Théories entrée ligne amplificateur


Questions
Bonjour à tous,
Je me pose la question sur un critère purement technique qu iest la sensibilité des entrées lignes (exprimée en mV) d’un amplificateur. Doit elle être la plus faible possible ? Je constate que globalement plus on monte en prix plus elle est basse. Quelle influence a cette sensibilité ?


Réponses
La sensibilité nominale est la tention qu’il faut appliquer à l’entrée d’un amplificateur pour que sa puissance de sortie soit à son maximum nominal.
Elle ne doit donc ni être la plus faible, ni la plus élevée possible : elle doit être adaptée au niveau de sortie de l’élément qui précède l’amplificateur dans la chaîne hi-fi.
Idéalement, les niveaux d’entrée et de sortie de chaque appareil hi-fi devraient être normalisés ; leurs propriétaires n’auraient alors pas à s’inquiéter de l’adaptation des niveaux entre les différents appareils.
Comme ce n’est pas le cas (sauf pour les lecteurs de CD et de SACD : 2 V RMS pour 0 dB numérique ; mais tous les fabricants ne respectent pas cette norme…), il faudrait en principe prendre le temps de régler les niveaux d’entrée et/ou de sortie des appareils (si cela est possible, or tous les appareils ne permettent pas de régler les niveaux d’entrée et de sortie).
La raison de cette nécessité est simple.


Soit par exemple: Un amplificateur ayant un gain de 100, une tension d’alimentation de 45 V, et une puissance de sortie de 100 W/8 ohms. Son niveau d’entrée nominal est d’environ 282 mV. C’est-à-dire que si un signal de 200 mV se présente à son entrée, le signal de sortie aura une puissance de 100 W dans une résistance de 8 ohms. La puissance se calcule de la façon suivante : P=UI, ou encore P=U²/R. Cette dernière formule permet de calculer la tension de sortie à partir de la puissance et de la charge ohmique : U=racine carrée de (PxR). Dans notre exemple, un amplificateur de 100W dans 8 ohms délivre une tension sinusoïdale efficace d’environ 28,2 V. On peut vérifier que la tension d’entrée ‘(0.282 V) multipliée par le gain (100) correspond bien à une tension de sortie de 28,2 V. A une tension sinusoïdale efficace correspond une tension de crête qui se calcule ainsi : U crête=U eff.x rac. carr. de 2 Dans notre exemple, U crête est d’environ 40 V (28,2xrac. carr. de 2).
Supposons maintenant que nous envoyions non pas 282 mV à l’entrée de notre amplificateur, mais 350 mV (0.35 V). Avec un gain de 100, cela produirait normalement une tension efficace de sortie de 35 V efficaces, soit environ 49,5 V crête. Problème Avec une tension d’alimentation de 45 V, notre amplificateur est incapable de reproduire un tel signal, dont les crêtes seront impitoyablement écrêtées à 45 V. Pour régler le problème, il suffirait de diminuer un peu la sensibilité d”entrée, mais encore faut-il que l’amplificateur dispose d’un tel réglage !
Voilà en tout cas un exemple qui montre en quoi les spécifications d’un amplificateur sont importantes : il faut en tenir compte pour être certain de ne jamais faire écrêter un amplificateur.

L’amplification


L’amplificateur sert, comme son nom l’indique à amplifier un signal donné. Grace à un enchaînement d’amplis, on peut donc faire en sorte que le chuchotement dans un micro sorte comme un tonnerre de dieu d’une enceinte de sono.
Imaginez donc : le chuchotement en question fait bouger la petite membrane d’un micro, lequel transformera ces mouvements en tension (environ 1/30ième de volt) ; ensuite ces quelques millivolts sont envoyés dans un pré-ampli (ex. console) et à sa sortie on récupère ce qu’on appelle un signal ligne (entre 1 et 2 volts). Ce signal attaquera ensuite un ampli de puissance (admettons de 1000 watt/ 4ohms). À sa sortie, on pourra ensuite mesurer environ 63 volts, ce qui suffira bien, pour faire bouger la membrane de votre enceinte de manière à ameuter le quartier.
Bien entendu rien ne se passe si on essaie de brancher l’enceinte sur le préamp (sinon un triste chuchotement) ou si vous branchez le micro dans l’ampli de puissance !!
En calculant le facteur d’amplification A de cette chaîne, on obtient :
Tension Us (sortie) divisée par Tension Ue (entrée) : A = 63 : 0,03 = 2100 !
Je veux pousser encore un peu plus loin ! Un ampli de 2 kilowatts sous 8 ohms délivre une tension de plus de 120 volts à sa sortie ! En partant d’un très faible signal de départ capté par exemple avec un micro statique qui envoie environ 1/100 ième de volt vers le preamp, le facteur d’amplification s’élève à 12000.
Pour justement éviter les calculs trop compliqués avec des différences de valeurs trop importantes (ici : Ue = 0,01 V et Us = 120 V), on a introduit le DECIBEL comme unité de mesure et de calcul.
Le décibel est une unité logarithmique et se calcule comme suit :
A est notre facteur d’amplification d’en haut, c’est-à-dire :
A égale tension sortie (Us) divisée par tension entrée (Ue)
Traduit en logarithmique cela donne : a (dB) = 20 x log (A)
a : facteur d’amplification en décibel
log : logarithme à la base 10
Pour nos deux exemple, on obtient donc :
1. A = 2100 => a = 20 log (2100) => a = 66,4 dB
2. A = 12000 => a= 20 log (12000) => a = 81,6 dB

tableau-3

Concrètement cela veut dire,que, si vous entrez 1 volt dans un ampli qui a un gain d’amplification de 26 dB, vous obtenez 20 Volts à sa sortie ou dans l’autre sens, si vous baissez le fader de votre console de 10 dB, la tension initiale tombera de plus de deux tiers ! (par exemple : de 1 volt à 310 millivolts)
Les amplis de sono ont généralement un gain d’amplification de 26 à 32 dB, ce qui veut dire qu’ils amplifient la tension d’entrée entre 20 à 40 fois.

Valeurs relatives et valeurs absolues


Cours mathématiques:

Les dB électriques
– Les dBm: L’existance du dBm est dûe à l’apparition du téléphone.
Les lignes étant au départ d’une impédance de 600 ohms
0 dBm correspond à un signal de 0.775 volt soit une puissance dissipée de 1mW.
0 dBm correspond donc à 0.775V (pour autant que l’impédance de charge soit de 600 ohms).
(Remarque: avec le temps, cette notion de 600 ohms a “disparu”. On garde alors 0 dBm = 0.775V quelque soit la charge).
– Les dBu et dBv: En “oubliant” cette histoire d’impédance, les dBu et dBv sont apparus.
0 dBv = 0 dBu = 0.775 volt.
– Le dBV: 0.775V n’étant pas forcément le plus facile à manipuler lors de calculs, le dBV (grand V !!!) est apparu. 0 dBV correspnd à un niveau électrique de 1 volt.
0 dBm = 0 dBu = 0 dBv = 0.775 V
0 dBV = 1 volt
– Les dB fs: La notion de dB fs est utilisée en numérique. Les signaux dépassant le niveau de 0 dB fs seront écrêtés. Ce qui veut dire que ces signaux ne pourrant pas être échantilonnés…
L’unité décibel est relative et elle exprime seulement la relation entre deux valeurs!
(exemple : A = Us / Ue). Pour arriver à avoir des valeurs concrètes, il faut définir une base de départ, ce qu’on a fait en introduisant les valeurs absolues comme le dBm, le dBu et le dBV.
Les Américains aiment plus travailler avec les dBV (certains fabricants ont introduit le dBv => v minuscule) et les Européens préfèrent les dBu ou les dBm. Quoi qu’il en soit, l’un sert aussi bien que l’autre, tant qu’on ne les confond pas.
Dans les fiches techniques de vos appareils, vous trouverez certainement une de ces valeurs sinon les deux :
0 dBu = 0,775 V ou 0 dBV = 1V
(c’est donc avec ces valeurs respectives, qu’il faut multiplier le facteur d’amplification A, pour obtenir une tension (U) concrète).
Si, dans les spécifications techniques de votre console, vous lisez ceci :
MAIN–OUT 4dbu, max. à 26 dBu
DIRECT-out 0dBu
TAPE-out -10 dBV
MIC-in -60 à –20 dBu
LINE-in -30 à +10 dBu


Cela veut dire en clair que :
Avec un signal à 0 dB sur vos LED de console, vous aurez une tension de 1,23 volts (4dBu) à la sortie main-out et que 15,5 volts (26dBu) est le maximum qu’elle pourra donner (saturation totale !!)
À la sortie direct-out, vous aurez une tension de 0,775 volt (signal à 0 dB sur les LED’s)
Le même signal n’aura que 0,24 volt sur la sortie tape-out
Le préamp peut encaisser des tensions de 1 millivolt à 1/10 ième de volt
L’entrée ligne peut prendre en charge des tensions de 0,03 V jusqu’à 3,2 volts


Si, à la place des dBu, les valeurs étaient données en dBV, vous obtiendriez :
4 dBV = 1,6 V et 26 dBV = 20 V
0 dBV = 1 V
–10 dBV = 0,31 V
etc.


Le niveau professionnel en studio et sono est généralement de 4 dBu (des fois 6 dBu) et le niveau home studio (et Hi-Fi) de –10 dBV, ce qui veut dire qu’en calant votre signal à 0 dB sur votre vu-mètre, vous aurez des tensions différentes selon qu’il s’agisse de matériel pro ou semi-pro !!
C’est assez important pour par exemple pouvoir caler les amplis et les limiteurs d’un système et éviter ainsi des saturations ou des problèmes de souffle etc.
La sensibilité d’entrée des différents amplis est rarement la même d’une marque à l’autre et il faut savoir interpréter les données des spécifications techniques (mode d’emploi).
Les amplis de sono professionnels ont normalement une sensibilité entre 3 et 6 dBu, ce qui veut dire qu’ils ont leur plein rendement (la puissance donnée dans la fiche technique) à 1,4 ou respectivement 2 volts.
Quand, sur une console (qui est calée par exemple à 4 dBu), vous réglez le signal de sortie sur 0 dB sur vos LED’s, vous saturez déjà légèrement l’ampli dans le premier cas tandis qu’il vous reste encore 2 dB de headroom (marge) sans saturation dans le deuxième cas, !
Attention : beaucoup d’amplis de bas de gamme ont une sensibilité très basse (0 à 2 dBu) et vous saturerez à coup sûr, si vous les attaquez avec une console calée à 4 dBu ! et un ampli qui sature constamment détruit tôt ou tard les enceintes !!

ableau-3

Assez souvent, on trouve aussi le cas contraire. On attaque un bon ampli (disons 4 dBu de sensibilité) avec une console home-studio (genre K7-multipiste, généralement calée à –10 dBV). Vous n’aurez donc jamais le son, car pour que l’ampli puisse fonctionner convenablement, il lui faut environ 1 volt !Or, la console calée à –10 dBV sort 0,3 volt à 0dB et il faudra aller jusqu’à 14 dB dans le rouge pour satisfaire l’ampli… saturation assurée !!!
tableau-4

La puissance


On a donc vu qu’une augmentation de 6 dB double la tension et qu’une diminution de 6 dB la réduit à moitié. Pour la puissance (watt) ça n’est pas le même calcul, tout simplement, parce que la puissance est calculée au carré.
La puissance P est égale la tension U au carré divisé par la résistance R :
P = UxU / R
Si on augmente la tension U de 6 dB (doublement), la puissance P sera quadruplée (UxU) !!
Ce qui nous donne le tableau suivant :

tableau-5

Donc, en ce qui concerne la puissance, 3 dB correspondent à un doublement et ainsi de suite.
Ceci veut dire aussi que, si vous baissez vos faders de sortie de 6 dB la tension de sortie tombera à moitié et votre ampli ne rendra qu’un quart de sa puissance d’auparavant !
En passant de 3 dB dans le rouge à la sortie console, la tension n’augmentera que de 0,5 volt (de 4 dBu vous passez à 7 dBu) , mais vous obligerez l’ampli à doubler sa puissance. L’ampli suivra sagement (au moins pour un petit moment), mais vos enceintes n’apprécieront pas ça !!

L’oreille humaine et le volume subjectif


Le volume du son (pression acoustique) est lui aussi converti logarithmiquement et chiffré en décibel. (et des fois en phon – une autre valeur logarithmique !)
Physiquement, la pression acoustique est mesurée en PASCAL (ou Newton/m2). La perception dynamique de l’oreille humaine étant immense, l’étendue du son le plus faible encore perceptible jusqu’au son le plus fort va à peu près de 0,00002 Pa à 1500 Pa. Pour éviter l’acrobatie des chiffres, on a converti les pascals en logarithme de la même façon que décrit plus haut en définissant les 0,00002 Pa comme point de départ, donc à 0 dB. On ne trouve pas de valeurs négatives (qui correspondraient à l’inaudible !) pour les mesures de la pression acoustique. Aux alentours de 130, 140 dB, l’oreille commence à rendre l’âme ! Beaucoup de musiciens savent de quoi je parle, sachant qu’un Marshall à donf ou une trompette à quelques centimètres atteignent sans problèmes ces pressions sonores et ça fait mal !
Une conversation normale correspond à environ 60 à 80 dB, un léger bruit de fond fait 40 à 50 dB.
Il faut savoir aussi que subjectivement le volume sonore double tous les 8 à 10 dB, mais ceci dépend aussi de la fréquence, car les médiums (entre de 1 et 4 kHz) sont toujours perçus beaucoup plus fort que les graves et les aigus ; et, moins le volume est fort, plus se creusera cette différence de perception !
Sur les chaînes Hi-Fi par exemple, on trouve le fameux réglage LOUDNESS, qui justement relève les aigus et les basses pour parer à ce déséquilibre à bas volume !

Les enceintes


Le rendement ou la sensibilité des enceintes et haut-parleurs sont donnés en décibel et là, on parle bien sûr de la pression acoustique !
Vous lisez par exemple : 97 dB 1W / 1M
Ceci veut dire que le rendement est de 97 dB pour 1 watt à 1 mètre de distance !
Pour obtenir maintenant le rendement en pleine puissance (admettons à 400 watts), il suffit d’additionner les dB ;
Si 1 watt = 97 dB => 400 watts = 97 + 26 dB = 123 dB
Ce qu’il faut savoir, c’est que la pression acoustique diminue elle aussi de façon exponentielle par rapport à la distance.
En doublant la distance, le son diminuera de moitié sa pression initiale (il aura donc perdu 6 dB) et ainsi de suite. On utilise de nouveau notre tableau pour le calcul de la pression sonore à une certaine distance.
Pour l’exemple ci-dessus :
Si notre enceinte a un rendement de 123 dB (400 W) à 1 mètre
Elle aura perdu 6 dB à 2 mètres et 12 dB à 4 mètres
À 20 mètres, la pression acoustique ne sera que de 97 dB, soit la valeur de 1 watt à 1 mètre. Et à 100 mètres, il en reste quand même encore 83 dB.
Ceci est bien sûr un peu (très!) théorique (et valable seulement pour le plein air), car la construction de l’enceinte (bass-reflex, chargé de pavillon, etc.), ainsi que les conditions atmosphériques et les diverses réflections (des murs par exemple) jouent un rôle très important pour la diffusion du son.
Pour l’exemple : Une enceinte qui est placée sur le sol dans un coin de la salle, sortira 3 à 5 dB de plus de pression acoustique que sur un pied d’enceinte en milieu de la salle ; ceci est dû aux réflexions diverses des murs et du sol qui s’ajoutent au son brut.
Mais ça permet quand même d’avoir une certaine idée de ce que peut faire (rendre) une chaîne audio.

Récapitulons


En doublant la puissance (exemple 4 enceintes au lieu de 2) on augmente de 3 dB.
Pour doubler la pression sonore (6dB) il faudra 4 fois plus de puissance.
En doublant la tension sur l’entrée d’un ampli (+6 dB), celui-ci quadruple sa puissance sortie.

tableau-7

Calculs amplificateur (1mV/10mV)


Réalisation d’une amplification de tension avec un montage emetteur commun
Amplification d’un signal alternatif de 1mV (In) et d’une fréquence de 100Hz le but est de retrouver en sortie un signal de même fréquence mais de 10mV en sortie (Out)
Le gain est alors de 10 G=Vs/Ve=0.010/0.001=10. J’ai utilisé un 2N2222 avec un gain de 175 pour un courant Ic de 2mA, le montage est en émetteur commun.
synoptique-1
Réalisation de l’amplificateur:
amplificateur-2
Le but est de déterminer tous les éléments, pour arriver à avoir 10mV en sortie.


Modèle équivalent du montage:
amplificateur-1
amplificateur-5
On souhaite avoir un gain de 10 la tension en entrée est de 1mV et en sortie nous avons 10mV. On utilise le 2N2222
On calcul les points de repos, (on ce base en régime continu les condensateurs sont retirés)
Le gain s’exprime par la relation simplifié : Av=Béta*Ib*Rcb(Rce/non déterminé par la tension d’Early)
Donc, si nous voulons un gain Av=10 pour un courant Ic=2mA ce qui donne un gain de 175 cela nous donne
R1=(Av/(Béta*Ib))=10/(175*0.000011)=10/0.002=5000Ohms,la tension au point A est donc Vcc-R1*Ic=14-(5000*0.002)=4V.
Maintenant nous imposons arbitrairement une tension de 1V aux bornes de R4 soit R4=Ur4/Ie=1/0.002=500Ohms.
La tension Vbe est d’environ 0,6V (d’apres le datasheet), ce qui nous donne 1,6V au point B, d’après la formule du pont diviseur et si nous imposons arbitrairement une valeur de R2 de 1Kohm, nous avons une résistance R3 de 129Ohms.
Maintenant il faut calculer les condensateurs de découplage (voir => Calculs du condensateur de découplage
ce qui nous donne C1=87µF et C2=22µF (tous ces résultats sont des valeurs théoriques)

gain-2
Pour une tension de 1mV efficace nous avons 1*racine 2=1,414V si on rajoute le gain de notre montage nous avons 10 fois 1,414V ce qui donne 14,14V crete, c’est bien ce que nous avons en sortie de notre montage à emetteur commun.