FR2878091A1 - Amelioration de la qualite des appareils analogiques a large bande - Google Patents

Abstract

L'invention améliore la qualité de fonctionnement d'appareils électroniques analogiques à large bande par le remplacement des condensateurs utilisés pour le filtrage et le découplage des tensions d'alimentation ainsi que pour la liaison entre éléments fonctionnels (2) et (3) successifs par des grappes de condensateurs (1) dont les valeurs sont régulièrement distribuées depuis les faibles valeurs, plus efficaces aux hautes fréquences, jusqu'aux fortes valeurs, plus efficaces aux basses fréquences. L'amélioration est apportée, à chaque fréquence, par l'action conjuguée de condensateurs voisins aboutissant, par sommation de leurs réponses fréquentielles individuelles, à une réponse globale linéaire.

Description

2878091 -1

Amélioration de la qualité des appareils analogiques à large bande.

Domaine de l'invention La présente invention concerne les appareils électroniques utilisés pour traiter des signaux analogiques dans une large bande de fréquences dans de bonnes conditions de qualité et de fidélité.

La présente invention est applicable dans la grande généralité de tels appareils. Cependant, pour prendre un exemple précis et sans que cela constitue une restriction d'usage, la suite de ce texte décrit son application aux appareils de traitement de signaux audio ou vidéo, dits HiFi. Ces appareils sont utilisés pour recueillir de tels signaux au moyen de sources appropriées, tels que microphones, pour les reproduire au moyen de casques écouteurs, haut-parleurs, ou tout dispositif approprié, pour les conditionner en vue de leur transport par voie filaire, hertzienne ou autre, ou de leur mise en mémoire sur un support analogique ou numérique. Dans de tels appareils, le terme Hi-Fi (acronyme anglo-saxon pour Haute Fidélité) signifie que la reproduction du signal, qui est toujours leur objectif final doit être la plus fidèle possible par rapport au signal initial recueilli par les microphones.

Les signaux traités par ces appareils sont toujours destinés à être appréciés par des auditeurs humains. Aussi la fidélité de leur traitement doit-elle être vérifiée en les soumettant à des tests subjectifs de comparaison, d'agrément et de préférence auprès d'auditeurs humains. On peut également vérifier cette fidélité en comparant de façon objective le signal obtenu à diverses étapes de son traitement à ce qu'il est au plus près de la source qui l'a créé ou qui a permis de le recueillir.

Les recherches sur le traitement du signal ont montré que la comparaison de la forme d'onde temporelle du signal n'est pas suffisante. En effet des imperfections pratiquement indécelables à ce niveau peuvent résulter en des résultats désastreux aux tests subjectifs, alors que des imperfections plus visibles peuvent n'avoir aucune incidence sur ces derniers.

Si l'examen de la forme d'onde n'est pas un bon critère objectif, il est très généralement admis que la linéarité du traitement, le bon respect de la phase et de l'amplitude des composantes spectrales des signaux et la limitation du niveau de bruit apporté par le traitement, tout cela dans une bande de fréquences appropriées, constituent des critères assurant une bonne corrélation avec des tests subjectifs.

C'est ainsi, pour prendre un exemple imagé non exclusif, qu'on peut considérer que le traitement d'un signal de qualité téléphonique est satisfaisant si, dans une bande de fréquence s'étalant de 300 à 3400 Hz, la distorsion de linéarité ne dépasse pas 1 ou 2 %, si les amplitudes spectrales sont respectées à 3 ou 4 dB près et si le niveau de bruit reste au moins 35 ou 40 dB au dessous du niveau du signal, le respect de la phase n'étant soumis à aucune condition particulière.

2878091 -2 Pour un appareil utilisé pour le traitement de signaux musicaux diffusés par voie radio-électrique en modulation de fréquence, on est plus exigeant. La bande de fréquences est élargie à la gamme de 50 à 15000 Hz, les amplitudes spectrales doivent être respectées à 1 dB près, le niveau de bruit doit être abaissé à -65 dB et la phase doit être bien maîtrisée.

On commence à parler de Hi-Fi quand la bande de fréquence atteint 20 à 20000 HZ et le niveau de bruit -95 dB, les autres critères objectifs perdent de leur importance dans la mesure ou la technologie électronique moderne permet de les respecter de façon parfaite, en ce sens qu'aucune amélioration n'est obtenue en les poussant plus loin.

Cependant, des utilisateurs exigeants ne se contentent pas de ce niveau de qualité et amènent les constructeurs à apporter à leurs produits des modifications qui ne sont pas justifiées par les connaissances actuelles des mécanismes psycho-physiologiques des organes sensoriels de l'homme, ou dont les effets sur le signal ne sont pas observables de façon objective. A ce sujet, on peut consulter le texte de David E Blackmer "The world beyond 20kHz" (accessible sur le site http://www.drtmastering. com) ainsi que le document du Dr Paul Mills intitulé "Wideband: The Need For Extended High Frequency Bandwidth, or Why You Need A Supertweeter" et rendu public le 14 décembre 1999 par la société Tannoy.

C'est ainsi que certains appareils en arrivent à traiter le signal dans une bande de fréquences s'étendant jusqu'à 150kHz, alors qu'aucune perception auditive n'est considérée comme possible au-delà de 20000Hz ou 30000Hz et que des choix particuliers de composants donnent de bons résultats subjectifs sans aucune corrélation de mesures objectives.

But de l'invention La présente invention se situe dans le cadre qui vient d'être évoqué plus haut. La présente invention concerne l'amélioration de la qualité subjective que l'on obtient des appareils décrits ci-dessus par une structure particulière des éléments capacitifs utilisés dans leur fabrication.

Dans de tels appareils, les éléments capacitifs assurent deux fonctions fondamentales qui sont le filtrage et le découplage des tensions d'alimentation, d'une part, et la transmission des signaux entre sousensembles différents, d'autre part.

La plus grande part des appareils électroniques exigent des tensions d'alimentation stables. S'agissant d'appareils de traitement de signal à large bande, cette stabilité doit être assurée, au moins, dans la bande de fréquence d'évolution des signaux traités. Toute instabilité des tensions d'alimentation est susceptible de se répercuter, même de façon affaiblie, sur le niveau des signaux produits.

S'il s'agit d'appareils alimentés à partir du courant alternatif fourni par le réseau de distribution public, la nature même de ce courant est source d'instabilité. Le système d'alimentation comporte nécessairement un système assurant le redressement du courant, c'est-à-dire sa transformation en courant continu (toujours de même polarité) et un système de filtrage, essentiellement composé de condensateurs placés en parallèle entre la tension d'alimentation et la tension de référence (masse) permettant de stocker une tension électrique peu influencée par l'instabilité en amont. La figure 1 montre l'application de notre invention à ce cas.

Par ailleurs, les différents sous-ensembles alimentés de cette façon appliquent des appels de courant variable au système d'alimentation, constituant une autre instabilité. Le système de filtrage a pour fonction de protéger les sous-ensembles alimentés de ces instabilités aval. On parle ici de découplage, mais il s'agit d'un problème de même nature.

L'autre utilisation fondamentale des systèmes capacitifs dans les appareils qui nous intéressent est la liaison entre sous-ensembles successifs. Il n'est jamais demandé aux appareils audio, fussent-ils de très haute qualité d'assurer la transmission de la composante continue (fréquence nulle) des signaux. Il est parfois nécessaire d'utiliser des sous-ensembles successifs tels que la composant continue à la sortie du premier soit incompatible avec la composante continue à l'entrée du second. D'une façon générale, il est préférable d'empêcher toute composante continue de se propager dans l'appareil, à son entrée et à sa sortie.

En particulier, placé à la sortie d'un amplificateur, ce condensateur est une protection contre les court-circuits imposant aux étages de sortie un courant électrique très important.

Dans le cas d'un court-circuit intervenant au niveau de l'appareil placé en aval, le condensateur limite le temps pendant lequel les étages de sorties de l'amplificateur doivent fournir un courant très important risquant de conduire à leur destruction.

Dans le cas d'une défaillance des étages de sorties de l'amplificateur cette limitation dans le temps du courant excessif susceptible d'être délivré évite la destruction de l'appareil placé en aval (par exemple, un haut-parleur).

Pour assurer les liaisons dans ces conditions, il est indispensable de mettre en place un condensateur en série sur le chemin emprunté par le signal, par exemple au point de connexion d'un microphone ou de toute source extérieure, entre les différents étages d'amplification ou de traitement internes, au point de connexion d'une sortie externe ou d'un haut-parleur. Le même procédé est applicable aux câbles de modulation utilisés pour assurer les liaisons entre appareils différents, tels qu'un lecteur CD et un amplificateur, par exemple. Il est courant, dans ce cas, d'utiliser un condensateur en série à l'entrée et/ou à la sortie d'un tel appareil, pour le protéger contre les signaux parasites polluant les terres de protection qui se manifestent très généralement par des ronflements. Dans tous les cas, le choix de ce composant n'est pas anodin, tant du point de vue de la valeur de sa capacité que du point de vue de la technologie choisie.

Ce condensateur stocke une tension électrique de valeur égale à l'écart de tension entre les deux points entre lesquels doit être acheminé le signal. Ce dernier est acheminé par les appels de 2878091 -4 courant entre les deux éléments reliés de cette façon. La figure 2 montre l'application de notre invention dans ce cas.

Le point commun entre les utilisations qui viennent d'être décrites est que le système capacitif utilisé se charge à une tension déterminée (tension d'alimentation, ou écart de tension entre éléments à relier). Le bon fonctionnement de l'appareil procède de ce que cette tension reste fixe quel que soit le courant qui traverse le système capacitif. Ce système capacitif doit, pour cela, présenter. dans la bande de fréquence du signal, la plus faible impédance et le plus faible écart de phase possible.

Dans les deux cas, la solution impose une forte capacité. Le calcul de la valeur théorique de cette capacité est facile en fonction des conditions environnantes. Le comportement des condensateurs de fortes valeurs, généralement réalisés en technologie électrochimique, est mauvais en haute fréquence. Aussi est-il d'usage d'ajouter en parallèle un ou deux condensateurs de plus faibles valeurs mais réalisés dans une technologie, non électrochimique, assurant un meilleur traitement des hautes fréquences.

Description détaillée de l'invention

La présente invention remplace, dans les cas présentés ci-dessus, le condensateur ou le groupe de deux ou trois condensateurs par une grappe de condensateurs (1) de valeurs différentes (notée C, entre CI et CN) dont le nombre peut atteindre quinze ou vingt (il n'y a pas de limite théorique au nombre de capacités), dans les conditions exposées ci- dessous: La valeur cumulée des éléments de cette grappe de condensateurs est égale à la valeur théorique déterminée pour l'utilisation d'un condensateur parfait;(ou à la plus petite valeur déterminée à l'écoute ou/et aux mesures, apportant une reproduction correcte de la fréquence la plus basse recherchée).

Chaque condensateur, numéroté i, est associé à une bande de fréquences, depuis les grandes valeurs de capacités associées aux basses fréquences, jusqu'aux faibles valeurs associées aux hautes fréquences, selon une formule telle que, sans que celle-ci ait aucun caractère d'exclusivité: C, =Kif, La capacité équivalente de l'ensemble est la somme des capacités des N condensateurs qui constituent la grappe: C = CI + C2 +... + CN L'influence de ce composant est facilement démontrable à l'écoute. En appliquant le principe des capacités multiples de valeurs étagées, on élimine ce problème, par l'approximation du condensateur parfait. On aboutit par ce procédé à une qualité subjective de signal au moins égale, et plus généralement supérieure, à celle obtenue en liaison directe. Cette supériorité sur une liaison directe par un câble peut s'expliquer du fait que la liaison capacitive évite la transmission 2878091 -5 des tensions parasites en continu et en très haute fréquence. Ces deux types de parasites peuvent influer défavorablement sur la phase des signaux, par intermodulation, et également, surtout en ce qui concerne le continu et les très basses fréquences (par exemple, inférieures à 2 Hz) faire varier continuellement le point de fonctionnement de l'appareil, y compris sur le plan thermique et, entre autre, par leur effet sur la contre-réaction. Il est, par ailleurs, remarquable qu'expérimentalement, les meilleurs résultats subjectifs des câbles de modulation (de liaison entre un lecteur CD et un amplificateur) ont été obtenus avec un découplage total du continu en installant des groupes de capacités sur le point chaud, et sur la masse reliant les prises RCA en liaison asymétrique ou sur les deux points d'une liaison symétrique. Enfin, l'utilisation des groupes de capacités a été expérimentée avec succès sur les câbles reliant les haut-parleurs à l'amplificateur. Ici aussi, on peut présumer que l'emploi de ce procédé permet d'éviter une influence néfaste sur la contre-réaction de l'amplificateur de parasites TBF, ainsi que l'influence de parasites de haute fréquence (situés très au dessus de la bande audio).

L'amélioration de la qualité du signal obtenue avec cette disposition de condensateurs est parfaitement mise en évidence par les résultats subjectifs évoqués ci-dessus. Cependant, aucun modèle objectif ni aucune mesure objective ne permettent de prévoir une telle amélioration. Il est évident que cette disposition n'a pas de sens si les condensateurs sont parfaits. La recherche de l'effet obtenu ici doit se faire dans les imperfections des condensateurs, dans leur composante selfique et dans les pertes dans le diélectrique.

La composante selfique des condensateurs leur donne une fréquence de résonance pour laquelle ils présentent un fonctionnement optimal avec une impédance réactive et un déphasage nul. L'utilisation d'une grappe de condensateurs de valeurs étagées permet d'avoir un condensateur optimal à toute fréquence. Dans cette hypothèse, il peut être même utile d'adjoindre à chaque condensateur une inductance en série de façon à abaisser sa fréquence de résonance et améliorer encore l'efficacité de l'ensemble dans les basses fréquences. Cette opération paradoxale, qui consiste à diminuer la qualité des condensateurs, constitue, en fait, un neutrodynage permettant l'amélioration de la réponse du dispositif.

Dans le même esprit, on peut rechercher un neutrodynage similaire par l'utilisation de résistances insérées en série avec chaque condensateur. Agissant directement sur la constante de temps de chaque condensateur, cette opération permet d'agir sur la courbe de déphasage de l'ensemble. D'autre part. ce sont les pertes dans le diélectrique qui expliquent le mauvais fonctionnement des condensateurs électrochimiques aux hautes fréquences. Ces imperfections des condensateurs sont encore mal connues: elles ne sont modélisées que sur un plan global du point de vue énergétique, loin des phénomènes précis internes aux matériaux eux-mêmes. Les observations que l'on peut faire mettent en évidence des cycles d'hystérésis. On peut, au-delà des simples 2878091 -6 différences de technologie, s'attendre à ce qu'un condensateur déterminé ait une capacité trop faible pour assurer le traitement des signaux de basses fréquence et un cycle d'hystérésis provoquant un épiétage des signaux à haute fréquence, nécessitant ainsi l'utilisation de condensateurs de capacités étagées pour assurer un traitement correct à toutes les fréquences. On peut attribuer à ces phénomènes d'hystérésis des déphasages de signal fluctuants en fonction de paramètres divers (intensité, pente du signal, impédance des appareils et leurs variations.. .). Ces déphasages sont annulés presque totalement par l'utilisation de groupes de capacités. On constate également que les grappes de condensateurs conduisent à une qualité subjective encore accrue si les condensateurs individuels sont différents les uns des autres, non seulement dans la valeur de leur capacité, mais également dans d'autres de leurs caractéristiques telles que leur tension de service et leur nature technologique (électrochimique, polyester, papier, céramique, ou autre). Ces caractéristiques influent sur les caractéristiques de résistance, de self, de réponse en fréquence des condensateurs, susceptibles, elles-mêmes, d'influer sur la qualité subjective des signaux, ainsi qu'il est dit ci-dessus.

Dans le cadre de cette recherche de l'amélioration de la qualité des appareils par l'utilisation de grappes de condensateurs, il a été remarqué que cette qualité s'améliore encore si les éléments de ces grappes de condensateurs sont enrobés dans une résine silicone ou, plus généralement un produit résilient permettant d'éviter les vibrations. On évite ainsi que les condensateurs soient soumis aux vibrations mécaniques de toutes natures provenant des transformateurs d'alimentation, des hauts- parleurs ou des bruits externes. De telles vibrations sont susceptibles d'induire de faibles variations de capacité et des signaux parasites superposés aux signaux utiles.

Brève description des dessins

Dans les dessins annexés, - la figure 1 représente une grappe de condensateurs (1) de valeurs différentes (notée C, entre CI et CN) entre deux éléments fonctionnels (2) et (3) d'un appareil électrique ou électronique, - la figure 2 représente une grappe de condensateurs (1) de valeurs différentes (notée C, entre CI et CN) entre deux éléments fonctionnels (2) et (3) d'un appareil électrique ou électronique et dont chaque condensateur est monté en série avec une résistance (notée RI à RN) (4), - la figure 3 représente une grappe de condensateurs (1) de valeurs différentes (notée C, entre CI et CN) entre deux éléments dont l'un est un système source qui peut être par exemple un amplificateur (5) et l'autre un système récepteur qui peut être par exemple un hautparleur (6).

Claims (8)

-7 REVENDICATIONS

1 Dispositif constitué de condensateurs regroupés en une grappe parallèle (1) placée entre deux systèmes et caractérisé en ce que les condensateurs qui le composent possèdent des valeurs de capacité distribuées de façon régulière depuis les faibles valeurs assurant un temps de réponse rapide aux signaux à hautes fréquences jusqu'aux fortes valeurs gardant une charge électrique importante sous l'effet de signaux électriques à basse fréquence.

2 Dispositif capacitif selon la revendication 1 et caractérisé en ce que les condensateurs qui le composent possèdent des tensions de service différentes.

3 Dispositif capacitif selon tout ou partie des revendications précédentes et caractérisé en ce que la nature technologique des condensateurs qui le composent n'est pas homogène pour l'ensemble de la grappe (1).

4 - Dispositif capacitif selon tout ou partie des revendications précédentes et caractérisé en ce qu'il est employé dans un appareil de reproduction du son ou d'images de haute qualité et qu'il traite des signaux électriques analogiques à large bande, tels que les signaux audio et/ou vidéo.

5- Dispositif capacitif selon tout ou partie des revendications précédentes et caractérisé en ce que l'ensemble est enrobé dans un matériau résilient le protégeant des vibrations.

6- Dispositif capacitif selon tout ou partie des revendications précédentes et caractérisé en ce que chacun des condensateurs individuels est placé en série avec une inductance permettant 25 d'améliorer le comportement de l'ensemble dans les basses fréquences.

7- Dispositif capacitif selon tout ou partie des revendications précédentes et caractérisé en ce que chacun des condensateurs individuels est placé en série avec une résistance (4) permettant d'améliorer son temps de réponse.

8- Dispositif capacitif selon tout ou partie des revendications précédentes et caractérisé en ce qu'il est utilisé pour filtrer et découpler les tensions fournies par le dispositif d'alimentation d'un appareil électrique ou électronique.

2878091 -8 9- Dispositif capacitif selon tout ou partie des revendications précédentes et caractérisé en ce qu'il est utilisé pour assurer la transmission des signaux électriques entre deux éléments fonctionnels (2) et (3) d'un appareil électrique ou électronique.

10- Dispositif capacitif selon tout ou partie des revendications précédentes et caractérisé en ce qu'il est utilisé pour assurer la transmission des signaux électriques entre un amplificateur (5) et un haut-parleur (6) ou un ensemble de haut-parleurs.

l l - Dispositif capacitif selon tout ou partie des revendications précédentes et caractérisé en ce qu'il est utilisé pour assurer la transmission des signaux électriques entre un microphone ou une source de signal extérieure et un amplificateur ou autre élément fonctionnel d'un appareil électrique ou électronique.

12- Dispositif capacitif selon tout ou partie des revendications précédentes et caractérisé en ce qu'il est placé sur chacun des deux fils utilisés pour assurer la transmission asymétrique (point chaud et masse) ou symétrique des signaux électriques entre un microphone ou une source de signal extérieure et un amplificateur ou autre élément fonctionnel d'un appareil électrique ou électronique.