Des transistors - Partie 5 : analyse et conception de circuits

Aujourd'hui, notre premier circuit !

Dans l'article d'aujourd'hui nous allons concevoir notre premier circuit à transistor ! Deux transistors, les circuits de polarisation et quelques capas feront un parfait treble booster pour guitare. Des NPN et des PNP peuvent être utilisés pour ce circuit. Par exemple, la célèbre - et très chère ! - Dallas Rangemaster utilise des transistors PNP au germanium (OC44). A cause des variations des paramètres , notamment le courant de fuite dans la base du transistor, chaque OC44 doit être sélectionné à la main pour améliorer le gain et le bruit. C'est la raison pour laquelle cet effet coûte si cher à fabriquer et reste plus bruyant que ceux fait à base de transistor aux silicium. Electro-Harmonix produit le LPB1 comme un simple boost à transistor NPN silicium.

On voudrait que notre booster sorte au niveau ligne et avoir trois plage d'amplification : toutes les fréquences, seulement à partir des haut-mediums et les aigus. Puisque les guitares électriques ont une forte impédance de sortie, il faut que l'impédance d'entrée de notre circuit soit très élevée, environ 1MΩ. Une impédance d'entrée plus faible va couper les aigus de notre son, ce qui donnera un son plus doux et rond. Ajoutons-donc l'option d'avoir une faible impédance d'entrée pour calmer ces hautes fréquences invasives.

La façon la plus simple d'avoir une grande impédance d'entrée est d'utiliser un buffer, ou suiveur de tension. Le circuit suivant utilise un transistor au silicium 2n2219 et a une impédance d'entrée d'environ 1MΩ. On peut en fait démontrer que l'impédance d'entrée Zin est la mise en parallèle de R1, R2 et (hfe+1)*R3. Le condensateur d'entrée retire la tension continue générée par le circuit de polarisation du transistor (R1, R2), et fait également un filtre passe-haut avec Zin. Une valeur de 10nF pour C1 nous donne une fréquence de coupure de 16Hz. La formule qui donne la fréquence d'un filtre passe-haut ou passe-bas de premier ordre est la bien connue f = 1/(2*pi*R*C). Cependant, on ne connait pas encore l'impédance d'entrée de notre amplificateur à transistor pour le moment, on ne peut pas choisir de valeur pour C2.

Une résistance génère du bruit en fonction de sa résistance et de sa température. Il vaut mieux utiliser des résistances faibles quand c'est possible pour améliorer les performances, mais attention car cela augmente la consommation de courant !

Tout d'abord, nous devons choisir une résistance au collecteur qui nous permette de rentrer dans un équipement au niveau ligne. Notre booster peut être utilisé comme un préamplificateur ! Mettons un potentiomètre de 2.2kΩ (représenté comme une résistance R6) de façon à toujours avoir une faible impédance de sortie. Comme le courant continu traverse ce potentiomètre depuis l'alimentation, on risque malgré tout d'entendre des craquements en le tournant. Cette configuration est aussi présente dans le Dallas Rangemaster et c'est à vrai dire la seule raison qui me pousse à l'utiliser ici. On cherche à avoir le maximum d'amplitude sans saturation en sortie, donc le collecteur du transistor doit être polarisé à la moitié de l'alimentation 9V, soit 4.5V. La loi d'Ohm nous donne un courant de 2mA dans notre transistor. Le gain en tension continue pourrait être utilisé pour choisir la résistance à l'émetteur mais puisqu'on va la court-circuiter avec un condensateur en parallèle pour avoir le maximum de gain possible, choisissons une valeur arbitraire de 1V à l'émetteur. Cela nous donne une résistance d'émetteur de 560Ω. Si on veut pouvoir booster toutes les fréquences jusqu'à 30Hz, on devra utiliser un condensateur de 10uF en parallèle de cette résistance. 420Hz correspond à 680nF et 1kHz, à 180nF. De cette façon, nous n'aurons un gain maximum qu'à partir de la fréquence choisie, l'amplification variera en fonction de la fréquence !

Enfin, pour polariser nos transistors correctement, on doit avoir une tension plus grande de 0.7V à la base qu'à l'émetteur, donc une tension à la base de 1.7V. Les résistances R4 et R5 forment un pont diviseur de tension pour polariser le transistor autour de ce point de fonctionnement. L'impédance d'entrée du circuit étant environ égale à Zin = R4/R5, on peut choisir une valeur pour C2 égale à 1uF pour laisser toutes les fréquences entrer dans l'amplificateur jusqu'à 30Hz. On doit retirer aussi la tension continue à la sortie et placer une charge pour empêcher que le condensateur aie une patte en l'air quand rien n'est connecté en sortie. Une résistance de 100kΩ est une bonne base, car cela n'interfèrera pas avec l'impédance d'entrée de l'équipement suivant, et le condensateur a pour valeur 100nF pour une fréquence de coupure de 16Hz.

Le potentiomètre au collecteur agit comme une charge pour notre transistor dans cette structure d'émetteur commun. On a déjà étudié par le passé la relation entre le courant dans le transistor et sa tension base-émetteur : dIc = gm*dVbe. La loi d'Ohm nous donne alors une tension aux bornes du potentiomètre dVout = -R6*dIc, d'où la relation en tension de l'amplificateur dVout = gm*R6*dVin. On peut calculer gm = 1/R7, ce qui donne un gain pour notre amplificateur de Av = -R6/R7, soit environ 4. Cependant, puisqu'on court-circuite R7 aux hautes fréquences grâce à notre réseau de condensateurs, le gain en tension augmente jusqu'à sa valeur maximale de -R6/rd, environ 100 ! On a un amplificateur sélectif.

On peut alors utiliser un commutateur DPDT pour activer ou non le buffer d'entrée pour avoir un énorme boost, ou réduire les fréquences aigues trop violentes en utilisant seulement notre amplificateur avec sa faible impédance d'entrée ! Le circuit complet se trouve juste après. La résistance de 1MΩ placée en entrée donne une référence en en tension au condensateur C1 pour réduire les pops à l'activation.

Et voilà, c'est "aussi simple que cela" de concevoir un premier circuit ! L'étape suivante est le prototypage, avant de créer des circuits imprimés et de lancer une production...