The Vintage Corner

Rémi - Oscillateur à Quartz pour l'audio


Introduction


Une des améliorations favorites des amateurs de Hifi est l'installation d'un module TCXO dans le lecteur de CD dans l'espoir de diminuer le jitter à sa source et d'obtenir ainsi une meilleure qualité sonore. De nombreux modules comprenant un petit circuit imprimé, un oscillateur TCXO et quelques circuits annexes sont proposés, mais on ne trouve jamais de publications des performances réelles du bruit de phase et cela quel que soit le prix de la solution. Bref l'amateur ne sait pas ce qu'il achète entre une solution à 50 euros et une autre à 350 euros : il ne peut qu'espérer avoir un meilleur produit en achetant le plus onéreux.

Cet article fait suite à l'étude menée l'été dernier 2008 : le projet de sortie SPDIF de haute performance étant achevée, validé par les mesures et l'écoute (avec le syperbe Teac T1 et  l'enthousiasmant Onkyo DX-708), je reprends mes études pour pousser un peu plus loin le bouchon.
 
Des montages d'horloge, on en trouve bien une dizaine, pour des prix variant de 50 à 350 euros environ. Une grosse proportion des ces horloges sont basée sur des TCXO, le reste étant des montages plutôt volumineux dont l'intégration dans un lecteur peut devenir délicate. Reste a prendre en considération le coût car pour un lecteur acheté d'occasion à 100 €, il est difficile de dépenser à nouveau autant, voire davantage pour seulement une horloge .
 
Dernier point, l'utilisation d'une horloge de qualité prend pleinement son sens dans une configuration "drive", lorsque la sortie SPDIF du lecteur est utilisée.


Expérimentation

Après le passage sur le banc de mesure de l'oscillateur TCXO 1ppm montrait des performances en terme de jitter très moyennes pour ne pas dire plus. D'où la volonté de construire moi-même un oscillateur avec un quartz acheté chez Electronique Diffusion. La fréquence de mon quartz 16.9344 Mhz correspond aux appareils TEAC P1 et VRDS 10 sans être exhaustif. 
 
Les oscillateurs à quartz sont très communs et il existe des montages à porte logique plus facile a concevoir et des montages à transistors bipolaires. Deux topologies existent avec une forte représentation des oscillateurs de Pierce réputés moins bons que les Collpits. Pour éclairer le sujet je commence par la pire des solutions : oscillateurs type "pierce" à porte logique CMOS.


Première expérience

Le montage mets en œuvre des portes 74LV04 ( cachées sur la photo par le potentiomètre bleu ), le quartz est "encadré" par deux condensateurs de 18pF. On ne peut pas faire plus simple, le tout étant alimenté en 5V fournit pas une alimentation de laboratoire.
 


La première mesure entreprise est la mesure du bruit de phase à l'aide d'un appareil Agilent E5052A. La courbe affiché est le niveau de bruit en fonction de la fréquence.
 



Par comparaison, ci-dessous le TCXO 1ppm acheté sur Internet et vanté comme idéal pour l'audio (courbe en sur-brillance) est moins bonne que celle d'un oscillateur sans prétention 19.2 Mhz.
 

 
C'est nettement moins bien. la marge entre les deux spectres est monumentale. Maintenant, le test du montage avec une résistance 1K limitant la saturation du quartz.

 

 
 

Commentaire sur la première expérience

 
Dès la première expérience on en reste pantois : le simple oscillateur est meilleur en terme de bruit de phase que le TCXO ! De plus, en ajoutant une résistance, le montage expérimental s'en trouve amélioré de 5 dbc ce qui n'est pas rien compte tenu de la simplicité de la solution. Par comparaison, la courbe du bas est celle du montage avec la résistance, la courbe du haut (en sur brillance) est celle sans résistance. Globalement les performances sont de très bon niveau, le niveau de bruit de phase au delà 100 kHz est proche du bruit thermique. Pour un oscillateur à deux balles, c'est excellent : -93 dBc/Hz à 10 Hz, -124 dbc/Hz à 100 Hz, -154 dBc/Hz à 1 Khz, -162 dBc à 10 Khz, -165 dBc/Hz à 100 Khz; -168 dBc/Hz à 1 Mhz. Les raies sont dues aux conditions de mesures dans le laboratoire.

 
Sur ce premier montage, la fréquence n'est pas calée sur la fréquence fondamentale, mais ce n'est pas grave, une capacité variable en plus permettra de régler la fréquence. En fournissant une excellente alimentation (les variations lentes des alimentations produisent du jitter) ce montage donne déjà beaucoup.  Dans les vaste littérature sur le sujet, un montage à transistor est réputé meilleur sur le plan du bruit phase et dans une configuration Colpits encore davantage. Un oscillateur à quartz avec ampli-op low noise est aussi à réfléchir. C'est ce que l'on pourra essayer de voir.
 
Dans un lecteur de CD la variation de température est limitée, comprise entre 20°C à 35°C. C'est nettement moins que les besoins de l'industrie des telecoms pour la quelle les TCXO sont destinés. Ensuite le paramètre important pour les applications audio-numérique est le jitter ou bruit de phase parce qu'il est audible. Les écarts de fréquence de quelques dizaines de ppm ne sont pas forcément un problème : qui entend la différence entre un 440 Hz et un 440.000075 Hz. Si mon étude s'arrêtait la, et si je devais choisir entre le TCXO acheté sur le net et l'oscillateur a deux balles, je prendrai celui à deux balles et cela non pas en fonction du coût mais bel et bien en fonction des résultat bien supérieurs aux mesures !

 
 
La sortie de l'horloge qui va entrer directement l'entrée horloge du circuit CDX2500 pour les platines construites dans les années 90 sur des bases Sony ( TEAC, Onkyo, Sony), et SAA pour les Philips donne le signal suivant :
 

 
 
 
La raideur des fronts montant et descendant sont gages de faible influence au jitter du fait d'un mauvais transport à l'intérieur du lecteur. La impédance de sortie est de 50 homs. Dans une version définitive le montage consommera moins de 15 ma, ce qui ne nécessitera pas d'alimentation supplémentaire ( transformateur + diode + capacités de filtrage). C'est un montage vraiment satisfaisant : bruit de phase du meilleur niveau, une sortie en tout point excellente pour un lecteur de CD.

Étude de la stabilité

L'alimentation du laboratoire est au dessus de tout soupçon :Agilent E3643A. Le fréquencemètre un Agilent 53131, le multimètre Agilent 34401A et bien sur un oscilloscope Tektronix TDS 3034 ( 4 voies a 300 Mhz) complète le système. Je fais une mesure de fréquence par seconde et je la stocke dans un fichier texte que je peux ensuite afficher avec un tableur. La valeur que je donne est l'écart entre la fréquence de référence et comme mon montage n'a pas un calage de la fréquence parfait, la valeur de l'écart est la variation de la fréquence. Dans mes conditions de mesures ( le montage est recouvert d'une boîte), la dérive maximale sur 10 heures de fonctionnement est de 1 ppm. Il est vrai que la température dans laboratoire est stable ce qui est le cas à l'intérieur d'un lecteur de CD. Voici un relevé de la fréquence de l'oscillateur calée autour de 1 ppm en fonction du temps.



En vertical, on a l'écart par rapport à 16,9344 Mhz en Hz et en horizontal le temps, la courbe est comprise entre 20.00 et 10.00 Hz après 6 minutes. la durée du test est de 6 heures. Les mesures sont prises au démarrage quand le système est froid. Durant les 6 premières minutes le système se met en chauffe puis ensuite il oscille dans un intervalle de 1.2 ppm. Les valeurs de 10 doivent comprise comme 10 Hertz. Pour ma part, je considère comme bon pour le service. si le maintient de la fréquence est en dessous de celle d'un TXCO,  les performances en terme de bruit de phase compense largement le choix.
 
alors la question se pose : faut-il pour les application audios prendre un TCXO ?
 
Si je me fie aux mesures de cet oscillateur à quartz la réponse est non. J'ai cherché des courbes de bruit de phase de TCXO et c'est très rare. Alors quand on parle de bruit de phase c'est seulement un ou deux point du spectre. Les vendeurs de TCXO annoncent des performance en terme de jitter et ne montrent pas de rapport de mesure et ne citent pas les conditions de mesure. Les montages spécialisés audio ne montrent pas non plus la sortie horloge, car une sortie horloge avec porte HC MOS n'est pas une excellente solution (l'horloge super classe est abimée par son transport jusqu'au circuit intégré). L'amateur est prié de dépenser 50 euros au minimum sans savoir ce qu'il achète véritablement. Bien sur un TXCO est probablement mieux que l'horloge d'origine, c'est pour cette raison que les amateurs qui font cette opération notent une amélioration à l'écoute. Un TCXO a d'autres qualités qui ne servent pas en audio, donc on achète des choses dont on a pas besoin.
 
Cet oscillateur comme le TCXO a une certaine sensibilité à la tension d'alimentation. La tension nominale est 5V et si celle ci bouge, la fréquence suit. Si cette variation de la tension ne dégrade pas le bruit de phase, on pourra alors relâcher les contraintes sur l'alimentation.


Les tests complémentaires

L'univers des lecteurs utilise plusieurs fréquences : 33,   Mhz, 24.576 Mhz, 16.9344 Mhz, 12,8896 Mhz. Le quartz 33 Mhz est un overtone H3, ce qui rend le montage inadapté. Le test de l'oscillateur en bruit de phase et signal de sortie.
 
La CAO est terminée et le circuit devrait avoir une dimension de 35 mm par 25 mm. Doté d'un régulateur de haute stabilité le module devra être alimenté au moins en + 8 V => +12V continu.