Amplificateurs à tubes
Remplacement d'un montage williamson par des transistors
Cascode symmétrique
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Transistors préampli: BC546B, BF422, BSS38
Triodes driver: ECC81

4 - Montage double cascode avec transistors et triodes


Signal en sortie: 2 × 110V, les déformations apparaissent

Le montage cascode (transistor BSS38 et triode ECC81) peut fournir un signal non déformé jusqu'à une amplitude de 100V pp (pour une haute tension de 208V). A 110V, les déformations commencent à apparaitre, mais contrairement à un circuit à transistors il n'y a pas de clipping brusque mais un nivellement des niveaux hauts et bas. Une telle déformation ne s'entend pas en pratique (quand vous commandez des tubes de puissance avec un signal de 110V sur la grille, c'est que l'ampli travaille vraiment à fond...)

La tension sur le collecteur est de 20.5V, la tension sur l'anode de 120V pour une haute tension de 208V (tension négative après filtrage de 6.3V). L'avantage du montage cascode, c'est que la tension sur le collecteur ne peut jamais devenir trop élevée (sauf si une triode est en cours circuit). Quand il n'y a pas d'émission thermo-ionique la tension est nulle et quand la triode est en fonctionnement le diviseur résistif limite la tension à 1/10 de la haute tension.

L'amplification en tension est de 280× avec BSS38, avec des transistors BC546B, l'amplification passe d'un coup à 820× ce qui permet d'utiliser une contre réaction plus énergique. Ce circuit a l'impédance de sortie la plus élevée, avec une bande passante limitée à 20kHz sur charge de 10pF. Ce circuit est destiné aux tubes qui ont une capacitance interne réduite.

Le transistor doit maintenant fournir le courant total (1.5mA par transistor), mais c'est un avantage car la plupart des transistors ont un gain plus élevé à cette valeur de courant. La résistance d'émetteur a été réduite en conséquence. Il y a une bonne stabilisation du point de fonctionnement même avec des transistors qui ont des caractéristiques différentes car la tension de polarisation est prélevée sur l'anode et va à un diviseur résistif.

Chaque circuit reçoit des améliorations, le schéma a une modification de la tension de polarisation des grilles des triodes qui augmente la stabilité du montage (modification que les autres schémas n'ont pas). La tension de polarisation est prélevée de la tension négative (qui est ici de -6.3V). Cette amélioration réduit l'influence d'une variation de la tension d'alimentation négative (la modification n'est pas nécessaire si la tension est stable). Quand cette tension devient plus négative, le courant dans le transistor augmente. La triode reçoit un courant plus important, ce qui fait chuter la tension sur l'anode. En réduisant la tension sur la grille de commande, on contrecarre l'augmentation du courant dans la triode. Cette amélioration peut également être inclue dans les autres montages si on adapte la valeur des deux résistances.

Ce circuit étant le dernier circuit réalisé, je l'ai un peu optimalisé, déplacé des résistances, ajouté des diodes zeners, et voilà le résultat à gauche. C'est toujours le même schéma, avec les transistors du dessous en amplificateur différentiel (jadis appellé déphaseur de Schmitt). Le transistor forme avec sa triode correspondante un montage cascode. La tension de 150V ne sert ici que de mise en veille/mute quand elle n'est pas présente. Elle tire les deux grilles vers une basse tension, l'amplification devient alors très faible.

Remarquez ce petit détail: le signal entre sur la base du transistor, et les émetteurs sont interconnectés. Pour les triodes, le signal entre par la cathode et les grilles sont interconnectées. L'interconnection donne une caractéristique "amplificateur différentiel" aux triodes, ce qui permet d'améliorér l'équilibrage des deux sorties, qui était assez faible avec un montage cascode standard comme en haut de la page (attention, les deux grilles sont à haute impédance et il faut éviter de faire passer des cables à proximité du tube).


Images ci-dessous à droite:
Amplification d'un signal carré 18kHz, charge de 10pF. Le signal à l'entrée est de 100mV, le signal en sortie de 52.9V, soit un gain de 54dB. Avec une charge de 180pF l'amplitude est réduite de 20% et les flancs sont encore moins raides. La valeur de 180pF est la capacité calculée (capacitance de Miller) par effet de l'anode sur la grille avec un EL509.

Les flancs qui ne sont pas verticaux, c'est en fait la courbe caractéristique de la charge d'un condensateur par une résistance de valeur non-nulle. Le condensateur étant ici la grille du tube de puissance.

On voit que les flancs ascendants sont moins raides que les flancs descendant, car dans le dernier cas la triode est plus en conduction (impédance moindre) et tire mieux le signal vers le bas.

Le signal carré est utilisé pour controler la bande passante d'un ampli (basse et haute fréquence) et la stabilité (pas d'overshoot ni d'oscillations). Le signal du préampli est parfait.


Un amplificateur peut sembler parfait avec un signal en crénaux ou un signal sinusoïdal, mais c'est la reproduction d'un signal triangulaire qui fait le mieux apparaitre les défauts. On voit que l'amplificateur s'essoufle en fin de parcours (la droite se courbe).

Les distortions qui apparaissent sont des distortions d'ordre impair, elles sont présentes aussi bien avec les amplitudes positives que négatives (c'est le résultat d'un montage symmétrique). Les distortions sont beaucoup plus importantes si on utilise un amplificateur non symmétrique, et c'est pourquoi les étages de puissances sont pratiquement toujours réalisés sous forme d'ampli symmétrique (push pull).


Et pourquoi on utilise un signal sinusoïdal alors?
Le signal sinusoïdal est utilisé pour déterminer la puissance que peut fournir l'ampli avant l'apparition de distortions.


Réaliser soi-même?

Supposons que vous voulez construire vous même un tel circuit (préampli ét étage d'attaque), mais l'ampli a des tensions différentes, mettons une haute tension de 250V et une tension négative de -18V. Le montage choisi est une double cascode avec transistors et triodes.

Pour commander nos tubes de puissances, nous utilisons deux résistances de 56kΩ pour avoir une attaque très dynamique. Nous fixons la tension anodique à 150V, ce qui nous donne une chute de tension de 100V aux bornes de la résistance anodique et donc un courant de 1.8mA, une bonne valeur pour un ECC81.

La dissipation dans la résistance anodique est de 180mW, une résistance à film métallique de 1W fait l'affaire. La dissipation dans la triode est de 225mW, nous restons bien dans les limites.

Nous voulons une tension de 25V au collecteur des transistors, donc également une tension de 25V aux cathodes. La tension sur la grille doit donc être de 23V. Nous faisons passer un courant de 100µA dans notre diviseur résistif. La résistance inférieure doit développer une tension de 41V (23 + 18V) et donc avoir une valeur de 410k (nous choisissons 390k). La résistance supérieure doit avoir une tension de 127V, la résistance doit donc être de 1.27M (nous prenons 1M). Il n'y a pas de courant de grille.

Il y a également un courant qui circule dans le transistor de 1.8mA, nous avons une tension aux bornes de la résistance de l'émetteur de 18 - 0.6V, la résistance de l'émetteur doit donc faire 9.66k (on prend 9.1k).

Il nous faut encore calculer la chute de tension aux bornes de la résistance de base, mais comme nous utilisons des transistors avec un gain très élevé (hfe = 470), le courant de base est très faible et la chute de tension limitée à 125mV pour une résistance de base de 33k. Les résistances d'émetteur indépendantes permettent d'absorber la différence.

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