Comment monter un boost avec un transistor MPSA18

Nous avons déjà rencontré plusieurs fois déjà dans ce blog des boost à base de transistor ou d’amplificateur opérationnel. Dans cet article, je vous montre comment monter en pratique un boost avec un transistor MPSA18. C’est un composant assez répandu dans les pédales d’effet, caractérisé par un fort gain qui pourra avoisiner les 1000 sous certaines conditions [1].

L’idée de cet article m’est venue en testant un circuit du nom de Punch in the Face, une réplique de Fuzz Face, la célèbre pédale de fuzz, mais avec 2 transistors bien différents : le mpsa18 et le J201 [2].

Sans entrer dans le détail des caractéristiques, la grande différence, comme beaucoup de répliques de Fuzz Face d’aujourd’hui réside dans le fait que ces transistors sont à base de silicium, alors que la Fuzz Face originale contient des transistors à base de germanium.

Mais la différence plus remarquable est que le premier transistor, un mpsa18, est un transistor de type bipolaire de très grand gain. Quant au second, c’est un J201, un transistor à effet de champ ou JFET. Ce dernier type de transistor a un fonctionnement bien différent du transistor bipolaire, conduisant à un autre type de réponse que certains comparent aux tubes des amplis à lampe.

Mais revenons à nos moutons, en montant ce circuit de fuzz, je me suis penché sur le 1^er transistor, et je me suis dit que cela pourrait être intéressant de trouver les conditions pour obtenir un boost clean avec ce transistor. En gros je me suis mis à chercher l’inverse de ce que je cherchais…

Voyons donc comment obtenir ce boost sans distorsion.

1 Circuit de fuzz utilisant le transistor MPSA18

1.1 Schématique du circuit

Voici le circuit auquel je faisais référence dans l’introduction :

Comme d’habitude on voit l’entrée IN à gauche, c’est la que le signal de la guitare entre et il sort à droite en OUT.

Le circuit est prévu pour être alimenté sous 9V, comme on peut le voir par le symbole de pile en haut à gauche.

Nous voyons également la présence des 2 transistors sus-mentionnés. Un BJT (Bipolar Junction Transistor ou transistor bipolaire) en 1^er puis un JFET (transistor à effet de champ) en 2^nd.

La partie du circuit sur laquelle nous allons nous pencher est celle entourée par les pointillés rouges.

On pourrait l’utiliser comme ça, en supprimant tout ce qui est en dehors des pointillés à part le jack de sortie.

1.2 Et la résistance de 330 kohms ?

Cependant, que faisons nous de la résistance de 330kohms ? En effet, elle vient de l’électrode de source du J201.

Pouvons nous simplement la supprimer ?

La réponse est non… En effet, le transistor bipolaire, pour fonctionner, nécessite un apport de courant constant au niveau de l’électrode de base (c’est l’électrode où arrive le signal de la guitare que l’on veut amplifier).

Par conséquent, il faut trouver un moyen d’envoyer un courant provenant de la pile vers la base du transistor. Et il existe plusieurs solutions bien connues pour faire cela (vous pouvez consulter l’article sur les transistors bipolaires en particulier l’indépendance en beta, le gain du transistor pour plus de détails).

1.3 Schématique qui nous intéresse ici

Voici le schéma électrique que nous allons monter :

C’est la zone entourée par le pointillé rouge du schéma précédant, avec en plus une résistance $R_B$ qui relie la base du transistor notée B au 9V. J’ai mis le nom des 3 électrodes du transistor pour mémoire.

Voyons quelles valeurs donner aux composants.

Pour les condensateurs d’entrée et de sortie, $C_1$ et $C_2$ donc, nous pouvons laisser 100 nF, cela fonctionne bien pour la guitare.

Pour ce qui est de $C_3$, je suggère d’augmenter sa valeur, au moins 100 uF pour filtrer plus de bruit.

Maintenons $R_C$=33 kohms et calculons $R_B$ de manière à avoir 4,5 V au niveau du collecteur du transistor.

2 Déterminons la valeur de la résistance de base $R_B$

Pourquoi vouloir 4,5V au niveau du collecteur ? C’est parce que le signal audio est un signal alternatif, qui oscille de part et d’autre d’une valeur moyenne. Comme un pendule qui oscille autour de sa position d’équilibre.

Or, l’amplitude maximale de tension que l’on peut obtenir est donnée par la tension d’alimentation fournie. On ne peut créer de l’énergie… Par conséquent, si on donne 9V au circuit par l’intermédiaire de la pile, l’amplitude maximale pic à pic possible sera de 9V. Et si on donne 12V, l’amplitude maximale possible sera de 12V, et ainsi de suite. Il faut juste veiller à ce que le transistor accepte le voltage qu’on lui donne.

Supposons donc que l’alimentation soit de 9V. La référence se fait par rapport à la masse qui est à 0V.

Si on veut un signal le plus clean possible, on aura donc intérêt à se placer au milieu, soit à 4,5V, ainsi l’amplitude du signal pourra osciller autour de 4,5V avec une amplitude de 4,5V et une amplitude pic à pic de 9V :

Maintenant, il y a d’autres facteurs qui peuvent amener de la distorsion, par exemple si le signal d’entrée est trop important par exemple. Nous verrons par la suite comment remédier à cela.

Penchons nous donc sur la valeur à donner à $R_B$ pour avoir 4,5V au niveau du collecteur.

J’ai redessiné la figure précédante en rajoutant les courants de base et de collecteur $i_B$ et $i_C$, ainsi que les tensions de base et de collecteur $V_B$ et $V_C$.

On connaît $R_C$ qui vaut 33 kohms, et on cherche $R_B$.

Calcul de $V_B$ et $V_C$

Nous imposons donc selon ce qui a été discuté précédemment que la tension au collecteur vaille 4,5V. Par conséquent, $V_C$=4,5V.

Nous savons aussi que $V_B$=0,65V. En effet, puisque l’émetteur est branché à la masse, sa tension vaut 0V. Et de part la nature du MPSA18 qui est un transistor bipolaire, la base et l’émetteur forment une jonction PN branchée en direct. La tension à ses bornes vaut donc 0,65V car le transistor est à base de silicium. Vous pouvez lire l’article que j’ai écrit sur la jonction PN pour la justification. En gros, c’est comme si on avait une diode branchée en directe, donc la tension à ses bornes est la tension seuil.

Calcul de $i_C$

Connaissant $V_C$ nous pouvons calculer $i_C$ en appliquant la loi d’Ohm sur la résistance $R_C$. Cette loi nous dit que la tension aux bornes de $R_C$ est égale au produit de la valeur de la résistance par le courant qui la traverse.

La tension aux bornes de $R_C$ est $E-V_C$.

Par conséquent : $E-V_C=R_C \times i_C$.

Nous cherchons $i_C$, nous l’isolons de l’équation précédente :

$\displaystyle i_C=\frac{E-V_C}{R_C}$ (1)

Calcul de $i_B$

Nous allons faire comme pour $i_C$ c’est-à-dire appliquer la loi d’Ohm en $R_B$. Nous trouvons donc que :

$\displaystyle i_B=\frac{E-V_B}{R_B}$

Très bien. Mais nous pouvons également trouver une autre expression pour $i_B$ en utilisant l’équation du gain du transistor bipolaire. Cette équation est très facile, elle dit juste que le courant de collecteur $i_C$ est proportionnel au courant de base $i_B$. Et le facteur de proportionnalité s’appelle le gain, que l’on note $\beta$ (beta) et que l’on peut mesurer ou estimer.

Par conséquent, $i_C=\beta \times i_B$, tout simplement.

Donc $\displaystyle i_B=\frac{i_C}{\beta}$.

En remplaçant $i_C$ par l’expression (1) trouvée précédemment :

$\displaystyle i_B=\frac{\frac{E-V_C}{R_C}}{\beta}=\frac{E-V_C}{R_C \times \beta}$

Calcul de $R_B$

Nous avons donc trouvé deux expressions pour $i_B$ :

$\displaystyle i_B=\frac{E-V_B}{R_B}$ et $\displaystyle i_B=\frac{E-V_C}{R_C \times\beta}$

Nous pouvons donc égaler ces deux équations :

$\displaystyle \frac{E-V_B}{R_B}=\frac{E-V_C}{R_C\times\beta}$

Puis nous allons sortir $R_B$ de là, le pauvre. On trouve finalement :

$\displaystyle R_B=\beta \times R_C \times \frac{E-V_B}{E-V_C}$

Au passage, vérifions bien l’homogénéité de l’équation pour repérer une éventuelle erreur. À gauche nous avons des ohms. À droite $\beta$ est sans dimensions, $R_C$ est en ohms et on a un rapport de tensions qui est sans dimensions. Nous avons donc également des ohms à droite, donc tout semble aller bien !

Faisons l’application numérique : avec mon testeur de transistor j’ai trouvé que mon MPSA18 a un gain de 715. R_C=33 kohms ; E=9V ; V_C=4,5V ; V_B=0.65V :

$\displaystyle R_B=715 \times 33000 \times \frac{9-0,65}{9-4,5}=43,8$Mohms !!!

Ça fait beaucoup d’ohms… Et oui, si on regarde l’expression de $R_B$, on voit que plus le gain $\beta$ et $R_C$ sont grands, plus $R_B$ sera grand. Et dans le cas du MPSA18, $\beta$ est pas mal grand.

On doit donc faire autrement, pour éviter d’avoir une résistance aussi grande qui peut générer du bruit dans le signal audio.

Regardons quelle valeur de $R_B$ nous obtenons en prenant $R_C$=1kohms :

$\displaystyle R_B=715\times 1000 \times \frac{9-0.65}{9-4.5}=1,32$Mohms

Ah ben c’est déjà mieux.

Faisons de même dans l’autre sens

Maintenant le truc c’est que je n’ai pas de résistance de 1,32 Mohms et je n’ai pas envie d’associer des résistances.

Qu’à cela ne tienne, imposons $R_B$=1Mohms et calculons $R_C$ !

J’espère ne pas trop vous donner de nausées avec tous ces calculs, ça vous fait de l’entraînement en maths !

Nous pouvons repartir de ce que nous avions trouvé plus haut :

$\displaystyle R_B=\beta \times R_C \times \frac{E-V_B}{E-V_C}$

En isolant $R_C$ on trouve que :

$\displaystyle R_C=\frac{1}{\beta} \times R_C \times \frac{E-V_C}{E-V_B}$

En remplaçant par $R_B$=1Mohms et le reste des valeurs numériques étant les même, on trouve que :

$\displaystyle R_C=\frac{1}{715}\times1000000\times\frac{9-4,5}{9-0.65}=753$ ohms.

Et voilà, avec $R_B$=1 Mohms, on calcule que $R_C$=750 ohms fait l’affaire. Mais attention, ceci est vrai dans le cas de mon transistor de gain 715.

Avec une autre valeur de gain, il faudrait refaire le calcul. C’est pour cela qu’en général on utilise un potentiomètre à cet emplacement, pour pouvoir ajuster la tension à 4,5V.

Notez que l’utilisation d’un potentiomètre ne nous libère pas du calcul car il faut savoir quelle valeur de potentiomètre utiliser, du moins quel ordre de grandeur, à moins d’y aller à tâtons.

Conclusion : j’utiliserai un potentiomètre de type trimmer de valeur 1 kohms pour $R_C$.

3 Brochage du MPSA18 et montage sur protoboard

Passons maintenant la partie marrante, montons et testons le circuit sur une plaque de prototypage.

3.1 Brochage du MPSA18

Avant de monter le circuit, assurons nous vite fait de bien identifier les broches du MPSA18 :

3.2 Liste des composants et du matériel

Le tableau suivant vous donne une liste des composants nécessaires. En option, j’ai ajouté à la fin une LED et une résistance qui indiquent si le circuit est alimenté ou non.

Composant	Nombre	Valeur ou description
Résistance	1	1 Mohms
Résistance	1	750 ohms
Trimpot	1	1 kohms (pour faire 750 ohms)
Condensateur	2	100nF
Condensateur	1	100uF
Transistor	1	MPSA18
Jack audio mono	2
Clip pile 9V	1
Protoboard	1
LED	1	Optionnel
Résistance	1	Optionnel, entre 1k et 10k

3.3 Montage sur protoboard du boost

Voici le circuit monté sur plaque de prototypage :

Pas de grande difficulté ici. À gauche on a le condensateur C3 de 100uF qui permet de filtrer du bruit de l’alimentation. Au milieu on a la LED reliée à une résistance qui sert à limiter le courant.

Si vous voulez plus de détails sur l’utilisation du protoboard et le montage des jacks audio j’explique tout cela dans le fascicule téléchargeable gratuitement dans ce site ! 😊

4 Démo en son et modifications

Voici quelques exemples sonores enregistrés avec le boost à base de MPSA18. Je joue sur un amplificateur à lampes Blues Junior de Fender et j’ajoute une légère reverbe avec la Flint de Strymon.

Son sans effet

Boost allumé

Si on veut tester maintenant le circuit tel quel, on a un gain énorme, à vous péter les oreilles si on garde la configuration précédente. Le comparatif en volume n’est donc pas possible. De plus, le son sort distordu car le transistor ne peut amplifier nettement tout le signal de guitare que je lui envoie. J’ai donc dans l’exemple suivant baissé nettement le volume de l’ampli ainsi que le volume au niveau de la guitare pour obtenir un son clean, tout en gardant un léger grain, que je trouve agréable 😊. L’effet de boost est bien présent, vous pouvez me croire. Voici pour ce qui est de la clarté du son :

Saturons le !

En montant le volume de l’ampli et en baissant le master, on obtient ce type de crunch :

Si ce qui vous intéresse est un son clean, vous pouvez améliorer le design de différentes manières :

• Si on se réfère à ce que l’on a vu plus haut, en augmentant la tension d’alimentation, vous obtiendrez plus de headroom. Cela signifie que le signal peut être amplifié d’avantage sans présenter de distorsion.
• Vous pouvez ajouter une résistance d’une centaine de ohms entre l’émetteur et la masse. Ceci réduit le gain du transistor et permet de ne pas le faire entrer en saturation.
• Le signal envoyé par la guitare est peut-être trop important. Vous pouvez le baisser soit en baissant le volume de la guitare, soit en insérant une résistance entre le condensateur d’entrée C1 et la base du transistor.

Si ce que vous chercher c’est plus de distorsion, vous pouvez

• Ajouter des diodes d’écrêtage après le condensateur de sortie C2 (voir cet article sur les diodes d’écrêtage).
• Comme vu dans la démo vous pouvez augmenter le volume de l’ampli et baisser son master.

5 Ce qu’il faut retenir

Dans cet article, nous avons vu comment concevoir un boost très simple à transistor avec très peu de composants. Le transistor choisi est un MPSA18, mais le raisonnement peut se faire sur tout autre transistor bipolaire de type NPN.

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Références :
[1] https://alltransistors.com/transistor.php?transistor=42445
[2] http://www.jiggawoo.eclipse.co.uk/guitarhq/Circuitsnippets/snippets.html