PREAMPLIFICATEUR STEREOPHONIQUE en AOP à 4 ENTREES: 2 LIN - USB – S/P DIF
Projet publié dans la revue Electronique Pratique n°369 de mars 2012 sous le titre "Préamplificateur stéréophonique en AOP - 4 entrées: 2 LIN - USB - S/P DIF"
Projet publié dans la revue Electronique Pratique n°369 de mars 2012 sous le titre "Préamplificateur stéréophonique en AOP - 4 entrées: 2 LIN - USB - S/P DIF"
Ce préamplificateur permet la sélection de 4 sources dont une entrée USB et une entrée coaxiale S/PDIF et deux entrées linéaires.
Conçu spécifiquement pour l’écoute en haute fidélité au départ d’un ordinateur, un soin particulier fut apporté à l’élimination des divers signaux parasites inhérents à son environnement.
Sa distorsion propre est inférieure à 0,1 % et la bande passante s’étend de 20 Hz à 30 kHz à -1 dB.
L’ensemble tient sur une carte unique, utilise exclusivement des circuits intégrés et un module numérique commercialisé ce qui rend sa réalisation à la portée de tous.
LE SCHEMA
Le commutateur S2 permet la sélection de quatre sources dont deux entrées linéaires et deux entrées du module numérique. Ces signaux sont d’abord isolés par un AOP configuré en gain unitaire.
Le deuxième AOP pilote le transformateur de sortie pour obtenir en sortie un gain de 10 dB.
Nous avons utilisé exclusivement le OPA2604 qui est un AOP double à faible bruit. Pour des raisons de clarté du schéma, nous ne publions que le canal droit du préampli dont la nomenclature est impaire. La nomenclature du canal gauche est paire et incrémentée d’une unité.
Exemple : Le condensateur d’entrée est C11 pour le canal droit et C12 pour le canal gauche.
Les entrées linéaires
Les deux entrées linéaires sont reliées au premier AOP IC3 via une résistance de 10 kΩ. La résistance R13 de 47 kΩ peut être augmentée si l'on désire une impédance d'entrée beaucoup plus haute.
L’entrée de l ‘AOP tampon est isolée par un condensateur C11 de 47 nF. La polarisation de l’AOP est référencée à la masse, référence qui se retrouve en sortie mais néanmoins isolée par le condensateur C13 . C’est une option que nous avons prise pour tous les AOP, ceci permet d’éviter les dérives en continu qui génèrent des claquements à la commutation des entrées et l’usure prématurée des potentiomètres.
Les deux diodes zener D1-D2 limitent le signal d’entrée à + et – 5 Vdc. Il faut savoir que le préamplificateur est flottant et peut se trouver en mauvaise posture tiraillé entre les potentiels de l’amplificateur et de l’ordinateur. Si une des masses est déficiente, le fait d’introduire la fiche RCA peut provoquer le claquage de l’AOP d’entrée et c’est d’expérience que nous parlons.
Le signal maximum avant écrêtage de l’entrée est de 4 Vac...
L’entrée USB et S/PDIF
La mise en œuvre de ces deux entrées nécessite le placement de composants montés en surface (CMS).
Comme c’est difficilement réalisable avec nos moyens domestiques, nous avons opté pour l’achat d’un module proposé à bas prix sur la toile.
Il existe en deux versions. Les modules de ce type se bousculent sur le marché. Ce projet accepte deux versions dimensionnellement compatibles avec la carte de base.
La première met en œuvre le couple CS8414 – PCM1793. Le CS8414 transforme le flux de données série en quatre signaux: l’horloge maître (master clock) d’une fréquence égale à 256 fois la fréquence Fs d’échantillonage, l’horloge série (serial clock) avec F = 64 x Fs , le routeur gauche-droit (left-right clock) avec F = Fs et enfin le signal audio numérique. Ces signaux sont référencés respectivement : MCK, SCK, FSYNC et SDATA. Le PCM1793 convertit ces quatre signaux en signal analogique stéréophonique.
Après mise à niveau et filtrage les deux canaux sont amplifiés par un OP275 et routés vers la sortie sous une impédance de 220 Ω.
La seconde version utilise un couple DIR9001 – WM8740 qui réalisent respectivement les mêmes fonctions.
L’entrée coaxiale S/PDIF ( Sony / Philips Digital Interconnect Format) est la version grand public de la norme professionnelle publiée par AES/EBU (Audio Engineering Society / European Broadcasting Union) en 1985 sous la référence AES3. Selon la définition ‘’elle fixe le transport de signaux audio numériques entre les appareils’’ Le protocole S/PDIF code le signal audio sous un format de 16 bit par défaut pour un flux de données total de 20 bits et utilise le support ‘’Biphase Mark Code’’. Nous n’avons pas beaucoup de place pour développer le sujet, mais vous trouverez les explications complètes sur le site http://fr.wikipedia.org/wiki/S/PDIF
Dans les premières années qui ont suivi le lancement du lecteur CD en 1980, la conversion analogique était effectuée en interne et seules les sorties analogiques étaient disponibles. La sortie S/PDIF coaxiale ou optique (TOSLINK) ne s’est généralisée qu’une décennie plus tard.
L’entrée USB
Le signal USB est simplement transcodé en signal S/PDIF par un circuit CM102 de CMEI (C-Media Electronics Inc.) et décodé comme tel.
Pour l’embarquer dans notre préampli, nous avons supprimé les deux interrupteurs ‘’Power’’ et ‘’USB/SP DIF’’ et remplacé les deux diodes de redressement. L’alimentation sera fournie par le transformateur externe livré avec le module et la sélection des entrées se fait via le relais K1 activé par le commutateur rotatif S2-2.
L’étage de sortie
Le signal est ensuite appliqué au potentiomètre de volume. Le dernier double AOP IC4 présente un gain de 13 dB et les résistances R37 et R29 fixent l’impédance de sortie à 600 Ω.
Avec un OPA2604 la bande passante d’un montage de ce type atteint sans encombre le mégahertz.
Avec un OPA2604 la bande passante d’un montage de ce type atteint sans encombre le mégahertz.
Toutefois comme nous le savons la fréquence de coupure du convertisseur S/P DIF est limitée à la moitié de la fréquence d’échantillonnage (Fs). Cette dernière Fs = 44,1 kHz ne permettra qu’une fréquence maximale théorique de 22,05 kHz. De plus le filtrage numérique embarqué dans les décodeurs commerciaux limite à 0,45 Fs la fréquence maximale afin de réduire les risques de repliement de spectre (aliasing) (figure 2). La fréquence maximale est au final limitée à 20 kHz. La bande passante de la partie linéaire, transformateur de sortie compris s’étend de 20 Hz à 30 kHz à –1 dB.
Le transformateur de sortie
Rien ne sert de développer un système dont le rapport signal / bruit dépasse les 100 dB si c’est pour le raccorder à un arrosoir à parasites. Et malgré une législation assez stricte imposée par les « FCC rules » américaines cela reste malheureusement le lot de bon nombre d’ordinateurs … ainsi que d’autres appareils en passant par les ampoules dites à « faible consommation ».
Le transformateur de sortie de marque Monacor porte la référence LTR-110. Il est disponible au près des distributeurs pour le prix modique d’une dizaine d’Euros. Il isole parfaitement la partie préamplificatrice et « PC » de l’amplificateur. De plus la sortie peut être symétrisée ce qui autorise l’utilisation de câbles assez longs. Des essais sans dégradation du signal ont été réalisés avec un câble de 35 mètres !
Alimentation
Le transformateur d’alimentation extérieur et le boîtier participent également à l’amélioration de cette insensibilité aux parasites à condition que ce dernier soit bien raccordé à la masse du circuit.
Le transformateur d’alimentation extérieur et le boîtier participent également à l’amélioration de cette insensibilité aux parasites à condition que ce dernier soit bien raccordé à la masse du circuit.
Vu la faible consommation du préamplificateur, nous utiliserons l’alimentation livrée avec le module DAC.
Un transformateur extérieur de 9 Vac / 1 A fournit une tension de … 12 Vac qui est redressée pour obtenir du + et – 18 Vdc. Le module utilise une paire LM317 – LM337 pour réguler deux tensions de + et – 10 Vdc.
Nous récupérons les tensions non régulées de + et – 18 Vdc pour en obtenir du + et – 12 Vdc.
L’ondulation relevée sur C1 et C2 fait 500 mVpp, sur C3 et C4 elle tombe à 400 µVpp.
Le taux de réjection de l’alimentation pour ce type d’AOP est de l’ordre de 60 dB. On a de ce fait éliminé toute source de bruit pouvant venir de l’alimentation. La mesure ‘’Ronflement + Bruit’’ est faite avec le commutateur en position ‘’Lin-1’’, entrée en court-circuit et potentiomètre de volume au maximum : le ronflement en sortie n’excède pas 20 µVac, et la mesure du ronflement + bruit (Hum & Noise) donne 10 µVac en pondération « A ». Le rapport signal / bruit est alors de 96 dB linéaire.
MISE EN ŒUVRE
Le boîtier choisi mesure 200x70x150 mm et est disponible chez Conrad sous la référence 520403.
La première opération sera de marquer les divers perçages du boîtier à l’aide des cartes non montées.
La face avant est fournie par Schaeffer.
La position latérale de la carte est définie par la position des deux contrôles P1 et S2.
La carte sera fixée à la face arrière par les divers socles RCA et XLR, un espace d’environ 2 mm subsistera entre le bord de la carte et la face arrière.
Le circuit imprimé
Typon à l'échelle 1
L’embarquement du module DAC nécessite une petite préparation. Les deux commutateurs d’origine sont enlevés ainsi que les deux diodes de redressement. Quatre entretoises plastic de 5 mm sont collées aux quatre coins à l’aide de colle cyanoacrylate. Deux nouvelles diodes sont placées et les queues des composants côté redressé traverseront la carte préampli pour en assurer l’alimentation en + et – 18 Vdc.
L’embarquement du module DAC nécessite une petite préparation. Les deux commutateurs d’origine sont enlevés ainsi que les deux diodes de redressement. Quatre entretoises plastic de 5 mm sont collées aux quatre coins à l’aide de colle cyanoacrylate. Deux nouvelles diodes sont placées et les queues des composants côté redressé traverseront la carte préampli pour en assurer l’alimentation en + et – 18 Vdc.
Le module DAC sera fixé sur la carte de base en dernier lieu.
Après s’être assuré que tous les composants mécaniques trouvent leur place, l’assemblage de la carte peut commencer.
On soudera les composants par ordre croissant de grandeur en terminant par les transformateurs et socles. Le routage des signaux entre IC3 et le potentiomètre P1 à savoir X-X et Y-Y se font par des fils « kynar » soudés et collés du côté cuivre.
Avant de fixer le module DAC nous visserons les 4 entretoises M3 de 10 mm sur ma carte. Le module DAC est ensuite placé comme suit.
Les queues des deux diodes de redressement sont passées dans les VIA’s de la carte de base et soudés.
Les autres contacts se font par des fils nus soudés reliant les deux cartes soit : deux fils pour les sorties G et D, trois fils pour la commutation USB – S/PDIF et enfin deux fils pour la masse située à peu près au centre du module. La carte sera également testée avant embarquement dans le boîtier.
Photo E : Carte et module CS8414 – PCM1793
Photo F : Module CS8414 – PCM1793
Photo G: Carte et module DIR9001 – WM8740
Photo H : Module DIR9001 – WM8740
On vérifiera une dernière fois l’assemblage mais pour autant que les circuits intégrés soient montés dans le bon sens, le non-fonctionnement de la carte n’aura pas de conséquences catastrophiques.
Raccorder le transformateur extérieur et vérifier les tensions d’alimentation symétriques et vérifier leur présence aux broches 4 et 8 des deux IC. Vérifier la tension de sortie de chaque AOP en broche 1 et 7, celle-ci doit être nulle. En stimulant l’entrée Lin-1 par un signal de 500 mVac à 1 kHz, on retrouve en sortie un signal variable entre 0 et 1,5 Vac.
Montage final
La carte peut être fixée dans le boîtier. Les socles d’entrée et sortie sont fixés au panneau arrière.
Les deux faces sont fixées à la coquille du bas par des vis et écrous bien serrés. La coquille du haut sera fermée à l’aide des vis auto-taraudeuses fournies.
La mise à la masse du boîtier se fait par l’intermédiaire des vis de fixation des deux socles XLR.
Les trous de fixation des deux coquilles du côté XLR seront « blessés » à l’aide d’un forêt de 8 mm afin d’assurer le contact électrique avec la face arrière. La face avant est reliée à la face arrière par un fil de 0.75 mm pris dans les vis de fixation du bas.
On s’assurera bien que les quatre composants du boîtier sont bien en contact avec la masse de la carte.
Les mesures
La figure 4 présente la réponse aux signaux carrés de la partie préamplificatrice. Le temps de montée fait 8 µSec environ ce qui représente une fréquence de coupure située vers 50 kHz à –3 dB.
Le temps de montée des signaux transitant par l’entrée S/PDIF est limité à … 16 µSec par la fréquence maximale de coupure du filtrage numérique.
Inutile de s’emporter, c’est la même chose pour tous les lecteurs CD, même via la sortie numérique !
Au passage on se posera la question de l’utilité réelle des préamplificateurs et amplificateurs qui « montent » à 100 kHz voire plus encore si la source qu’on lui présente ne dépasse pas les 20 kHz …
La mesure de la distorsion harmonique et du bruit de la partie préampli est visualisée en figure 5. On notera que le niveau de référence de la mesure du bruit est de –40 dBV, ce qui place le bruit de fond à – 100 dB Lin On constatera également l’absence totale de tout signal périodique. Le taux de distorsion à 1 kHz pour 1 Veff en sortie préampli mesuré au distorsiomètre est de 0,01%.
La courbe de réponse présentée en figure 6 montre une excellente linéarité. La réponse fréquentielle entre 20 Hz et 30 kHz reste comprise entre 0 et –1 dB pour un câble de sortie de 4 mètres.
Pour l’entrée numérique, la réponse en fréquence suit exactement la même courbe jusqu’à 20 kHz. En effet l’ordre du filtre numérique est tel qu’à 21 kHz, le signal se trouve … 80 dB plus bas (figure 2) !
Caractéristiques techniques relevées sur le projet
Conclusion
A l’usage, cette réalisation très compacte et peu gourmande se révèle ‘’transparente’’, tout en apportant un gain programmable de 10 dB. L’entrée USB permet l’écoute des programmes de diffusion en haute fidélité au départ d’un PC et l’entrée S/PDIF la reproduction des disques compacts sans aucune altération.
A l’écoute, la numérisation originelle est totalement éliminée pour ne laisser que la perception bien agréable d’un signal analogique classique.
La sortie par transformateur assure une parfaite isolation et l’impédance de sortie de 600 Ω balancée permet l’utilisation de câbles assez longs. Ce préamplificateur est exempt de bruits et insensible aux parasites.
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Récapitulatif des photos (Haute définition)
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