Guide complet pour tester les amplificateurs audio avec un oscilloscope

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Quand on commence à bidouiller avec des amplificateurs, tôt ou tard vient le moment de dépasser le simple constat « ça sonne fort » pour vouloir en savoir plus. Que fait réellement le circuit à l'intérieur ?Surtout lorsqu'on achète un amplificateur de classe D bon marché sur Internet ou qu'on construit un amplificateur à tubes fait maison, il est normal de se demander si les formes d'onde que l'on voit sur l'oscilloscope signifient que l'appareil est bon, mauvais ou simplement « correct pour le prix ».

De nombreux passionnés sont surpris de constater qu'un amplificateur à dix euros acheté sur AliExpress affiche un signal plutôt « sale » à l'oscilloscope, avec des résidus de commutation et du bruit haute fréquence, alors que, lorsqu'on l'utilise avec de la musique, le son est plus qu'acceptable. Ce genre de situation nous amène à comprendre que… Mesurer un amplificateur audio avec un oscilloscope ne consiste pas seulement à vérifier si la forme d'onde est esthétique.mais plutôt d'interpréter ce que nous voyons, de savoir quelles preuves sont pertinentes et comment les mettre en contexte avec ce que nos oreilles entendent.

Pourquoi il est judicieux de mesurer les amplificateurs audio avec un oscilloscope

Quand on débute dans le monde de l'audiophilie ou de la construction d'amplificateurs DIY, on a souvent tendance à penser que tant qu'un appareil « ne sature pas le son », il est suffisamment bon. Mais la curiosité de le tester ne tarde pas à se faire sentir. Si l'amplificateur se coupe, quel niveau de bruit parasite génère-t-il ? Comment gère-t-il les différentes fréquences ? Ou si le signal oscille de manière anormale. C'est là qu'intervient l'oscilloscope, ainsi qu'un générateur de signaux ou, à défaut, un logiciel gratuit faisant office à la fois de générateur et d'analyseur.

L'essentiel est de mettre en place une sorte de mini-laboratoire à domicile Nous pouvons y effectuer des tests similaires à ceux réalisés sur un banc d'essai professionnel, mais avec des outils facilement accessibles : un oscilloscope physique (ou un oscilloscope logiciel via la carte son), un générateur de fonctions ou un PC qui génère des balayages et des tonalités via la sortie audio, ainsi que des charges et des atténuateurs. Grâce à cela, nous pouvons obtenir des données très utiles de n'importe quel amplificateur, qu'il s'agisse d'un amplificateur à tubes haute fidélité ou d'un module de classe D économique.

De plus, ce type de mesures contribue à déconstruire le mythe selon lequel toute forme d'onde « moche » est synonyme de mauvais son. Parfois, c'est même le contraire : Les images peuvent être effrayantes, mais le résultat sonore est parfaitement adapté. On s'attend à ce que le matériel bon marché ou d'entrée de gamme offre les performances attendues. Bien sûr, le matériel haut de gamme exige des formes d'onde et des taux de distorsion irréprochables, mais le contexte est essentiel.

Un autre point intéressant est que nombre de ces tests reposent sur Logiciel d'analyse audio gratuitConçus pour fonctionner avec la carte son d'un ordinateur, ces programmes permettent de visualiser de manière très visuelle les spectres, les harmoniques, la réponse en fréquence, les niveaux de THD, etc., ce qui en fait un complément idéal à l'oscilloscope classique.

En bref, effectuer des mesures avec un oscilloscope et un logiciel n'est pas réservé aux ingénieurs : tout amateur, avec un peu de soin et la volonté d'apprendre, peut le faire. Tirez bien plus de vos amplificateurs, ajuster les conceptions, détecter les défauts et, surtout, comprendre pourquoi votre équipement sonne comme il le fait.

Concepts de base avant de connecter l'oscilloscope

Avant de commencer à insérer la sonde de l'oscilloscope dans n'importe quelle partie du circuit, il est judicieux de clarifier quelques points. Des concepts électriques qui reviendront sans cesse.Impédance, distorsion, réponse en fréquence, harmoniques, saturation, bruit de fond, ronflement secteur, etc. Pas besoin d'être ingénieur, mais il faut absolument savoir ce que l'on cherche à mesurer.

Lors des tests d'amplificateurs audio, nous distinguons toujours la partie de signaux basse fréquence (audio proprement dit) Dans certaines configurations, un composant radiofréquence (RF) est nécessaire, par exemple lors de l'utilisation d'amplificateurs fonctionnant autour de 1 MHz. Dans ces cas, on trouve des éléments tels que le bloqueur de courant continu, la terminaison 50 Ω et parfois des atténuateurs RF spécifiques.

En RF, une chaîne de caractères typique pourrait ressembler à ceci : Amplificateur RF → Bloqueur CC → Charge ou terminaison de 50 ΩComprendre le rôle de chaque composant permet d'éviter des erreurs coûteuses, car nous travaillons avec des niveaux de puissance et des fréquences où une simple négligence peut tout gâcher instantanément. En audio pur, cependant, la situation est différente : au lieu de se préoccuper des lignes de 50 Ω, on se concentre sur les impédances d'entrée et de sortie, la distorsion, l'écrêtage et le bruit.

Un oscilloscope, même simple, nous permet de visualiser la forme d'onde au fil du temps et de détecter Écrêtage, oscillations, pics étranges, bourdonnement ou bruit haute fréquenceS'il possède également une fonction FFT, ou si nous le combinons avec un logiciel d'analyse, nous pouvons également visualiser le contenu fréquentiel et la distribution harmonique, ce qui ouvre la voie à des mesures THD et de réponse en fréquence très précises.

Enfin, il est important de tenir compte des limitations de l'appareil de mesure lui-même : plage de tension admissible, impédance d'entrée, bande passante, type de sonde, etc. Ces informations sont essentielles pour déterminer si l'on peut connecter l'oscilloscope directement à la sortie de l'amplificateur ou s'il est nécessaire de… une sonde atténuatrice 10:1 ou un atténuateur supplémentaire afin d'éviter de dépasser la plage de fonctionnement ou de modifier excessivement le circuit testé.

Tests de base sur les amplificateurs audio : que faut-il mesurer ?

Si vous souhaitez aller au-delà du simple constat « ça sonne bien », il est conseillé d'effectuer une série de tests standardisés qui vous donneront une idée précise des performances techniques de l'amplificateur. Dans le monde professionnel, de nombreux paramètres sont mesurés, mais avec du matériel domestique, on peut se concentrer sur… Quelques-uns qui fournissent beaucoup d'informations sans trop compliquer les choses..

Parmi les tests les plus utiles, on trouve la mesure de impédance d'entrée (pour savoir quelle charge la source du signal voit), impédance de sortie (pour comprendre comment il contrôle le haut-parleur et le facteur d'amortissement), impédances entre les étages (très intéressant dans les amplificateurs à tubes à plusieurs étages de gain), ainsi que dans différents types de distorsion harmonique, avec ou sans contre-réaction.

Il est également très instructif d'étudier le saturation de l'amplificateur avec une onde sinusoïdaleCeci indique le niveau d'entrée jusqu'auquel le signal reste propre et à partir duquel l'amplificateur commence à saturer. L'oscilloscope affiche clairement la transition d'une onde sinusoïdale « ronde » à un signal aux pics aplatis, symétrique ou asymétrique selon la conception du circuit.

Outre ces tests davantage axés sur la linéarité, il est judicieux de consacrer du temps à des mesures de bruit, bourdonnement du secteur, interférences radiofréquences et oscillations possibles En dehors de la bande audio, de nombreux amplificateurs apparemment silencieux oscillent en réalité dans la gamme des ultrasons, ce qui peut entraîner un échauffement des composants, des instabilités ou des interférences avec d'autres équipements, même si rien n'est perceptible à l'oreille.

Enfin, des analyses peuvent être effectuées sur réponse en fréquence et spectresIl s'agit de vérifier comment le gain varie dans les graves, les médiums et les aigus, à quel moment le niveau commence à baisser, s'il y a des résonances indésirables, etc. Dans les amplificateurs à tubes avec transformateur de sortie, par exemple, ces tests permettent de voir dans quelle mesure le transformateur limite les extrémités de la bande.

Utilisation de l'oscilloscope dans les configurations RF : bloqueur de courant continu, terminateur et atténuateur

Lorsque l'amplificateur avec lequel nous travaillons n'est pas seulement destiné à l'audio, mais à un Amplificateur RF fonctionnant autour de 1 MHz Dans certains cas, des considérations supplémentaires liées à l'adaptation d'impédance et à la protection de l'équipement de mesure entrent en jeu. On trouve alors fréquemment des configurations incluant des bloqueurs de courant continu et des terminaisons de 50 Ω en sortie.

Le bloqueur de courant continu est placé à éliminer tout composant continu Cela pourrait provenir de l'amplificateur et endommager la charge ainsi que les équipements en aval. Il s'agit, en fait, d'un condensateur dimensionné pour fonctionner dans la bande de fréquences souhaitée sans introduire de chute de signal perceptible.

Ensuite, un terminateur RF est généralement connecté, typiquement un Résistance de 50 Ω faisant office de charge adaptéeCela empêche le signal de se réfléchir sur la ligne et assure un fonctionnement stable de l'amplificateur. Si le système est conçu pour une impédance de 50 Ω, l'utilisation de ce type de terminateur est pratiquement indispensable.

La question qui se pose généralement est de savoir si l'oscilloscope peut être connecté directement à cette ligne RF ou si un atténuateur spécifique est nécessaire. La réponse dépend du niveau de tension et de l'impédance de sortie de l'amplificateur, ainsi que de la capacité des voies de l'oscilloscope. Dans de nombreux cas, un La sonde 10:1 fait déjà office d'atténuateur et réduit l'impact sur le circuit.Cependant, en RF pure, il est également très courant d'utiliser des atténuateurs calibrés qui maintiennent l'adaptation de 50 Ω tout au long de la chaîne.

Si nous utilisons un amplificateur à bas coût pour fonctionner avec des équipements coûteuxIl est essentiel de connaître la tension maximale que l'étage peut fournir, le type de charge pour lequel il est conçu et les limitations de votre oscilloscope. Cela permettra de déterminer si une simple sonde atténuée est suffisante, s'il faut un atténuateur fixe de 10 dB ou 20 dB par exemple, ou s'il est avantageux de diviser une partie du signal à l'aide d'un diviseur ou d'un coupleur directionnel.

Mesure des amplificateurs à tubes : tests typiques et comment les interpréter

Les amplificateurs à tubes ont un charme particulier : ils mélangent Savoir-faire, design classique et une bonne dose de subjectivité sonoreCependant, au-delà du fait que le résultat sonne « cool » à l'oreille, il est très utile de les soumettre à une série de tests standardisés pour comprendre ce qu'ils font réellement et quelles sont leurs marges d'amélioration.

L'une des premières mesures recommandées est la impédance d'entréeConnaître l'impédance d'entrée de la source du signal (préamplificateur, convertisseur numérique-analogique, pédale d'effet, etc.) permet d'éviter les charges trop faibles qui pourraient surcharger l'étage précédent, modifier sa réponse en fréquence ou introduire de la distorsion. Une impédance d'entrée élevée est généralement sans danger pour la source, même si elle peut rendre le circuit plus sensible au bruit et aux câbles longs.

La impédance de sortie C'est tout aussi important, car cela détermine dans quelle mesure l'amplificateur contrôle le mouvement du haut-parleur. Dans les amplificateurs à tubes, le transformateur de sortie joue un rôle clé ; sa conception influe à la fois sur le facteur d'amortissement et sur l'extension des basses et des aigus. En mesurant le comportement de la sortie sous différentes charges, on peut se faire une idée de l'adéquation réelle entre l'amplificateur et les haut-parleurs.

Il est également intéressant d'analyser le impédances entre les étages au sein de l'amplificateur lui-mêmeCela est particulièrement vrai pour les conceptions comportant plusieurs tubes à gain et des suiveurs cathodiques. Un mauvais couplage entre les étages peut entraîner des chutes de niveau, une saturation des hautes fréquences, voire des instabilités, tandis qu'un dimensionnement approprié garantit un transfert de signal propre et prévisible.

Un autre domaine clé est l'étude de Distorsion harmonique totale (THD) avec et sans rétroaction négativeLa rétroaction réduit considérablement la distorsion et aplanit généralement la réponse en fréquence, mais elle modifie également la distribution des harmoniques (paires, impaires, d'ordre supérieur, etc.). En mesurant avec une onde sinusoïdale pure et en observant le spectre, on peut déterminer quelles harmoniques prédominent et comment leur niveau varie lorsque la boucle de rétroaction est activée ou désactivée.

Enfin, les tests de saturation et écrêtage avec des signaux sinusoïdaux Ces courbes nous montrent le comportement de l'amplificateur lorsqu'il approche de sa limite. L'amplitude du signal d'entrée est augmentée progressivement jusqu'à l'apparition de pics aplatis sur l'oscilloscope. Le type d'écrêtage (doux, dur, symétrique, asymétrique) révèle beaucoup de choses sur le caractère de l'appareil et permet de comprendre pourquoi certains amplificateurs « saturent » plus facilement que d'autres lorsqu'ils sont poussés à leurs limites.

Réponse en fréquence et utilisation de logiciels libres

L'un des tests les plus gratifiants, même avec un équipement très basique, est la mesure de réponse en fréquence de l'amplificateurL'objectif est de comprendre comment le gain varie sur toute la gamme audio (par exemple, de 20 Hz à 20 kHz) et de détecter les baisses, les pics ou les irrégularités qui se traduisent ensuite par un son plus sombre, plus brillant ou « gonflé ».

Pour réaliser ce test, vous pouvez utiliser un générateur de fonctions effectuant un balayage de fréquence, mais beaucoup de gens ont recours à Logiciel gratuit qui génère un balayage On peut aussi utiliser un bruit rose ou blanc provenant de l'ordinateur et l'envoyer via la carte son. Une autre option consiste à lire des fichiers WAV préenregistrés contenant des balayages ou des bruits de test et à analyser le signal de sortie de l'amplificateur.

La mesure peut être effectuée directement à l'aide d'un oscilloscope à la sortie de l'amplificateur, en relevant l'amplitude du signal à différentes fréquences, puis en traçant la courbe. Cependant, il est beaucoup plus pratique d'utiliser la carte son elle-même en tant qu'instrument de mesure, en connectant la sortie de l'amplificateur à son entrée ligne (toujours avec des atténuateurs et des protections appropriés) et en laissant le logiciel tracer le graphique de l'amplitude et même de la phase.

Il existe de nombreux logiciels gratuits conçus pour mesurer les équipements audio : ils permettent de visualiser la courbe de réponse en fréquence, d’analyser le spectre de bruit, de calculer le THD, etc. Associés à une utilisation minimale pour éviter de surcharger les entrées du PC, ils peuvent transformer un ordinateur ordinaire en un véritable outil de mesure. analyseur audio à bas coûtIl est important de rappeler que la carte son a aussi ses limites, mais pour la plupart des applications de bricolage, elle est largement suffisante.

Ces types de tests permettent de les détecter sans effort. chutes de tension importantes dues au transformateur de sortieLes pertes progressives dans les aigus sont dues aux capacités parasites, aux résonances indésirables dans certaines bandes de fréquences, et même à l'effet de la rétroaction sur la linéarité de la courbe. Il est alors possible de modifier le circuit, le câblage ou le choix des composants pour optimiser les performances.

Harmoniques, FFT et leur relation avec ce que nous entendons réellement

Une autre famille de tests très puissante s'articule autour des harmoniques et contenu spectral du signalL'approche typique consiste ici à appliquer l'onde sinusoïdale la plus pure possible à l'entrée de l'amplificateur et à analyser la sortie avec une FFT, soit avec l'oscilloscope lui-même (s'il comprend cette fonction), soit avec un logiciel qui utilise la carte son comme interface de capture.

Dans le domaine fréquentiel, l'objectif est d'identifier les harmoniques qui apparaissent en plus de la fondamentale et de déterminer leurs niveaux relatifs. Nous cherchons à distinguer entre harmoniques paires et impairesqui sont généralement perçues différemment par l'oreille, ainsi qu'entre la distorsion de bas ordre (souvent agréable ou « musicale ») et la distorsion de haut ordre, plus agressive et fatigante.

C’est là qu’un aspect curieux entre en jeu : Ce qui paraît horrible à l'écran ne correspond pas toujours à ce que nous percevons comme mauvais lorsque nous l'entendons.Par exemple, un petit amplificateur de classe D très bon marché pourrait afficher un signal assez désagréable à l'oscilloscope, avec des traces de la fréquence de commutation, du bruit haute fréquence et de légères irrégularités. Cependant, à l'écoute de musique sur des enceintes, le son pourrait s'avérer parfaitement acceptable pour cette gamme de prix.

Cela s'explique en partie par le fait que l'oreille humaine filtre bon nombre de ces imperfections, notamment lorsqu'elles sont hors de la gamme audible ou à des niveaux très faibles. De plus, les haut-parleurs et les filtres de sortie de l'amplificateur atténuent une grande partie du bruit de commutation. Par conséquent, notamment dans des amplificateurs peu coûteux ou des projets de bricolage simplesIl vaut mieux ne pas trop s'attarder sur chaque petit pic de la FFT si le résultat pratique répond à nos besoins.

Dans le domaine des équipements haut de gamme, la donne change : la forme d'onde doit être exemplaire, le contenu harmonique rigoureusement maîtrisé et le taux de distorsion harmonique totale (THD) extrêmement faible. Mais même dans ce contexte, comprendre le type de distorsion généré permet de comprendre pourquoi certains amplificateurs, aux caractéristiques très similaires, sonnent différemment à l'écoute.

Bruit, bourdonnement, radiofréquences et oscillations qui passent inaperçus

Au-delà de la distorsion harmonique, l'oscilloscope est un outil formidable pour poursuivre des bruits et des oscillations parfois confondus avec des « choses normales » Ou bien elles sont à peine perceptibles, mais elles sont bien présentes, provoquant la surchauffe de composants ou des interférences avec d'autres appareils. Nombre de ces problèmes sont liés à l'alimentation électrique, à la mise à la terre et au câblage interne.

Parmi les phénomènes les plus fréquents, on trouve les bruit thermique de fond et bruit provenant des composants actifs eux-mêmes, qui apparaît à l'écran comme une sorte de brouillard aléatoire ; le bourdonnement classique de 50/60 Hz et ses harmoniques, causés par des sources mal filtrées ou des boucles de masse ; les interférences radioélectriques couplées par l'air ou des câbles mal blindés ; et les oscillations à haute fréquence produites par une rétroaction mal compensée ou des conceptions de circuits imprimés négligentes.

Pour ce type de test, l'entrée de l'amplificateur est généralement laissée ouverte. court-circuité (à la terre)Le signal de sortie est connecté à une charge adaptée, et l'oscilloscope est utilisé pour observer ce signal à différentes échelles de temps et sensibilités. La modification de la base de temps permet de visualiser un bourdonnement basse fréquence ainsi que d'éventuelles oscillations de l'ordre du kHz, voire du MHz, qui peuvent être imperceptibles à l'oreille.

Ces problèmes sont particulièrement fréquents dans les amplificateurs à tubes, car ils impliquent des tensions élevées, des transformateurs volumineux, un câblage point à point et des masses distribuées qui, si elles ne sont pas soigneusement conçues, créent un terrain propice aux courts-circuits. ronflement, couplages et captage RFL'oscilloscope permet de localiser dans le circuit l'origine du problème et de déterminer quelles modifications (réorganisation des masses, torsadage des paires de fils, amélioration du blindage, etc.) ont un réel effet.

L'utilisation d'un oscilloscope couplé à un logiciel d'analyse spectrale permet de visualiser très clairement les fréquences auxquelles le bruit est concentré. On peut ainsi déterminer si la source du bruit est le réseau électrique (50/60 Hz et multiples), les semi-conducteurs eux-mêmes, le transformateur de sortie, une conception défectueuse de la carte ou des interférences externes provenant de radios, routeurs, téléphones sans fil, etc. Dès lors, les améliorations ne sont plus apportées à l'aveuglette et l'on peut travailler de manière ciblée. des tests objectifs qui confirment si une modification a été utile o non.

Au final, avec un oscilloscope basique, quelques logiciels gratuits, quelques charges de test et une bonne dose de bricolage, vous pouvez assembler un Mini laboratoire domestique étonnamment performantQue l'objectif soit d'extraire jusqu'à la dernière goutte de performance d'un module de classe D bon marché ou de peaufiner un projet à tubes haute tension, les mêmes techniques de mesure, lorsqu'elles sont correctement comprises, nous permettent de concilier les chiffres et les graphiques avec ce que nos oreilles nous disent, et d'apprendre au passage pourquoi un amplificateur bon marché qui semble catastrophique à l'écran fonctionne plus que correctement dans le salon, tandis qu'une conception plus soignée révèle dans les graphiques pourquoi il sonne si propre et contrôlé.