The Class-A Amplifier Site
This page was last updated on 7 August 2001
Réalisation d'un amplificateur classe A de 20 watts
1. Conception générale
Jean Hiraga
(l’Audiophile No. 10)
Un acousticien américain connu, tenait il y a quelques temps ces propos tout à fait pessimistes : «On pourra faire tous les progrès que l'on voudra dans le domaine de l'électroacoustique, il n'en restera pas moins que tous ces systèmes reviendront toujours à une impossibilité : vouloir faire passer de la musique dans un fil électrique... (wire sound)».
On doit en effet se rendre compte qu'un vieux phonographe à cylindre gravé en direct, malgré des défauts mécaniques importants, cache des qualités que l'amplification électrique a perdues, car il ne présente pas de distorsion non naturelle et pour cause. Il apparaît que ces distorsions, purement mécaniques, de même nature que le son, que l'on peut appeler «naturelles» semblent beaucoup plus supportables à l'oreille.
L'amplificateur est un maillon très important dans une chaîne de haute fidélité et il doit être de «faible taux de distorsion» et de «large bande passante», chose que bien des audiophiles connaissent. L'essentiel n'est pas qu'il soit de classe A ou B, de circuit simple ou complexe, à base de composants très spéciaux ou courants, mais qu'il soit tout simplement fidèle. Ceci inclut automatiquement toutes les notions de respect de timbres, de dynamique, de balance tonale, d'exactitude dans la reproduction de l'image musicale. Un accordeur de piano, qui n'est pas forcément capable d'apprécier une chaîne haute fidélité, pourrait faire des commentaires a priori complètement stupides, comme par exemple dire qu'un amplificateur modifie le timbre d'un piano et même la hauteur du son. Cette même remarque pourrait se faire pour une table de lecture ou un haut-parleur. Mais si nous regardons le contenu d'une note de piano, qui peut être composée de plus de trente sinusoïdes, fondamentale plus harmoniques, sans compter la réverbération par sympathie, la résonance du fond, etc... chacune de niveau et de phase différents et précis. En ajustant la sinusoïde d'amplitude la plus élevée (ce n'est pas forcément la fondamentale, mais le plus souvent le second harmonique) à 100 dB par exemple, on constate que les autres harmoniques se situent à un niveau inférieur, soit entre 0,1 et 10 dB.
Pour la reproduction de la même note en appartement, ce niveau de 100 dB est trop élevé, ce qui veut dire qu'une écoute à 10 ou 15 dB de moins va réduire encore en niveau tous les autres harmoniques.
Fig. 1 : Spectre harmonique d'une trompette (fortissimo).
Examinons la figure 1, elle illustre le spectre d'une trompette. Passons à présent au contenu de la distorsion de quelques amplificateurs dont certains très connus (fig. 2). On constate que, malgré un taux de distorsion total faible, les divers circuits destinés à réduire le taux de distorsion ne peuvent pratiquement jamais réduire à un niveau égal chaque harmonique : certains sont prédominants, d'autres complètement absorbés par une des boucles de contre-réaction. Remarquons aussi que pour un niveau différent, ce spectre se modifie parfois complètement. Et il ne s'agit là que d'une seule fréquence. Si un amplificateur présente un spectre de distorsion très irrégulier et s'il est soumis à un signal musical relativement simple, tel celui indiqué sur la figure précédente de spectre d'instrument de musique, il donne obligatoirement des déformations, pouvant parfois atteindre plus de 8 dB pour un harmonique donné. Ces différences, légères ou importantes, de niveau ou de phase pour chaque harmonique, génèrent ainsi une enveloppe différente qui déforme la nature du son reproduit. Ceci joue aussi sur la dynamique, car l'enveloppe du son est faite de la combinaison des niveaux de ces divers harmoniques.
Fig. 2 : Spectre de distorsion harmonique de trois amplificateurs A, B (appareils de très haut de gamme japonais) et C (appareil de bas de gamme mais excellent, hors production).
Il ne faut cependant pas attribuer ces défauts à un circuit mal étudié mais plutôt aux taux et au spectre de distorsion «non camouflés» des éléments actifs.
Si l'on prend un très bon tube triode comme le tube anglais PX 4 ou le PP3/250, le taux de distorsion n'est que de 2 %, avec le second harmonique prédominant. Si l'on passe à la KT66, à la KT88 ou à l'EL34 (qui est pourtant un bon tube pentode) ce taux passe à 6-8 %. Quant à un transistor bipolaire, il est nettement inférieur sur ce point. En reprenant, cette fois l'excellente KT66 en montage push-pull ultra linéaire, prises à 43 %, ce taux passe à 2 %. Mais ces 2 % n'ont pas du tout le même contenu harmonique que la vraie triode PX4 : ils sont faits le plus souvent d'un harmonique 2 réduit (annulation par le circuit push-pull), d'un harmonique 3 relevé, d'un harmonique 4 pratiquement absent et un reste irrégulier. Il est entendu que d'autres contre-réactions peuvent arranger les choses, mais il s'agit alors de circuits tout à fait spéciaux, «acrobatiques» et difficiles à maîtriser. Une autre conséquence fâcheuse est que cette réduction intéressante de la distorsion s’accompagne d'une perte en stabilité de l'ensemble (risques de rotation de phase, taux de contre-réaction élevé, etc). C'est pourquoi, pour une même connaissance technique dans les domaines du transistor et du tube, il est plus difficile de réaliser un bon amplificateur à transistor, pour la simple raison que ce composant actif pris seul possède de trop nombreux défauts, dont le «camouflage» est très difficile.
Et ceci n'est pas le seul problème de l'amplificateur à transistors : devons nous y ajouter l'avantage et le désavantage de la liaison directe avec le haut-parleur, ses effets sur la boucle de contre-réaction (effet de force contre électromotrice du haut-parleur réinjectant le signal dans l'amplificateur), effets qu'ont su mettre en évidence Matti Otala et John CurI. Notons également la différence indéniable existant entre un tube et un transistor, quant à la vitesse de l'électron qui, dans le vide, est au moins 7 fois plus rapide que dans la structure du semi-conducteur.
Il y a encore un autre point directement lié au facteur d'amortissement : il s'agit de la caractéristique de puissance en fonction de l'impédance de charge. Dans un appareil à tube, celle-ci ne varie que très peu et s'adapte donc bien au haut-parleur. Dans un amplificateur dit OTL (sans transformateur de sortie) à tube, les rapports impédance interne des tubes-puissance maximum-impédance de charge avantagent encore le haut-parleur qui recevra le maximum d'énergie aux alentours de sa fréquence de résonance.
Par contre, dans un amplificateur à transistors, à de rares exceptions près, la puissance de sortie augmente lorsque i'impédance de charge diminue, parfois de façon importante pour quelques ohms de différence. En tenant compte de l'instabilité transitoire de la caractéristique d'impédance du haut-parleur en fonctionnement, des circuits de protection des transistors pouvant écrêter ou modifier le niveau instantané, il devient réellement très difficile de concevoir un appareil de grande fidélité musicale, et les vraies réussites ne pourraient être le fruit que de chances extraordinaires ou d'un appareil longuement étudié perfectionné et... écouté.
En passant aux circuits, une étude détaillée peut facilement s'étendre sur de nombreuses pages. Toutefois, le plus intéressant dans un circuit n'est pas le circuit lui même, mais sa philosophie, le but recherché et les moyens mis en œuvre pour tenter de t'atteindre. Un circuit simple et bien étudié est toujours plus difficile à concevoir qu'un circuit compliqué, et de nombreux bons exemples existent en circuits à tubes et transistors : les circuits de Dynaco, de Quad, Williamson... les illustrent.
Amplificateurs Classe A de 20 watts
Les lecteurs se sont toujours demandé pourquoi l'amplificateur Kanéda n'a pas encore été décrit dans l'Audiophile. Plusieurs raisons existent : le choix délicat de certains transistors, l'appariement soigné de ceux-ci, en particulier quant à la température, le montage délicat de l'alimentation et surtout la chaleur intense dégagée par les radiateurs dépensant «inutilement» les 2/3 de la puissance consommée en calories.
Tout comme un amplificateur à gros tubes de puissance, le dégagement de chaleur est intense. La température «normale» de 100 degC d'un radiateur inquiète toujours. Si les divers composants sont de bonne qualité, les problèmes ne se manifestent pas immédiatement mais dans l'année ou les années suivantes : transistors qui ne «tiennent pas», modification des valeurs des composants, condensateurs commençant à fuir ou entrant franchement en court-circuit, dérive en continu (car liaison directe) dont l'effet est de changer la position de repos de la bobine mobile, etc. Ce n'est donc pas simplement une question de qualité sonore mais une question de fiabilité.
Voilà pourquoi il nous a semblé préférable de commencer par un petit amplificateur classe A de puissance 15-20 watts, puissance déjà largement suffisante pour une écoute en appartement avec des enceintes acoustiques de bon rendement.
Mais rassurons les lecteurs, il ne s'agit là nullement d'un défaut. Un amplificateur très puissant utilise toujours en sortie de nombreux transistors en parallèle qui ont vite fait de dégrader la qualité sonore : augmentation des capacités cob, parfait appariement impossible, courant très important plus difficile à stabiliser en passage transitoire...
Que l'amplificateur soit de puissance 20 watts ou 500 watts, nous restons toujours devant une impossibilité : celle de tenter de respecter le niveau réel du signal. Le tableau 1, qui donne les niveaux les plus faibles et les plus forts de divers instruments d'un orchestre, nous indique qu'un haut-parleur de rendement 3 % devrait résister à 2 200 watts (le problème des voisins n'est pas abordé) pour reproduire la dynamique d'un orchestre de 75 artistes. Nous sommes donc loin du compte, en niveau maximum comme minimum, par la grande insuffisance du rapport signal/bruit. Ce même tableau montre l'évidente perte de définition, si l’échelle de ces niveaux est réduite à un niveau «d'appartement», qui est en réalité un effet de compression sonore et de limites dans le rapport signal/bruit du signal enregistré.
Tableau 1 : Niveau acoustique de divers instruments et puissance théorique de l'amplificateur nécessitée pour un haut-parleur de rendement 3 % pour la restitution de ces niveaux. Remarquez que le niveau acoustique pour un instrument peut être aussi faible que 0,005 microwatt, que le piano possède le plus grand rapport dynamique (80 dB) et que, pour un orchestre de 120 musiciens plus un chœur de 200 personnes; la dynamique peut dépasser 120 dB.
Circuit symétrique ou non?
Dans les circuits à tubes ou transistorisés, le circuit parfaitement symétrique a toujours tenté de nombreux amateurs. Pour un circuit à tubes, entièrement symétrique et push-pull, la liaison par transformateurs est la plus simple. D'autres circuits comme le Paget, le Loyez sont symétriques. En transistors, c'est un peu délicat : même en prenant des paires quasi complémentaires, l'impédance de la partie symétrique supérieure est rarement identique à celle de la partie inférieure. A bas niveau, ce déséquilibre des impédances se traduit facilement par une augmentation nette du taux de distorsion. C'est ce que la figure 3 représente. Le phénomène est appelé aux USA et au Japon «hard distorsion», distorsion «dure» comparée à la distorsion «douce», «Soft distorsion», d'un bon amplificateur à tubes.
Fig. 3 : Les deux types de distorsion. En haut, «hard distortion» ou distorsion dure caractérisée par un effet de déséquilibre des branches supérieures et inférieures. A droite, «soft distortion» ou distorsion douce. C'est le type même d'une distorsion «naturelle» telle que celle d'un tube triode ou d'un amplificateur à tube saris contre-réaction.
Fig. 4 : Un ancien circuit symétrique d 'amplificateur (1970, Revue du Son).
La figure 4 montre un exemple datant de 1970 d'un circuit symétrique pour interphone (Revue du Son No. 212, Déc 1970) la seule réserve qu'on puisse faire est de ne pas le voir entièrement relié en continu depuis l’entrée jusqu'à la sortie.
Il existe, dans les techniques plus récentes, d'autres circuits, dont certains fort compliqués mais ingénieux, totalement symétriques, tels que ceux des amplificateurs A et E, GAS Ampzilla, etc. Dans les circuits très récents, notons au passage le circuit Sansu «Diamant», qui est aussi un circuit symétrique, avec entrée différentielle à effet de champ (fig. 5).
Ce circuit n'a pas été utilisé ici :
1) par refus d'insérer des diodes en série avec les drains des FET d'entrée ce qui peut avoir un effet subjectif gênant
2) par crainte de perdre un peu de dynamique en insérant un régulateur de courant dans les sources de la paire différentielle.
Malgré l'excellence du circuit «Diamant», un circuit plus simple était souhaitable pour une réalisation d'amateur.
Un autre circuit d'entrée, entièrement symétrique et utilisant deux paires différentielles, figure 6, était également à retenir. Mais il est certain, que sauf si ces deux paires sont réellement des paires parfaites en tous points, la boucle de contre-réaction appliquée aux bases de la branche opposée à l'entrée peut introduire une distorsion (car imparfaitement «opposée»). Il ne serait pas non plus pratique de vouloir appliquer la contre-réaction à l'entrée même.
Fig. 5 Circuit Sansui «Diamant» très performant, faible taux de TIM et slew-rate élevé.
Philosophie de circuit
Ce circuit n'a pas la prétention d'être «le meilleur» ou le mieux étudié. Simple, il ne contient que 8 transistors, dont deux de puissance.
Etudié pour une puissance de sortie de 20 watts, en classe A (pure classe A, polarisation non assistée) il doit répondre aux exigeances suivantes
- Simplicité du circuit : 8 transistors.
- Réglages peu critiques.
- Couplage en direct de l'entrée à la sortie.
- Puissance de sortie peu dépendante de l'impédance de charge ou même
augmentant légèrement avec l'augmentation de celle-ci.
- Caractéristique de distorsion «douce» (taux de distorsion montant régulièrement
lorsque la puissance de sortie augmente).
- Faible taux de contre-réaction (15 à 20 dB maximum).
Et, bien entendu, excellente fidélité musicale.
Etage d'entrée
L'étage d'entrée choisi n'est pas un circuit différentiel : question pratique et d'économie, car une bonne paire PNP/NPN différentielle est soit onéreuse, soit difficile à trier, ce qui revient au même. En effet, même au Japon où les composants de qualité se trouvent facilement, il est rare que les magasins spécialisés, parfois même uniquement dans les semi-conducteurs, ne vendent que du premier choix. Les meilleurs transitors sont presque toujours réservés en premier lieu aux grands constructeurs, pour qui la stabilité des performances dans la fabrication de grande série est primordiale. D'autre part, un revendeur soucieux du montant de son stock n'ose jamais passer une commande de transistors de premier choix, qui peut facilement se situer entre 1 000 et 10 000 pièces. C'est ainsi que de nombreux amateurs ayant expérimenté beaucoup de circuits se sont trouvés rapidement déçus par les résultats obtenus, allant jusqu'à douter de la sincérité d'un article paru dans une revue technique. Toujours est-il que, même actuellement, il est nécessaire de se procurer au moins 100 transistors dans un magasin honnête pour pouvoir après tri, appariement (tentative d'appariement !), comparaison des paires sélectionnées sous jet d'air chaud ou froid (un sèche-cheveux ou du gaz de Fréon peuvent faire parfaitement l'affaire), en tirer quelques bonnes paires. Car la moindre dérive en continu, amplifiée par les circuits, va provoquer, comme indiqué plus haut, un déplacement de la position de repos de la bobine mobile, ce qui veut dire non linéarité des déplacements de la membrane, non linéarité de la souplesse de l'équipage mobile, perte de linéarité du champ magnétique, réduction de la puissance admissible, et même augmentation de la distorsion.
Fig. 6 : Schéma d'entrée utilisant deux paires différentielles.
Fig. 7: Le circuit d'entrée utilisé, de type «double émetteur follower» et le second étage, empIoyant les mêmes transistors.
C'est pourquoi, tout en étant à couplage direct, le circuit différentiel a été supprimé et remplacé par le circuit de la figure 7a. Ce circuit, sans gain, utilisant des transistors complémentaires est de type «Double Emetteur Follower». Les collecteurs reliés directement aux alimentations, confèrent une stabilité optimale à cet étage.
Les transistors utilisés, de type à faible bruit, utilisation audio, parfaitement complémentaires sont les Hitachi 2SC 1775A et 2SA 872A. Ces paires, (silicium épitaxial) qui ont un Pc de 300 mW, un VCBO maximum de 120 V, un fT de 200 MHz, sont utilisées dans plusieurs amplificateurs et préamplificateurs récents car excellentes à tous points de vue. En boîtier Jedec TO 92, il faut noter que leur hFE minimum suivant les lots n'est pas tout à fait le même pour le 2SC 1775A et le 2SA 872A, c'est-à-dire réparti entre 400 et 2 000 pour le 2SC 1775A et 250 et 800 pour le 2SA 872A.
Chaque boîtier possède, à part sa référence, une référence de tri, soit D et E pour le 2SA 872A et E, F, G pour le 2SC 1775A. Il est donc nécessaire, non seulement de se procurer du premier choix, mais aussi des lots de tri identique, c'est-à-dire la référence de tri E, soit un hFE identique pour la paire complémentaire, réparti entre 400 et 500. Notons aussi au passage que les mêmes séries sans le suffixe A sont des secondes séries, pour lesquelles les caractéristiques électriques maximum sont inférieures.
Second étage
La liaison au second étage se fait par l'intermédiaire de deux résistances série de valeur 200 ohms et 300 ohms, valeurs légèrement différentes et destinées à équilibrer les impédances des parties symétriques inférieures et supérieures. Les deux résistances de polarisation de 12 kohms ajustent le courant des transistors de puissance à 0,95 A. On peut, si on désire taire varier ce courant ou passer de classe A en classe A2 ou AB1, remplacer ces valeurs par une résistance de 10 kohms et une résistance série ajustable de 3 à 5 kohms, fig 7b.
Ce second étage, composé des mêmes transistors mais de polarité inverse pour chaque partie symétrique par rapport à l'étage d'entrée, est chargé par les résistances de 1,1 kohms, valeur sélectionnée et jouant sur le gain de l'ensemble. Les émetteurs sont reliés au trimmer et au circuit de contre-réaction dont l'avantage est de travailler à basse impédance.
Etage de sortie
L'étage de sortie est un étage de conception particulière, surtout en ce qui concerne le choix des transistors et la combinaison des caractéristiques de transistors donnés cela fait l'objet d'un brevet de protection.
A première vue, la figure 8 de l'étage de sortie fait penser à une combinaison dite Darlington.
En réalité, il s'agit d'un autre circuit baptisé «Darlington inversé» ou encore «Darlingnot», car on doit remarquer la polarité opposée et le fonctionnement en collecteur-follower du transistor d'attaque. L'émetteur de ce transistor reçoit, par contre-réaction, le signal du collecteur du transistor de puissance, dont les caractéristiques se trouvent modifiées. Cet effet est tout à fait comparable à la liaison en «Ultra-linéaire» d'un circuit push-pull à tubes. Son rôle est très important concernant les exigeances souhaitées pour un tel amplificateur, comme indiqué plus haut. Ces transistors, de fabrication NEC 2SA 634 et 2SC 1096 permettent, couplés aux transistors de sortie 2SA 649 et 2SD 218, une combinaison optimum. Le seul regret est que cette paire complémentaire de puissance n'est plus fabriquée. Donnant sur les amplificateurs Kanéda, classe A de 50 W (liaison en parallèle) les meilleurs résultats que l'on puisse en tirer, ces paires sont maintenant remplacées par les 2SC 188 et 2SA 627 qui sont heureusement de qualité très proche. Ces transistors sont d'ailleurs utilisés en sortie sur l'amplificateur Kanéda 15 watts, qui est aussi un amplificateur de très haut niveau de qualité et dont le seul défaut est l'alimentation complexe et difficile à régler (voir figure 9).
Ici, tes nombreux «gadgets» fort intéressants cependant, sont remplacés tout simplement par deux diodes zener (circuit d'entrée) limitant le courant en cas de surcharge et les résistances de 0,47 ohms limitant le courant en cas de court-circuit de la sortie.
Fig. 8 : L'étage de sortie de type Darlington inversé et le circuit complet de l'amplificateur classe A de 20 watts.
Fig. 9 : Schéma du circuit de l’alimentation du 2 x 15 W classe A Kanéda
L'alimentation
Celle-ci est très simple (fig. 10). Elle utilise seulement de très fortes capacités (2 x 189 000 uF) dont les avantages sont décrits par M. Marec. Cette valeur de 189 000 uF, bien qu'élevée a semblé pourtant encore insuffisante pour un tel amplificateur. Rien que pour l'étage RIAA du préamplificateur Kanéda, des essais ont montré des améliorations subjectives très nettes pour des valeurs atteignant 450 000 uF (au lieu de 39 000 uF), en particulier une meilleure «focalisation» des images sonores, un effet de profondeur réel et surtout beaucoup plus de dynamique. Le gros désavantage de telles alimentations est le volume et le courant important au moment de l'allumage, nécessitant des redresseurs de fort ampérage et une résistance série limitant le courant de charge à l'allumage, sans parler du prix de revient.
Fig. 10 : Schéma de l’alimentation
Les performances
Bien que très simple, ce circuit dont le gain total est de (8 + 32 - 16)dB, soit environ 24 dB permet d'obtenir, suivant la polarisation, entre 18 et 20 watts (classe A).
A cette puissance, le taux de distorsion atteint pratiquement 1 %. Il est dû principalement à l'alimentation qui est limitée ici volontairement à + et - 18 volts, pour préserver la durée de vie des transistors de puissance.
Par contre, ce taux de distorsion descend régulièrement pour passer à moins de 0,01 % à 1 watt et encore moins aux niveaux inférieurs jusqu'aux limites du bruit résiduel. Entre 4 et 20 ohms, la puissance de sortie ne varie que très peu et augmente même légèrement au-delà de 8 ohms. Cet effet serait d'ailleurs encore plus prononcé sans l'effet de la contre-réaction.
Ajoutons que le trimmer de 500 ohms (second étage) règle et annule le résidu continu en sortie et que la marge de sécurité prise rend inutile l'emploi de thermistances ajustant les courants. Soigneusement ajustés, les 4 premiers transistors aux caractéristiques inverses, offrant un effet d'auto-compensation de distorsion, permettent s'ils sont bien appariés, de supprimer le trimmer de 500 ohms et de remplacer celui-ci par deux résistances.
En ce qui concerne la bande passante, le choix des transistors, le schéma retenu avec ses circuits à basse impédance,' font que cet amplificateur est linéaire à -1 dB de 0 à 100 kHz.
Qualités subjectives
Contrairement à de nombreux amplificateurs transistorisés insuffisamment étudiés, utilisant des transistors mal choisis (du point de vue technique comme subjectif) cet amplificateur écouté «en aveugle» fait plutôt penser à un bon amplificateur à tubes qu à un amplificateur transistorisé. A la fois doux, dynamique, fin dans l'aigu, on doit constater que, comme quelques autres amplificateurs classe A, il donne l'impression d'être beaucoup plus puissant.
Dans le chapitre suivant seront donnés les détails de la construction mécanique ainsi que les types de composants passifs utilisés (fig. 11).
Fig. 11 : Disposition des éléments sur le circuit et implantation châssis.
HISTORY: Page created 07/08/2001