Un préamplificateur microphonique mini format

Ce préamplificateur miniature peut être utilisé comme premier étage pour amplifier n’importe quel signal audio. Le circuit comporte un microphone et une prise de pile 9 V 6F22 pour l’alimenter. L’amplification est obtenue grâce à un LM741 et le volume est réglable par trimmer. Une description théorique vous permettra d’adapter l’amplificateur à vos besoins.


Dans cet article nous allons étudier ensemble le montage de ce préamplificateur microphonique à tout faire. Nous analyserons quelles sont les méthodes à suivre pour calculer les valeurs des composants constituant le circuit et nous verrons comment elles influencent les caractéristiques du dispositif.
En particulier, nous verrons comment il est possible de déterminer le niveau d’amplification (il est de 480 fois, soit 53,6 dB) et la fréquence de coupure (87 kHz).
Avant d’en venir là, faisons une description plus générale de l’appareil, de son fonctionnement, de son mode et de son champ d’application. Le circuit est un préamplificateur de signaux audio : il est en effet doté d’un microphone prélevant le signal, lequel est amplifié (on le verra plus loin) d’environ 480 fois, grâce à l’utilisation d’un amplificateur opérationnel des plus ordinaires. Nous insistons sur le fait que ce module est un préamplificateur : le signal, avant de pouvoir être relié à un haut-parleur, doit passer préalablement par un étage amplificateur de puissance. Pourquoi alors devrions-nous utiliser un préamplificateur ? Principalement parce qu’il introduit un avantage du point de vue de la propreté du signal audio (un meilleur rapport signal/bruit ou SNR en anglais et RSB en français). En outre, il n’est pas possible de relier directement un microphone à un étage final de puissance : il est toujours nécessaire d’utiliser un préamplificateur comme celui que nous vous proposons.
Voyons maintenant quelques-unes de ses applications pratiques : le montage peut être couplé, par exemple, à une caméra vidéo non munie d’une section audio. Si vous en avez installé une à l’intérieur d’un local et que vous vouliez ajouter le son à l’image, vous pouvez placer le préamplificateur près du moniteur et l’y relier. Le dispositif peut en effet être connecté à la prise péritel SCART d’un téléviseur (en particulier aux canaux BF, voir figure 3), ce qui permet d’écouter le son directement à partir du téléviseur. Comme le montre la figure 2c, le circuit est véritablement très petit : en effet le dessin du circuit imprimé est à l’échelle 1, la taille de la première phalange du pouce, en somme ! Plus petit que la pile de 9 V 6F22 qui l’alimente. Ainsi peut-il être facilement associé à un mini ou micro caméra vidéo.
La liaison entre le préamplificateur et l’étage d’amplification (écran de téléviseur, chaîne stéréo, platine audio du PC, etc.) peut être faite en utilisant un câble avec fiche jack, ou bien une liaison HF. Le préamplificateur peut être en effet relié à un émetteur audio/vidéo à 2,4 GHz (voir notre montage ER135).
Côté récepteur, on peut utiliser notre montage ER137, captant le signal A/V et le restituant en sortie. Les deux signaux sont disponibles sur deux connecteurs pouvant être reliés à un moniteur ou à un téléviseur.

Le schéma électrique du préamplificateur
Passons donc à l’analyse du schéma électrique de la figure 1. Le circuit est alimenté par une tension comprise entre 9 et 15 V : une simple pile de 9 V 6F22 pourrait donc faire l’affaire.
Comme nous le verrons plus loin, une tension plus élevée détermine un niveau plus élevé d’amplification. Cette tension alimente la puce U1 LM741 et sert en outre à la polarisation du microphone MIC. Cette polarisation est réalisée par R1 et R2 : entre les deux on a inséré C3 pour stabiliser davantage la polarisation (en un certain sens, il constitue un petit accumulateur : si la tension d’entrée fluctue un peu, C3 fournit l’énergie nécessaire pour maintenir la stabilité). C1 et C2 jouent le même rôle, mais cette fois pour stabiliser l’alimentation de U1.
L’étage d’amplification proprement dit, c’est U1 : un amplificateur opérationnel monté en mode inverseur (le signal à amplifier entre par la borne V–) avec une alimentation simple. Voyons de quoi il s’agit. Généralement les amplificateurs opérationnels travaillent avec une alimentation double symétrique (fournissant une tension +Vcc 0 –Vcc).
Ici, U1 est en revanche relié au +Vcc et à la masse. Le choix de cette configuration implique de relier la borne V+ à une tension égale à Vcc : 2 (c’est ce que fait le pont R3/R4). Ainsi, le fonctionnement du circuit est analogue à ce qu’on fait avec une alimentation double symétrique, où la borne + est à la masse, c’est-à-dire à mi-course entre +Vcc et –Vcc. Cependant en utilisant une alimentation simple, le circuit est plus facile à réaliser car on peut utiliser une pile de 9 V.
Continuons l’analyse du circuit avec C4 et C6 : ces condensateurs sont utilisés pour bloquer la composante continue du courant d’entrée (C4). En sortie, C6 est utilisé de même, mais dans ce cas pour bloquer la composante continue qui, sans cela, irait vers la charge RL (nous vous rappelons qu’en continu un condensateur équivaut à un circuit ouvert).
Passons maintenant à l’analyse de l’étage amplificateur : si nous dépassons C4 et C6, il se compose de U1, des résistances R5, R6 et R7 (trimmer) et du condensateur C5. Nous voulons calculer la caractéristique E/S (entrée/sortie) du circuit, soit le rapport entre la tension de sortie (Vout, mesurée sur la broche 6 de l’amplificateur opérationnel) et celle d’entrée (Vin, mesurée à l’entrée de R5).
Comme on l’a vu ci-dessus, le circuit se comporte comme si la borne V+ était à la masse : l’amplificateur opérationnel met donc aussi à la masse la borne V–. Dans R5 passe un courant I tel que I = Vin : R5, direct vers la droite du schéma électrique.
Ce courant ne peut entrer par la borne V– (l’amplificateur opérationnel a une impédance d’entrée infinie) : il va donc entièrement vers le réseau C5/R6/R7, ce réseau ayant une impédance Z donnée par la série entre R6 et le parallèle entre C5 et R7 :

Z = R6 + (R7 / C5).

Si l’on fait le calcul, on trouve que :
Z = (R6 + R7 + SC5 R6 R7) / (1 + SC5 R7)

Le courant I passant à travers l’impédance Z crée une chute de tension égale au produit de I par Z. Comme la borne V– est à la masse, cette chute de tension représente le niveau de Vout, mais change de signe. On peut donc écrire que :
Vout = - (Vin / R5) x [(R6 + R7 + SC5 R6 R7) / (1 + SC5 R7)]

équivalant à :
(Vout / Vin) = - (R6+R7 / R5) x [[1 + (SC5 R6 R7 / (R6 + R7))] / (1 + SC5 R7)]

La caractéristique E/S de l’amplificateur est donc donnée par la formule :
- (R6+R7 / R5) x [[1 + (SC5 R6 R7 / (R6 + R7))] / (1 + SC5 R7)]

Le premier terme (R6 + R7) / R5 représente le gain à fréquence presque nulle (rappelons que la fréquence nulle, soit le continu, est bloquée par C4).
Si nous remplaçons les valeurs indiquées dans la liste des composants, on obtient une amplification d’environ 480 fois. Par conséquent, en changeant les valeurs des trois résistances R5, R6 et R7, il est possible de modifier l’amplification du circuit. Nous avons prévu un trimmer R7, à la place d’une résistance fixe, pour faire varier le gain. Nous vous rappelons cependant que l’amplificateur opérationnel ne peut fournir en sortie une tension supérieure à Vcc –1 V environ : par conséquent si vous augmentez trop l’amplification, vous risquez de voir l’amplificateur opérationnel ne pas suivre en niveau de sortie, ce qui impliquerait une distorsion du signal. Pour augmenter l’amplification, vous pouvez augmenter la tension d’alimentation Vcc : attention cependant de ne pas dépasser +15 V, au risque d’endommager l’amplificateur opérationnel.
Nous pouvons passer à l’analyse du second terme de la caractéristique E/S : elle tient compte de la variation du gain de l’appareil en fonction de la fréquence du signal en entrée. Le terme S est en effet lié à la fréquence par la relation S = 2πƒ, où ƒ est justement la fréquence. On définit comme zéros les valeurs de ƒ annulant le terme du numérateur, les valeurs de ƒ annulant le dénominateur sont en revanche des pôles de la fonction. Ici on obtient un zéro à la fréquence :
ƒ1 = (R6 + R7) / (2π C5 R6 R7)

et un pôle à la fréquence :
ƒ2 = 1 / (2π C5 R7)

En remplaçant donc les valeurs des résistances et du condensateur que nous avons proposées, on obtient un zéro à la fréquence ƒ1 = 4,17 MHz et un pôle à la fréquence ƒ2 = 87 kHz.
Pourquoi les pôles et les zéros sont-ils importants ? Essentiellement parce qu’avoir un zéro à la fréquence ƒ1 signifie que le gain du circuit augmente à partir de la fréquence ƒ1, en revanche avoir un pôle à la fréquence ƒ2 signifie que le gain diminue à partir de ƒ2. Donc, comme ƒ2 (fréquence de pôle) est beaucoup plus faible que ƒ1 (fréquence de zéro), le circuit se comporte comme un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure de 87 kHz.
Notons que, comme pour le gain à fréquence quasi nulle, les fréquences des zéros et des pôles dépendent aussi des valeurs de R6, R7 et C5. En changeant la valeur de ces composants, il est possible de changer aussi la fréquence de coupure du filtre passe-bas.
Par exemple, si nous voulions augmenter la bande passante d’une décade, il faudrait choisir ƒ2 = 870 kHz et par conséquent calculer avec cette nouvelle donnée les valeurs des paramètres.
Ce n’est pourtant pas si simple, car si R6 et R7 changent, le terme du gain, qui ne varie pas avec la fréquence, change aussi ! Il faut donc procéder par tâtonnement et trouver un compromis optimal.
Bref, l’amplification du circuit est constituée d’un terme constant (valeur 480) ne changeant pas avec la fréquence, d’un terme intervenant à la fréquence de 87 kHz et diminuant l’amplification et d’un terme s’activant à la fréquence de 4,17 MHz et augmentant en revanche le gain. Dans la figure 4 les trois termes sont rassemblés en un graphique montrant comment l’amplification varie en fonction de la fréquence. Il va sans dire que l’amplificateur opérationnel, outre son rôle amplificateur, remplit aussi une fonction de filtre passe-bas.

Figure 1 : Schéma électrique du préamplificateur.

Liste des composants
R1 = 1 kΩ
R2 = 1 kΩ
R3 = 10 kΩ
R4 = 10 kΩ
R5 = 1 kΩ
R6 = 10 kΩ
R7 = 470 kΩ trimmer
R8 = 1 Ω
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 100 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 μF 25 V électrolytique
C4 = 220 nF multicouche
C5 = 3,9 pF céramique
C6 = 220 nF multicouche
D1 = 1N4007
U1 = LM741
MIC = Capsule microphonique

Les résistances sont des 1/4 de W 5 %.

Divers :
1 Support 2 x 4
1 Prise de pile 6F22


Figure 2a : Schéma d’implantation des composants du préamplificateur.

Figure 2b : Photo d’un des prototypes de la platine du préamplificateur.

Figure 2c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du préamplificateur.

La réalisation pratique du préamplificateur
Nous pouvons donc maintenant passer à la réalisation du petit préamplificateur.
Le circuit est extrêmement simple et compact. Quand vous vous êtes procuré le circuit imprimé, dont la figure 2c donne le dessin à l’échelle 1, ou que vous l’avez réalisé, montez tout d’abord le support du circuit intégré 2 x 4 broches, en prenant bien garde de ne faire aucun court-circuit entre pistes et pastilles, ni soudure froide collée (vérifiez cela avec une pointe sèche à la main, ne serait-ce que pour enlever l’excès de flux, ce travail vous révélera peut-être un pont de tinol inopiné).
Vous insérerez le circuit intégré lui-même après avoir effectué la dernière soudure de la platine et les avoir toutes vérifiées.
Montez les 7 résistances (debout en trombones) et le trimmer, puis la diode (bague repère-détrompeur vers C1), puis les 6 condensateurs, en respectant bien la polarité des deux électrolytiques (patte la plus longue, soit le +, vers l’intérieur de la platine maintenue comme sur les figures 2a et 2b).
Montez la capsule microphonique en respectant bien la polarité +/– de cette dernière (la patte de masse – est celle qui est reliée électriquement au boîtier métallique). Soudez les deux fils rouge et noir de la prise de pile de 9 V 6F22 ou de toute autre alimentation continue régulée entre 9 et 15 V. Toutes les soudures ayant été à nouveau vérifiées, enfoncez le circuit intégré dans son support, repère-détrompeur en U orienté vers C6.
Pour tester le montage, insérez l’alimentation, reliez la sortie à un amplificateur, à un téléviseur au moyen de la prise péritel SCART ou à une chaîne stéréo, par exemple, réglez le volume grâce au trimmer R7 et vérifiez que la voix parlant devant le microphone est amplifiée et reproduite. Même si vous avez prévu d’utiliser le préamplificateur avec un émetteur radio (comme les montages déjà proposés), les opérations sont les mêmes.

Figure 3 : Brochage de la prise péritel SCART.

En plusieurs endroits dans l’article nous avons fait allusion à la prise péritel SCART des téléviseurs comme possibilité pour accéder à un amplificateur audio utilisable avec notre préamplificateur.
En voici le brochage : 3 broches nous concernent.
Les broches 2 et 6 sont les entrées des canaux BF respectivement droit et gauche, la broche 4 est la masse. La sortie du signal du préamplificateur est à relier en 2 ou en 6 ou aux deux broches du câble péritel. N’oubliez pas la masse !

Figure 4 : Graphique gain par rapport à la fréquence.

Les graphiques montrent le gain d’amplification du circuit en fonction de la fréquence du signal d’entrée (la représentation n’est que qualitative). A gauche les trois termes (voir texte) sont représentés : pour les pôles et les zéros, la fréquence où ils interviennent est aussi montrée. A droite est représentée la somme des trois termes : le gain du circuit en fonction de la fréquence est visualisé. Pour les fréquences jusqu’à 87 kHz, l’amplification est constante et égale à 480 fois. Pour les fréquences au-dessus, le circuit se comporte comme un filtre passe-bas atténuant le signal. Au-delà de 4,17 MHz, le gain redevient constant, mais il constitue une atténuation.

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