Préamplificateur stéréophonique à tubes - Entrées USB – S/P DIF - 2 Linéaires et Sortie Casque
Projet publié dans la revue Electronique Pratique n° 377 de décembre 2012 "Préamplificateur à tubes – 4 entrées – 1 sortie casque".
Ce préamplificateur a été conçu pour piloter tout amplificateur de qualité audiophile.
Il met en œuvre trois doubles triodes 6N23P ou 6922.
Il permet la sélection de deux sources numériques et deux sources analogiques et présente un gain programmable de 12 dB. Un regard sur les spécifications et mesures en fin d’article, ne vous laissera aucun doute sur les performances professionnelles de ce projet. Sa distorsion propre est inférieure à 0,03% et la bande passante s’étend de 8 Hz à 50 kHz à -1 dB.
Ce préamplificateur a été conçu pour piloter tout amplificateur de qualité audiophile.
Il met en œuvre trois doubles triodes 6N23P ou 6922.
Il permet la sélection de deux sources numériques et deux sources analogiques et présente un gain programmable de 12 dB. Un regard sur les spécifications et mesures en fin d’article, ne vous laissera aucun doute sur les performances professionnelles de ce projet. Sa distorsion propre est inférieure à 0,03% et la bande passante s’étend de 8 Hz à 50 kHz à -1 dB.
LE SCHEMA
Le préamplificateur
Schéma
La figure 1 montre le principe de fonctionnement de cet étage d’entrée. Une portion du signal de sortie est réinjectée en opposition de phase sur la grille de commande. Le taux de rétroaction de 18 dB réduit le gain global de +30 dB à +12 dB tout en diminuant la distorsion intrinsèque d’un même facteur.
La mise en service de la cellule RC diminue la contre-réaction aux fréquences basses avec pour conséquence d’augmenter le gain pour ces mêmes fréquences. Les valeurs choisies de 240 kΩ ou 620 kΩ et 2,2 nF procurent respectivement un gain de +3 dB et + 6 dB en dessous de 100 Hz.
Le préamplificateur
Schéma
La figure 1 montre le principe de fonctionnement de cet étage d’entrée. Une portion du signal de sortie est réinjectée en opposition de phase sur la grille de commande. Le taux de rétroaction de 18 dB réduit le gain global de +30 dB à +12 dB tout en diminuant la distorsion intrinsèque d’un même facteur.
La mise en service de la cellule RC diminue la contre-réaction aux fréquences basses avec pour conséquence d’augmenter le gain pour ces mêmes fréquences. Les valeurs choisies de 240 kΩ ou 620 kΩ et 2,2 nF procurent respectivement un gain de +3 dB et + 6 dB en dessous de 100 Hz.
Une des quatre entrées est sélectionnée par le commutateur S2. Par défaut, nous avons placé des pontages en série avec les entrées. L’impédance d’entrée du circuit fait 100 kΩ. En effet, si l’impédance d’entrée du tube est pour peu infinie, la contre-réaction appliquée sur la grille de commande la fixe quasiment au zéro virtuel et l’entrée se voit définie par la résistance R19 de 100 kΩ. Les trois tubes choisis sont des 6N23P(datasheet russe). Le gain propre du tube s’élève à 30 mais la contre-réaction réduit le gain du circuit à 4,2 environ.
Le taux de distorsion qui dépend de la linéarité propre du tube s’en trouve encore diminué pour passer sous les 0,03 % pour 1 Volt en sortie. La bande passante du circuit dépasse les 100 kHz à –3 dB.
A noter que le bruit stochastique inhérent au tube de par … sa caractéristique aléatoire n’est pas diminué par la contre-réaction, mais ce dernier reste toutefois très faible.
Nous avons ajouté dans le circuit de contre réaction une cellule RC commutable dans le but de compenser la perte aux fréquences graves due principalement à l’atténuation causée par le manque de volume de la pièce d’écoute. Cette compensation de +3 dB ou + 6 dB en dessous de 100 Hz commutée par le relais K2-K3 se révèle efficace mais discrète. Il est toujours possible de remplacer R21-R22 par un pontage et d’éliminer les relais K2-K3 si vous ne désirez pas profiter de cette possibilité.
Le potentiomètre de volume est placé après le circuit amplificateur ce qui est tout bénéfice pour le rapport signal / bruit.
La tension de sortie maximale s’élève à 16 Vac avant écrêtage soit 3,8 Vac maximum en entrée.
Si la source utilisée est trop généreuse, il y a lieu de diminuer la sensibilité en remplaçant les pontages R3-R6 par des résistances.
Le taux de distorsion pour 3 Vac en sortie est inférieur à 0,03% - typiquement 0,01%.
A noter que le bruit stochastique inhérent au tube de par … sa caractéristique aléatoire n’est pas diminué par la contre-réaction, mais ce dernier reste toutefois très faible.
Nous avons ajouté dans le circuit de contre réaction une cellule RC commutable dans le but de compenser la perte aux fréquences graves due principalement à l’atténuation causée par le manque de volume de la pièce d’écoute. Cette compensation de +3 dB ou + 6 dB en dessous de 100 Hz commutée par le relais K2-K3 se révèle efficace mais discrète. Il est toujours possible de remplacer R21-R22 par un pontage et d’éliminer les relais K2-K3 si vous ne désirez pas profiter de cette possibilité.
Le potentiomètre de volume est placé après le circuit amplificateur ce qui est tout bénéfice pour le rapport signal / bruit.
La tension de sortie maximale s’élève à 16 Vac avant écrêtage soit 3,8 Vac maximum en entrée.
Si la source utilisée est trop généreuse, il y a lieu de diminuer la sensibilité en remplaçant les pontages R3-R6 par des résistances.
Le taux de distorsion pour 3 Vac en sortie est inférieur à 0,03% - typiquement 0,01%.
Le module USB – S/PDIF
Nous n’entrerons pas ici dans le détail du fonctionnement et le considérerons comme une « boîte noire ».
Il permet de convertir les signaux numériques issus d’un ordinateur via le port USB et d’une platine de lecture de disque compact via le coaxial au protocole S/PDIF.
Fabriqué en Chine son approvisionnement présente quelques difficultés, n’hésitez pas à me contacter.
Pour l’embarquer dans notre préampli, nous avons supprimé les deux interrupteurs ‘’Power’’ et ‘’USB/SP DIF’’ et ajouté deux picots d’alimentation (photo E & photo G). L’alimentation est fournie par le secondaire 9Vac / 400mA et la sélection des entrées se fait via le relais K1 activé par le commutateur rotatif S2.
Le casque
La sortie audio est repiquée pour piloter l’amplificateur du casque.
Le circuit met également en œuvre la 6N23P. Monté en cathode commune elle présente dans notre circuit un gain initial de 21 dB ramené à 9 dB par la contre réaction de 12 dB.
Le transformateur de sortie est un torique de 2 x 115 Volts au primaire pour 2 x 7 Volts au secondaire.
Les enroulements primaires sont connectés en parallèle, ceux du secondaire en série. Le ratio fait 115 / 14 soit 8,2 et le transfert d’impédance 67,5.
Ce transformateur prévu pour fonctionner sur le secteur présente une bande passante de quelques Hz à plus de 100 kHz à condition de ne pas véhiculer de courant continu.
Les deux transfoirmateurs sont protégés de l’influence magnétique du transformateur d’alimentation par un blindage en en fer doux en ‘’U’’.
La bande passante de l’amplificateur casque s’étend de 8 Hz à 32 kHz à –1 dB.
La sortie audio est repiquée pour piloter l’amplificateur du casque.
Le circuit met également en œuvre la 6N23P. Monté en cathode commune elle présente dans notre circuit un gain initial de 21 dB ramené à 9 dB par la contre réaction de 12 dB.
Le transformateur de sortie est un torique de 2 x 115 Volts au primaire pour 2 x 7 Volts au secondaire.
Les enroulements primaires sont connectés en parallèle, ceux du secondaire en série. Le ratio fait 115 / 14 soit 8,2 et le transfert d’impédance 67,5.
Ce transformateur prévu pour fonctionner sur le secteur présente une bande passante de quelques Hz à plus de 100 kHz à condition de ne pas véhiculer de courant continu.
Les deux transfoirmateurs sont protégés de l’influence magnétique du transformateur d’alimentation par un blindage en en fer doux en ‘’U’’.
La bande passante de l’amplificateur casque s’étend de 8 Hz à 32 kHz à –1 dB.
Alimentation
Le transformateur d’alimentation est disponible de stock et fabriqué par la firme INDEL, il porte la référence TSL40/002.
Il présente les secondaires suivants : 2x 200 V / 60 mA, 6,3 V / 2,15 A et 9 V / 400 mA et convient parfaitement pour cette application.
La basse tension redressée fait +6,7 Vdc sur le condensateur C18 et 6,3Vdc après R36.
La haute tension redressée fait +270 Vdc sur C23 et +260 Vdc sur C14. Le filtrage est réalisé par C23-L1-C14 et l’ondulation résiduelle ne dépasse pas 1 mVac sur C14 et 100 µVac sur C13.
MISE EN OEUVRE
Le châssis
Il est impératif de réaliser en premier lieu la partie mécanique en se servant des cartes non montées. Les photo B et photo C et les figure 4 et figure 6 vous serviront de guide pour la réalisation. Le boîtier est disponible chez Radiospares sous le N° de stock : 754-5967. Les faces font 65 x 300 mm, la profondeur 280 mm. Les pieds fournis ne permettent pas une ventilation suffisante pour des appareils à tubes. Il est recommandé de surélever l’appareil de 10 mm. La carte est fixée par cinq entretoises M-F de 5 mm sur deux profilés aluminium ‘’U’’ de 295 x 10 x 10 x 1 mm. Ces profilés sont fixés sous les cornières du boîtier par des entretoises M-F de 10 mm (figure 5).
La face avant fournie par Schaeffer (photo D) fixe la position de la carte et le positionnement des perçages sur la face arrière.
Il y a lieu de marquer avec précision son emplacement sur les profilés et sur la face arrière.
La carte de base est placée à 2 mm du panneau arrière, à cause du dépassement des socles RCA.
Après pointage rigoureux des trous des entrées et sorties, on pratiquera le perçage avec soin et précision dans la face arrière.
Après s’être assuré que les fixations de la carte ne posent plus de problème, nous pouvons procéder au montage des composants.
Les cotes données en figure 6 doivent être vérifiées ‘’in situ’’ avant toute action délétère …
Les deux allonges d’axe sont guidées par des manchons de passage de 6 mm (photo H).
Il est impératif de réaliser en premier lieu la partie mécanique en se servant des cartes non montées. Les photo B et photo C et les figure 4 et figure 6 vous serviront de guide pour la réalisation. Le boîtier est disponible chez Radiospares sous le N° de stock : 754-5967. Les faces font 65 x 300 mm, la profondeur 280 mm. Les pieds fournis ne permettent pas une ventilation suffisante pour des appareils à tubes. Il est recommandé de surélever l’appareil de 10 mm. La carte est fixée par cinq entretoises M-F de 5 mm sur deux profilés aluminium ‘’U’’ de 295 x 10 x 10 x 1 mm. Ces profilés sont fixés sous les cornières du boîtier par des entretoises M-F de 10 mm (figure 5).
La face avant fournie par Schaeffer (photo D) fixe la position de la carte et le positionnement des perçages sur la face arrière.
Il y a lieu de marquer avec précision son emplacement sur les profilés et sur la face arrière.
La carte de base est placée à 2 mm du panneau arrière, à cause du dépassement des socles RCA.
Après pointage rigoureux des trous des entrées et sorties, on pratiquera le perçage avec soin et précision dans la face arrière.
Après s’être assuré que les fixations de la carte ne posent plus de problème, nous pouvons procéder au montage des composants.
Les cotes données en figure 6 doivent être vérifiées ‘’in situ’’ avant toute action délétère …
Les deux allonges d’axe sont guidées par des manchons de passage de 6 mm (photo H).
La masse
On notera que le raccordement de masse de l’ensemble est pris sur la carte près des entrées. De plus il faut gratter la peinture des deux capots aux trous de fixation situés près de l’entrée à l’aide d’un foret et remplacer deux vis fournies par deux vis à tête conique. On s’assurera que sans ce raccordement à la masse, l’ensemble des circuits est bien ‘’flottant’’. Si ce n’est le cas, il faudra chercher et lever la fuite coupable.
On notera que le raccordement de masse de l’ensemble est pris sur la carte près des entrées. De plus il faut gratter la peinture des deux capots aux trous de fixation situés près de l’entrée à l’aide d’un foret et remplacer deux vis fournies par deux vis à tête conique. On s’assurera que sans ce raccordement à la masse, l’ensemble des circuits est bien ‘’flottant’’. Si ce n’est le cas, il faudra chercher et lever la fuite coupable.
LES CIRCUITS IMPRIMES
La carte de base
Le circuit imprimé de base mesure 230 x 165 mm et supporte tous les éléments y compris l‘alimentation, les socles d’entrée, de sortie, les commutateurs et le potentiomètre ALPS à l’exception du potentiomètre P2 de volume ‘’Casque’’. Les interconnexions se font par picots et cosses.
Typon à l’echelle 1, photo de la carte, implantation des composants
Le montage de la carte ne présente pas de difficultés à condition de s’approvisionner avec les composants proposés. Les 26 picots de 1,3 mm sont sertis en premier lieu, ensuite on soudera les 18 pontages. Le reste sera assemblé par ordre croissant de grandeur en terminant par la carte des tubes. Seuls les condensateurs C11 et C12 sont soudés du côté cuivre. La masse du circuit est prise à gauche des doubles socles RCA d’entrée.
Le circuit imprimé de base mesure 230 x 165 mm et supporte tous les éléments y compris l‘alimentation, les socles d’entrée, de sortie, les commutateurs et le potentiomètre ALPS à l’exception du potentiomètre P2 de volume ‘’Casque’’. Les interconnexions se font par picots et cosses.
Typon à l’echelle 1, photo de la carte, implantation des composants
Le montage de la carte ne présente pas de difficultés à condition de s’approvisionner avec les composants proposés. Les 26 picots de 1,3 mm sont sertis en premier lieu, ensuite on soudera les 18 pontages. Le reste sera assemblé par ordre croissant de grandeur en terminant par la carte des tubes. Seuls les condensateurs C11 et C12 sont soudés du côté cuivre. La masse du circuit est prise à gauche des doubles socles RCA d’entrée.
La Carte des Tubes
La carte des tubes mesure 82x40mm. Typon à l'échelle 1, implantation des composants
La première opération consistera à insérer les 14 fils de liaison à la carte de base. Ceux-ci sont pliés à angle droit, ensuite soudés et coupés à une longueur de 5 mm. Suivront impérativement dans l’ordre le placement des quatre picots, des trois supports noval et des trois pontages. Les résistances dont un contact se trouve sous un support noval seront soudées du côté cuivre.
Comme la carte est autonome, il est préférable de la tester en dehors du boîtier en l’alimentant à l’aide du transformateur et de la self L1.
Le test nécessite deux tensions : +6,3 Vdc pour le chauffage des filaments et +270 Vdc pour la HT. La première mise sous tension se fait de préférence à l’aide d’un auto-transformateur réglable et on vérifiera les diverses tensions mentionnées au schéma.
Un signal de 1 Vac en entrée linéaire génère une tension de 4 Vac environ en sortie, curseur au maximum.
En l’absence de la tension de 12 Vdc, la correction de volume est active et signal à 20 Hz se voit amplifié de 3 ou 6 dB. Le même signal de 1 Vac en entrée génèrera un signal de 2 Vac en sortie casque haute et 1 Vac en sortie basse.
La carte des tubes mesure 82x40mm. Typon à l'échelle 1, implantation des composants
La première opération consistera à insérer les 14 fils de liaison à la carte de base. Ceux-ci sont pliés à angle droit, ensuite soudés et coupés à une longueur de 5 mm. Suivront impérativement dans l’ordre le placement des quatre picots, des trois supports noval et des trois pontages. Les résistances dont un contact se trouve sous un support noval seront soudées du côté cuivre.
Comme la carte est autonome, il est préférable de la tester en dehors du boîtier en l’alimentant à l’aide du transformateur et de la self L1.
Le test nécessite deux tensions : +6,3 Vdc pour le chauffage des filaments et +270 Vdc pour la HT. La première mise sous tension se fait de préférence à l’aide d’un auto-transformateur réglable et on vérifiera les diverses tensions mentionnées au schéma.
Un signal de 1 Vac en entrée linéaire génère une tension de 4 Vac environ en sortie, curseur au maximum.
En l’absence de la tension de 12 Vdc, la correction de volume est active et signal à 20 Hz se voit amplifié de 3 ou 6 dB. Le même signal de 1 Vac en entrée génèrera un signal de 2 Vac en sortie casque haute et 1 Vac en sortie basse.
MONTAGE FINAL
Après s’être assuré que la carte est fonctionnelle on peut embarquer le tout et procéder aux raccordements des divers éléments.
Le blindage placé sur les transformateurs de sortie élimine l’influence magnétique du transformateur d’alimentation.
Après s’être assuré que la carte est fonctionnelle on peut embarquer le tout et procéder aux raccordements des divers éléments.
Le blindage placé sur les transformateurs de sortie élimine l’influence magnétique du transformateur d’alimentation.
QUELQUES MESURES
Les mesures classiques sur notre prototype vous ont présentées aux figures 11 à 15.
La réponse aux signaux montre un temps de montée de l’ordre de 3 µS pour le préampli (figure 11) et 5 µS pour la sortie casque (figure 12) et une excellente tenue du palier à 100 Hz.
Le taux de distorsion pour 1 Veff en sortie préampli mesuré au distorsiomètre fait 0,01 % .
Les figure 13 et figure 14 présentent la répartition spectrale respectivement du préampli et du casque. A noter la prééminence de H2 à – 50 dB.
Le bruit total en sortie avant potentiomètre est de l’ordre de 60 µV-Lin et 20 µV-A pour 1 Vac, ce qui nous donne un rapport signal / bruit de 94 dB-A.
Le graphe présenté en figure 15 montre la courbe de réponse du préamplificateur et la correction de tonalité.
En figure 16 vous trouverez les caractéristiques techniques relevées sur notre prototype.
Conclusion
Au test d’écoute, le préamplificateur se révèle transparent, sans ajouter aucune coloration tout en apportant un gain programmable de 12 dB. La correction de tonalité commutable est discrète. Sans agressivité aucune, elle apporte un peu de caractère aux des fréquences basses, si souvent étouffées dans nos pièces d’écoute.
Au test d’écoute, le préamplificateur se révèle transparent, sans ajouter aucune coloration tout en apportant un gain programmable de 12 dB. La correction de tonalité commutable est discrète. Sans agressivité aucune, elle apporte un peu de caractère aux des fréquences basses, si souvent étouffées dans nos pièces d’écoute.
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Récapitulatif des photos (Haute définition)
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