amélioration ampli audio classe AB

[le type en vacances]

Bonjour à tous,

Je suis en train de prototyper un petit ampli audio en classe AB, actuellement j'en suis arrivé à ce schéma le fichier LTspice est en pièce jointe.

ampli.PNG

Pour les composants j'ai utilisée de 2n5551 et 2n5401 pour tout les transistors sauf Q3 et Q1 qui sont des TIP41 et 42, les deux ampli op sont en réalité un NE5532.
R2 est un potentiomètre pour ajuster la polarisation de l'étage de sortie, je laisse 10 ou 20 mA en courant de repos histoire de bien être en classe AB mais sans faire chauffer le tout pour rien.

Je suis déjà très satisfait par le résultat et à l'oreille il sonne très bien, je n'ai pas encore de quoi mesurer proprement le THD ou la linéarité de la bête (mon oscillo n'est pas terrible surtout à faible tension) mais mon oreille de qualité labo ne saigne pas. Cependant j'ai deux ou trois petits soucis qui me dérange.

Premièrement lorsque je laisse le câble d'entrée en l'air il agit comme une antenne et capte naturellement le 50Hz. Peut-être un étage d'entrée différentiel plutôt que le montage en non-inverseur pourrait régler le soucis ?

Ensuite j'ai un léger souffle qui ne dérange pas l'écoute mais qu'on entend clairement lorsqu'on approche l'oreille de l'enceinte, est-ce que l'ajout d'un filtre en sortie pourrait aider ? (il est prévu que je m'attelle à ce sujet de toute manière)
peut-être cela vient t'il des AOP ? même en mettant leurs entrées à la masse j'ai le souffle à la sortie.
je n'ai pas encore travaillé sur le découplage de l'alim si ce n'est 2 condos de 1000µF.

Finalement, la sortie présente une petite composante continue, moins de 5 mV, j'ai cru comprendre que cela ne posait pas forcément de soucis tant qu'on restait proche du zéro mais je n'ai pas trouvé de "limites" acceptables. Je me dit que même sous 2ohms cela ne représente que 2,5mA à travers le HP ce qui me semble OK vu la taille du bestiot.

Pour le moment le circuit est réalisé sur une plaque perforée, j'ai essayé de garder les lignes de signaux assez courtes et éviter les cheminements en parallèle des lignes d'alim.
les transistors Q1 à Q5 sont montés proches les un des autres et j'ai fait de mon mieux pour qu'il soient tous en contact avec le dissipateur pour éviter tout effet thermiques qui pourrait de transformer en effet visuel

C'est à quelques chose prêt ma première réalisation en électronique analogique, je me suis appuyé sur pas mal de vidéos sur Youtube et sur un livre intitulé "designing audio power amplifiers" de bob cordell que je n'ai pas lu en entier vu le morceau mais qui m'a pas mal aidé par endroit. A terme je prévois de remplacer U1 par un étage différentiel qui semble être la norme sur les schéma que j'ai pu voir ici et là. U2 est surtout là pour faire office de préampli, je suis un peu pressé par le temps et je voulais entendre ce que ma création avait a dire avant de l'abandonner pour 2 mois.

est-ce que vous voyez d'autres axes d'amélioration et des conseils avant que je ne passe au design du PCB final ?

d'avance merci pour vos réponses!
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[Pascal071]

Bonjour

un gain de 200, c'est beaucoup..
pas de limite hautes fréquences, j'essayerais un 100pF en // R3

remarques:
- sens des entrées du 2e AOP ?
- R12 est bien faible
- C4 est faible pour R4 1k (gain faible aux basses fréquences)

[le type en vacances]

Pascal,

Oui effectivement ça fait c'est beaucoup, je vais peut-être enlever U2 ou profiter d'avoir un AOP de libre pour en faire une entrée différentielle avec un gain plus proche de 1 histoire d'essayer de me débarrasser du 50Hz parasite.
C2 et R12 vont surement être retirer aussi, ils ont été mis pour essayer de réduire l'offset de sortie mais l'ajout de C4 à fait un bien meilleur effet. d'ailleurs bien vu pour sa valeur, je pense que je vais mettre un de 100µF à la place ça à l'aire vachement plus linéaire.

[Pascal071]

Un gain de 10 à 20 suffit pour un niveau ligne en entrée,

l'ampli diff. ne fera pas grand chose, avec une entrée référencée au 0v.

je propose:
- gain de 1 à 2 pour le 1er AOP

- gain de 10 pour le 2e:
R3 100k en // avec 100pF
R4 10k
C4 10µF

- supprimer C2-R12

- cellule "de boucherot" en sortie HP (1ohm en série avec 0,1µF)

- des 0,1µF sur les alimentations

inverser sur le schéma les entrées du 2e AOP, contre réaction sur l'entrée -
ce que tu as dû faire pour le prototype, sinon ça ne fonctionnerait pas..

Un bon article, même si la classe de fonctionnement est différente:
https://bunex-industries.com/amplificateurs

[A voir en vidéo sur Futura]

[bobflux]

> un livre intitulé "designing audio power amplifiers" de bob cordell

Excellent bouquin sur le sujet. Celui de Self "Audio Power Amplifier Design Handbook" est très bien aussi.

Les deux se complémentent bien.

Les chapitres sur les circuits de protection ne sont pas à négliger non plus ! Cordell t'explique dans le détail comment ne pas exploser tes enceintes. C'est important, enfin ça dépend du prix

Dans le bouquin de Self, par contre tout le chapitre sur les MOSFET est du pur bullshit. Le reste est excellent.

Concernant l'ampli :

Il y a beaucoup trop de gain. D'ailleurs la plupart des amplis ont beaucoup trop de gain. Avec des enceintes dotées d'un rendement pas trop pourri, et une source moderne style une carte son ou un lecteur CD qui sort 2-3V RMS, à un niveau d'écoute normal, si tu mesures, tu verras que ton pot de volume atténue par 1:20 et ensuite l'ampli a un gain de 20, donc au final t'as un gain proche de 1 ou 2 lol. Atténuer énormément avec le pot de volume puis ajouter des masses de gain sert surtout à amplifier le bruit et les parasites que le signal va choper entre les deux.

Si tu veux une entrée symétrique, mets un THAT1200 (luxe) ou un de ses cousins moins chers. Il y a des résistances appariées avec une très grande précision dedans, impossible à répliquer en "discret" ou avec des AOP.

Alimenter un prototype d'ampli en +/-12V est un excellent moyen de le bidouiller sans trop risquer d'exploser les transistors vu que la SOA est démultipliée donc excellente idée.

Les transistors choisis (les TIPxx) sont très très lents donc tout pourris au niveau distorsion de croisement MAIS leur lenteur les rend peu susceptibles de partir en oscillation à la moindre erreur de conception ou de layout donc excellents pour un premier ampli. Contrairement aux transistors audiophiles style SanKen à 30MHz de fT qui ont une performance bien plus grande mais tendance à exploser sur un coup de tête parce que t'avais pas remarqué que tes résistances ont 0.05 µH d'inductance offerte gratuitement.

L'étage de sortie CFP est le pire au niveau distorsion de croisement (crossover) ; le EF2 est bien mieux sur cet aspect.

Comme Q8 est inverseur, la contre réaction sur U1 est effectivement sur l'entrée + et non pas sur l'entrée -, le schéma est correct.

Dans la boucle U1 - Q8 - étage de sortie - contre réaction, tu as 2 pôles : un pour la compensation interne à l'ampliop et un donné par ta compensation en pôle dominant (C1). Tu as donc une tendance à avoir un déphasage de 180° ou plus avec du gain en boucle ouverte, donc le circuit est instable en théorie. Si il n'oscille pas et qu'il reste stable en pratique, c'est un coup de bol. Il est possible qu'il sorte des petites rafales d'oscillation occasionnellement ou bien en sortie de saturation par exemple, ou qu'il capte la radio si les étoiles s'alignent correctement. Le souci ici est que rentrer dans les critères de stabilité alors que c'est ta première réalisation, c'est chaud car ça implique un bon pavé de théorie. C'est pourquoi un ampli c'est pas idéal pour démarrer, vu que si il est pas bien stable et qu'il décide de partir en sucette ça peut cramer l'étage de sortie et/ou les enceintes. Encore une fois excellent choix de l'alimenter seulement en 12V.

La difficulté d'un schéma hybride avec un AOP en entrée et un étage de sortie discret est justement de marier la compensation de l'AOP (généralement à pôle dominant) et le reste. Les schémas discrets avec l'étage d'entrée différentiel esquivent ce problème.

[le type en vacances]

Pascal,

j'ai carrément sorti le premier AOP et effectivement c'est vachement mieux au niveau du bruit, et j'arrive tout juste à faire clipper l'ampli avec le signal que je lui rentre ce qui est parfait.
Non l'AOP est bien monté dans le bon sens, j'ai revérifié mon câblage en réel et c'est bien le signal d'entrée sur l'entrée inverseuse et le feed-back sur l'entrée non-inverseuse je m'étais effectivement loupé au point de départ et la sortie de l'ampli venait taper un rail, La simulation le confirme.

j'ai préféré un condo de 47pF en parallèle de R3, pour ne pas avoir à changer les résistances et avoir une réponse bien linéaire du circuit de feedback jusqu'à 20kHz.

je vais faire quelques mesures, notamment avec un signal carré en entrée. Je pense que ça va osciller vu que je n'ai pas grand chose autour de l'étage de sortie. est-ce que des résistances entre les bases de Q1 et Q3 et les rails pourraient aider à limiter cette oscillation ?

[le type en vacances]

bobflux,

je vais essayer de jeter un oeil au titre que tu proposes.

Malheureusement je n'arrive pas aux 2 ou 3Vrms seulement 350mV avec mon super téléphone de récup mais sous +/-12V c'est amplement suffisant pour toucher les rails.


oui effectivement le montage en Darlington parait plus stable mais je n'avais pas envie de faire comme tout le monde c'était trop facile

Je n'ai cependant aucune oscillation pour le moment (j'ai pas encore essayer les signaux carré ) mais si tu pouvais me détailler cette histoire de 2 pôles de compensation ça serait top je ne pense pas avoir tout compris.

Je vais justement probablement faire sauter l'AOP dans un second temps pour augmenter la tension des rails, je ne vais pas pouvoir jouer autour de cet ampli pendant environ 2 mois et je voulais faire un premier essais avant, l'AOP m'a paru tout indiqué "quick and dirty" comme on dit

[bobflux]

> Malheureusement je n'arrive pas aux 2 ou 3Vrms seulement 350mV avec mon super téléphone de récup

Ah OK donc un peu plus de gain c'est pertinent (mais avec 200 t'abuses lol)

> oui effectivement le montage en Darlington parait plus stable mais je n'avais pas envie de faire comme tout le monde c'était trop facile

En gros le principe du CFP est que le petit transistor contrôle le gros et ajoute de la contre réaction locale qui corrige ses défauts. Ca marche très bien tant que les deux transistors sont actifs (classe A), mais en classe AB le principe est justement que les transistors se coupent un peu moins que la moitié du temps, et la structure CFP a une transition entre l'état "en marche" et l'état "arrêté" qui est très très sale parce qu'elle passe par divers états un peu imprévus... du genre à l'allumage le petit transistor se met en marche mais le gros a du retard, et à la coupure, le petit se coupe mais le gros met trop de temps à bloquer donc ça conduit encore alors que ça devrait pas. En particulier ce retard au blocage du gros transistor fait que si l'ampli oscille à une fréquence élevée, ou qu'on le teste avec un générateur de fonctions en abusant sur la fréquence, aucun transistor n'a le temps de se couper, ceux du haut et du bas conduisent en même temps, ils se mettent d'accord pour court circuiter les alims, et ça crame. Le EF2 a une transition plus douce et plus propre, et plus de facilités à bloquer proprement aussi. C'est le classique, parce que ça marche bien. Note que le EF2 n'est pas pareil que le Darlington, dans le EF2 les deux drivers sont en classe A et dans le Darlington non, donc le EF2 est plus propre.

> Je n'ai cependant aucune oscillation pour le moment (j'ai pas encore essayer les signaux carré ) mais si tu pouvais me détailler cette histoire de 2 pôles de compensation ça serait top je ne pense pas avoir tout compris.

il faut que tu regardes le chapitre "feedback and stability" (contre réaction et stabilité) dans le bouquin de Cordell.

Pour résumer le truc, sans faire de maths, imagine que tu conduis ta bagnole sur une départementale.

Appelons X la position de la voiture sur la route sur un axe gauche-droite, avec mettons X=0 qui signifie que t'es au milieu de ta file, et X=1 t'es dans le platane de droite, X=-1 t'es dans la mauvaise file à contresens, X=-2 t'es dans le platane de gauche, etc.

On a un système bouclé :

La position X de la voiture sur la route -> tes yeux -> ton cerveau -> tes mains -> le volant -> les roues de la voiture -> La position X de la voiture sur la route

Ici le conducteur joue le rôle de l'ampli d'erreur : il compare la position actuelle de la voiture à la position désirée, et en résultat il tourne le volant.

Tout va bien...

Ajoutons du déphasage, autrement dit du délai, par exemple une bonne dose d'alcoolémie qui ajoute un retard de 2s dans l'étape "cerveau".

- oh merde je suis trop à droite
- tourne à mort à gauche
- 2 secondes de temps de réaction
- oh merde je suis trop à gauche
- tourne à mort à droite
- 2 secondes de temps de réaction
- oh merde je suis trop à droite
- etc

Donc oscillation, on est instable parce qu'il y a trop de déphasage/délai dans la boucle.

On peut aussi être instable quand il y a trop de gain, imagine que ta direction est réglée comme une voiture de rallye, 1/2 tour de volant à gauche ou à droite oriente les roues à l'angle maximum possible. Si t'es pas habitué, tu donnes un coup de volant, et... paf ça part en couille, pareil que tout à l'heure, même avec un temps de réaction normal.

Pour poursuivre l'analogie avec le critère de Nyquist, on voit qu'il va y avoir un compromis entre le gain et le déphasage, puisque même avec un temps de réaction de 2s, si tu roules à 10 km/h, en tournant le volant pareil, ta voiture ira beaucoup moins vite vers le platane... réduction du gain... on est à nouveau stable.

[Pascal071]

Bonsoir
Très bonnes explication de Bobflux..
mea culpa concernant les entrées AOP, j'ai plus l'habitude du circuit de puissance non inverseur à darlingtons .

[bobflux]

OP semble avoir disparu, j'espère qu'il est en train de lire le Cordell, ce bouquin est excellent !

[le type en vacances]

Salut,

Pas d'inquiétude je n'ai pas disparu (pas encore ),

je pense effectivement faire un préampli en amont de celui-ci avec d'autres choses autour, mais ce sera dans un second temps ça.

j'ai fait quelques essais et recherches aussi entre deux et a moins que je ne me sois trompé dans les grandes largeurs la seule différences entre le montage EF2 et darlington c'est bien la résistance que l'on vient mettre entre les bases des 2 transistors "esclaves" et qui donc permet d'avoir de la classe A sur l'étage "pilote", j'ai bon ?

je n'ai pas pu me pencher sur le sujet ce dimanche, poulet roti tout ça tout ça... je m'y attèle aujourd'hui.
je ne pourrais plus vraiment jouer avec mon montage pour les 2 mois à venir alors j'essaie de faire une liste de choses à voir pendant cette période. je suis encore en pleine phase d'apprentissage et même si je pense avoir compris le principe général des différents blocs de mon circuits il faut que je creuse encore notamment l'étage d'entrée qui remplacera l'AOP actuel.

[bobflux]

j'ai fait quelques essais et recherches aussi entre deux et a moins que je ne me sois trompé dans les grandes largeurs la seule différences entre le montage EF2 et darlington c'est bien la résistance que l'on vient mettre entre les bases des 2 transistors "esclaves" et qui donc permet d'avoir de la classe A sur l'étage "pilote", j'ai bon ?

Oui c'est ça. Garder les drivers en classe A réduit la distorsion de croisement.

[le type en vacances]

Re bonjour,

j'ai refait quelques essais aujourd'hui et je suis très agréablement surpris : rien n'as prit feu !

j'ai repris quelques peu le schéma en y ajoutant les deux condos autour du feedback et effectivement il y a d'un coup beaucoup plus de basses, à l'oscillo le gain ne bouge presque pas tout au long de la bande audio, je n'ai pas prit le temps de tracer la courbe mais on est de l'ordre de quelques centaines de mV d'écart en crête à crête.
Par contre je crois avoir compris ce que Bobflux disais par "lent" en parlant des TIP41/42,avec un signal carré à partir de 10kHz la montée devient sacrément lente, la descente quant à elle se fait très bien, je joint une photo de mon oscillo avec une entrée à 15kHz pour illustrer mon propos. j'ai essayé d'ajouter des résistances de 100ohms sur les bases de Q1 et Q3 sans grands succès. je pense devoir jouer autour de C1 qui serait peut-être un peu trop gros...

en jaune l'entrée et en bleu la sortie


Malheureusement je doit laisser cet ampli tranquille pour les deux mois a venir, merci de vos réponses j'ai un peu de lecture et le schéma d'un étage d'entrée pour m'occuper !