Comment augmenter le headroom d’une pédale d’effet avec une charge pump

Dans votre quête du son vous vous êtes peut-être confronté à des circuits de pédale d’effet avec charge pump ou pompe de charge. Et peut-être vous êtes vous demandé à quoi ça sert ? Une charge pump (comme le MAX1044 ou le LT1054) c’est le nom donné à des convertisseurs de tensions. En leur fournissant une tension unique (bien souvent 9V dans notre cas), ce composant est capable d’inverser la tension (-9V), de la doubler (18V), de la multiplier ou de la diviser. Par exemple, pour une Fuzz Face utilisant des transistors au germanium, il peut être utile de vouloir inverser la tension pour des raisons de masse positive (je vous montre ici comment faire). En effet, ces transistors sont de type PNP et nécessitent que le collecteur soit à une tension inférieure à celle de l’émetteur. En d’autres termes, on l’alimente en -9V au lieu de +9V.

Une autre application des charge pump dans les pédales d’effet est d’augmenter le headroom, c’est à dire de pouvoir amplifier d’avantage le signal sans avoir de saturation. Je vais expliquer ça plus en détail dans cet article, et à la fin je vous donne un circuit que vous pouvez essayer à la maison pour voir l’effet d’une charge pump sur la tension.

1 Qu’est-ce que le headroom ?

Regardez par exemple ce dessin : à gauche on a un signal que l’on veut amplifier 2 fois. Si le headroom est trop bas, le signal va se tasser à son maximum une fois amplifié : le signal obtenu sature, il n’est pas net. Par contre si le headroom est suffisamment grand, le signal est amplifié tel quel. Il conserve sa forme est ne sature donc pas.

Pour faire simple, en audio, le terme « headroom » se réfère à l’espace disponible entre le niveau de crête le plus élevé d’un signal audio et le niveau maximal autorisé avant la distorsion ou la saturation. En d’autres termes, c’est la marge de sécurité entre le niveau de crête et le niveau maximal acceptable.

D’ailleurs, dans le domaine de l’enregistrement et du mixage audio, il est recommandé de laisser un certain headroom lors de l’enregistrement et du traitement des pistes audio. Cela permet d’éviter toute distorsion indésirable et offre de la flexibilité lors de l’étape de mastering.

Dans la Ref. [1] vous trouverez pas mal de détails là dessus si le sujet vous intéresse.

2 Comment augmenter le headroom et pourquoi ?

2.1 Comment

Pour augmenter le headroom on peut par exemple utiliser un compresseur. Son rôle est de contrôler les crêtes excessives du signal.

On peut aussi avoir le cas que certaines fréquences sont trop présentes. Elles augmentent alors le niveau global du signal. En utilisant un equaliseur on peut ajuster les fréquences indésirables et réduire leur niveau ce qui améliore le headroom général.

Au niveau du circuit, ce qu’on peut aussi faire c’est augmenter la tension d’alimentation du composant actif utilisé pour amplifier le signal.

Par exemple, imaginons que vous utilisez un amplificateur opérationnel pour amplifier le son. Vous l’alimentez en 9V et vous envoyez à son entrée un signal de 0,1 mV pic à pic.

Et bien même en concevant bien le circuit, le maximum que vous pouvez obtenir en sortie sans distorsion ce sera 9V pic à pic, car c’est ce que vous lui donnez (en fait c’est moins mais je néglige les pertes pour l’explication).

Imaginons que votre circuit est conçu de manière à obtenir une tension plus grande que 9V pic à pic. Par exemple 10V pic à pic. En augmentant la tension d’alimentation à 12V, vous obtiendrez ce que vous voulez sans distorsion. Je vous renvoie à la figure ci-dessus, augmenter la tension d’alimentation reviens à augmenter l’écart des 2 lignes vertes.

Certaines pédales d’effet permettent d’utiliser une tension plus grande que 9V, par exemple la OCD de fulltone peut être alimentée jusque 18V [2].

Alors attention, ne faîtes pas ça avec vos pédales d’effet si le manuel ne le précise pas ! En utilisant une tension plus grande que celle prévue vous risquez de crâmer votre pédale d’effet !

Ce serait comme si vous sautiez depuis un mur de 2 mètres alors que vos genoux ne supportent qu’un saut de 1 mètre !!

2.2 Pourquoi ?

On peut aussi augmenter le headroom des pédales d’effet avec une charge pump. C’est ce qu’on trouve dans la Katana de Keeley electronics par exemple. La charge pump est utilisée en doubleur de tension, pour transformer les 9V fournis par notre alimentation en 18V.

Voici pourquoi ils font ça :

« La Katana est donc un clean boost, un amplificateur sans distorsion, qui permet d’envoyer un son clean dans l’amplificateur juste avec le bon volume pour trouver le sweet spot de l’ampli et le faire sonner monstrueux ! » (selon la Ref. [3], je me suis un peu lâché sur la fin de la traduction ! 😊).

Il est donc temps maintenant de tester ce composant : une charge pump.

3 Comparaison de différents modèles de Charge pump

3.1 Différents modèles de charge pump

J’ai testé 4 modèles de charge pump. Le très connu MAX1044, le ICL7660S (le « S » est très important nous allons voir pourquoi après), le TC1044S (« S » très important ici aussi) et le LT1054. Les 3 premiers sont très similaires.

Je vous renvoie aux datasheets pour plus de détails [4-7], mais voici ce qu’on peut en retenir.

3.2 Tension d’entrée maximale supportée

Il y a plusieurs paramètres à prendre en compte dans le choix d’un modèle ce charge pump. La tension d’entrée maximale est importante.

Par exemple le MAX1044 a une tension d’entrée maximale de 10V. Pour nos applications, qui en général utilisent 9V pour l’alimentation c’est bien, mais ça peut être un peu juste. Le LT1054 travaille jusque 15V ce qui peut être plus confortable.

3.3 Courant délivré

Le courant délivré par les charge pump doit être suffisant. Le MAX1044 donne 10 mA au mieux, ce qui est bien mais pas énorme non plus. De plus, lorsqu’on lui demande de délivrer beaucoup de courant, ceci provoque une baisse indésirable de la tension délivrée. Ceci peut être un facteur limitant.

Le LT1054 peut délivrer 100 mA, ce qui est bien mieux. Par contre il consomme bien plus de courant, typiquement 2,5 mA.

3.4 Fréquence d’oscillation

Pour doubler la tension, les charge pump contiennent des transitors qui vont charger et décharger des condensateurs sur une fréquence déterminée en interne (par défaut).

Cette fréquence est de 5 kHz dans le cas du MAX1044. Elle est en plein dans le spectre audible et on l’entend carrément !! En effet, elle vient se s’ajouter au signal audio, ce qui est très fâcheux !

Mais ce qui est cool est qu’on peut décaler cette fréquence à plus haute fréquence, typiquement 30 kHz. On fait cela simplement en connectant ses broches 1 et 8. On est en dehors du spectre audible du coup le problème est résolu !

Tout ceci est aussi vrai dans le cas des ICL7660S et TC1044S : fréquence dans le spectre audible que l’on peut sortir du spectre en connectant les broches 1 et 8. Attention cependant, il existe des versions sans « S » et dans ce cas la pin 1 n’a aucun effet. Ces circuits n’ont donc pas d’utilité en audio.

Dans le cas du LT1054 la fréquence d’oscillation typique est de 25 kHz donc on est bon directement. Attention par contre, selon le datasheet la fréquence peut descendre à 15 kHz et si on tombe sur celui-là on ne pourra pas l’utiliser en audio…

3.5 Prix

Finalemement, le prix a aussi son importance. Les prix fluctuent pas mal, donc il est peut-être inutile de vous dire combien il m’ont coûté exactement (entre 2 et 4 euros). À l’heure où j’écris le moins cher est le TC1044S. Les MAX1044 et LT1054 valent le double (ils sont plus prisés).

Dans les Refs. [8,9] vous trouverez des fils de discussions sur le MAX1044 et le LT1054. En gros, c’est ce que je dis ici, le MAX1044 est bien, le LT1054 est mieux 😄. Mais des fois on doit faire avec ce qu’on trouve donc autant être informé !

4 Testons la charge pump dans un circuit simple

4.1 Un circuit simple pour pédale d’effet avec charge pump

Voici le circuit que j’ai dessiné que je vous propose de tester à la maison.

L’idée est de tester le circuit doubleur de tension, et d’appliquer la double tension sur un circuit amplificateur, j’ai choisi un JFET (transistor à effet de champ). Voici donc l’expression minimum d’un circuit de pédale d’effet avec charge pump :

Commentons un peu ce circuit. À gauche on a la pompe de charge. C’est le circuit tel quel donné dans le datasheet qui permet de doubler la tension. Les valeurs de condensateurs n’y sont pas spécifiées, mais avec 10uF ça fonctionne et on n’a pas le bruit de l’oscillateur interne.

J’ai également représenté en pointillé la connection entre les broches 1 et 8 à faire pour les MAX1044, ICL7660S et TC1044S. À ne pas faire pour le LT1054 car la patte 1 sert à autre chose.

Avec ce montage à 2 diodes on doit obtenir 18V à droite de D2…

… en fait on trouvera un peu moins car les diodes imposent une petite chute de potentiel qui correspond à leur tension seuil. Par conséquent, on prendra soin d’utiliser des diodes Schottky qui ont des tensions seuil plus petites que les diodes au Si.

Typiquement pour la 1N5817 qui est une diode Schottky la tension seuil est de 0,3V alors que pour une diode au silicium comme la 1N4148 la tension seuil est de 0,7V.

On doit alors trouver que, selon le datasheet, on a une tension de sortie (à droite de D2) V_OUT= 2 x V_CC – 2 x V_D

avec V_CC la tension d’alimentation et V_D la tension seuil des diodes.

Et à droite de la schématique on a un simple transistor JFET qui permet d’amplifier le signal de la guitare qui entre en IN et qui sort en OUT. L’idée est d’avoir 9V sur l’électrode de drain (indiqué en italique).

4.2 Résultats expérimentaux

Vérifions cela au multimètre. Voici la tension d’alimentation qui est de 8,88V sous la résistance de 33 ohms. Cette tension est notre V_CC, elle entre dans notre pompe de charge dans la broche 8 :

Mesurons maintenant la tension de sortie du circuit doubleur de tension. Là où c’est écrit 18V on doit trouver un peu moins de 2 x 8,88=17,76V. On mesure 17,12V :

Vérifions l’équation mentionnée tout à l’heure. Sachant que les diodes Schottky ont une tension seuil d’environ 0,3V, on doit trouver en sortie (à droite de D2) V_OUT = 2 x V_CC – 2 x V_D = 2 x 8,88 – 2 x 0,3 = 17,16V.

Et on trouve 17,12V. C’est pas mal ! (Le constructeur indique que cette différence est due à la résistance de sortie de la puce).

4.3 Appliquons la moitié de V_OUT sur le circuit audio

Finalement, ce qu’on veut, c’est obtenir la moitié de 17,12V au niveau du drain du JFET. Ceci permet, comme expliqué plus haut de pouvoir amplifier le signal de 0 à 17,12V au lieu de 0 à 9V et donc d’obtenir un boost qui ne sature pas.

Pour obtenir la moitié de 17,12V, on fait varier la résistance au niveau de l’électrode de drain du transistor. C’est pour cela que j’ai mis un potentiomètre de 10 kohms sur la schématique. C’est le composant en forme de carré bleu sur le protoboard (un trimpot) :

L’expérience suivante consisterait à envoyer le signal amplifié dans un autre JFET alimenté également sous 18V à peu près, et constater que contrairement à un circuit sans doubleur de tension, il n’y a pas de saturation.

Cela revient en fait à monter le circuit du clean boost Katana de Keeley Electronics [10]. Je vous laisse expérimenter ça !

Voilà, j’espère que cet article vous aura permis d’en savoir plus sur les charge pump !

Si l’article vous a plu n’hésitez pas à le partager, merci !!

Références
[1] https://mynewmicrophone.com/what-is-headroom-in-audio-recording-mixing-mastering/
[2] https://www.analogisnotdead.com/article34/circuit-analysis-fulltone-s-ocd
[3] https://www.sweetwater.com/store/detail/KKatana–keeley-katana-boost-pedal
[4] https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ICL7660-MAX1044.pdf
[5] https://docs.rs-online.com/1ff9/0900766b814d54b8.pdf
[6] https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21348a.pdf
[7] https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lt1054.pdf?ts=1685690698225
[8] https://www.freestompboxes.org/viewtopic.php?t=2083
[9] https://www.diystompboxes.com/smfforum/index.php?topic=73759.0
[10] http://3.bp.blogspot.com/-38lRv_volBE/TzWxOvsMR2I/AAAAAAAAA6o/CJ_Konw23nI/s1600/keeley_katana_briggs.jpg