Mini ampli DIY de guitare à base de LM386 - Fais-tes-effets-guitare.com

Je me souviens dans les années 90 me faire offrir le mini ampli de Marshall fonctionnant sur piles. C’était super, portable, je pouvais jouer de la guitare devant les copains !

Dans cet article nous allons voir comment un petit chip, le LM386 permet de se fabriquer ce genre de mini ampli de basse puissance (<1 W), mais suffisant puissant pour jouer dans sa chambre.

Le LM386 est un chip très courant dans les circuits de pédale d’effet ainsi que dans les mini amplis. En faisant un peu de bibliographie, j’ai pu trouver le 1er modèle de mini ampli à base de LM386 de la taille d’un paquet de cigarette. Puis différentes modifications ont été apportés par différents concepteurs DIY.

Je me suis dit que ça pourrait être intéressant de voir comment ça fonctionne, j’ai donc décidé d’écrire quelque chose sur l’évolution des mini amplis DIY à base de LM386, puis de proposer le mien pendant que j’y suis ! À la fin de cet article, je propose un test sonore de mon circuit sur différents baffles.

Sommaire

1 Petit historique sur les mini amplis DIY à base de LM386

1.1 Schéma électrique du datasheet

Le datasheet du LM386 fournit un schéma électrique pour un appareil audio qui nécessite une amplification. Le voici :

Commentons le brièvement. En entrée on a un potentiomètre de 10 kohms qui permet de baisser le volume d’entrée si celui-ci est trop important et fait saturer le LM386. Il permet également de contrôler le volume général de l’ampli.

En sortie on a un réseau RC (0.05 uF et 10 ohms) qui permet de stabiliser le LM386 puis un condensateur de liaison de 250 uF qui permet de virer toute tension continue et de ne laisser passer que le signal audio (alternatif) vers le haut-parleur (à droite).

Les entrées 1, 8 ne sont pas connectées. Celles-ci permettent de contrôler le gain de l’amplificateur opérationnel. Lorsqu’elles sont à vide, le gain est de 20. Selon le datasheet, en plaçant un condensateur de 10 uF entre les entrées 1 et 8, le gain est de 200. Nous verrons expérimentalement dans la 2e partie dans quelles conditions ceci est vrai.

L’entrée 7 permet de découpler l’alimentation en plaçant un condensateur d’au moins 10 uF entre cette entrée et la masse. Ici il n’y en a pas.

1.2 Smokey Amp

Le Smokey Amp a été conçu par Bruce Zinky, qui a eu l’idée d’utiliser le LM386 pour fabriquer un ampli de guitare (ce n’est pas son utilisation 1ère à la base).

C’est l’ampli le plus petit et bon marché que l’on puisse trouver. En effet, il tient dans un paquet de cigarettes et ne contient que le LM386, 2 condensateurs, et un petit haut-parleur [1].

Voici son schéma électrique :

En gros, c’est la figure du datasheet simplifié au maximum : le potentiomètre d’entrée et le réseau RC ont été enlevés. Zinky ajoute cependant un condensateur de découplage sur l’entrée 7 de 47 uF pour stabiliser l’ampli op, et le condensateur de sortie est de 47 uF.

Selon Dave Stork, la valeur de sortie de 47 uF pourrait avoir été choisie pour ne pas trop charger en basses le petit haut-parleur de sortie et le protéger [2].

D’un autre côté, l’absence de buffer en entrée fait que l’on perd en brillance (voir par exemple cet article du blog). Le son qui en résulte est donc sombre, ce qui pourrait également expliquer le choix de la valeur du condensateur de sortie [2]. En gros on perd des aigus en raison de la faible impédance d’entrée du LM386, et on compense cela en mettant en sortie un condensateur de faible valeur pour diminuer les basses.

Enfin, notez qu’il y a une importante modification par rapport au schéma du datasheet c’est que les entrée 1 et 8 sont connectées entre elles. Le gain est donc maximum et vaut 200.

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Selon la ref [2], ceci peut être la cause d’oscillations non voulues provenant du LM386. Il faudrait placer un condensateur ou une résistance variable de 10 kohms entre les broches 1 et 8.

2 Little Gem et Ruby

Le Little Gem [3] et son successeur le Ruby [4] sont des versions modifiées du Smokey Amp faites par le site Runoff Groove en s’appuyant sur les recommandations vues précédemment [2].

Voici le schéma du Ruby [4] :

Les choses se compliquent… Mais je vais vous expliquer ça tout de suite.

En fait c’est pas très compliqué. En gros, le Little Gem puis le Ruby c’est le Smokey Amp avec les améliorations suivantes [3] :

Condensateur de découplage de 100 uF entre l’alimentation et la masse
Réapparition du réseau RC en sortie du LM386
Un potentiomètre de 1k entre les entrée 1 et 8 pour faire varier le gain de l’ampli op
Un condensateur de liaison de 220 uF en sortie pour plus de basses (à ajuster selon nécessités).

Notons également une modification importante mais que je n’ai vu soulignée nulle part, c’est que les entrées + et – sont inversées. En effet, la tension d’entrée s’applique maintenant sur l’entrée négative et non sur la positive comme c’est le cas pour le Smokey Amp. Expérimentalement, j’ai observé une différence, comme on le verra plus bas.

Finalement, le gros changement par rapport au Smokey Amp est en entrée, on voit l’apparition d’un nouveau composant actif. C’est un transistor de type JFET. Il est là pour palier la mauvaise adaptation d’impédance entre la guitare et le LM386. Le JFET ayant une impédance d’entrée très grande est parfait pour recevoir le signal de la guitare qui possède également une haute impédance (je parle ici de guitares passives). La sortie du JFET a une basse impédance ce qui est parfait pour le LM386.

Par conséquent, le rôle du JFET est d’adapter l’impédance, ce qui nous permet de conserver le spectre audio et de ne pas perdre d’aigus (je vous mets différents liens vers le blog au cas où vous voudriez approfondir).

Le potentiomètre d’entrée a le même rôle que celui-vu plus haut dans le datasheet. Et le condensateur de 47 nF est là pour supprimer la tension constante crée par l’alimentation 9 V qui alimente le transistor.

Donc en gros, on a un étage buffer et un étage d’amplification. C’est tout.

Il y a pas mal de modifications proposées pour changer le son, vous pouvez regarder leur site c’est intéressant. Il y a également une analyse théorique assez poussée sur le site d’Electrosmash (voir les liens en bas de l’article).

1.3 Noisy Cricket

Le Noisy Cricket de Beavis Audio Research est encore un pas en avant dans la lignée des mini amplis DIY à base de LM386. L’idée est d’inclure un contrôle sur la tonalité, ainsi que la possibilité d’ajouter de la saturation.

Il y a d’ailleurs un fil de discussion dans le forum américain DIYstompboxes.org plutôt intéressant initié par Dano l’auteur de Beavis Audio Research. Il y commente son intention de rajouter un contrôle de tonalité similaire à celui de la Big Muff Pi dans le Ruby et demande l’avis des membres du forum [7]. Et ce qui est sympa c’est que l’on voit répondre B. Tremblay de RunOff Groove. Il y a aussi Mark Hammer qui intervient, un des prophètes de la communauté de ce forum.

Je vous invite à lire ce post. On y voit comment évolue le Noisy Cricket, pour finalement donner ceci :

Par rapport au Ruby on voit essentiellement 2 ajouts :

un contrôle de tonalité avant le LM386. C’est un filtre passe-bas passif dont on détermine la fréquence de coupure grâce au potentiomètre de 100k.
Une boucle de retour entre les broches 5 et 7. Dans le fil de discussion cité ci-dessus, Dano explique que cela ajoute un peu plus de gain et de saturation.

Vous trouverez également dans Electrosmash.com une analyse détaillée de ce circuit [8].

Le contrôle de tonalité permet d’adoucir un trop plein d’aigus, ce qui peut être bien dans un ampli de petit format qui forcément va manquer de basses.

Par contre, vu la disposition des potentiomètres, il y a une forte corrélation entre volume et tonalité, il est difficile de régler l’un sans affecter l’autre [8].

J’ai voulu moi aussi faire joujou avec ce circuit en réfléchissant à comment jouer sur la tonalité. Pour cela j’ai repris l’idée évoquée rapidement par Mark Hammer dans le fil de discussion mentionné ci-dessus de jouer sur la boucle entre les entrées 1 et 8 du LM386.

2 Modifications proposées

Alors déjà une petite précision. Vous trouverez plusieurs sortes de 386 suivant qui est le fabricant. National Semiconductor puis Texas Instruments fournissent différentes version pour différentes puissances : les LM386N-1,3 et 4. The Japan Radio Company fournit 2 modèles, les NJM386 ou JRC386 et NJM386B. Il y a également le LM386 de Unisonic Technologies (UTC). Il permet d’avoir 700 mW de puissance sous 9 V. C’est celui que j’utilise dans mon mini ampli.

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2.1 Comment faire varier la tonalité

Nous avons vu au début que le datasheet du LM386 nous dit que lorsque les entrées 1 et 8 du LM386 ne sont pas connectées, le gain (défini par le rapport entre la tension de sortie et la tension d’entrée) est de 20.

Par exemple si mon signal d’entrée est de 15 mV, mon signal de sortie sera de 15 × 20 = 300 mV.

Par contre le datasheet dit que si on relie les entrées 1 et 8 par un condensateur de 10 uF, on obtient un gain de 200. Dans mon exemple ma tension d’entrée de 15 mV se convertit donc en 15 × 200 = 3000 mV = 3 V.

La 1ère question que l’on peut se poser c’est ce gain est défini à quelle fréquence ?

La 2e question pourrait être et que se passe t’il si j’introduis un condensateur et une résistance en série ?

Ce système condensateur C + résistance R est un filtre passe-haut, il ne laisse passer que les fréquences supérieures à une fréquence déterminée par les valeurs de R et de C.

Par conséquent, si on modélise le condensateur comme un fil pour les hautes fréquences et un circuit ouvert pour les basses fréquences, les hautes fréquences seront beaucoup plus amplifiées que les graves. Le gain va donc varier en fonction de la fréquence, on crée donc un amplificateur équivalent à un filtre passe-haut actif.

C’est l’idée que j’ai voulu tester.

2.2 Variation du gain avec la fréquence

Tout d’abord, je me suis amusé à regarder l’évolution du gain avec la fréquence. Pour cela, je suis parti du schéma du datasheet. Je le remets ici, j’ai adapté un peu les valeurs des composants avec ce que j’avais sous la main :

La tension V_IN est imposée par mon générateur de tension sinusoïdal et sera maintenu tout le long de l’expérience à 10 mV. Je mesure l’amplitude de V_OUT avec mon oscilloscope pour différentes fréquences de V_IN de 10 Hz à 50 kHz. Notons que j’injecte le signal dans l’entrée +.

Voici ce que j’obtiens :

On voit qu’au delà de 1000 Hz, le gain vaut bien 20, comme prévu par le datasheet du LM386. En revanche les basses fréquences ne sont pas aussi bien amplifiées. Par exemple, le mi grave de la guitare qui a une fréquence fondamentale de 82,5 Hz aurait un gain de 13 et quelques.

Cette diminution du gain à basse fréquence est due au circuit que l’on a monté. En effet, en sortie du LM386 on a un condensateur de 220 uF et une résistance de 8 ohms. Ceci constitue un filtre passe-haut dont on peut calculer que la fréquence de coupure vaut 90 Hz. Si on veut plus de basses, on peut augmenter la valeur de C en sortie.

Voyons maintenant la courbe de gain lorsque l’on branche un condensateur de 10 uF entre les entrées 1 et 8 du LM386.

Voici le graphique que j’ai obtenu :

C’est très intéressant ! On observe une augmentation générale du gain, mais pas de manière homogène. La zone autour de 10kHz est plus amplifiée, montrant un gain de 200 qui est celui que l’on doit avoir en théorie.

On peut donc espérer avoir un contrôle de la tonalité à ce niveau là.

Regardons ce qui se passe si je branche une résistance de 10 kohms en série avec le condensateur de 10 uF :

Voici ce que donne la courbe du gain :

On voit que la courbe du gain est plus plate à haute fréquence, on n’a pas le pic à 10 kHz.

C’est super ! Cela montre que l’on peut jouer avec les entrées 1 et 8 pour changer le spectre de sortie !

Maintenant par curiosité j’ai regardé ce qui se passe lorsque j’inverse les entrées. Jusque là, j’ai injecté le signal dans l’entrée + de l’ampli op. J’ai donc répété l’expérience précédente en injectant le signal dans l’entrée -. J’ai trouvé à peu près la même chose sauf pour le cas où seul un condensateur de 10 uF est placé :

On trouve une nouvelle bosse aux alentours de 900 Hz ! Je ne sais pas trop à quoi est due cette résonance, il faudrait bien regarder le schéma intérieur du LM386. J’ai essayé de voir s’il y a une influence sur le son, mais je n’ai pas trouvé cela flagrant. Je n’ai pas trop poussé la recherche dans ce sens, mais il y a certainement quelque chose à faire ! Dans mon cas cependant je préfère utiliser la courbe de gain précédente car l’amplification n’affecte que les aigus.

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Conclusion de cette histoire, voici le schéma que je propose, je l’ai appelé le « Nice’n easy » :

J’ai repris tous les arguments vus depuis le début de l’article et je les ai adapté ici :

Condensateur de découplage au niveau de la pile. Du coup j’enlève celui de l’entrée 7.
Buffer en entrée. Vu que j’ai des 2N5458, j’ai modifié les composants qui l’entourent pour avoir un gain sensiblement proche de 1.
Injection du signal dans l’entrée + du LM386
Réseau RC entre les broches 1 et 8 : un condensateur de 10 uF et une résistance variable de 1kohms.
Condensateur de 1000 uF pour avoir plus de basses. À adapter cependant en fonction du haut parleur qu’on utilise comme nous allons le voir dans le test.
J’ai ajouté un condensateur de 100 nF de la broche 2 du potentiomètre de 50k à la masse pour enlever des aigus lorsque l’on monte le volume.

L’idée étant de revenir à un schéma simple, minimaliste, mais permettant un certain contrôle sur la couleur du son.

3 Test Sonore

J’ai testé le Nice’n easy sur 3 baffles différent. Le 1er est le baffle de mon Blues Junior pour voir comment sonne ce mini ampli sur un baffle bien fait qui a des basses. J’ai donc branché la sortie de circuit DIY directement sur le haut-parleur du Blues Junior. Le 2e est un baffle de ma fabrication que j’ai dôté d’un haut-parleur de 10 pouces, un Patriot Delta Demon de Eminence. Le baffle mesure environ 32 cm × 30 cm × 15 cm. Enfin le 3e est le baffle de mon mini ampli Marshall. J’ai dû lui changer son haut parleur car l’original était fatigué en raison de l’usage intensif que j’en ai eu durant mon adolescence.

Pour chaque baffle je fais 2 tests. Un avec les aigus à fond (potentiomètre de 1k au minimum), et l’autre avec les aigus au minimum (potentiomètre de 1k à fond). Pour compenser la perte de volume lorsque les aigus sont au minimum, j’augmente légèrement le volume au niveau du potentiomètre de 50k.

Rien n’a été rajouté en post-production, ni réverbe, ni compression, ni normalisation, rien. Je vous donne donc le son cru.

Voyons le résultat sur le baffle du Blues Junior :