Janvier 2006

nouvelle alimentation analogique

1ère partie : étude du projet

 

Moi quand on m'en fait trop, j'correctionne plus, j'dynamite, j'disperse, j'ventile...

(Raoul Volfoni, Les tontons flingueurs, 1963)

 

 

Les étages analogiques des convertisseurs N/A souffrent d'un bruit qui remonte dans l'aigu, comme le montrent les mesures effectuées sur deux DCX2496 différents avant et après tweak de leur étage de sortie post-convertisseur NA. Je soupçonne que l'alimentation à découpage utilisée par Behringer n'est pas au dessus de tout soupçon question réjection du bruit. Ces machins là travaillent à haute fréquence, et la remontée de la distorsion par harmoniques que l'on voit dans l'aigu sur le spectre de distorsion ressemble fort à des bavures sortant du dispositif ci-dessous. Nous allons donc faire un grand nettoyage en implantant une source de courant bien proprette, à l'ancienne, comme la blanquette de veau du même nom.

Je voudrais remercier ici Jean-François F. sans qui ce tweak n'aurait pas pu être envisagé sous cette forme. Jean-François est ingénieur en électronique et a il passé plusieurs heures sur les schémas du DCX2496 pour que nous puissions en tirer la quintescence. C'est un homme d'une extrême gentillesse, doué d'un sens pédagogique rare en plus d'être une véritable Bible vivante de l'électronique aussi bien industrielle qu'audio. Son approche consiste en un tour complet de la problématique de l'alimentation, c'est la marque d'un esprit que ne se contente pas de l'à peu près. Ce dossier est consacré à la mise en place d'une alimentation spécifiquement conçue pour les étages analogiques des convertisseurs AK4393. Par la même occasion, nous allons fournir un courant irréprochable aux étages des AK5393 (les CAN).

 

L'objet du délit ...

...ou du délire ?

 

Pour se mettre en bouche, quelques explications. Voici tout d'abord un de nos trois AK4393 avec en face de la piste menant aux pattes AVDD et AVSS (pattes 18 & 19) un carré orange qui indique où arrive le jus produit par l'alimentation d'origine. Le +5V_A2 est produit par le 7805 (IC8). Ce potentiel est appliqué à AVDD (pin 18) et à VREFH (pin 17) directement à partir de IC8. Une autre connexion établie sur cette branche d'alimentation +5V_A2 permet aussi d'amener ce potentiel, pris en tant que potentiel de référence, vers un pont diviseur résistif permettant de polariser un transistor T1 en montage régulateur. T1 reçoit une autre branche d'alimentation (+5V_D) et T1 produit ainsi le potentiel de la branche d'alimentation +3,3V_D2. Nous ne toucherons pas à cette partie de l'alimentation. La branche du +5V_A2 produit par IC8 permet non seulement de fournir le potentiel d'alimentation analogique AVDD à l'AK4393 pin 18, mais aussi de lui fournir le potentiel de référence VREFH. En revanche, AVSS pin 19, BVSS pin 15 sont des masses analogiques (0V_A), et VREFL pin 16 est le zéro volt de référence raccordé de façon équipotentielle à la masse analogique, c'est-à-dire au 0V_A.

 

Comme l'explique bien la datasheet de l'AK4393, l'amplitude de tension analogique de sortie est fonction de la différence de potentiel entre VREFH et VREFL (pour un nombre binaire donné à l'entrée, bien entendu) et a pour valeur : AOUT (typ.@ 0 dB) = (AOUT+) - (AOUT-) = (+/-) 2,4 Vpp x (VREFH - VREFL) / 5. Il faut comprendre que le 0 dB exprime implicitement le 0 dB FS, c'est-à-dire le 0 dB Full Scale (à fond d'échelle). Autrement dit, quand les 24 bits sont tous à "1", on se situe à 0 dB FS. Dans ce cas, on a AOUT = (+/-) 2,4 Vpp x (5 / 5) = (+/-) 2,4 Vpp qui correspond à 0,848 Vrms. On comprend mieux à présent l'importance de la stabilité, et, par dessus tout, le faible bruit que doit comporter la branche d'alimentation appliquée à VREFH. Le diagramme de l'alimentation Behringer que l'on trouve juste après le dispositif à découpage photographié plus haut :

 

 

Constats et approche

Dans le DCX, l'alimentation de AVDD et VREFH est commune, par choix de Behringer. Toute amélioration de la branche +5V_A2 alimentant VREFH devrait donc apporter un effet bénéfique sur la qualité du rapport signal / bruit en sortie du convertisseur. Afin d'éviter toute confusion et avant d'aller plus loin, je souligne que cette alimentation sera conçue non pas pour alimenter un amplificateur de puissance ni un étage de sortie, mais pour fournir du courant stable et du silence. Ces deux paramètres sont les seuls dont nous avons besoin pour notre application. Ici, pas de batterie de 70 ampères/heure ni d'assemblage de condensateurs à hauteur de 1 Farad. Dans les ampli OP, les choses ne sont pas pareilles que dans un amplificateur de puissance. On peut voir l'ampli OP, au point de vue de sa consommation sur ses branches d'alimentation comme étant presque assimilable à un "constant current sink", en français : puits de courant à courant constant. Où sont donc les transitoires d'appel de courant ? Il n'y en a pas, quelque soit le signal appliqué en entrée et mesuré en sortie ! Voir aussi le concept de PSRR (power supply rejection ratio) des amplis OP, confer les cours d'électronique à ce sujet, présents dans la bibliothèque de tout passionné. Dans le convertisseur DAC, il peut y avoir des appels de courant, mais ceux-ci restent minimes. Il faut pour autant bien les maîtriser, en particulier sur Vref. C'est la raison pour laquelle on parle de références de tension Analog Devices bien choisies, bien découplées, et prévues pour forte charge capacitive (découplage additionnels éventuels).

Ce qui est important sur les branches d'alimentation des circuits analogiques, c'est la stabilité de tension, tout le monde est bien d'accord là-dessus. Il y a lieu d'obtenir une bonne précision de tension, en particulier pour des semi-conducteurs complexes tels que des ADC ou des DAC (voir tolérances admises publiées dans les data sheets). Ce qui est aussi important, c'est aussi le "ripple rejection" (rejet des ondulations résiduelles après redressement), là tout le monde est encore bien d'accord.

Mais ce qui préoccupe le plus dans des alims analogiques devant traiter des signaux de tension en préamplification, ou bien, après préamplification et avant tout ampli de puissance, c'est le bruit d'alimentation. L'approche consistant à fournir aux AK une alim exempte de bruit, cela est le vrai but poursuivi, c'est là que Jean François, Franck et moi avons depuis le début une idée derrière la tête.

Nous sommes allés voir les data sheets des régulateurs low drop de chez Micrel évoqués sur un forum par un audioph..passionné : les MIC29300 et MIC29500. Ceux-ci sont très intéressants au point de vue faible tension de drop, mais, non satisfaisants pour de leur bruit de sortie. En effet : les Micrel's sortent un bruit "e indice n" (tension de bruit : n = noise) de 400 µV. C'est une belle performance, certes. Notre bon vieux LM317 quant à lui, possède déjà depuis de très nombreuses années un bruit de sortie de 0,003 % de Vout. Dans notre cas : 0,003 % x 5 V = 150 µV. Bon, il n'y a pas photo, comme on dit.

Pourquoi des tantales Low ESR ? Comme on peut s'en apercevoir, le ripple rejection est fonction de la capacité de découplage au régulateur (c'est tout aussi vrai pour le LM317 que pour le Micrel). Autre raison : Il s'agit d'un découplage BF de la branche d'alimentation. Ainsi, le découplage BF a pour but de rabattre au maximum la largeur de bande de bruit. L'absolu théorique étant 0 Hz, c'est-à-dire du DC, mais impossible à obtenir en pratique. Donc : découplage BF par tantale low ESR + découplage HF par 100 nF céramique, ainsi on limite au maximum la bande passante résiduelle de bruit sur les branches d'alimentation. Pourquoi Low ESR ? En plaçant des capas de découplage, tout se passe comme si on insérait "un atténuateur" sur le signal non désiré (ici, le bruit est non désiré). "L'atténuateur" est d'autant plus efficace que son impédance de source interne est faible dans un montage tel que celui d'un découplage. Nous revenons donc à la définition de ESR elle-même (ESR : equivalent series resistor).

Ainsi nous avons une alimentation à faible impédance de source au point de vue du bruit, et c'est bien cela que l'on cherche à obtenir dans nos expérimentations sur l'alim analogique du DCX. Cela n'a donc rien à voir avec la faible impédance de source pour appels importants de courant soutiré de l'alimentation d'un ampli de puissance.

 

LIRE

 

justifications diverses sur les choix retenus

 

 

 

 

Voici le schéma complet de l'alimentation du DCX2496 avec les modifications proposées. L'image est très grande, mais c'est le prix de la lisibilité. Rassurez vous, on va zoomer un peu plus bas. Les modifications sont encadrées de pointillés rouges. La disposition du tracé aide à comprendre les choses du 1er coup d'oeil pour un électronicien passionné. Ce qui est en dehors des cadres pointillés rouges sont les composants d'origine du DCX. On peut même laisser les condensateurs C17 et C25 d'origine.

Voici maintenant un zoom (cliquez l'image) sur le circuit que nous allons greffer dans notre petite victime. Remarquez l'ajout de quelques capas de 100 nF : C13A, C18A, C19A, C17A, C25A, C27A, C14A, C15A, C26A. Les diodes D102 et D202 ont pour but de protéger le régulateur à la mise hors tension du montage, les capas en aval se déchargeront à travers les diodes et non pas à travers le régulateur en sens inverse de celui-ci :

 

Si on a des capacités CMS de 100 nF, on les soudera simplement au dos du circuit imprimé directement sur les plages d'accueil (pads) des pins des capacités de 10 µF. Des capacités de 100 nF traditionnelles céramique X7R font tout aussi bien l'affaire, elle sont au pas de 5,08 mm, et en recoupant les pins assez court, on peut les souder à plat côté soudures du PCB sur les pads des capas de 10 µF. Voir, par exemple : AVX, SR211C104KAA, fourniture RS Components, part # 464-9025.

D'autre part il serait très avantageux de remplacer toutes ces capas de découplage de 10 µF / 25 V par des capas au tantale, comme par exemple Kemet, T350E106K025AS, fourniture RadioSpares Components, part # 461-2887, vendus par paquet de 5 pièces au prix de EUR 0,72 / pièce. L'avantage supplémentaire est qu'ils sont tout petits et super compacts. Il s'agit bien des capas de découplage, et non pas des capas de liaison sur le chemin du signal audio, là, c'est une autre paire de manches.

Pour alimenter ce nouveau circuit il va nous falloir une tension de 8V. Celle-ci sera fournie par un petit circuit très simple, encore une fois à base de LM317T, qui sera lui même précédé par un transformateur fournissant du 12V redressé et filtré (mais non régulé). L'étage en question (cliquez l'image pour l'agrandir) :

 

Il y aura un minimun de chirurgie à faire dans le DCX, puisque cette alimentation 8v sera simplement reliée aux plots du connecteur X3 déjà existant, plus exactement sur ses broches n°3 et n° 4 que l'on voit ici :

Il suffira ensuite de relier les sorties 1_A1,2_A1,3_A1 et 2_A1,2_A2, 2_A3 de ce circuit à la place des pattes des régulateurs 7805 IC7 et IC8 ci-dessus que nous aurons simplement dessoudés, et hop, à nous les 5V top moumoutte dont nos AK4393 et AK5393 ont tant besoin pour donner le meilleur d'eux-mêmes ! Elle est pas belle la vie ?

Une petite photo de la zone de travail avec un gros plan sur les régulateurs qui vont sauter au profit de notre belle alimentation.

 

 

liste d'achat des composants *

* le kit comprenant tous les éléments nécessaires étant disponible chez Selectronic vous pouvez sauter étape en commandant directement la référence 70.3013-1

 

Implantation

Je vous propose de jeter un oeil à la topologie des lieux. La zone prévue pour le nouveau transformateur est délimitée en rouge. En jaune, le chemin que suivront les fils (torsadés) transportant le 12V non filtré et non redressé. En vert, l'emplacement des nouveaux circuits d'alimentation.

 

 

Crise du logement : on voit ici le nouveau transformateur (le cube gris et noir) à gauche du boitier d'alimentation. La place est comptée !

 

 

Une fois le bloc d'alimentation retiré (4 vis) le transfo est davantage visible. Il n'y a pas beaucoup de place, mais ça passe.

 

 

projet d'implantation pour la nouvelle alimentation à l'aide d'un gabarit en carton qui occupe la place du futur circuit.

(cliquez pour agrandir)

 

Les 7805 devant subir les assauts de nos fers et tresse à dessouder sont entourés de rouge sur la photo ci-dessous. Le carton-gabarit a été retiré pour la photo. C'est là que la nouvelle alimentation distillera bientôt ses jolis électrons tous silencieux et tous beaux. La chirurgie sera très basique puisqu'il suffira de supprimer ces régulateurs et de souder à leur place les 6 fils qui arriveront du nouveau circuit. Remarquez au passage sur la patte n°1 du troisième AK4393 à droite le fil de masse de l'horloge Tentlabs (qui n'est pas visible sur la photo). Faut pas trembler pour souder ce fil , la photo est en taille réelle !

(cliquez sur l'image pour l'agrandir)

 

 

 

 

2ème partie : le circuit