Approche générale

Ce déphaseur est classiquement utilisé par Marshall et Fender, et porte plusieurs appellations telles que le déphaseur de Schmidt ou le long-tailed pair[EN].

A l’origine le déphaseur de Schmidt est un ampli différentiel avec une résistance de queue très large ; la version couramment utilisée dans les amplificateurs pour guitare repose sur une auto-polarisation qui fonctionne mieux avec des grandeurs électriques positives et des entrées référencées à la masse.

Détaillons maintenant le schéma typique de cet inverseur de phase :

La base de ce schéma est l’amplificateur différentiel, qui amplifie la différence de tension mesurée entre les deux grilles d’entrée. Techniquement, il s’agit même d’un amplificateur différentiel d’entrée et de sortie, car il possède des entrées différentielles sur les grilles et aussi des sorties différentielles sur les anodes (les deux anodes produisent le même signal, mais un des deux est en opposition de phase, soit déphasé de 180° par rapport à l’autre).

Nous remarquons qu’il existe réellement trois entrées utilisées sur ce type de déphaseur. La première est la plus évidente, l’entrée gauche de C1. La deuxième (la partie basse de C2) est utile en tant qu’entrée pour la contre-réaction négative, ou pour le signal de retour d’une réverbe (foldback reverb [EN]) ou d’une boucle d’effets, voire pour un deuxième canal. Sur le schéma ci-dessus, cette entrée est utilisée pour la contre-réaction en prélevant le signal depuis le diviseur de la boucle.

La troisième entrée n’est pas si évidente ; il s’agit de la partie basse de R6. Si l’on envoie un signal à cet endroit, le déphaseur produira un signal sur chaque sortie en phase l’un avec l’autre (et non en opposition) et aussi avec le signal d’entrée (bas de R6). Cela signifie que si l’on envoie un signal de même phase par C1 et R6, il se soustraira à la sortie inversée (R2) et s’ajoutera à la sortie en phase (R1). De même, si un signal de phase égale est appliqué sur C2 et R6, il s’ôtera du signal de sortie en phase et s’ajoutera au signal inversé (ceci car la sortie déphasée est en fait vue comme la sortie en phase par la seconde entrée, et inversement pour la sortie en phase). Cette troisième entrée est utile pour équilibrer le signal de contre-réaction en le soustrayant de la sortie en phase et en l’ajoutant au signal déphasé, pour compenser la différence de gain sur chaque sortie vu de l’entrée 3. Le gain de cette troisième entrée est beaucoup plus faible que le gain des deux autres.

Les deux sorties présentent (quasiment) des signaux identiques, excepté cette différence de phase de 180°. Il s’agit ici exactement du type de signal nécessaire pour piloter un amplificateur push-pull[EN], ce qui fait que l’on rencontre classiquement ce déphaseur dans les amplificateurs à grosse puissance.

Les résistances d’anode

La tension de sortie est présente aux bornes de ces résistances (R1 et R2), et est proportionnelle aux changements de courant interne des tubes en réponse aux signaux d’entrée. La valeur de ces résistances est choisie par des techniques “standard”, comme les droites de charge. Un bon point de départ est environ deux fois la résistance interne de l’anode de la triode. Ces résistances ont un impact majeur sur le gain et l’impédance de sortie du montage. Cette impédance de sortie est égale à la résistance de plaque en parallèle avec l’impédance vue des plaques. Etant donné qu’il y a une boucle de contre-réaction locale sur cet étage, l’impédance de sortie est typiquement plus large qu’un étage de préampli classique. Les résistances d’anode ont aussi un effet sur la réponse fréquentielle : des valeurs plus importantes vont couper plus les aigus. Lorsqu’un seul signal d’entrée est utilisé, R1 est généralement dimensionnée 10 à 20% plus petite que R2 pour compenser l’écart de gain des deux triodes et obtenir des sorties à amplitudes égales.

Les résistances de grille

Ces résistances (R3 et R4) fournissent la tension de polarisation. Elles sont équivalentes aux résistances de grille à la masse d’un étage classique, excepté qu’elles ne vont pas à la masse mais à un point de référence commun, la jonction de R5 et R6.

La valeur de ces résistances n’est pas déterminante, mais elles devraient être dimensionnées pour une valeur moyenne entre 100K et 1M. Contrairement à la croyance populaire, dans ce type de déphaseur l’impédance d’entrée n’est pas égale à la valeur de cette résistance, mais plutôt deux à cinq fois celle-ci, suivant le taux de contre-réaction amené par la résistance de queue et la boucle (à peu près deux fois supérieure dans le montage figuré ci-dessus). Ceci explique pourquoi ce n’est pas une bonne idée d’utiliser un condensateur de liaison trop large en entrée du déphaseur.

Ce grossissement de l’impédance d’entrée s’appelle bootstrapping[EN]. Cet effet est similaire à celui d’un suiveur à cathode commune auto-polarisé. Il y a un signal alternatif à la jonction de R3 et R6, dû au courant de contre-réaction causé par la résistance de queue non découplée. Puisque ce signal est en phase avec le signal d’entrée, le courant réel à travers la résistance de grille est diminué. Le signal en haut et en bas de cette résistance est soustrait, et la tension divisée par la résistance cause (donne ?) le courant consommé par l’étage. Si l’on divise la tension d’entrée par le courant d’entrée, on trouve l’impédance d’entrée réelle. Par exemple, si l’on envoie 1VAC en entrée et que le signal au point jonction référence (lequel ? R3-R6) est de 0.5V et en phase, l’impédance d’entrée est 2Mohms et non 1Mohms car il y a 0.5V aux bornes de la résistance de 1M au lieu de 1V, ce qui cause un courant de 0.5µA pour 1V en entrée soit Rin = 1V/0.5µA = 2M.

Si la résistance de queue est suffisamment large pour être considérée comme une source constante de courant, et qu’il n’y a pas de contre-réaction globale, l’impédance d’entrée sera égale à deux fois la résistance de grille associée.

Si l’on est en présence de contre-réaction négative, le signal appliqué à la deuxième entrée sera en phase avec celui de la première (avec pour résultat une réduction de la tension de sortie, d’où le terme de contre-réaction négative). Ce signal s’ajoute à la tension de cathode car en phase. L’impédance vue de la cathode vers chaque côté est (Ra + R1)/(mu+1). Si l’on considère des triodes appairées avec des mu (noté « µ ») égaux, cela signifie que l’impédance de source et de charge sont égales vu de la cathode, donc la tension est exactement divisé en deux. Cela implique que l’impédance d’entrée dépend du ratio de contre-réaction négative, et peut prendre des proportions très larges.

Par exemple, si l’on applique 1V à la première entrée et 0.5V de contre-réaction sur la deuxième, la tension de cathode serait V = 1/2 + 0.5/2 = 0.75V. L’impédance résultante serait 1M/(1-0.75) = 4Mohms.

Ces résistances de grille n’ont peu ou pas d’effet sur le gain pour des valeurs normales. Si elles sont très petites, elles atténueront le signal d’entrée. Elles ont par contre un impact sur la réponse fréquentielle. De plus grosses valeurs, en relation avec un condensateur d’entrée donné, donneront une réponse dans les basses plus importante, mais cet effet est quelque peu contré par la contre-réaction.

Les condensateur de liaison d’entrée

Ces condensateurs (C1 et C2) servent à bloquer les composantes continues des étages précédents, pour ne pas dévier la tension de polarisation sur les grilles des triodes.

Ces capacités jouent aussi le rôle de filtre et déterminent la fréquence de coupure basse à -3dB. Si l’impédance d’entrée est deux fois supérieure à la valeur de la résistance de grille, soit 2M, et une fréquence de coupure fc voulue à 53Hz, une capacité de C = 1/(2*pi*53Hz*2M) = 1500pF (soit 1,5nF) sera nécessaire. Un condensateur trop large favorisera l’apparition de blocking distortion[EN]. Si C1 est petit (moins de 10nF, avec 1M en résistance de grille), cela améliorera la réponse aux basses fréquences en l’équilibrant entre les deux sorties, notamment si le deuxième condensateur, C2, est dimensionné comme au moins dix fois C1.

Un phénomène intéressant se produit lorsque l’inverseur entre en saturation. Cette très haute impédance d’entrée chute brutalement, et peut écrêter sévêrement le signal d’entrée (en forcant la crête au niveau de la tension de cathode) et augmente la fréquence de coupure. Pour cette raison, lorsque l’on branche l’entrée de l’inverseur vers un autre tube pour, par exemple, une boucle d’effets ou une réverbe, il faudra utiliser une grosse résistance en série avant la résistance de grille (environ une centaine de kilos) et le signal sera prélevé avant cette résistance pour préserver le signal original. Cette résistance aidera aussi à adoucir le son lorsque l’inverseur saturera.

La résistance de polarisation

Cette résistance (R5) est connectée aux deux cathodes, jointes ensembles, et règle le courant de polarisation des deux tubes. Puisqu’elle est traversée par le courant de polarisation des deux tubes, sa valeur doit être la moitié de la résistance utilisée pour un seul tube. Cette valeur est choisie en traçant la droite de charge et ainsi en déterminant la valeur de tension négative nécessaire à l’établissement du point de repos.

Par exemple, un étage à 12AX7 “normal” peut avoir une résistance de polarisation entre 820Ohms et 1.5K. Si l’on désire le même point de repos, il faudra choisir 410 à 750Ohms (soit en 5% de tolérance, 390 à 820Ohms). Les valeurs pourront être différentes pour une 12AT7.

Cette résistance déterminera à la fois la tension de plaque au repos (à une plus petit résistance correspond plus de courant, soit une tension de plaque plus faible), qui détermine la symétrie de l’écrêtage, et l’excursion de l’inverseur. Elle détermine aussi le headroom[EN] de l’entrée, qui à son tour détermine le point d’écrêtage de l’inverseur relatif à la tension de grille. Subjectivement, de plus gros courants amène un son plus “chaud”. Trop de courant causera trop de non-linéarités, et ajoutera des distorsions harmoniques indésirables même pour les sons clairs. Cette résistance doit être choisie au mieux soit pour amener une meilleure distortion audio, soit une meilleure linéarité, ou simplement un meilleur son. (Assurez-vous d’avoir déconnecté la boucle de contre-réaction globale, qui tend à corriger ces non-linéarités). Puisque cette résistance contrôle le courant, elle aura un impact très important sur les tensions continues au repos de l’anode, de la grille et de la cathode, donc finalement sur le gain du montage.

La résistance de queue

La résistance suivante est la résistance “de queue” (R6). Elle sert de pseudo source de courant, en fournissant une contre-réaction négative locale à l’inverseur. Cette résistance est nécessaire car sans elle, l’amplificateur différentiel aurait ses sorties fortement déséquilibrées, à cause du petit gain relatif des deux triodes. Plus cette résistance est grosse, plus les sorties sont équilibrées. Il y a toutefois une limite : celle où la résistance induit une baisse de tension tellement forte que l’excursion (amplitude) est trop basse (faible). Cette résistance doit donc être dimensionnée en faisant un compromis entre l’équilibre des sorties et le headroom[EN] de l’inverseur.

En choisissant R1 de 10 à 20% plus petit que R2, cela compensera la différence de gain entre les deux sections d’amplification, et devra être ajusté avant de modifier la résistance de queue. Remarquons que cela n’est à faire que lorsque le signal arrive sur une seule entrée, la deuxième étant branchée à la boucle de contre-réaction. Si les deux entrées sont utilisées pour le canal1 et le canal 2 par exemple, les résistances d’anode devront être identiques, car compenser l’équilibre pour un canal déséquilibrera encore plus l’autre.

La résistance de queue bootstrap[EN] aussi l’étage d’amplification, ce qui induit une impédance d’entrée plus importante comme vu précédemment. On peut noter que la résistance de polarisation R5 règle le courant qui traverse cette résistance de queue. Ceci plus la valeur de cette résistance détermine la chute de tension continue aux bornes de celle-ci, ce qui influe sur le headroom[EN] du circuit. Si aucune contre-réaction globale n’est utilisée, la résistance devra être aussi grosse que possible ce qui équilibrera au mieux les sorties de l’inverseur. Enfin, cette résistance n’affecte que très peu le gain mais énormément l’équilibre et l’excursion du déphaseur.

Les résistances de contre-réaction

Puisque ce type d’inverseur possède deux entrées principales, la deuxième fait une candidate idéale pour y introduire une boucle de contre-réaction depuis le secondaire du transformateur de sortie ; cela réduit la distortion, améliore la linéarité, et diminue l’impédance de sortie réelle (augmente le damping factor[EN] et resserre les basses). La dernière résistance est typiquement de petite valeur, comme 5K (Marshall) ou 100Ohms(Fender), et joue le rôle de la résistance à la masse dans le diviseur de la boucle (potentiomètre VR1 sur le schéma). La tension de réaction appliquée à l’inverseur est réplique du signal de sortie du transformateur mais en beaucoup plus faible. Cette résistance affecte directement la quantité de contre-réaction et par là même le gain global de la section de puissance, ainsi que la linéarité, la dynamique et la distorsion. Le ratio du diviseur se calcule comme le ratio entre la résistance série R7 et VR1.

Le contrôle de présence

Le potentiomètre VR1, en plus de présenter une résistance de 5K vers la masse, est aussi utilisé comme contrôle de présence. Le condensateur C3 découple une partie des hautes fréquences du signal de réaction vers la masse. En réduisant donc la quantité de hautes fréquences réinjectées dans l’inverseur, l’amplificateur présentera un gain global plus important dans cette bande de fréquences. On obtient donc un boost dans les aigus, ce qui ajoute une certaine “présence” au signal. Il ne s’agit pas que d’un boost fréquentiel, car à ces fréquences il y a moins de contre-réaction, donc moins de damping[EN], l’impédance de sortie est surélevée, ce qui augmente l’interaction entre le haut-parleur et l’amplificateur. Pour augmenter la bande de fréquences affectées il faudra augmenter C3.

Conclusions

Le déphaseur de Schmidt, sous sa version Long-Tail Paired[EN] est généralement le meilleur choix pour un amplificateur de guitare en push-pull[EN]. Il présente un très bon gain et équilibre, ainsi que des entrées auxiliaires pour la boucle de contre-réaction. La meilleure façon de jauger ce circuit est de remplacer les résistances de bias, anodes et de queue par des résistances variables et d’observer les sorties sur oscilloscope. Autrement, un logiciel de simulation comme PSpice permettra d’en apprendre beaucoup.

 

Traduit avec l’autorisation de l’auteur par Robin Zerbib de l’article original :

R.Aiken – “The Long-Tail Pair” – www.aikenamps.com / Tech Info