Le retour de la distorsion thermique

[forr]

Bonsoir Jean-Marc

"Peux-tu expliquer ce qu'est la distorsion d'enveloppe ?"
Plutôt ce que serait la distorsion d'enveloppe. Messages #4 et #6.

Ok ma tête encombrée n'avait pas bien enregistré "l'enveloppe".

En régime variable, je pense qu'il ne faut pas rester à une mesure de distorsion harmonique suivant la température

Précision : c'est la variation durant un cycle du sinus de la température des composants actifs d'un étage d'entrée qu'on soupçonne d'entraîner de la distorsion harmonique.
L'inertie thermique des composants fait que cette variation ne commence à manifester ses effets sur la caractéristique de transfert qu'aux très basses fréquences. A condition d'avoir les appareils qui s'y prêtent, une mesure de distorsion harmonique à 1 Hz ou moins le demontrerait beaucoup mieux.

"J'ai retrouve ces deux-ci"
Plus d'1h30 sur les mesures sur DAC. Mais vais-je y trouver notion de distorsion thermique chez nos amplificateurs de puissance !? Sujet de ce fil.

C'était juste pour attirer ton attention sur la puissance d'analyse insoupçonnée qu'offrent les mesures de distorsion harmonique d'une manière générale.

Je ne vois pas bien comment une mesure de DHT peut bien révéler une "variation" de distorsion puisque que cette mesure calcule l'énergie moyenne spectrale par unité de temps...

Si ça concerne mes expériences de 2011 : ne disposant pas d'un système de mesure à fréquence glissante de très hautes performances, je me suis dit qu'en observant des étages d'entrée mis dans différentes conditions de courant et de tension, la distorsion harmonique différerait légèrement d'une mesure à l'autre, ce qui attesterait d'une sensibilité aux conditions thermiques des composants actifs.

Sinon, le système de Bateman (non adapté aux mesures aux très basses fréquences) est capable de montrer les évolutions rapides des harmoniques d'un sinus. D'où une autre possibilité que je n'ai pas testée qui consisterait à moduler les conditions du fonctionnement de l'étage d'entrée à une fraction de Hz et à regarder si les composantes de la distorsion harmonique à 1 kHz restent exactement à la même valeur. Si ce n'est pas le cas, il y a un indice d'une existence de modulation par effet thermique.

Forr, pour moi le problème n'est pas de voir si un ampli fait de la disto thermique dans les relevé de DHT. J'ouvre un datasheet de transistor. Je vois une inter-dépendance directe entre la dissipation, la température de la puce, et le tension Vbe.

Avec un ampli à configuration standard de Self, on peut admettre qu'aux très basses fréquences les courants dans les transistors du différentiel d'entrée sont quasi constants.

Les variations de leur Vce sont égales à celle du signal d'entrée et engendrent pratiquement à elles seules les variations de puissance, et par conséquence de température, au sein de chaque puce.

La transconductance des transistors est dépendante du Vbe qui est très sensible à la température, laquelle est modulée indirectement par la tension d'entrée, comme on vient de le voir.

Il en résulte nécessairement une non-linéarité, assez identique pour les deux transistors. Elle se présente un peu comme un tension de mode commun. La simitude est telle que la question de savoir si ce n'était pas le même phénomène n'a pas manqué d'être posée à Peufeu quand il a présenté sur DiyAudio sa série "Memory distorsion", autre nom pour la distorsion thermique :
http://peufeu.free.fr/audio/memory/memory-1-theory.html déjà cité par Jean-Marc.

Pour éradiquer cette distorsion (pas bien grosse quand même, il faut le reconnaître) sur une configuration non inverseuse, le procédé le plus employé est le même que celui destiné à lutter contre les tensions de mode entre les entrées du différentiel : un cascode dont les bases communes sont référencées en tension aux émetteurs des transistors d'entrée (ou montage équivalent avec des FET).

Cdt.

[jacquese]

J'avais lu en son temps les travaux de Peufeu. Ils sont très intéressants et résument très bien ce que peut être la distorsion harmonique dans un ampli avec un long tail en entrée.
Forr, si tu souhaites approfondir le sujet, le professeur Arto Kolinummi a traité ces différents aspects dans son livre "Audio Power Amplifiers". Lors d'échanges sur ce sujet avec Jan Didden, il m'avait conseillé cet écrit qu'il était juste en train de publier pour Linear Audio. Je n'ai pas été déçu. Tous les aspects de la distorsion thermique y sont traités en profondeur.

D'accord avec toi que dans un long tail, les deux transistors font un peu la même chose. Mais quand y regarde de près plus vraiment. Toutes les non-linéarités de l'ampli en BO (souvent d'autant plus fortes que le gain en BO est élevé) sont compensés par la CR, ce qui veut dire aussi que le signal appliqué sur l'entrée n'est pas le même que celui appliqué par la CR sur l'autre entrée. La dissipation des deux transistors n'est alors plus la même et distorsion thermique il y a bien.

Au simulateur, il est possible de voir ce qui ce passe réellement. Pour cela, il faut juste un modèle électronique fiable du comportement thermique de la puce. Avec les constantes thermiques des premiers premiers ordres, il y a largement de quoi simuler, sauf que pour un transistor donné on ne les a pas vraiment. J'ai fait des dizaines de simulations avec des modèles simples et il y avait bien des variations de Vbe entre les deux transistors, petites mais réelles. Mais sortir la variabilité de H2 c'est autrement plus difficile. Pour les simulations j'avais injecté un ou deux sinus de fréquences moyenne et élevée et un signal basse fréquence sous la forme d'une impulsion suivi d'une amortissement lent.
C'est dommage je n'ai pas conservé les fichiers microcap...

[JM Plantefeve]

Voilà qui me rappelle une conversation téléphonique avec Gérard Perrot (il y a... 20 ans !?) à propos d'un moyen détourné pour contrer la distorsion thermique des transistors : le montage cascode.

Réduction de la tension Vce au transistor modulant, donc réduction de la puissance dissipée et donc diminution de la gigue en température. A la façon de Doug pour sa résistance de contre-réaction.

Détourné car souvent le cascode est mis en place pour éviter l'effet Miller réducteur de bande passante. Et on a souvent lu : amplis rapides = amplis musicaux. Et si ce n'était pas dû à la rapidité ? (un sinus de 20kHz à 40W, ce n'est que 3.14V/µs). Mais à la distorsion thermique réduite ?

Forr :
"Pour éradiquer cette distorsion (pas bien grosse quand même, il faut le reconnaître) ..."
Permets-moi de recopier un de mes écrits de début de fil :
je ne serais pas surpris qu'une fois analysée sur burst plutôt que sur sinus permanent, la distorsion d'enveloppe dépasse le 1%. Entendues les différences (subjectives ?) entre amplificateurs

Bien à vous, Jean-Marc.

[GG14]

Et si ce n'était pas dû à la rapidité ? (un sinus de 20kHz à 40W, ce n'est que 3.14V/µs). Mais à la distorsion thermique réduite ?

C'est une donnée intéressante. Spectral audio aux amplis à la bande passante semblant démesurément large indique un slew rate de 650V/µs.
http://www.spectralaudio.com/
Argument marketing ou technique avec du sens?

Merci pour l'information

[forr]

J'avais lu en son temps les travaux de Peufeu. Ils sont très intéressants et résument très bien ce que peut être la distorsion harmonique dans un ampli avec un long tail en entrée.
Forr, si tu souhaites approfondir le sujet, le professeur Arto Kolinummi a traité ces différents aspects dans son livre "Audio Power Amplifiers". Lors d'échanges sur ce sujet avec Jan Didden, il m'avait conseillé cet écrit qu'il était juste en train de publier pour Linear Audio. Je n'ai pas été déçu. Tous les aspects de la distorsion thermique y sont traités en profondeur.

J'ai été le premier et sans doute un des rares acheteurs français du bouquin de Kolinummi. Mon jugement est sévère. C'est de l'argent jeté par les fenêtres, dont je me console en pensant que Jan Didden qui fait un boulot exceptionnel en touche une petite part. Pour un connaisseur, ce n'est jamais qu'une compilation verbeuse de tout ce qui a été écrit précédemment en matière d'amplification rafinée pour en tirer des schémas extravagamment compliqués. Certain que je ne le rouvrirai plus, j'ai rapidement mis l'ouvrage en vente ( https://forums.melaudia.net/showthread.p...7#pid61377 ) sans trouver qui que ce soit d'intéressé, j'ai fini par le donner en même temps que la compilation "Audio" de Douglas Self. A ma connaissance, en matière d'amplification analogique, les apports récents les plus fructueux sont ceux de Samuel Groner et Giovanni Stochino.

D'accord avec toi que dans un long tail, les deux transistors font un peu la même chose. Mais quand y regarde de près plus vraiment. Toutes les non-linéarités de l'ampli en BO (souvent d'autant plus fortes que le gain en BO est élevé) sont compensés par la CR, ce qui veut dire aussi que le signal appliqué sur l'entrée n'est pas le même que celui appliqué par la CR sur l'autre entrée.

La contre-réaction vise à rendre la tension sur l'entrée inverseuse égale à celle de la tension non-inverseuse. Plus le gain de boucle (taux de contre-réaction) est grand, plus la correction devrait se montrer efficace; mais il y a cet ennui, que en configuration non-inverseuse, la tension sur les deux entrées devient alors importante et la linéarité de l'étage d'entrée risque, sauf sophistications des circuits, de souffrir de non-linéarité de mode commun. D'où pour l'éviter, chez certains auteurs (Cherry, Ivor Brown cité Perrot) le choix d'une sensibilité d'entrée de 300 mV plutôt que l'habituelle 1 V ou un peu plus.

[forr]

Voilà qui me rappelle une conversation téléphonique avec Gérard Perrot (il y a... 20 ans !?) à propos d'un moyen détourné pour contrer la distorsion thermique des transistors : le montage cascode.
Réduction de la tension Vce au transistor modulant, donc réduction de la puissance dissipée et donc diminution de la gigue en température.

Oui mais ça ne fonctionne de cette façon que si la tension de commande des transistors en base commune est référencée aux électrodes suiveuses de l'étage d'entrée. Si elle est référencée à la masse, comme on le voit souvent, la variation de tension Vce suit celle du signal d'entrée, et l'on aboutit parfois à l'effet inverse à celui escompté quant à la linéarité.
En fait, une façon de lutter contre la distorsion thermique ou de mémoire, c'est que les transistors d'entrée aient leur Vce maintenus à tension constante et qu'ils soient traversés par des courants les moins variables possibles. C'est une idée commune à Pass (qui ne l'a pas correctement appliquée) et à Perrot (qui n'a pas ménagé ses efforts pour la mettre en œuvre).

Détourné car souvent le cascode est mis en place pour éviter l'effet Miller réducteur de bande passante. Et on a souvent lu : amplis rapides = amplis musicaux. Et si ce n'était pas dû à la rapidité ? (un sinus de 20kHz à 40W, ce n'est que 3.14V/µs). Mais à la distorsion thermique réduite ?

L'effet Miller est plus préoccupant pour le deuxième étage dit VAS de l'architecture standard car c'est là que se développe tout le gain en tension. Il faut toujours une capacité de compensation dont dépend la stabilité du circuit contre-réactionné. L'avantage du cascode à cet endroit est que la capacité interne du transistor, Cbc, dont la valeur varie en fonction de la tension au collecteur ne module plus la compensation.
Je ne crois pas qu'il faut attendre d'un cascode une amélioration considérable du slew-rate maximum du circuit (qui est toujours suffisant en audio).
Ce n'est pas vraiment en rapport avec le sujet, mais un émetteur suiveur inséré entre l'étage d'entrée et le transistor en émetteur commun de gain du VAS joue le même rôle vis à vis du Cbc que le transistor en base commune dans le montage cascode, et au final, s'avère plus efficace pour la linéarité globale du circuit.

Cdt.

[jacquese]

J'ai été le premier et sans doute un des rares acheteurs français du bouquin de Kolinummi. Mon jugement est sévère. C'est de l'argent jeté par les fenêtres, dont je me console en pensant que Jan Didden qui fait un boulot exceptionnel en touche une petite part. Pour un connaisseur, ce n'est jamais qu'une compilation verbeuse de tout ce qui a été écrit précédemment en matière d'amplification rafinée pour en tirer des schémas extravagamment compliqués. Certain que je ne le rouvrirai plus, j'ai rapidement mis l'ouvrage en vente ( https://forums.melaudia.net/showthread.p...7#pid61377 ) sans trouver qui que ce soit d'intéressé, j'ai fini par le donner en même temps que la compilation "Audio" de Douglas Self.

On est au moins deux alors ! Moi j'ai bien aimé. Question de gout. J'ai certainement aimé ce que tu as détesté En matière de conception électronique nous n'avons certainement pas la même sensibilité. J'avoue que les variations autour du schéma standard d’amplification me laisse quelque peu insensible.

A ma connaissance, en matière d'amplification analogique, les apports récents les plus fructueux sont ceux de Samuel Groner et Giovanni Stochino.

A chacun ses héros !

[jacquese]

Détourné car souvent le cascode est mis en place pour éviter l'effet Miller réducteur de bande passante. Et on a souvent lu : amplis rapides = amplis musicaux. Et si ce n'était pas dû à la rapidité ? (un sinus de 20kHz à 40W, ce n'est que 3.14V/µs). Mais à la distorsion thermique réduite ?

L'effet Miller est plus préoccupant pour le deuxième étage dit VAS de l'architecture standard car c'est là que se développe tout le gain en tension. Il faut toujours une capacité de compensation dont dépend la stabilité du circuit contre-réactionné. L'avantage du cascode à cet endroit est que la capacité interne du transistor, Cbc, dont la valeur varie en fonction de la tension au collecteur ne module plus la compensation.
Je ne crois pas qu'il faut attendre d'un cascode une amélioration considérable du slew-rate maximum du circuit (qui est toujours suffisant en audio).
Ce n'est pas vraiment en rapport avec le sujet, mais un émetteur suiveur inséré entre l'étage d'entrée et le transistor en émetteur commun de gain du VAS joue le même rôle vis à vis du Cbc que le transistor en base commune dans le montage cascode, et au final, s'avère plus efficace pour la linéarité globale du circuit.
Cdt.

Il y a en plus des avantages cités d'un vrai cascode à l'entrée un apport qui est loin d'être négligeable. En neutralisant la capacité Cbc (ou Cgd pour les unipolaires) on évite la réinjection de courant parasite dans l'impédance de la source. On peut appeler cela de la "distorsion d'entrée". Le circuit actif ne peut absolument rien y faire. C'est produit avant même l'étage d'entrée. J'ai relevé dans certaines configurations standards une distorsion d'entrée quasi égale à la distorsion de sortie du montage, ce qui veut dire que cette distorsion d'entrée est prépondérante !

[JM Plantefeve]

Bonsoir Forr,

"c'est la variation durant un cycle du sinus de la température des composants actifs d'un étage d'entrée qu'on soupçonne d'entraîner de la distorsion harmonique"
Encore une fois, la distorsion thermique n'est certainement pas à voir sur une seule période ("un cycle du sinus") mais à analyser en variation sur un train de périodes, sous une enveloppe.

A propos du cascode :
"ce ne fonctionne de cette façon que si la tension de commande des transistors en base commune est référencée aux électrodes suiveuses de l'étage d'entrée. Si elle est référencée à la masse, comme on le voit souvent, la variation de tension Vce suit celle du signal d'entrée"
Il faut reconnaître que la référence à un potentiel continu est d'une mise en oeuvre plus simple. Et quand l'étage a un gain supérieur à 2, donc très souvent, une variation de Vce suivant le signal d'entrée (le millivolt) est déjà plus intéressante qu'une variation suivant le signal de sortie moins le signal d'entrée (le volt).

Appliqué au schéma de Doug (celui du diaporama), voici le résultat sou LTspice :
   

• Chronogramme du haut : puissance dissipée à un transistor du différentiel
  
• Chronogramme du bas : tension de sortie sur une branche pour (Vin+ - Vin-) = 0.5mV
  
• En vert : différentiel sans cascode, schéma de gauche
  
• En rouge : différentiel avec cascode, schéma de droite
  

Que peut-on encore gagner en continuité thermique en se référençant "aux électrodes suiveuses de l'étage d'entrée" (pas simple) plutôt qu'à une polarisation fixe (comme ici) ?

Bien à toi, Jean-Marc.

[JM Plantefeve]

Bonsoir GG14,

"Argument marketing ou technique avec du sens?"
Argument marketing et coup de bol insoupçonné ?

Bien à toi, Jean-Marc.