DIY : Préampli / Ampli casque

[jacquese]

Bonjour à tous,

Je me lance dans un nouveau projet DIY. Cette fois-ci ce sera un préampli / ampli casque. Comme toujours, ce sera l'occasion de tester de nouveaux circuits maison.

Concernant les fonctionnalités, mon cahier des charge est le suivant :

• 2 entrées asymétrique sur fiche RCA
  
• 1 entrée symétrique sur connectique XLR-3
  
• Une sortie préampli  asymétrique sur fiche RCA
  
• Une sortie préampli symétrique sur connectique XLR-3
  
• Une sortie casque Jack 6.35
  
• Une sortie casque XLR-4
  
• Une sortie casque XLR-3 en mode balanced
  
• Deux gains sélectionnables
  
• Commande de l'entrée (une parmi trois)
  
• Commande de volume
  
• Commande de la sortie (préampli ou casque)
  
• Télécommande IR
  
• Compatible avec tous les types de casque.
  
• Niveau d'entrée max : 2Vrms
  
• Niveau de sortie jusque 8Vrms pour les casques 600 oms
  

Cet ampli va driver plusieurs de mes casques qui sont de techno bien différentes  : un planar Hifiman HE-4 de 38ohms qui est assez génial mais nécessite du courant, un HD650 de 600 ohms et un Grado de la Serie SR de 32 ohms. Pour la partie préampli il s'agit de piloter mon ampli circlotron de 20W. En amont, je vais brancher un DAC, un préampli pour platine vinyle, une télé.

Concernant les choix techniques :

• Amplification en classe A
  
• Couplage direct en entrée et en sortie
  
• Le circuit doit fonctionner de manière naturelle (sans convertisseur) en mode asymétrique ou symétrique en entrée comme en sortie
  
• Pas de contre-réaction globale (mais contre-réaction locale !)
  
• Pas de potentiomètre à l'entrée mais intégré directement dans le circuit d'amplification, pour régler les problèmes de distorsion d'entrée et de filtrage HF
  
• Fonctionnement en +/-12V pour permettre un passage vers une alimentation sur batteries.
  
• Une consommation constante en statique comme en dynamique pour éviter de tirer du courant modulé sur l'alimentation par batterise
  
• Du transistor
  

La suite au prochain post, avec les réflexions déjà menées concernant les choix techniques pour le circuit d'amplification.

[jacquese]

La structure du circuit envisagée :

   

C'est un circuit à deux étages.
Un premier étage différentiel en entrée et en sortie réalisation une conversion tension / courant avec un gain noté A1 (une valeur sélectionnable parmi deux).
La sortie, en courant donc, passe ensuite dans un potentiomètre qui atténue plus ou moins le courant différentiel. L'impédance de ce potentiomètre doit être faible : 100 ou 200 ohms au max, sous peine de sortir de la plage de tension adéquate en sortie du premier étage.
Ce courant atténué attaque ensuite le second étage différentiel qui réalise une conversion courant / tension avec un gain A2.

Le gain total est A1 x A2. A la louche, comme on veut  8Vrms en asymétrique en sortie pour 2Vrms asymétrique en sortie, on pourrait partir sur A1 = 2mA/V et A2 = 2V/mA pour avoir un gain de 4. Attaqué en symétrique à l'entrée, le gain serait de 8.
Le second étage est un étage de puissance. Il faudrait fournir 300mA crête, ce qui devrait être suffisant pour piloter mon casque planar au rendement exceptionnel de  84dB

Du coté de la contre réaction : pas de CR globale. Il faut donc soigner chaque étage pour que chacun fasse un minimum de distorsion. Il y a évidemment des avantages... Le potentiomètre n'influera pas sur la stabilité du circuit global. S'il était pris dans une boucle de CR, cela en serait autrement.

Finalement, il y a trois objectif à relever :
 - faire un OTA avec de bonnes perf
 - faire un COA avec de bonnes perf
 - faire un bon potard atténuateur de courant et à faible impédance.

[jacquese]

Bonsoir,

Schéma en cours d'étude actuellement :

   

L'étage d'entrée, à gauche, est un étage à transconductance, en mode différentiel en entrée et en sortie.
J1/J2 sont un couple de FET appairés JFE2140. Le courant de repos est de 6mA pour permettre de traiter 3Vcrête asymétrique à 1mA/V. C'est assez proche des 5mA pour lesquels Texas publie sa mesure de bruit. En sortie, on retrouve le signal différentiel audio en courant avec un offset de 6mA identique sur chaque branche.
Que l'étage soit attaqué en symétrique ou en asymétrique, la sortie est différentielle.

Les deux courants de sortie passent ensuite par le potard. Le potards laisse complètement passer le courant d'offset en entrée et atténue le signal différentiel.

A droite on a ensuite un étage transimpédance de gain 4V/mA. Il fixe la tension d'entrée à environ -5.6V.
La sortie est en single-ended sur chaque branche. Ca consomme deux fois plus de courant mais bon, pour un ampli casque ça faits peu de watts. Une version push-pull est en cours d'étude.

Du côté de la consommation, comme tout fonctionne en mode différentiel, elle est constante en statique et en dynamique. Une alimentation régulée fera parfaitement le job en amont sachant que la caractéristique de régulation de charge ne sera pas sollicitée. L'étage de sortie ne perturbera pas l'étage d'entrée.

Je posterai tout une batteries de simulation dans divers mode d'utilisation.

Dans le schéma définitif, il faudra ajouter un réglage de l'offset différentiel et du centrage autour de 0V en sortie.

[Grand_Floyd]

Bonjour Jacques,

Je suis avec intérêt le développement de ton projet. Dés à présent une chose m(interpelle : le potentiomètre en courant! Est-ce que tu vas utiliser un simple potar de 1k monté en ajustable,auquel cas le courant de circulation risque de le détériorer à la longue au niveau du curseur (on a souvent dit ça au sujet du courant passant dans les potars et préconisé de couper la composante continue par un condo), ou est-ce que tu vas utiliser quelque chose de plus sophistiqué évitant ce problème?

[jacquese]

Bonjour Christian, à tous,

Oui j'ai déjà réfléchi au problème du potentiomètre. Sachant qu'en courant, il faut viser une impédance basse, j'ai vite mis de côté les versions audio.
J'ai fini la conception d'un potentiomètre 5 bits à résistances en échelle dont l'atténuation est différentielle et la structure globale est conforme à celle présentée dans le schéma.
La commutation se fera par relais et la commande par encodeur rotatif ou la télécommande.

Je vais présenter ce sous-projet dans ce fil bientôt. Ce développement a apporté son lots de bonnes surprises d'ailleurs...

Jacques

[jacquese]

Bonjour,

Petite étude de potentiomètre...

   

   

Schéma du circuit réalisé. Reste à voir si je l'intègre directement sur la carte audio ou sur une autre platine. Peut-être en mezzanine ce serait pas mal.
(Sur le schéma les cellule sont dans l'ordre inversée par rapport au schéma présenté plus haut. Mais comme les cellules ont la même impédance, on les met dans l'ordre qu'on veut dans le réseau en échelle.

   

Au prochain épisode : les mesures au simulateur.

[Grand_Floyd]

Intéressant mais 5 bits c'est peut-être un peu juste. Les paliers vont être un peu grands. Il vaudrait mieux 6 bits. Qu'en penses-tu?

[JCB]

Bonjour Jacquèse.
Je partage l'avis de Grand_Floyd et irai sans aucun doute jusqu'à 7 bits pour obtenir des pas de l'ordre de 0.5 dB et une echelle dynamique confortable (>=60dB). Sachant que le seuil différentiel de sonie est de l'ordre de 0.4 dB
Cordialement.

[Argo]

Bonjour

Ce schéma de principe est très intéressant, en particulier sur le potentiomètre en courant entre l'étage d'entrée et de sortie. Je vais suivre cette réalisation avec grand intérêt.

Pour ce qui est de la variation de l'atténuation, on pourrait imaginer des potentiomètres numériques pour Rh et Rv, cela offrirait beaucoup plus de possibilités d'atténuation, et pas de relais coûteux et chers en place... Si c'est la partie programmation qui t'empêche, je suis prêt à partager mes humbles connaissances.
Celà dit, ton CI U1 te permettrai d'ajouter 2 bits, c'est pas de trop!

Cdt

[jacquese]

Bonjour à tous,

J'utilise des potard à relais depuis longtemps avec un pas de -2dB. C'est largement suffisant en pratique. En 5 bits j'ai déjà les 60dB d'atténuation. Une autre manière de voir les choses : cela revient au même que découper la course de votre potard qui fait 3/4 de tour en 32 positions !
Le problème n'est pas d'ajouter des bits, c'est juste que plus il y a de Switch et resistances plus il y a de la distorsion.

Aussi pour répondre à Argo, j'ai 6mA à passer en continu sur chaque branche et il faut respecter la topologie et une impédance très basse. Il n'y a aucun potard numérique du genre pga sur le  marché répondant à ces critères (à ma connaissance).

L'architure du circuit d'amplification implique un potard sur mesure. Mais justement, le DIY est l'occasion de tester des sentiers peu ou pas usités.

Ca pourrait être intéressant de remplacer les relais par des Switch analogiques à faible distorsion. Pour moi le grand méchant loup c'est les glitchs de commutation des relais avec les rebonds en prime. J'ai plusieurs atténuateurs à relais de 13K dans d'autres réalisations DIY et ça fait pas beaucoup de bruit. Mais en courant je ne sais pas si ça va commuter sans faire de des trucs horribles dans le casque. Même avec l'algo de deglitch qui sera mis en oeuvre dans le logiciel.
Si ça marche pas je pourrai toujours mettre un potard à l'entrée du circuit et relier directement les deux étages. Mais le projet perdrait de sa saveur.