d'un amplificateur push pull dont la tension de grille écran est devenue trop basse à cause d'une résistance défectueuse (influence sur les deux tubes). En cyan la source, en jaune le signal en sortie.

La grille écran des tétrodes à faisceaux dirigés (KT77, EL504, EL508,...) a un effet important sur le point de fonctionnement de la lampe. Une tension de grille écran trop basse a le même effet qu'une tension de grille de controle trop négative.

Il y a une distorsion de croisement (crossover) quand le second tube doit prendre le relais du premier tube. Vous voyez les déformations de l'amplitude du signal en sortie. La distorsion de croisement ondule au rythme de la fréquence basse, cela est visible au léger renflement de l'image lors du croisement.

Intermodulation et battement

Attention, l'intermodulation (effet de trémolo) n'est pas la même chose que le battement. Le battement c'est l'interférence de deux fréquences très proches s'additionnent ou se réduisent. Si on a une fréquence de 1000Hz et une fréquence de 1001Hz, on entend un battement d'une fréquence de 1Hz. Il s'agit ici d'une simple addition/soustraction de deux signaux qui sont en phase ou déphasés, il n'y a pas de modulation (=multiplication)..


Intermodulation dans un
amplificateur push pull

Intermodulation dans un amplificateur push pull

L'intermodulation par pentode usée peut également apparaitre dans un amplificateur push pull quand une des lampes de puissance est épuisée.

Quand les deux lampes sont usées ou quand les paramètres de fonctionnement de l'étage de puissance ne sont plus bons. J'ai remarqué cet effet avec un amplificateur dont la valeur de la résistance cathodique commune avait fortement augmenté. J'essaie de prendre une photo d'oscilloscope de tous les problèmes que je rencontre quand je répare les amplificateurs. Ici le défaut pouvait simplement être détecté en mesurant la tension sur les cathodes.

Ce défaut produit une diminution de l'amplification pour les pics positifs et négatifs (la diminution du gain n'est pas nécessairement égale). L'intermodulation se produit ici au double de la fréquence basse, ce qui donne un son bizarre.

Modulation simple

Un autre effet causé par l'amplification différente des pics positifs (ou négatifs), c'est qu'il apparait une composante de basse fréquence qui dépend de l'amplitude du signal. 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: déplacement du point de fonctionnement, risque d'oscillations parasites très basse fréquence, clipping,...).

Cette composante très basse fréquence peut être éliminée en utilisant des condensateurs de couplage dont la valeur n'est pas trop élevée: la valeur des condensateurs doit être déterminée pour que la fréquence la plus basse à reproduire soit environ 10Hz. S'il y a plusieurs condensateurs de couplage, il faut prendre une fréquence plus basse (condensateurs de valeur plus élevée) car chaque condensateur de couplage réduit la bande passante.

Pour fortement réduire la distorsion d'intermodulation, on peut utiliser un amplificateur bi-ampli dont le filtre de séparation est expliqué ici. Dans ce type d'amplificateur, on utilise des circuits séparés pour les basses et les fréquences moyennes et aigues. Certaines enceintes actives haut de gamme sont des bi-ampli.

Sur une page suivante j'explique comment mesurer les distorsions.

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