• Les amplificateurs audio
• Lire la data sheet d'un amplificateur audio
• Un ampli idéal pour débuter: le LM386
• Le TDA2030: la hi-fi au meilleur prix
• Le TDA1521: la hi-fi en stéréo
• Visualiser la sortie de l'ampli

Les amplificateurs audio

La miniaturisation sans cesse plus poussée des composants électroniques a rendu possible la production de circuits intégrés de plus en plus spécialisés, et donc une diversification croissante de ces circuits, regroupés dans de multiples "familles" et "sous-familles"... Un simple coup d'oeil au sommaire du data book ou du hand book (catalogue) d'un fabricant suffit à s'en convaincre!

De tous les c.i. proposés au grand public (hormis les µcontrôleurs), ce sont sans doute les amplis audio qui remportent le plus de suffrages, car ils sont dans l'ensemble simples à mettre en oeuvre, leurs performances sont souvent époustouflantes, et leur prix demeure modeste, voire modique. Autant d'excellentes raisons pour sortir le fer à souder et câbler une petite platine capable de revigorer une vieux poste AM/FM ou une console de jeux portative!

Voici une petite sélection, à titre indicatif, d'amplis audio qu'on trouve facilement dans le commerce, chez les revendeurs ou en VPC:

* SIL9 = Single In Line 9 (9 broches en ligne)

Le TBA 820M et, surtout, le LM386, d'un prix très abordable, permettent de réaliser en un rien de temps des petits amplis d'une qualité très correcte et d'une puissance largement suffisante. Le TDA 2030 offre pour sa part un excellent rapport qualité/prix et sa mise en oeuvre reste à la portée d'un débutant.

Il est toutefois nécessaire, ici peut-être plus qu'ailleurs, d'apporter un soin particulier à la réalisation pratique: un travail bâclé donnera à coup sûr des résultats décevants. On veillera notamment à respecter les valeurs préconisées pour les composants périphériques et les conseils de câblage donnés par le fabricant.

Synoptique d'un système d'amplification audio complet. Le montage amplificateur nécessite bien entendu une alimentation, soit par piles, soit par transformateur, pont redresseur et régulateur. Selon que l'ampli est mono ou stéréo, on aura en sortie 1 ou 2 haut-parleurs.

Lire la data sheet d'un amplificateur audio

Comme d'habitude, la bonne démarche consiste, avant toute chose, à étudier la data sheet du c.i. choisi: ses principales caractéristiques, sa mise en oeuvre (schéma d'application...). Parmi les points intéressants à vérifier dans la notice technique d'un ampli audio, on peut mentionner en particulier:

Tension d'alimentation

Comme pour tous les AOP, la tension d'alimentation (supply voltage) est généralement symétrique (split), mais peut le plus souvent être aussi bien non-symétrique. A noter qu'une puissance importante implique un tension d'alimentation de forte valeur, couramment de l'ordre de +/- 25 V, voire davantage. En conséquence, la partie "alimentation", dont le transfo et le choix des diodes de redressement, devra faire l'objet de calculs précis (y compris en ce qui concerne le budget...).

Puissance et distorsion harmonique

S'agissant de la puissance, il faut bien distinguer plusieurs paramètres voisins et dans quelles conditions les valeurs affichées sont obtenues.

On distinguera d'abord la puissance efficace (RMS output power) de la puissance musicale (music power), telle que définie par la norme IEC 268.3. On trouvera ainsi, par exemple, une puissance dite "musicale" de 50 W, alors que toutes choses étant par ailleurs égales, la puissance efficace, sera de 35 W...

La puissance efficace, du reste, dépend de plusieurs facteurs, notamment la tension d'alimentation, la fréquence, la résistance de la charge (haut-parleur de 4 ou 8 ohms) et la distorsion harmonique. Ce dernier paramètre reflète, en définitive, la qualité du son amplifié. Or plus la puissance augmente, plus la distorsion (Total Harmonic Distortion, THD) augmente: autrement dit, la puissance augmente au détriment de la qualité... Ainsi, toutes choses étant par ailleurs égales, la THD atteindra par exemple 10% sous 35 W, alors qu'elle ne sera que de 0,5% sous 28 W et 0,05% sous 15 W.

En résumé, le seul critère "puissance" n'a pas une bien grande signification en soi, sauf si on cherche à faire le maximum de bruit...

Protection thermique

Un ampli audio, ça chauffe... On lira attentivement les recommandations du fabricant et on n'hésitera pas, dans le doute, à surdimensionner le dissipateur.

Un ampli idéal pour débuter: le LM386

Nous allons prendre un exemple concret: le LM386. Ses performances sont certes modestes, mais son prix dérisoire et sa simplicité en font un modèle tout désigné pour le débutant désireux d'apprendre "fer à souder en main"...

Le LM386 est disponible en boîtier DIL8. Le brochage est donné ci-contre. Contrairement à beaucoup d'autres amplificateurs audio, le LM386 ne fonctionne qu'avec une alimentation simple, la tension Vs (supply voltage) pouvant être fournie par des piles, voire l'allume-cigare d'une voiture. Cette caractéristique, et le faible nombre de composants périphériques requis, permet d'envisager un montage autonome très compact, donc portatif.

Consultons la data sheet fournie par le fabricant, en l'occurence National Semiconductor. D'emblée, le traditionnel résumé des caractéristiques a de quoi séduire:

• Alimentation par piles possible
• Composants périphériques réduits au strict minimum
• Large gamme de tension d'alimentation: de 4 à 12 V
• Faible courant de repos: 4 mA typique sous 6 V
• Gain en tension compris entre 20 et 200
• Faible distorsion: 0,2% (V_s = 6V, P_out = 125 mW)

Voilà donc un ampli idéal pour un usage portatif de faible puissance: il peut être alimenté par 4 piles de 1,5 V (soit V_s = 6V, c'est la tension préconisée) et son courant de repos très faible garantit la longévité des piles.

On fera ici abstraction des différences (minimes) entre les versions disponibles (suffixes N1, N3, N4, M1 etc.)

Les principales caractéristiques électriques sont les suivantes (à une température ambiante de 25 °C):

On le voit, la puissance en sortie dépend notamment de la tension d'alimentation et de la résistance du haut-parleur (R_L), mais aussi du compromis à trouver avec la distorsion harmonique.

Le gain de l'ampli est fixé, d'origine, à 20 (soit 26 dB): si on s'en contente, aucun composant périphérique n'est nécessaire. On peut toutefois augmenter la valeur du gain jusqu'à 200 (soit 46 dB), en connectant un condensateur de 10 µF entre les broches 1 et 8. Pour une valeur intermédiaire, entre 20 et 200, une résistance sera montée en série avec le condensateur. Ainsi, une résistance de 1,2 k en série avec le condensateur de 10 µF portera le gain à 50.

Il est également possible d'améliorer le rendu des basses (bass boost) en montant une résistance de 10 k en série avec le condensateur de 33 nF (valeurs indicatives) entre les broches 1 et 5.

Voici l'un des schémas proposés par le fabricant. Ainsi qu'il a été dit, les broches 1 et 8 resteront "en l'air" pour un gain de 20; pour un gain maximal de 200, on supprimera la résistance de 1,2 k.

Le niveau du signal d'entrée, broche 3, est réglé à l'aide d'un potentiomètre de 10 k; l'autre entrée (broche 2) est mise à la masse, comme le préconise la fiche technique. Le condensateur "bypass", broche 7, est facultatif; si on le câble, on choisira une valeur (non critique) de 100 µF.

Cet exemple montre que la lecture d'une data sheet devrait toujours constituer la première étape d'une réalisation pratique, dès l'élaboration du cahier des charges. Avec un peu de chance, l'un des schémas proposés par la fabricant correspondra exactement à vos besoins!

Le TDA2030: la hi-fi au meilleur prix

Le TDA2030 demeure sans conteste un choix très intéressant pour qui souhaite obtenir une excellente qualité sonore et une puissance confortable à petit prix. Qui plus est, cet ampli en boîtier "pentawatt" (5 pattes) s'avère facile à mettre en oeuvre, à condition, bien entendu, de se montrer soigneux dans la réalisation...

La tension d'alimentation peut être, au choix, symétrique ou non, et comprise entre +/-6 et +/-18 volts (alim symétrique), ou entre 12 et 38 volts (alim non-symétrique). Le courant de repos (quiescent drain current) étant de l'ordre de 50 mA sous +/-18 V, valeur non négligeable, une alimentation par piles semble exclue, hormis pour une utilisation très épisodique. Ceci est d'autant plus vrai que le courant consommé (drain current) atteint des valeurs conséquentes, en relation avec la puissance fournie...

Le brochage du TDA2030 est le suivant: 1. +Vs 2. Output 3. -Vs (ou GND) 4. Inverting input (e-) 5. Non-inverting input (e+) La languette métallique (tab) du boîtier est reliée à la broche 3.

La puissance en sortie (output power) peut atteindre 14 W sous une alimentation de +/-14 V, dans un haut-parleur de 4 ohms, avec un gain en boucle fermée de 30 dB et une distorsion de 0,5%. Si l'impédance du haut-parleur est de 8 ohms, la puissance passe à 9 W. Dans les deux cas, les fréquences vont de 40 à 15 k Hz. La distorsion n'est plus que de 0,2%, dans le premier cas, si on se limite à 12 W, et de 0,1%, dans le deuxième cas, si la puissance reste inférieure à 8 W. En résumé, le TDA2030 ne manque pas d'arguments et pourra même satisfaire un mélomane...

La data sheet de STMicroelectronics contient, outre les valeurs des différents paramètres intéressants, plusieurs schémas d'application et même les typons à l'échelle 1:1 des circuits imprimés! Ce n'est pas tout: les composants périphériques sont tous repris dans un tableau commenté, avec leur valeur recommandée et l'effet produit si on abaisse ou augmente cette valeur! Bref, cette data sheet très complète donne l'assurance d'un montage réussi, pour peu qu'il soit réalisé avec soin...

Ampli audio TDA2030 avec alimentation simple (single supply).

Le schéma d'application avec alimentation non-symétrique proposé par le fabricant du TDA2030 est donné ci-dessus. On notera la forte valeur du condensateur polarisé de 2000 µF: cette valeur peut être augmentée, mais autant que possible pas diminuée (diminution de la largeur de bande). La résistance de 1 ohm assure la stabilité de l'ampli dans les hautes fréquences. Les deux diodes 1N4001 ou équivalentes protègent le c.i. contre d'éventuels pics de surtension en sortie. Il parait sage de prévoir un radiateur à visser sur la languette du c.i.

Le TDA1521: la hi-fi en stéréo

Voici pour conclure un c.i. offrant à la fois la qualité hi-fi et la stéréophonie: le double ampli TDA1521, disponible en 2 x 6 W (suffixe A) ou 2 x 12 W (suffixe Q). Ce c.i. ouvre la possibilité de construire un véritable ampli audio "de salon" à un prix très raisonnable.

Les caractéristiques du TDA1521 sont en effet alléchantes:

• requiert très peu de composants périphériques
• entrées muettes (muted) lors de la mise sous tension ou hors tension (pas de "clic")
• excellente balance entre les deux canaux
• qualité hi-fi selon les normes IEC 268 et DIN 45500
• immunité aux court-circuits
• protection thermique

Le TDA1521 se présente en boîtier SIL9 (9 broches sur une ligne). La broche 1 est repérée par une encoche. La languette (qui est au même potentiel que la broche 5) comporte des trous de fixation pour dissipateur.

1. -INV1: non-inverting input 1 2. INV1: inverting input 1 3. GND: si alim symétrique ou 1/2 VP si alim non-symétrique 4. OUT1: output 1 5. -VP: negative supply (ou GND si alim non-symétrique) 6. OUT2: output 2 7. +VP: positive supply 8. INV2: inverting input 2 9. -INV2: non-inverting input 2

Le TDA1521 accepte aussi bien une alimentation symétrique ou non-symétrique. Avec une alimentation symétrique de +/-12 V, il procure en sortie une puissance de 2 x 6 W dans des haut-parleurs de 8 ohms, avec une distorsion harmonique totale (THD) de 0,5%.

Puissance en sortie en fonction de la tension d'alimentation. Le graphe est donné pour une tension non-symétrique, avec une charge (haut-parleur) de 8 ohms et à une fréquence de 1 kHz. On observe que la distorsion harmonique totale (THD) augmente avec la puissance. Ainsi, avec une tension Vs de 20 V, la puissance atteint 4,5 W si on limite la THD à 0,5%; elle passe à 6 W si on tolère une THD de 10%.

Voici le schéma d'application proposé par Philips, avec alimentation non-symétrique: on notera le nombre très limité de composants périphériques. La valeur maximale de la tension Vp est de 28 V. Le condensateur astérisqué (*) de 100 nF doit être implanté aussi près que possible du c.i. Le condensateur de 100 µF relié aux broches 2, 3 et 8 sert à créer une brève temporisation lors de la mise sous tension ou hors tension (input mute circuit), de manière à éviter les "clic" disgracieux.

Le schéma d'application, d'une grande simplicité, du TDA1521, version A ou Q.

Deux circuits internes de protection thermique entrent en action lorsque la température de jonction, au niveau des transistors, atteint 150 °C. On consultera la notice technique du c.i. en ce qui concerne la mise en place éventuelle (et toujours conseillée) d'un dissipateur. Sans entrer dans les détails du calcul, on peut prévoir, pour le pire des cas, un dissipateur dont la résistance thermique R_th serait d'environ 5 °C/W. Une valeur de R_th de 8 °C/W sera sans doute suffisante, sauf pour les acharnés de hard rock...

Visualiser la sortie de l'ampli

Certes, tout le monde ne dispose pas d'un oscilloscope, qui demeure un appareil coûteux. Si toutefois vous avez cette chance, la réalisation d'un ampli audio, même "rudimentaire", fournit une excellente occasion de brancher le scope!

A l'aide de la sonde, vous pourrez visualiser les variations de tension en différents points du circuit, et obtenir une image fidèle du son amplifié obtenu en sortie. Si cela vous est possible, et même si votre appareil est un modèle "d'entrée de gamme", faites varier différents paramètres du montage, en vous aidant de la data sheet de l'ampli (et en veillant à ne pas dépasser les valeurs maximales).

Une manip évidente et toute simple consiste à faire varier la tension d'alimentation. On peut aussi remplacer le haut-parleur par un modèle d'une impédance différente (4 ohms au lieu de 8 ohms, par exemple). Ecoutez et visualisez simultanément le résultat obtenu. Naturellement, on ne "touchera" qu'à un seul paramètre à la fois, pour bien comprendre son influence sur le montage.

Un petit conseil: soyez patient et rigoureux! Les réglages, prises de mesure et manipulations réclament toujours un certain temps; ne cherchez pas à aller trop vite!