PREAMPLIFICATEUR RIAA - Un Préamplificateur économique mais performant.
Ce projet est basé sur le projet précédent, le circuit RIAA propre est identique. Le dessin de la carte a été revu et l'alimentation fait l'objet d'un circuit séparé.
Le circuit imprimé est prévu pour les deux configurations: entrée pour cellule à aimant mobile et cellule à bobine mobile.
LA NORME RIAA
Nous ne reprendrons pas ici l’explication de la norme. Une étude complète de la norme RIAA, sa genèse, la gravure et sa restitution a été publiée dans le LED 187 et au projet 43.
Nous ne reprendrons pas ici l’explication de la norme. Une étude complète de la norme RIAA, sa genèse, la gravure et sa restitution a été publiée dans le LED 187 et au projet 43.
LE PREAMPLIFICATEUR
Cette étude est basée sur la note d’application n° 346 du LM833 de ‘’National Semiconductor’’ toutefois nous utiliserons ici le circuit OPA2604.
Si la conformité à la norme RIAA et le taux de distorsion sont les deux critères majeurs pour ce type de réalisation, le rapport signal / bruit représente à lui seul un défi.
Les bruits de fond et ronflements propres du préampli doivent être inférieurs de 60 dB au signal le plus faible: à 20 Hz le signal moyen à l’entrée est de l’ordre de 2,4 mV (Signal à 20 Hz d’une cellule MM à 1mV/CM/ Sec-1).
Les bruits reportés à l’entrée seront inférieurs à 2,4 µV ! En pratique, vu la désaccentuation de 6 dB par octave à partir de 50 Hz, le résiduel de souffle ne pose que peu de problème. Par contre, les bruits de ronflements doivent être particulièrement maîtrisés. Ce bruit est issu principalement du 100 Hz de l’alimentation et de l’environnement à 50 Hz.
Nous soignerons particulièrement le dessin de la carte afin d’éviter le bruit du à l’alimentation et les boucles de retour de masse. Nous équiperons également la carte d’un potentiomètre de réglage de volume bien pratique.
Le circuit intégré OPA2604 est réputé pour son faible bruit. Les cellules de filtrage sont réalisées avec des composants à 1%.
Toutes les résistances sont à couche métallique.
Cette étude est basée sur la note d’application n° 346 du LM833 de ‘’National Semiconductor’’ toutefois nous utiliserons ici le circuit OPA2604.
Si la conformité à la norme RIAA et le taux de distorsion sont les deux critères majeurs pour ce type de réalisation, le rapport signal / bruit représente à lui seul un défi.
Les bruits de fond et ronflements propres du préampli doivent être inférieurs de 60 dB au signal le plus faible: à 20 Hz le signal moyen à l’entrée est de l’ordre de 2,4 mV (Signal à 20 Hz d’une cellule MM à 1mV/CM/ Sec-1).
Les bruits reportés à l’entrée seront inférieurs à 2,4 µV ! En pratique, vu la désaccentuation de 6 dB par octave à partir de 50 Hz, le résiduel de souffle ne pose que peu de problème. Par contre, les bruits de ronflements doivent être particulièrement maîtrisés. Ce bruit est issu principalement du 100 Hz de l’alimentation et de l’environnement à 50 Hz.
Nous soignerons particulièrement le dessin de la carte afin d’éviter le bruit du à l’alimentation et les boucles de retour de masse. Nous équiperons également la carte d’un potentiomètre de réglage de volume bien pratique.
Le circuit intégré OPA2604 est réputé pour son faible bruit. Les cellules de filtrage sont réalisées avec des composants à 1%.
Toutes les résistances sont à couche métallique.
Schéma bloc
Le premier Amplificateur OPpérationnel (=AOP) IC1A reçoit le signal d’entrée à haute impédance et assure la fonction de transfert des filtres à 3180 µS et 318 µS. Le gain à 1000 Hz est de 24 dB. La sortie à impédance nulle pilote le dernier filtre à 75 µSec. Le signal est ensuite amplifié de 12 dB par l’AOP IC1B et appliqué au potentiomètre P1. Le dernier AOP IC3A est monté en tampon et le signal est envoyé vers la sortie via une résistance de 600 Ω.
Nous avons préféré séparer complètement les filtres 3180-318 µS et 75 µS afin de pouvoir les traiter individuellement et éviter ainsi les interactions de combinaison des filtres, de plus cette configuration nous donne le meilleur rapport signal/bruit.
Le premier Amplificateur OPpérationnel (=AOP) IC1A reçoit le signal d’entrée à haute impédance et assure la fonction de transfert des filtres à 3180 µS et 318 µS. Le gain à 1000 Hz est de 24 dB. La sortie à impédance nulle pilote le dernier filtre à 75 µSec. Le signal est ensuite amplifié de 12 dB par l’AOP IC1B et appliqué au potentiomètre P1. Le dernier AOP IC3A est monté en tampon et le signal est envoyé vers la sortie via une résistance de 600 Ω.
Nous avons préféré séparer complètement les filtres 3180-318 µS et 75 µS afin de pouvoir les traiter individuellement et éviter ainsi les interactions de combinaison des filtres, de plus cette configuration nous donne le meilleur rapport signal/bruit.
Circuit Préamplificateur
Schéma
Le circuit d’entrée
Les trois circuits intégrés utilisés sont des OPA2604. Chaque OPA2604 est composé de 2 AOP.
L’impédance du circuit d’entrée est fixée par la résistance R1. Nous verrons plus loin que le circuit imprimé est prévu par défaut pour une cellule MM à entrée asymétrique directe, mais peut également être équipé d’un transformateur élévateur indispensable pour la lecture d’une cellule MC. Pour une entrée MM, l’impédance d’entrée est obtenue en fixant la valeur de 47 KΩ pour R1. Une capacité C1 dont la valeur comprise entre 200 et 400 pF est spécifiée par le fabricant de la cellule est placée en parallèle sur l’entrée. En général cette capacité est réalisée par le fil blindé de liaison.
Schéma
Le circuit d’entrée
Les trois circuits intégrés utilisés sont des OPA2604. Chaque OPA2604 est composé de 2 AOP.
L’impédance du circuit d’entrée est fixée par la résistance R1. Nous verrons plus loin que le circuit imprimé est prévu par défaut pour une cellule MM à entrée asymétrique directe, mais peut également être équipé d’un transformateur élévateur indispensable pour la lecture d’une cellule MC. Pour une entrée MM, l’impédance d’entrée est obtenue en fixant la valeur de 47 KΩ pour R1. Une capacité C1 dont la valeur comprise entre 200 et 400 pF est spécifiée par le fabricant de la cellule est placée en parallèle sur l’entrée. En général cette capacité est réalisée par le fil blindé de liaison.
La restitution RIAA
L’inflexion de la courbe à 50 Hz est générée par la cellule R5, R9 et C7 situé dans le circuit de contre-réaction de l’AOP IC1A. Pour ce pôle à 50 Hz, (T1=3180 µS), nous fixons arbitrairement C7 = 22 nF une valeur standard à 1%. La valeur de la résistance vaudra (3180 x 10-6) / (22 x 10-9) = 144545 Ω. Cette valeur est réalisée par la mise en parallèle de 2 résistances (R5 et R9) de 261 kΩ et 324 kΩ à 1%.
L’inflexion de la courbe à 50 Hz est générée par la cellule R5, R9 et C7 situé dans le circuit de contre-réaction de l’AOP IC1A. Pour ce pôle à 50 Hz, (T1=3180 µS), nous fixons arbitrairement C7 = 22 nF une valeur standard à 1%. La valeur de la résistance vaudra (3180 x 10-6) / (22 x 10-9) = 144545 Ω. Cette valeur est réalisée par la mise en parallèle de 2 résistances (R5 et R9) de 261 kΩ et 324 kΩ à 1%.
Nous ne laissons pas notre courbe descendre de 6 dB par octave indéfiniment, car à 500Hz (T2=318 µSec) nous avons un deuxième point d’inflexion qui stabilise l’amplitude sans limite de fréquence. Le calcul de R7+R11 = (R5 x R9) / 9 x (R5 + R9) nous donne 16060 Ω.
Le troisième point d’inflexion à 2122 Hz (T3=75 µSec) qui fera replonger notre courbe de 6 dB par octave indéfiniment est généré par la cellule R13, R15 et C15. Comme l’impédance de sortie de l’AOP IC1A est nulle et est assimilée à une source de tension, une simple cellule R-C peut faire l’affaire. Nous fixons arbitrairement C13 = 33 nF, nous calculons pour T3 = 75 µS: une valeur de R13 = 2272,7 Ω. Cette valeur n’existant pas, nous choisissons une valeur de R13 = 2,37 kΩ à 1%, à laquelle vient s’ajouter en parallèle la résistance R15 de 54,9 kΩ.
Le circuit de sortie
Le signal ainsi filtré est amplifié de 20 dB par l’AOP IC1B. Ce gain est fixé par le circuit de contre réaction R21-R19 et peut être modifié à votre convenance. Le gain total est de 160 ou 44 dB à 1 kHz. Après dosage par le potentiomètre P1, le signal est routé vers l’AOP IC3A monté en gain unitaire. Les deux résistances R29 et R31 fixent l’impédance de sortie à 600 Ω. La cellule R29–C25 coupe les fréquences au-dessus de 100 kHz, car l’OPA2604 présente une fréquence de coupure qui monte à 20 MHz.
Le signal ainsi filtré est amplifié de 20 dB par l’AOP IC1B. Ce gain est fixé par le circuit de contre réaction R21-R19 et peut être modifié à votre convenance. Le gain total est de 160 ou 44 dB à 1 kHz. Après dosage par le potentiomètre P1, le signal est routé vers l’AOP IC3A monté en gain unitaire. Les deux résistances R29 et R31 fixent l’impédance de sortie à 600 Ω. La cellule R29–C25 coupe les fréquences au-dessus de 100 kHz, car l’OPA2604 présente une fréquence de coupure qui monte à 20 MHz.
L’alimentation
Schéma
Comme déjà dit, le succès de cette réalisation est directement conditionné par la qualité de son alimentation.
Le choix du transformateur d’alimentation s’est porté sur un modèle torique de 3,2 VA de puissance. La consommation au secteur est de l’ordre de 2 VA pour un courant secondaire de 50 mA. Cette alimentation ne comporte aucun fusible, en effet le courant primaire est trop faible et le transformateur supporte son secondaire en court-circuit permanent. La mise sous tension se fait par l ‘enroulement secondaire afin de véhiculer un minimum de tension secteur dans l’appareil. Le transformateur est sous tension dès que le cordon secteur est raccordé. La consommation ‘’hors service’’ est inférieure à 500 µA, soit 0,1 VA.
La régulation utilise deux circuits intégrés LM317 et LM337. La tension d’ondulation des + et – 24 Vdc est non mesurable.
De plus chaque AOP est isolé du bruit du souffle de l’alimentation par une cellule RC (ex. R27-C23) et quand on sait que le taux de réjection de l’alimentation pour ce type d’AOP est de l’ordre de 100 dB, on a de ce fait éliminé toute source de bruit pouvant venir de l’alimentation.
Schéma
Comme déjà dit, le succès de cette réalisation est directement conditionné par la qualité de son alimentation.
Le choix du transformateur d’alimentation s’est porté sur un modèle torique de 3,2 VA de puissance. La consommation au secteur est de l’ordre de 2 VA pour un courant secondaire de 50 mA. Cette alimentation ne comporte aucun fusible, en effet le courant primaire est trop faible et le transformateur supporte son secondaire en court-circuit permanent. La mise sous tension se fait par l ‘enroulement secondaire afin de véhiculer un minimum de tension secteur dans l’appareil. Le transformateur est sous tension dès que le cordon secteur est raccordé. La consommation ‘’hors service’’ est inférieure à 500 µA, soit 0,1 VA.
La régulation utilise deux circuits intégrés LM317 et LM337. La tension d’ondulation des + et – 24 Vdc est non mesurable.
De plus chaque AOP est isolé du bruit du souffle de l’alimentation par une cellule RC (ex. R27-C23) et quand on sait que le taux de réjection de l’alimentation pour ce type d’AOP est de l’ordre de 100 dB, on a de ce fait éliminé toute source de bruit pouvant venir de l’alimentation.
MISE EN OEUVRE
LA MECANIQUE
Le boîtier mesure 200 x 150 x 70 mm et est disponible chez Conrad sous le N° de stock : 520403.
Les cartes imprimées sont fixées sur la capot du fond par des entretoises M3 x10 mm.
Le transformateur d’alimentation est un modèle pour circuit imprimé, mais il est muni d’un trou de fixation pour une vis M4. Il est fixé sur le rebord droit du capot inférieur. Les fils sont soudés directement sur les broches et ceux qui véhiculent le secteur sont isolés.
La photo D est assez didactique pour vous servir de guide pour la réalisation.
Il est plus facile de réaliser en premier lieu la partie mécanique en se servant des cartes non montées.
Si la face avant est fournie par Schaeffer le positionnement de la carte principale est fixé par l’axe du potentiomètre. Celui-ci se trouve à l’exact milieu du châssis. La face arrière ne fait pas l’objet d’un plan coté. Seuls les perçages des trous des socles RCA sur la face arrière nécessitent de la précision. Ils seront pointées ‘’in-situ’’.
Le boîtier mesure 200 x 150 x 70 mm et est disponible chez Conrad sous le N° de stock : 520403.
Les cartes imprimées sont fixées sur la capot du fond par des entretoises M3 x10 mm.
Le transformateur d’alimentation est un modèle pour circuit imprimé, mais il est muni d’un trou de fixation pour une vis M4. Il est fixé sur le rebord droit du capot inférieur. Les fils sont soudés directement sur les broches et ceux qui véhiculent le secteur sont isolés.
La photo D est assez didactique pour vous servir de guide pour la réalisation.
Il est plus facile de réaliser en premier lieu la partie mécanique en se servant des cartes non montées.
Si la face avant est fournie par Schaeffer le positionnement de la carte principale est fixé par l’axe du potentiomètre. Celui-ci se trouve à l’exact milieu du châssis. La face arrière ne fait pas l’objet d’un plan coté. Seuls les perçages des trous des socles RCA sur la face arrière nécessitent de la précision. Ils seront pointées ‘’in-situ’’.
La masse
On notera le raccordement de masse de la carte à la masse du châssis à gauche du socle d’entrée. La peinture autour des quatre trous de fixation des deux capots du côté gauche est grattée à l’aide d’un forêt de 10 mm afin de réaliser un bon contact électrique avec tous les éléments. Le corps du potentiomètre est également raccordé à la masse et l’allonge d’axe doit être isolante afin de ne pas créer de retour de boucle via la face avant.
On notera le raccordement de masse de la carte à la masse du châssis à gauche du socle d’entrée. La peinture autour des quatre trous de fixation des deux capots du côté gauche est grattée à l’aide d’un forêt de 10 mm afin de réaliser un bon contact électrique avec tous les éléments. Le corps du potentiomètre est également raccordé à la masse et l’allonge d’axe doit être isolante afin de ne pas créer de retour de boucle via la face avant.
LES CIRCUITS IMPRIMES
Carte alimentation
Typon à l'échelle 1, Plan d’implantation des composants, Photo de la carte
L’alimentation est testée avant de continuer le montage des composants des préamplis.
L’alimentation est testée avant de continuer le montage des composants des préamplis.
Carte préamplificateur
Typon à l'échelle 1, Plan d’implantation des composants, Photo de la carte
Le circuit imprimé du préamplificateur contient tous les éléments actifs ainsi que les socles d’entrée et de sortie. Il a été étudié pour accepter différentes configurations, à savoir une entrée directe pour la lecture des cellules MM, la possibilité d’ajouter un transformateur élévateur pour la lecture des cellules MC. Les connexions sont réduites aux 3 fils reliant la carte d’alimentation.
Le montage de la carte ne présente pas de difficultés. Les 4 cosses picot de 1,3 mm sont serties en premier lieu, ensuite on place les pontages. Les condensateurs C9 & C10 sont des composants montés en surface (CMS) et donc soudés du côté cuivre.
Si la carte doit recevoir les transformateurs MC, il faut s’assurer que le diamètre des trous dans le PCB fait bien 1,5 mm. Le potentiomètre et les socles RCA sont montés en dernier lieu. La carte peut être testée fonctionnellement en dehors du boîtier. Il suffit de l’alimenter. Ensuite en appliquant un signal de 4 mVac à 1 kHz sur l’entrée directe, on doit avoir en sortie un signal de 650 mVac qui varie avec la position du potentiomètre.
Le test s’arrête là, car en dehors du boîtier, la carte capte trop de ronflement ambiant.
Les cartes sont alors installées dans le boîtier, et après avoir raccordé la masse et les divers éléments aux faces avant et arrière, le préampli est testé fonctionnellement. Pour les tests finaux, il faut encore placer le capot supérieur.
Typon à l'échelle 1, Plan d’implantation des composants, Photo de la carte
Le circuit imprimé du préamplificateur contient tous les éléments actifs ainsi que les socles d’entrée et de sortie. Il a été étudié pour accepter différentes configurations, à savoir une entrée directe pour la lecture des cellules MM, la possibilité d’ajouter un transformateur élévateur pour la lecture des cellules MC. Les connexions sont réduites aux 3 fils reliant la carte d’alimentation.
Le montage de la carte ne présente pas de difficultés. Les 4 cosses picot de 1,3 mm sont serties en premier lieu, ensuite on place les pontages. Les condensateurs C9 & C10 sont des composants montés en surface (CMS) et donc soudés du côté cuivre.
Si la carte doit recevoir les transformateurs MC, il faut s’assurer que le diamètre des trous dans le PCB fait bien 1,5 mm. Le potentiomètre et les socles RCA sont montés en dernier lieu. La carte peut être testée fonctionnellement en dehors du boîtier. Il suffit de l’alimenter. Ensuite en appliquant un signal de 4 mVac à 1 kHz sur l’entrée directe, on doit avoir en sortie un signal de 650 mVac qui varie avec la position du potentiomètre.
Le test s’arrête là, car en dehors du boîtier, la carte capte trop de ronflement ambiant.
Les cartes sont alors installées dans le boîtier, et après avoir raccordé la masse et les divers éléments aux faces avant et arrière, le préampli est testé fonctionnellement. Pour les tests finaux, il faut encore placer le capot supérieur.
LES MESURES
La mesure de la conformité à la norme RIAA est complexe. En effet, l’amplitude est dépendante de la fréquence. (ex.: entre 9,8 KHz et 10,2 kHz il y a 0,4 dB d’écart !) Il faut donc mesurer en même temps la fréquence à 0,1% (la période en dessous de 1000 Hz). De plus nos générateurs et millivoltmètres AC n’ont pas une précision absolue suffisante en amplitude, +/-0,05 dB cumulés sont nécessaires.
Afin de réaliser toutes les mesures habituelles dans toutes les configurations, nous avons utilisé un auxiliaire de test : le circuit "Anti-RIAA" (figure 10 et photo H).
Nous ne montrerons pas ici la courbe de réponse RIAA comme on la présente habituellement, car avec son amplitude de 40 dB sur l’axe Y, toutes les courbes de tous les préamplis RIAA sont identiques. Le graphe en figure 11 montrent l’écart en pas de 0,1 dB par rapport à la dite norme. Mais n’oublions pas que la linéarité d’une cellule MM est rarement inférieure à +/- 2 dB.
La figure 12 présente la réponse aux signaux carrés et le temps de montée. La mesure est normalisée en insérant le circuit anti-RIAA entre le générateur et l’entrée. Le temps de montée de 5 µS signifie une bande passante normalisée de 70 kHz à –3 dB.
La figure 13 présente les mesures à l’analyseur de spectre. La référence des mesures est 0 dBV. Le niveau de bruit résiduel ‘’Hum & Noise’’ est conditionné principalement par le ronflement à 50 Hz.
Le taux de distorsion mesuré à 50, 500 et 5 kHz est de l’ordre de –80 dB soit 0,01%. Seule la deuxième harmonique émerge du bruit.
Dans la mesure à 50 Hz seule la composante H2 est à prendre en considération. Cette mesure met en évidence l’effet pervers des boucles de masse. Les signaux visibles à 150 et 250 Hz ne sont pas issus des composantes harmoniques du signal mesuré, mais bien de l’installation de mesure. Etant assez volumineuse, elle provoque des retours de masse qui induisent un ronflement parasite chargé en harmoniques dans l’entrée. Ces signaux parasites restent présents avec la même amplitude en annulant le signal au générateur.
Les caractéristiques techniques relevées sur notre prototype sont présentées en figure 14.
La mesure de la conformité à la norme RIAA est complexe. En effet, l’amplitude est dépendante de la fréquence. (ex.: entre 9,8 KHz et 10,2 kHz il y a 0,4 dB d’écart !) Il faut donc mesurer en même temps la fréquence à 0,1% (la période en dessous de 1000 Hz). De plus nos générateurs et millivoltmètres AC n’ont pas une précision absolue suffisante en amplitude, +/-0,05 dB cumulés sont nécessaires.
Afin de réaliser toutes les mesures habituelles dans toutes les configurations, nous avons utilisé un auxiliaire de test : le circuit "Anti-RIAA" (figure 10 et photo H).
Nous ne montrerons pas ici la courbe de réponse RIAA comme on la présente habituellement, car avec son amplitude de 40 dB sur l’axe Y, toutes les courbes de tous les préamplis RIAA sont identiques. Le graphe en figure 11 montrent l’écart en pas de 0,1 dB par rapport à la dite norme. Mais n’oublions pas que la linéarité d’une cellule MM est rarement inférieure à +/- 2 dB.
La figure 12 présente la réponse aux signaux carrés et le temps de montée. La mesure est normalisée en insérant le circuit anti-RIAA entre le générateur et l’entrée. Le temps de montée de 5 µS signifie une bande passante normalisée de 70 kHz à –3 dB.
La figure 13 présente les mesures à l’analyseur de spectre. La référence des mesures est 0 dBV. Le niveau de bruit résiduel ‘’Hum & Noise’’ est conditionné principalement par le ronflement à 50 Hz.
Le taux de distorsion mesuré à 50, 500 et 5 kHz est de l’ordre de –80 dB soit 0,01%. Seule la deuxième harmonique émerge du bruit.
Dans la mesure à 50 Hz seule la composante H2 est à prendre en considération. Cette mesure met en évidence l’effet pervers des boucles de masse. Les signaux visibles à 150 et 250 Hz ne sont pas issus des composantes harmoniques du signal mesuré, mais bien de l’installation de mesure. Etant assez volumineuse, elle provoque des retours de masse qui induisent un ronflement parasite chargé en harmoniques dans l’entrée. Ces signaux parasites restent présents avec la même amplitude en annulant le signal au générateur.
Les caractéristiques techniques relevées sur notre prototype sont présentées en figure 14.
CONCLUSION
C’est un préamplificateur RIAA qui donne d’excellents résultats pour un prix très abordable. Il conserve intégralement la dynamique et la précision originelle des vinyles.
Besoin d’un complément d’information ?
Envoyez un courriel à l'adresse: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
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Récapitulatif des photos (Haute définition)
