Amplificateurs à tubes
la bande passante
Petits détails

La méthode la plus simple pour mesurer la bande passante d'un ampli est en utilisant un oscilloscope. Cela permet également de faire apparaitre des défauts dans le fonctionnement de l'ampli.
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Quand on utilise un réglage de la tonalité, il faut que le circuit soit placé hors de la boucle de contre-réaction. La contre-réaction tente de réduire les distorsions et une amplification plus ou moins forte de certaines fréquences est considérée comme une distorsion.
Input

Lowest frequency

Highest frequency

Medium frequency

Il y a plusieurs façons de mesurer la bande passante. Tout d'abord il vous faut un générateur de fréquences. Les mesures avec un oscilloscope sont faciles s'il dispose d'une unité de calcul qui affiche la tension effective mesurée.

Si vous n'avez pas d'oscilloscope, vous pouvez également mesurer la bande passante si vous avez un multimètre qui a un fonctionnement plus ou moins linéaire sur toute la gamme des fréquences.

Mesure avec oscilloscope

Une mesure avec un oscilloscope permet de détecter les problèmes de l'amplificateur (par exemple: oscillations parasites). Il y a plusieurs méthodes pour mesurer la bande passante avec un oscilloscope:
  • On utilise un signal carré et on calcule la bande passante en mesurant la forme du signal. On voit à droite que la forme du signal mesuré dépend de la fréquence du signal et de l'atténuation de l'ampli. En théorie, deux mesures suffisent pour calculer la bande passante.

  • On utilise un signal sinusoidal et on fait des mesures à différentes fréquences rapprochées, c'est une mesure équivalement à la mesure avec un multimètre.

  • On règle le générateur sur un balyage des fréquences et on regarde à l'écran l'évolution de l'amplitude. Cette procédure est décrite à la mi-page.
La mesure avec un signal carré permet de faire apparaitres un fonctionnement instable de l'ampli. La mesure avec un signal en créneaux n'est pas la mesure la plus correcte du point de vue de l'ampli, car il n'a pas été conçu pour reproduire de tels signaux qui n'existent pas dans la nature. La musique est composée d'une multitude de signaux sinusoidaux.

Images de synthèse à droite: le premier signal est le signal à l'entrée de l'ampli. Le second signal est le signal en sortie de l'ampli quand la fréquence est réglée sur le début de la bande passante. L'amplificateur n'est pas en mesure de maintenir de signal de crête. Le troisième signal est le signal à la fin de la bande passante, quand l'amplificateur peine à suivre le signal du générateur.

Et finalement le quatrième signal est le signal en milieu de bande. Il s'agit d'un amplificateur avec une bande passante très limitée car en milieu de bande le signal devrait assez bien ressembler à un carré, avec des flancs raides et des plateaux horizontaux.

Ringing

Un signal carré permet de faire apparaitre des instabilités dans l'ampli.
Les instabilités peuvent également apparaitre avec des signaux sinusoidaux à certaines fréquences et à certaines amplitudes.

On ne détermine pas la qualité d'un ampli en mesurant sa bande passante. Un bon ampli peut avoir une bande passante de 30Hz à 18kHz (mesures à -3dB). Dans certains cas cela ne sert pas à grand chose de tenter d'augmenter la bande passante: vous forcez l'amplificateur à amplifier des signaux qu'il ne peut pas amplifier, ce qui augmente l'intermodulation et rend le son imprécis.

Bande passante et contre-réaction

La contre-réaction permet de linéariser l'amplitude du signal dans la bande passante, en égalisant l'amplification des fréquences. La courbe de réponse devient plus plate et la bande passante augmente également.

Pour des tests de l'ampli en construction on fera des mesures avec la contre-réaction débranchée. En pratique on fera des mesures aussi bien sans contre-réaction et avec contre réaction pour déceler des défauts, qui se signalent généralement par un ringing sur le signal d'oscilloscope.

Exemple pratique (image d'oscilloscope): allez avec la souris sur le cadre cyan:

Sans contre réaction: [Signal carré] [Sweep]
Avec contre réaction: [Signal carré] [Sweep]

Signal en créneaux à l'entrée: 1.4V top-top
Signal en sortie sans contre réaction: 18V top-top (10W)
Signal en sortie avec contre réaction: 7V top-top (1.5W)
Une réduction de l'amplitude de 2.6× quand on enclenche la contre réaction

Sweep à l'entrée 2V top-top (sinusoidal 20Hz - 20kHz)
Signal en sortie sans contre réaction: 20V top-top (12W)
Signal en sortie avec contre réaction: 8.5V top-top (2.3W)
Une réduction de l'amplitude de 2.4×

Attention: sur les deux images d'oscilloscope les couleurs cyan et jaune sont inversées.

La contre réaction produit une réduction de l'amplitude du signal de 8dB. Les puristes esotériques (qui semble-t-il ont de meilleures oreilles que moi) disent qu'une contre réaction jusqu'à 10dB est acceptable à leurs yeux oreilles.

Le signal sans contre réaction montre une bande passante assez limitée: il y a une atténuation des fréquences élevées (les fronts montants et descendant ne sont pas raides) et des basses fréquences (le plateau horizontal n'est pas plat).

Le signal avec contre réaction est plus faible (atténuation de 8.2dB), mais les flancs sont plus droites et le plateau est horizontal. On voit qu'une contre réaction relativement faible peut déja fortement améliorer le signal.

L'atténuation relativement faible produit par contre une chute de puissance beaucoup plus forte. Si on augmente le signal pour compenser cette chute de puissance, d'autres phénomènes peuvent apparaitre, notament des oscillations parasites (overshoot) causées par le déphasage (variable selon la fréquence) de l'amplificateur. Ces déphasages ne peuvent pas facilement être évités et il est plus aisé de limiter la bande passante de l'ampli en plaçant de petits condensateurs vers la masse à des endroits stratégiques de l'ampli.

Mesure par balayage de fréquence (sweep)

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Image 1: Générateur de fréquences avec fonction sweep (balayage)
La mesure la plus aisée de la bande passante se fait avec un oscilloscope et un générateur de fréquences qui a une fonction sweep. Le générateur de fonction passe de 10Hz à 25kHz en 9 secondes, et au même moment l'oscilloscope dessine l'enveloppe du signal en sortie de l'ampli (en jaune).

Le balayage suit une progression logaritmique, qui correspond le mieux à notre ouïe. Le générateur délivre un signal sinusoidal (et non plus un signal carré) qui correspond mieux à la musique.

Image 2: Amplificateur historique
Nous avons d'abord la courbe d'un ampli avec une légère instabilité entre 15 et 30Hz. L'atténuation commence à partir de 15kHz mais à ces fréquences la puissance nécessaire est très faible. Il faut s'attendre à ce type de courbe quand on répare un amplificateur historique (après restauration)

La contre réaction fait que l'amplification est très constante sur toute la bande passante: la contre réaction commence à agir dès qu'un gain minimal est atteint (la contre réaction ne peut pas augmenter le gain, uniquement le limiter).

La bande passante d'un ampli peut être modifiée quand on change les paramètres des tubes de puissance (courant anodique). Avec un courant anodique plus faible les caractéristiques du transfo de sortie se font plus sentir (les tubes de puissance ont moins de controle sur le transfo).

Image 3: Ancienne radio AM (avec contre réaction)
La seconde courbe provient d'une ancienne radio AM. La bande est fortement limitée dans les hautes fréquences (c'est normal, en AM la bande passante est limitée à 4.5kHz et la radio n'a pas la FM). La bande passante pour les basses est très bonne pour un poste de radio, la bande passante totale va de 25Hz à 4.5kHz. Les fréquence élevées sont réduites pour diminuer les parasites.

L'ampli de cette radio a une très forte contre réaction qu'on remarque au plat de la bande passante. Dans cette radio le taux de contre réaction dépend de la position du potentiomètre de volume.

Image 4: Ancienne radio AM (sans contre réaction)
La courbe qui est montrée ici est celle du même ampli de radio montré plus haut, mais avec la contre réaction débranchée. Comme la contre réaction sert ici également à éliminer les signaux au dessus de 4.5kHz nous avons ici un signal faible mais présent au dessus de 4.5kHz.

La contre réaction est donc très utile: elle permet d'augmenter la bande passante d'un ampli (ou de la limiter, comme c'est le cas dans notre ampli dez radio AM).

La courbe est désastreuse, mais c'est encore pire en pratique car la puissance dépend de la tension au carré. Une réduction du signal de 50% produit une réduction de la puissance de 75% (quart de la puissance).

La bande passante d'un ampli est indiquée pour une réduction de la puissance de 50%, ce qui correspond à une diminution de l'amplitude de 71% (signal de 1V vers 0.71V). La bande passante de puissance de cet ampli va donc de 55Hz à 1kHz avec la contre réaction débranchée.

Image 5: Signal en crénaux
Nous avons ensuite l'image d'oscilloscope du signal d'un amplificateur très moyen. Je crois même qu'il s'agit de l'amplificateur de radio AM mentionné ci dessus. Le signal en crénaux est fortement déformé: les basses sont faibles (il n'y a plus de plateau) et les aiguës sont également faibles (les flancs verticaux sont obliques et courbes).

J'utilise une fréquence de 440Hz pour le test, une fréquence qui se trouve au milieu de la bande passante de puissance d'un ampli. Normalement à cette fréquence le signal en créneaux ne devrait pas être déformé.

Une image d'oscilloscope de signaux carrés permet d'avoir une idée comment un ampli va se comporter (il permet de détecter que l'ampli ne va pas produire d'oscillations parasites (ringing)), mais pour calculer la bande passante un balayage de fréquence est plus utile.

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