Ampli audio : stabilité et oscillations

De quoi s'agit-il quand on parle de stabilité d'un amplificateur ? Un ampli audio est susceptible de devenir instable et de générer des oscillations à haute fréquences. D'où viennent ces oscillations en principe inaudibles (ultrasons) ? Comment y remédier ? Ces oscillations dues à une instabilité sont très gênantes pour le bon fonctionnement de l'ampli audio et peuvent entraîner la surchauffe, voire la casse des transistors et la destruction de l'amplificateur ! Différentes méthodes lors de la conception et de la réalisation sont utiles et seront accompagnés de tests pour vérifier la stabilité de l'amplificateur.

Une surchauffe anormale, des bourdonnements dans le son ou la destruction inattendue des transistors d'un ampli peuvent provenir d'oscillations haute fréquence !

Stabilité de l'amplificateur audio

Sans rentrer dans la théorie, la contre réaction négative d'un ampli audio peut devenir positive dans le cas où le déphasage dans les circuits atteint 180 °.

En pratique, on constate parfois qu'un montage émetteur-suiveur peut devenir un oscillateur à haute fréquence (ordre de grandeur de la fréquence : 50 - 500 kHz). Les câbles des hauts-parleurs peuvent jouer le rôle d'un circuit accordé résonnant. un câble audio - apparemment anodin - se comporte comme une ligne de transmission (circuits LC bout à bout) en fonction de la longueur du câble, du diamètre des fils et de la distance entre les 2 fils. Des câbles pour audiophiles sont souvent pires sur ce point que de vulgaires câbles électriques (très utilisés en sono).

La plupart des amplis de puissance audio utilisent un montage émetteur-suiveur à leur sortie et quand on y branche un haut-parleur au bout d'un câble, des oscillations parasites peuvent survenir. Cela arrive plus souvent quand l'ampli audio débite du courant, plus rarement quand l'ampli est à vide. C'est bien dommage qu'un ampli ait ce fonctionnement erratique, aléatoire et non maîtrisé.

Ces oscillations sont visibles à l'oscilloscope. Cependant, des étages de sortie MOSFET peuvent osciller à des fréquences bien au delà des bandes passantes des oscilloscopes classiques (100MHz). Ces oscillations ne sont pas visualisées et pourtant elles existent et dérangent...

Améliorer la stabilité d'un ampli

Stabilisation par réseau de Zobel (ou Boucherot)

Le réseau de Zobel (ou Boucherot) est un circuit RC série à insérer entre la sortie de l'ampli et la masse. Ordre de grandeur : R = 1 à 10 Ohms, C = 100 nF.

Ampli sans réseau de Zobel (ou Boucherot)

Ampli avec réseau de Zobel (ou Boucherot) stabilisateur

A haute fréquence (celle des oscillations, donc de l'instabilité), le condensateur du réseau de Zobel est un court-circuit : la résistance R se retrouve donc en parallèle avec le réseau LC et diminue ainsi fortement le facteur de qualité Q du réseau oscillant LC. Le réseau de Zobel joue un rôle d'amortisseur. Il atténue l'effet "ligne de transmission" du câble du haut-parleur. On peut aussi ajouter un réseau de Zobel à l'extrémité du câble haut-parleur... mais du côté du haut-parleur ! Cette pratique est très rare...

Le réseau de Zobel atténue aussi l'aspect inductif du haut parleur à haute fréquence.

On pourra retenir : réseau de Zobel = amortisseur à haute fréquence

En revanche, avec des charges capacitives (tweeters piézo, câbles haut-parleur longs, filtre passif), le réseau de Zobel a peu d'effet. Il ne joue pas de rôle sur la stabilité de l'ampli. Une autre méthode doit combattre l'aspect capacitif de la charge branchée à la sortie de l'ampli.

En anglais : Zobel network

Inductance de sortie de l'amplificateur

Pour éviter des oscillations parasites liées à une charge capacitive (c'est le pire cas pour un ampli audio), une inductance doit être ajoutée à la sortie de l'ampli. En parallèle avec cette inductance, on doit ajouter une résistance convenable (1 à 10 Ohms environ) pour limiter le facteur de qualité Q entre l'inductance et la capacité (condensateur) de la charge.

Ampli avec réseau de Zobel (ou Boucherot) et inductance de sortie

L'inductance de sortie ne doit pas réduire la bande passante de l'ampli. Une valeur de 10 uH max est un bon début. Avec 6 uH, l'atténuation est de 0,2 dB à 20 kHz, ce qui reste très faible et ainsi inaudible. L'ampli audio est stable, n'oscille plus grâce à cette inductance de sortie.

On pourra retenir : inductance de sortie = remède contre l'instabilité avec les charges capacitives

En anglais : output inductor

Résistance en série avec l'ampli (pour les ampli op)

Cette méthode est à éviter puisque la résistance dissipe de la puissance inutilement, réduit le facteur d'amortissement de l'ampli en augmentant sa résistance de sortie. A des valeurs de résistances qui supprimeraient l'oscillation, la dissipation est bien excessive.

Cette méthode est à privilégier pour des ampli op dont la sortie est reliée à un câble d'une certaine longueur. Il faut choisir un bon compromis entre chute de tension et isolation entre ampli op et charge (capacitive) : entre 22 et 100 Ohms.

Autres méthodes pour stabiliser un ampli audio

Dans les réalisations d'ampli, les oscillations peuvent être combattues d'autres façons :

• condensateur de 10 à 100 pF entre la base et le collecteur du transistor amplificateur en tension (effet Miller)
• découplage correct des alimentations : 100 nF entre +Vcc et la masse, 100 nF entre -Vcc et la masse. Les condensateurs de découplage sont placés au plus près des circuits (transistors).
• minimiser les longueur des pistes dans le circuit...

Tests de la stabilité d'un ampli

Tester sans faire sauter les plombs

Pour tester la stabilité d'un ampli (dont on n'est pas sur...), on peut appliquer le test présenté ci dessous, mais en insérant un ampoule à incandescence ou halogène de 60 Watts environ en série avec la fiche secteur de l'ampli. Cela réduit la puissance disponible absorbée par l'ampli (en cas de dysfonctionnement) et évite d'éventuels dégâts sur l'ampli.

Tester un appareil électronique sans faire sauter les plombs

Test sur charge capacitive

On peut tester la stabilité d'un ampli en le poussant dans une situation où l'instabilité le guetterait. Cela consiste à lui brancher une certaine impédance particulière.

Un ampli audio bien conçu doit pouvoir piloter une charge capacitive, comme par exemple un ensemble RC parallèle (8 Ohms // 1 uF). Un signal créneau à 10 kHz environ est connecté à l'entrée de l'ampli, et le volume de l'ampli est réglé pour que l'amplitude de sortie soit de 1 V environ. La charge RC parallèle (8 Ohms // 1 uF) est connectée à la sortie de l'ampli (après l'inductance de sortie si elle est là) et la tension est observée à l'oscilloscope. Si des oscillations parasites apparaissent ou que des surtensions importantes sont visibles, l'ampli n'est pas très stable.

Sortie d'ampli avec charge capacitive (8 Ohms // 1 uF) : oscillations bien amorties

On voit ci dessus un ampli qui supporte bien les charges capacitives.

Si malgré le réseau de Zobel, l'inductance de sortie, la capacité placée entre base et émetteur de l'étage amplificateur de tension, les oscillations sont toujours présentes, alors la conception de l'ampli doit être repensée.

Ampli à TDA7250 et TIP142 / TIP147 : instabilité possible

L'exemple des amplis utilisant un TDA7250 et des TIP142 et TIP147 en sortie montre qu'il est facile de déclencher des instabilités et des casses de transistors inopinées (pas forcément à fort volume). L'ampli semble fonctionner très bien et tout à coup casse (transistors de sortie en court-circuit). Une possibilité consiste à placer un réseau RC série (560 Ohms - 1,2 nF) entre les entrées du TDA7250 pour réaliser une correction de phase pour gagner de la marge de phase.

Stabilisation du TDA7250 par réseau RC (560 Ohms - 1,2 nF)

Malheureusement, aucun détail de calcul n'est disponible chez Velleman (kit K4005) ou la documentation du TDA7250 de ST Micro (obsolète aujourd'hui).

Référence : kit K4005 Velleman :

https://www.velleman.eu/downloads/0/illustrated/illustrated_assembly_manual_k4005b_rev2.pdf

Réseau de Boucherot et inductance de sortie : exemples

La plupart des amplis utilisent le réseau de Boucherot et l'inductance de sortie pour la stabilité. Certains amplis s'en passent. Il n'y a pas de vérité absolue. Voici quelques exemples de réseaux de Boucherot d'ampli audio :

Amélioration de la stabilité de l'ampli par inductance de sortie

Amélioration de la stabilité d'un ampli QSC Audio par inductance de sortie

Amélioration de la stabilité de l'ampli par réseau de Zobel

Réseau de Zobel (ou Boucherot) sur un petit ampli LM386 (ampli 1 Watt)

Réseau de Zobel (ou Boucherot) sur l'ampli TDA2030 (14 Watts)

Réseau de Zobel (ou Boucherot) sur un ampli QSC Audio

Note : ici, le réseau de Boucherot est placé "après" l'inductance de sortie. On rencontre l'une ou l'autre façon de faire selon les fabricants.

Une simulation d'ampli LM3886 et son réseau de Zobel est présentée (en anglais ici) :

https://neurochrome.com/pages/stability

Pourquoi les oscillations à haute fréquences détruisent les amplis ?

Les oscillations à haute fréquence font basculer rapidement les transistors de sortie (étage de sortie push pull) d'un état passant à un état bloqué. Les transistors Darlington mettent davantage de temps à se bloquer (toff) qu'à devenir passants (ton). Ainsi, pendant un petit intervalle de temps, les deux (NPN et PNP) sont passants, créant ainsi une conduction simultanée transitoire (shoot through) et ainsi leur destruction. La bande passante de l'ampli doit ainsi être limitée ainsi que la vitesse de balayage en sortie (dV/dt).

Conclusion sur la stabilité des amplis

La stabilité d'un ampli est essentielle pour son bon fonctionnement et sa fiabilité. On peut détecter une instabilité à la présence d'oscillations parasites à haute fréquence. Ces oscillations inaudibles perturbent pourtant fortement l'ampli, dégradent la qualité sonore et peuvent entraînter la destruction de l'ampli. Le réseau de Zobel (ou Boucherot) et l'inductance de sortie sont souvent une solution efficace à ce problème. Cependant, si les oscillations persistent, la conception de l'ampli doit être repensé.