Triodes en Faibles Tensions

TriodesenFaiblesTensions
Amplificateurslinéairessous‐alimentés
DeMerlinBlencowe(traduitdel’anglaisparRomainBoisnard)
Introduction
Traditionnellement,leterme«starvedamplifier»(amplificateursous‐alimenté)étaitd’abordsynonymed’une
pentodeopérantavecunetrèsfaibletensiondegrille,maistoujoursavecunealimentationconventionnellede
l’anodeàunefortetension.Onatrouvéquesousdesconditionsoptimales,detelscircuitspouvaientfournir
ungainextrêmementélevé–bienplusqu’avecdefortestensions–etquelquesingénieursontexploitéces
propriétéspourdesamplificateursd’instrumentations.Avectantdegaindebasedisponible,ungrosfeedback
négatifpouvaitêtreutilisé1.
Cependant,monbutn’estpasdediscuterdespentodessous‐alimentées;unegrandsquantitéd’information
existedéjààcesujet2,3.Alaplace,j’examinerail’utilisationdetriodesordinairesopérantssousdesconditions
vraimentsous‐alimentées,c'est‐à‐direen‐dessousde12V.J’aichoisicettevaleurcarc’estlaplusfortetension
quelaplupartdesadaptateurssecteurs/alimentationsréguléesfournissent.Aussi,onreconnaitlargement
quel’amplificationlinéaireestpratiquementimpossiblesousdetellesconditions,mais,commej’espèrele
démontrer,cen’estpasforcémentvrai.
Caractéristiqued’anode
Lesdocumentationstechniquesnefournissentpasd’informationutilepouruneutilisationavecdetrèsfaibles
tensionsetlesmodèlesSPICEsonttoutaussi
inutiles.Enfait,lafigure1devraitdonnerune
idéeàquelpointnousnousaventuronshorsdes
sentiersbattus!C’estpourquoij’aidécidéde
releverlescaractéristiquesd’anodedequatre
typespopulairesdelampesàdestensions
d’anodejusqu’à10V(carmonoscilloscope
disposeopportunémentdedixdivisions
horizontales).J’aiaussirelevélecourantdegrille,
dontl’importancedeviendraclairelemoment
venu.
J’aitrouvéquel’appariementdestriodesdansle
mêmetubeestgénéralementbon;presque
autantquevouspourriezvousyattendredans
uneutilisationordinaireàfortestensions,maisla
variationentredifférentstubesdumêmetypeest
pluslarge,particulièrementaveclesECC81et
ECC83oùlarésistanced’anode(ra)peutvarier
jusqu’à50%autourdesavaleurmoyenne.
Cependant,cettevariationn’estpassiimportantequ’onnepuisses’yadapteravecuncircuitdepolarisation
(bias)variable,commedécritplusloin.
Lafigue2montrelescaractéristiquesd’anodequej’aiobtenues.Ellesontétéproduitesenmesurantdixtubes
choisisauhasardpourchaquetype(deprovenancesetfabricantsvariés),puisenmoyennantlesrésultats.Bien
quelaformedescourbessoittrèsdifférentedecellesauxquellesons’attendàhautestensions,les«qualités
debase»dechaquetyperestentcohérentes.Parexemple,l’ECC88laisseapparaîtrelameilleurelinéarité,le
plusfortgmetlaplusfaiblera.L’ECC83aungrandµetlaplusfortera,alorsquel’ECC81aaussiunfortµmais
uneplusfaiblera,similaireàcelledel’ECC82.
Audépart,nouspourrionsnousattendreàcequel’ECCC88soitlemeilleurchoixpours’amuseraveclesfaibles
tensionspuisqu’ellesembleoffrirleplusfortgainetlameilleurelinéarité.Eneffet,ellepeuttrèsbien
fonctionnerdansuncircuithybride.Cependant,pourdesraisonsquiparaitrontévidentes,l’ECC82estlalampe
dechoix,jel’aidoncutiliséedanslaplupartdemescircuitsdetest.

Courantdegrille
Lafigure3montrelecourantmoyenpourles
mêmeslampesetlesrésultatsnesontpas
surprenants.Lecourantdegrilleaugmente
généralementavecgmcarcelademandeunfaible
espacementgrille‐cathode.L’ECC82estune
exceptioncarelleaunegrilleenroulée
grossièrement(faibleµ)quin’attiredoncpas
beaucoupd’électronsmalgréunfaible
espacementgrille‐cathode.Letalond’Achillesde
l’impressionnanteECC88estqu’ellepompeun
courantdegrilledeuxfoisplusélevéquel’ECC81
etprèsdehuitfoisceluidel’ECC82oul’ECC83!
Lecourantdegrilleestcequicomptevraiment
danslaconceptiond’amplificateurssous‐
alimentéscarnousn’avonspasd’autreoptionque
d’opéreravecunetrèsfaiblepolarisationdela
grille,danslarégionoùlescourantsdegrillene
peuventpasêtrenégligés4.Lorsqu’ontravaille
avecdehautestensions,nousnenousinquiétons
normalementpasdecelaetlarésistanced’entrée
delagrilleestconsidéréecommeinfinie,maisce
n’esttrèsclairementpaslecasmaintenantque
noussommescoincésdanslarégiondescourants
degrille.
L’inversedugradient(oul’inversedeladérivée,ouencorel’inversedela«penteS»,NDT)delacourbedu
courantdegrillereprésentelarésistanced’entréedelagrilleet,avecunepolarisationd’environ‐0.25V,cela
faitprèsde20kΩpouruneECC82ouECC83,alorsquecelafaitprèsde7kΩpouruneECC81etàpeine3.6kΩ
pouruneECC88!Lorsquelatensiondegrilledevientpluspositive,larésistanced’entréechuteencoreplus.

Pourcetteraison,lescircuitssous‐alimentésaurontpresquetoujoursbesoind’êtreattaquésparunesourceà
faibleimpédance.
Purement,cescourbesnes’appliquentquepourunetensiond’anodede12V.Pourdestensionsd’anodeplus
faibles,lecourantdegrilleaugmenterapuisquel’anodedevientmoinsperformantepourattirerlesélectrons
verselle,loindelagrille.Heureusementcependant,lesvariationssontnégligeablespourdestensionsd’anode
entreenviron3Vet15V,aumoinsdanslarégionquinousintéresse.
Desquatretypesdelampestestées,l’ECC82étaitlaplusfavorableparsonplusfaiblecourantdegrille,une
bonnecohérenceentrelesdifférentséchantillonstestésetc’étaitaussilamoinschèredulot(entoutcas,làoù
jevie).Bienqu’elleaitleplusfaibleµdulot,celalarendmoinsdélicateàpolariserquelesautreset,avecdesi
faiblesoscillationsentensiondisponibles(ensortie,NDT),nousn’avonsdetoutefaçonprobablementpas
besoind’avoirungainmonstrueux.
Puisquenousdevonsmaintenantcombattrelescourantsdegrille,nousdevonstraiterlalampeplutôtcomme
untransistoretlapolariserenmanipulantlatensiondegrille;lapolarisationdecathodeordinairen’estplus
uneoptionconvenable.Alaplace,lestroisméthodesdepolarisationlespluspratiquessont:
• AlimenterlagrilledirectementparunesourceDCdefaibleimpédance(parexunampliop).
• Polarisationtraditionnelleparcourantdegrille(reliéàlamasse,NDT).
• Polarisationparcourantdegrilleen«pull‐up»(reliéàl’alimentation,NDT).
Cesméthodessontexploréesci‐dessous.
Circuitshybrides
Lafigure4montreunexempledecircuitqui
utiliseunamplioppouralimenterlagrille.
Puisquel’ampliopnepeutpasalimentersasortie
jusqu’àlamasse(l’ampliopestalimentéen12V
nonsymétrique,lasortiedesamplisopest
souventlimitéeàuneportionréduitedela
tensiondisponiblesurl’alimentation,danscecas,
probablementde1Và11Vetlasortiedel’ampli
opnepeutdoncpasêtreprévuepour
fonctionnerà0Voumêmeunpeuen‐dessous,
NDT),unerésistancedecathodeestajoutéepour
quelatensiondetravaildelacathodesoit
d’environ3V,etlatensiondegrillejusteen
dessousdecela.Enfaisantvarierle
potentiomètre,lasortieDCdel’ampliop–et
donclapolarisationdelagrille–peutêtrealtérée
pourconveniràdifférenteslampes,permettant
detrouvervraimentfacilementdesconditionsde
travailoptimales.Cetamplioppourraitbiensûr
êtreconfigurépourungainplusqu’unitaire.
LefreindegrilleR4peutnécessiterquelquesexplicationscarsonboulotesttrèsspécifique.Sanscette
résistance,ladistorsionestcequevousattendriezd’unetriode:principalementdesharmoniquesdu2ndet
4èmeordreavecquelquesunesdu3èmeetsupérieur.Cependant,enautorisantlecourantnon‐linéairedela
grilleàcirculeràtraversunfreindegrille,latensiondusignalquiapparaitsurlagrilleserapré‐distordueou
compressésurlesalternancespositives.Lalampeamplifiealorscesignaletledistordencoremais,cettefois,
surlesalternancesopposées,sibienquelesignalfinaldesortieseretrouvemoinsdistorduqu’avantquela
résistancenesoitajoutée!Leprixpayépourcelaestuneréductiondugainpuisquelefreindegrilleformeun
diviseurdepotentielaveclarésistanced’entréedelagrille.
Lavaleurdufreindegrillequioptimisecetteannulationdedistorsiondoitêtretrouvéeparexpérimentation.
J’aitrouvéque4.7kΩ étaitassezbonpourl’ECC82etencoreassezprochepourl’ECC81/3.Unevaleurtrop
élevéetendàtroppré‐distordrelesignaletdécalelasignatureharmoniqueducircuitd’ordresprincipalement
pairsversdesordresprincipalementimpairs(Lesmusiciensdevraientvouloirexploitercefait!).
Legainentensiondececircuitétaitde7.5avecuneECC82etlasortiemaximumavantunedistorsionvisible
suruneondetriangulaireétaitde1.5Vp‐p(crêteàcrête,NDT).A4Vp‐p,leTHDdépasse3%(TotalHarmonic
Distortion,NDT).

L’impédancedesortieducircuitprécédantétaitélevée,environ20kΩ,maiscelui‐cipourraitêtre«bufferisé»
avecunautreampliop(consisteàdiminuerlecourantdesortied’uncircuit,NDT).Celaouvrelapossibilitéde
«bootstrapper»(consistegénéralementàajouterun«feedback»positifquifavoriselesconditionsde
démarrage,NDT)larésistanced’anode,come
montrédanslafigure5.Lachargedel’anodea
étéséparéeendeuxpartiesetlasortiedel’ampli
opestreliéeàlajonctionàtraversunecapacité.
CelagrossitlavaleureffectivedeR6,lafaisant
ressembleràplusieursméga‐ohms,etfaisant
ainsi,lecourantàtraverslatriodedevient
constant(ladroitedechargedevienthorizontale)
etlegaindel’étagedevientégalauµdela
triode.Deplus,puisquelecourantd’anodeest
maintenantconstantetqueµnevariequepeu,
ladistorsiongénéréeparlalampeestréduiteet
nousn’avonsplusbesoindefreindegrillepour
annulerladistorsion(àmoinsquenousne
voulionsdélibérémentajouterdeladistorsion).
Enfait,unepetitevaleuraétéretenuepourfaire
bonnemesure,principalementpourisolerl’ampli
opdescapacitésparasites.
Grâceau«bootstrapping»,legainducircuitàbondità15avecuneECC82,ou35avecuneECC81.La
distorsionà4Vp‐pensortieétaittropfaiblepourmoipourladétecteraveclesfonctionsFFT(FastFourier
Transform,NDT)demonoscilloscope!Grâceaufaiblegaininhérentàlaconceptionavecdestriodessous‐
alimentéesetlalibertéd’utiliserdelargescapacitésdecouplage,labandepassanteà‐1dBdetouslescircuits
quej’aiessayéétaitplusgrandeque10Hz–100kHz.
Cependant,certainslecteursremarquerontrapidementque,dansledomainedel’amplificationlinéaire,utiliser
desamplisoppouraccompagnerdeslampesn’apastellementdesens;aprèstout,nouspourrionstout
simplementconstruireuncircuitbaséuniquementsurdesamplisopetnepass’embêteravecdeslampesqui
n’apportentquedistorsion,bruitetautreslimitations.
D’unautrepointdevue,sinousvoulonsréellementunedistorsionàbasedelampepour,parexemple,uneffet
musical,cetteapprocheestalorstrèssensée.Lesamplisoppeuventfaciliteruneforteimpédancedesortie,
faibleimpédanced’entrée(sortieetentréerelativesàlalampe,NDT),gainadditionnelpourobtenirl’overdrive
delalampe,desinterrupteursélectroniquessansclicks(soitlesgrésillementsduesauxmauvaiscontactsdans
lesinterrupteursmécaniques,soitlebruitcaractéristiquedesinterrupteursàrelaiscourammentutilisésavec
deslampes,NDT)etunhôtepourd’autrescommodités.Laseulechosequ’ilsnefournissentpasestune
distorsiongracieuse,contrairementauxlampes,cequirendlemariagejudicieux!Celadevraitparticulièrement
intéresserquiconquejouedelaguitareélectrique…
Circuitscomposésuniquementdelampes
Sinousvoulonsenfaitconcevoirunsimpleétagecomposéuniquement
delampespourlahifi(j’utiliseletermeaminima),nousdevonsalors
noustournerverslapolarisationparcourantdegrille.Lapolarisationpar
courantdegrilletraditionnelleconsistesimplementàconnecterune
résistancedefuitedirectemententrelagrilleetlacathode,etlecourant
degrillequicirculealorsenboucledéveloppeunetensionnégativesurla
grille,commeillustréenfigure6(sivousvousdemandezcequialimente
cecircuit,c’estlachargedel’espaceelle‐même)‐(ils’agitd’uneblague
del’auteur,quevousn’alliezpasimaginern’importequoi,NDT).
Cependant,certainespersonnesfontl’erreurd’essayerd’utiliserdes
valeurscourantespourlarésistancedefuitecomme1MΩ,maiscette
valeurestbientropélevéepourunfonctionnementsous‐alimenté;cela
polariseralatriodeàsalimitedefonctionnement(Vgtrèsnégatif,NDT)!
Demanièreadéquate,sinousvisonsunepolarisationde0.2Vavec
l’ECC82,alorsnousdéduisonsdelafigure3quelecourantdegrilleest
estiméàenviron9µA.Laloid’Ohmnousdonnelarésistancenécessaire:
Rg=0.2/9x10‐6=22kΩ.

Mêmelarésistancedefuitecorrecteaunegrosseinsuffisance.Larésistanced’entréedelalampeétaitdéjà
plutôtfaible,maisavecuneautrerésistanceenparallèle,elledevientencored’autantplusfaible!Puisqu’iln’y
aapparemmentaucunavantageàutilisercetteméthodede
polarisationdansdesconditionsdesous‐alimentations,ellepeut
êtrerejetée.
Uneapprocheplusutileestlapolarisationparcourantdegrilleen
«pull‐up».Celan’impliqueriendeplusquedeconnecterla
résistancedefuiteàl’alimentationplutôtqu’àlacathode.Par
exemple,silatensiond’alimentationestde12Vetquenous
voulonsànouveauunetensiondegrillede‐0.2V,alorslachute
detensionautourdelarésistancedepull‐updoitêtrede12.2V.
Onadéjàmontréquelecourantdegrilleétaitde9µAdoncla
résistancedepull‐updoitêtre:Rg=12.2/9x10‐6=1.4MΩ.Cela
estassezgrandpourn’avoirpresqueaucuneffetsurl’impédance
d’entréeducircuit.
Celapeutavoirl’airétrange–obtenirunetensiondegrille
négatived’unerésistanceconnectéeàl’alimentationpositive–
maisc’estsimplementainsiqueleschosesfonctionnentdansle
mondedescircuitssous‐alimentés.Deplus,cetteméthodevous
autoriseàjoueravecdespolarisationsdegrillenullesvoire
positives(dansuncircuitavecdesifaiblestensions,aucunmalne
serafaitàlatriodeaveccetteméthode).D’ailleurs,cette
méthodedepolarisationestmentionnéedansunbrevetpourune
pédalededistorsionpourguitareélectrique,bienqueles
concepteursnecomprenaientapparemmentpaspourquoicela
fonctionnait5!
Lafigure7montreuncircuitbasiqueutilisantcettepolarisation
enpull‐up.Lapolarisationoptimalepourlesmeilleures
performancesaététrouvéeparexpérimentation.Laméthode
précédented’annulationdedistorsionpeutêtreutiliséeici,maislegainserasacrifié(avecuncircuithybride,
unmanquedegainn’estgénéralementpasunproblèmepuisqu’ilpeutêtrefaitvialesamplisop).Un
compromisavecunevaleurde1kΩ aétéutilisédansmoncircuitdetest,donnantuneimpédanced’entrée
mesuréed’environ11kΩ.C1doitêtredetypenon‐
polarisé(NP)carlatensiondegrilleestgénéralement
négativemaisserapositiveavantquelacathodene
chauffe.
L’impédancedesortiedel’anodeestplutôtélevée,
biensûr,maisellepourraitêtrebufferiséeavecun
transistoràfortgain.Lafigure8montreuneversion
quialimenteraunechargede10kΩ sanstropde
soucis.
Cependant,nousnousretrouvonsdenouveauavecun
circuithybride,alorsremplaçonsletransistorparun
montageàanodecommune(cathodefollower)et
produisonslecircuitdelafigure9.C’estleplussimple
étagesous‐alimentéetuniquementcomposéde
lampesquejepuisseenvisager,toutenobtenantdes
performancestolérables.Larésistancedepull‐upest
remplacéeparunpotentiomètrequipermetà
n’importequelleECC81/2/3d’êtreutilisée.Le
potentiomètredevraitêtreajustéjusqu’àcequela
tensionmesuréesurl’anodesoitentre5Vet6V,ouvouspouvezutiliservosoreillespourtrouverlameilleure
position.EnutilisantuneECC82,j’aimesuréungainde8.5etlasortiemaximaleavantdistorsionvisibleétait
de2Vp‐p.A4Vp‐p,leTHDétaittoujoursinférieurà2%,principalementdesharmoniquesdusecondordre.
C’estenfaitmeilleurquelecircuithybridedelafigure4,cequilaissesupposerquelemontageanode
communepourraitlui‐mêmecontribueràannulerladistorsion…