"Le Petit Monstre" : ampli casque THDG sur batteries

[Jacques92]

Hello !

Démarrage d'un nouveau projet DIY qui a déjà son petit nom dans le titre.

Il s'agir de réaliser un ampli casque sur batteries AGM avec des caractéristiques et une finition haut de gamme offrant un très bon silence de fonctionnement en évitant les problèmes de couplage  avec la source. L'idée de départ est un fonctionnement sur batterie en double mono.

Le but est de pouvoir driver de manière optimale tout type de casque et particulièrement les casques orthodynamiques / planar (Audeze, Hifiman, etc.).

Le cahier des charge de départ :

• fonctionnement sur batterie en double mono
  
• 8H de fonctionnement non-stop en classe A
  
• recharge automatique des batterie en l'absence d'utilisation ;
  
• Courant consommé sur les batteries constant en statique comme en dynamique
  
• un contrôle de volume passif
  
• couplage direct entre la source et l'ampli casque (passe le DC)couplage direct entre l'ampli casque et la source (passe le DC)
  
• plusieurs sortie casques en double mono sur XLR-4 ou classique sur Jack 9.3
  
• Une sortie ligne asymétrique
  
• Une sortie ligne symétrique
  

Le but est de l'utiliser comme ampli casque ou comme préampli.

A cette heure il reste tout à faire : la conception de l'ensemble des circuits, le montage, l'intégration finale en boîtier.

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Consommation dynamique constante

Le seul choix technique intangible pour cette réalisation est une consommation dynamique constante du circuit d'amplification sur batterie.
La plupart des amplis ont une consommation dynamique variable c’est-à-dire qu’en fonction du signal musical et de la charge instantanée proposée par l’enceinte, le courant prélevé par l’ampli sur l’alimentation est fortement variable. Ce type de consommation entraîne les nombreux problèmes que tout le monde connaît et que je détaille donc pas.
Pour cette réalisation, il y en a un autre moins connu : l'impédance de sortie d'une batterie (au plomb) est très faible en continu mais pas géniale en alternatif. D'ailleurs ces batteries AGM n’aiment pas du tout ça. D'où l'intérêt d'une consommation de courant de type DC.
Il y a aussi un autre argument qu'on pourrait appeler le cercle virtueux alim / ampli et qui est la résultante de ce j'ai écrit juste avant :

• plus la tension d'alimentation est stable (en fonctionnement dynamique !) mieux l'ampli fonctionnera
  
• plus à fournir par l'alimentation pour l'ampli est DC (en fonctionnement dynamique toujours !) plus la tension d'alimentation sera stable.
  

Ainsi un fonctionnement dynamique à consommation DC de l'ampli est la condition permettant d'entrer dans ce cercle vertueux.

Pour aller plus dans le détail,  Un ampli qui consommerait un courant constant permet d’obtenir le gain suivant côté alimentation:

• une tension dynamique sortie très stable car le paramètre de « régulation en courant » n’est pas sollicité par un courant DC;
  
• une tension moyenne très stable à l’échelle de temps de l’enveloppe du signal ;
  
• une stabilité accrue car l’impédance de la charge présentée devient résistive.
  

Reste à voir comment y arriver...

[Jacques92]

Consommation dynamique constante : l’amplificateur shunt.

L’amplificateur consommant un courant constant fonctionne nécessairement comme un shunt de courant.



Le courant consommé par la charge (HP) n’étant pas constant, l’amplificateur retourne à la masse un courant Ishunt tel que le courant transmis dans la charge additionné du courant de shunt soit constant. La somme des deux est le courant total consommé. Au repos, le courant de shunt est le courant de polarisation de l’amplificateur (bias). C’est le courant nécessaire pour un fonctionnement en classe A jusque la puissance voulue.

Il existe quelques topologies d’amplification permettant d’obtenir une consommation constante.



La figure /a présente la topologie d’amplification la plus simple pour une consommation constante. La source de courant dans la branche haute du circuit est une source de courant constant. Le bloc A fixe ensuite la tension de sortie tout en shuntant le courant issue de la source de courant et qui n’est pas consommé par la charge. Ce circuit à l’avantage de fonctionner avec une alimentation simple. Le condensateur à la sortie est obligatoire. Il a pour rôle de bloquer la tension continue. Le circuit fonctionne en classe A et ne permet de passer en classe AB . Un bon exemple est le Zen de N. Pass.

La figure /b représente un classique des amplis à tube : le montage Push-pull. La somme des courants traversant les bocs A et B est constante et se répartit dans les deux enroulements primaires du transformateur. Les blocs A et B fonctionne en opposition de phase. Ce circuit est capable de de passer en classe AB.

Les figures /c et /d présentent des configurations à consommation constante en couplage direct avec la charge. Chaque configuration est présentée avec une alimentation simple et avec une configuration symétrique.

La figure /c présente une configuration constituée de deux sorties à source de courant constante single-ended pontées. Comme la charge n’est plus reliée à la masse, comme dans la figure 3.a, mais reliée à la sortie d’un second étage single-end, il n’est plus nécessaire d’avoir un condensateur en sortie. Le couplage est direct. A

La figure /d (erreur, j'ai écrit b. au lieu de d. sur l'image, ce sont les deux diagrammes en bas à droite) est une généralisation du fonctionnement des blocs A et B de la configuration de la figure 3.c. Dans cette configuration, les sources de courant sont remplacées par des blocs à courant variables. Le fonctionnement est totalement symétrique : La somme des courants dans les blocs A et B est constante et la somme des courants dans les blocs C et D est aussi constante. De plus la somme des courants A et B est égale à la somme des courants dans C et D. Par rapport au circuit de la figure 3.c, le rendement est meilleur car chaque branche du pont fonctionne en push-pull. De plus, le circuit fonctionne en classe A et permet de passer en classe AB lorsque que le courant dépasse le courant de bias si les blocs A, B C et D sont conçue pour cela.
En synthèse, le tableau suivant regroupe les principales caractéristiques des configurations à consommation de courant constante.

En synthèse, caractéristiques de chaque topologie "à courant constant" :



Vu qu'elle coche toutes les cases, je sélectionne donc la toplogie "push-pull en pont" pour cette réalisation avec une seule source d'alimentation par canal pour  utiliser le minimum de batteries.

[Vacuum]

Bonsoir Jacques !

Le cercle vertueux et le virtuose

Ça me plaît ce que tu fais, je vais suivre ton sujet avec la plus grande attention !

Bonne continuation à toi.
Laurent

[Jacques92]

Salut Laurent,
Merci pour ton message très sympa.

[Vacuum]

Désolé pour le côté plutôt "intéressé" je suis à la recherche d'un amplificateur de HPs de casque

Laurent

[pda0]

Super projet que je vais suivre attentivement ! Bravo pour ces explications du cahier des charges !

[Jacques92]

Merci Philippe !


Alors comme point de départ du design Je pars d'un petit buffer que j'avais conçu il y pas mal de temps maintenant et qui équipe toujours mon préampli actuel. Je vais expliquer pourquoi je l'ai sélectionné comme base de départ mais d'abord le schéma et quelques explications :




C'est donc un buffer à transistor dont la particularité et d'être basé l'identité des caractéristiques de deux FET comme on peut le rencontrer sur des "Dual matched FET" dans un même boîtier comme le SK489 de chez Linear Device..
Le polarisations des FETS sont répliquées, ce  qui fait que le Vds et le courant des deux FET sont identiques. Du fait du montage du FET de droite :  Vgs+V(R8)=0 (car la grille est reliée au pied de cette résistance). Et comme le FET de gauche a la même polarisation, il a aussi Vgs+V(R3)=0. La grille du FET de gauche est l'entrée du circuit (in), la sortie est donc Vout = V(in)+Vgs+V(R3) c'est à dire V(out)=V(in). C'est un buffer !
Ce qu'il y a de bien dans ce circuit c'est que toutes les distorsions sont compensées par l'identité des deux transistors et le maintien de leur polarisation à l'identique en statique comme en dynamique. Y compris la distorsion thermique. Comme on le voit sur la courbe du bas, la puissance dissipée est identique pour les deux FET.
La distorsion est de 0.0003% à 2V à 20KHz.

Le courant consommé sur le rail positif d'alimentation est fixe.
Le courant consommé sur le rail négatif d'alimentation est la somme du courant fixe du rail positif + le courant consommé par la charge.
Si on prend deux circuits comme celui-ci en mode ponté  pour avoir la topologie attendue on devrait avoir :
 - rail positif : courant fixe + courant fixe = courant constant
 - rail négatif : courant fixe x 2  + courant dans la charge + courant dans la charge en antiphase = courant constant

Donc courant constant sur les deux rails d'alimentation et courant identique.
Si on alimente le circuit avec une unique alimentation (une batterie par exemple ), la consommation sera constante.

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Pontage des deux schémas au simu pour confirmer le principe :



La consommation est bien constante (à un uA près au simulateur)

Il reste donc maintenant à transformer ce circuit pour avoir la puissance voulue et du gain en conservant les caractéristiques de fonctionnement.

[fabs35]

Félicitations Jacques pour ce superbe projet ! Je vais suivre cela attentivement.

[alexlesourisseau]

Oups erreur sorry

Mp envoyé

[Jacques92]

La suite de développement.

Le schéma de départ a donc été adapté pour avoir du gain (qui sera ajustable) et pour un fonctionnement en pont.
Le structure est identique à un amplificateur d'instrumentation au niveau du gain (flottant, CR non référencée à la masse, donc non perturbée).

Voici le schéma simulé :



L'étage de sortie est très particulier. C'est un étage de sortie en X donc chaque branche latérale est un push-pull inversé. Le PNP est en haut et le NPN est en bas. Un asservissement maintient un courant de bias total qui peut s'écouler à droite ou à gauche en fonction du sens du signal. La somme des courants dans les branches droite/gauche est fixe. Ca fonctionne en classe A mais en cas de surcharge ça passe naturellement en classe AB tout en douceur (voir la courbe de passage en classe AB).
Le courant de repos est fixé à 100mA par branche soit une consommation de 200mA totale constante et une capacité en courant de 200mA en classe A (largement suffisant pour casser les oreilles sur un casque planar à faible rendement comme chez Audeze ou Hifiman).

L'alimentation d'un canal est sur une seule batterie de 12V et permet de fournis 18V crête à crète ce qui suffisant, même pour un casque 600 ohms.

Le circuit peut être attaqué en symétrique comme en asymétrique de manière naturelle (pas de circuit de conversion asymétrique / symétrique ou l'inverse).

Les mesures réalisées au simulateur en dessous...


1/ Fonctionnement entrée/sortie et courant dans la branche gauche de l'étage de sortie en X. La consommation sur la batterie est la courbe du bas. Constant à pleine puissance à 3mA près.



2/ Passage en classe AB sur dépassement de capacité. Passage sans trace de commutation.




3/ Ecrétage en sortie : soft clipping sans artefact de commutation




4/ Distorsion / attaque en symétrique, casque 64ohms, 1KHz, 2.5V Crète, en % : 0.0003% H3




5/ Distorsion / attaque en symétrique, casque 300ohms, 1KHz, 8V Crète, en % : 0.0003en dégradé



6/ Distorsion / attaque en symétrique, sur 10K (mode préampli) 1KHz, 2.5V Crète, en % : noyé dans le bruit de fond



7/ Distorsion / attaque en asymétrique, sur casque 64 ohms, 1KHz, 2.5V Crète, en % : 0.00025% typée H2 en dégradé



8/ comportement sur signal carré : temps de montée 0.5us, pas d'oscillation, pas de dépassement sur 330pF