Impédance

Présentation

On entend souvent parler d'impédance. Impédance de source (de sortie), impédance de charge (d'entrée)... Mais de quoi s'agit-il exactement ? Le terme Impédance ferait presque peur. Il fait partie de ces termes techniques qui cachent un incommensurable mystère, un paysage inabordable, bref, un mot reservé aux professionnels. Je ne sais pas si vous avez un dictionnaire à proximité de vous, mais voilà ce qu'énonce le mien (ce n'est pourtant pas un dico technique) :
"Impédance = Rapport de l'amplitude complexe d'une grandeur sinusoïdale à l'amplitude complexe de la grandeur induite, dont le module se mesure en ohms". Si vous avez regardé dans le même dico que le mien, je comprend votre angoisse... Il me semble pourtant qu'il s'agit de quelque chose que tout le monde peut comprendre. Alors, essayons de comprendre.

Un peu de technique ?

Oh non ! Ca commence mal ! Et pourtant il faudra y passer...  Mais rassurez-vous, ça ne fera pas mal.
Vous avez déjà entendu parler de résistance ? Mon dictionnaire m'explique que la résistance représente l'action de résister, de s'opposer. Je préfère déjà cette définition. Et dans le domaine électrique (ou électronique) ? Et bien une résistance s'oppose simplement au passage du courant électrique, et transforme en chaleur le courant électrique qu'elle n'a pas laissé passer. La quantité de chaleur que la résistance produira dépendra de la tension qui sera à ses bornes, et du courant qui la traversera, ces deux grandeurs dépendant... de la valeur de la résistance elle-même (dont l'unité est le Ohm, je ne l'avais pas encore dit ?). Maintenant, vous remplacez le terme Résistance par le terme Impédance (l'unité reste le Ohm), et le tour est joué !
Quoi, c'est tout ? L'impédance, c'est la même chose que la résistance ? A une fréquence donnée, oui ! Le fait est que l'impédance varie en fonction de la fréquence des signaux concernés, ce qui impose de voir les choses un peu différement et à utiliser un autre terme que celui de Resistance. Mais je serais presque tenté de dire que vous n'avez pas besoin d'en savoir plus (ou alors si c'est le cas, vous savez ce qu'il vous reste à faire). Retenez pour finir que les résistances sont en général représentées par la lettre R et que les impédances sont en général représentées par la lettre Z. Comprenez-vous mieux maintenant pourquoi les entrées d'ampli guitare sont dénommées Hi-Z ? Si oui, vous voilà expert...

Impédances de sortie et impédance d'entrée

Dans les lignes qui suivent, je vais parler d'équipement Emetteur et d'équipement Récepteur. L'équipement Emetteur est l'équipement qui fournit un signal : signal audible (guitare ou synthé par exemple) ou signal inaudible (antenne de télé par exemple). L'équipement Récepteur est l'équipement qui reçoit le signal (amplificateur, console de mixage, récepteur de télévision...). Et dans les schémas qui suivront :
ZS = Impédance de sortie de l'équipement Emetteur
ZE = Impédance d'entrée de l'équipement Recepteur
U1 = Amplitude du signal à la source de l'émetteur (avant perte liée à l'impédance de sortie)
U2 = Amplitude du signal à l'entrée du récepteur

Impédance de sortie

L'impédance de sortie (appelée aussi Impédance de source) d'un équipement Emetteur peut être assimilée à une résistance placée en série avec la source du signal. Plus cette résistance a une valeur elevée, plus elle va s'opposer au passage du signal, et plus elle va en garder une partie. La valeur de l'impédance de sortie n'a pas forcement une grande signification tant qu'on ne connait pas la valeur de l'impédance d'entrée de l'équipement qui va recevoir le signal, car c'est la combinaison des deux impédances qui va définir ce que l'on obtiendra au final.

Impédance d'entrée

L'impédance d'entrée (appelée aussi Impédance de charge) d'un équipement Récepteur peut être assimilée à une résistance placée en parallèle avec l'étage d'entrée qui reçoit le signal qu'on lui transmet. Tout comme pour l'impédance de sortie, la valeur de l'impédance d'entrée n'a pas forcement une grande signification tant qu'on ne connait pas la valeur de l'impédance de sortie de l'équipement qui envoie le signal.

Association des impédances

Nous y voilà...
Lorsque l'on raccorde la sortie d'un équipement Emetteur à l'entrée d'un équipement Récepteur (la sortie audio d'un synthétiseur sur l'entrée Ligne d'une console de mixage par exemple), l'impédance de sortie de l'équipement Emetteur va s'associer à l'impédance de l'équipement Recepteur, formant ainsi un pont diviseur résistif. Si cette association est correcte, c'est à dire si elle répond à des conditions bien précises, tout ira bien. Il existe deux façon d'opérer une association correcte des impédances de sortie et d'entrée : par adaptation et par pontage.

Association des impédances par adaptation

L'impédance d'entrée (de charge) doit être identique à l'impédance de sortie (de source). Par exemple, une sortie vidéo, d'impédance 75 ohms, doit être impérativement raccordée sur une entrée d'impédance 75 ohms. L'amplitude du signal récupéré par l'équipement récepteur est moitié de celle fournie par l'équipement Emetteur. On parle ici d'adaptation en puissance. Il est important de noter que pour une telle adaptation, le cable utilisé pour relier les deux équipements doit lui aussi répondre à certains critères, notemment son impédance caractéristique qui doit être la même que celle desdits équipements (dans l'exemple donnée, il faut utiliser un cable présentant une impédance caractéristique de 75 ohms).

Association des impédances par pontage

L'impédance d'entrée (de charge) doit être au moins dix fois supérieure à l'impédance de sortie (de source). Par exemple, une sortie de synthé dont l'impédance est de 1KOhms, doit être raccordée sur une entrée dont l'impédance est au minimum de 10KOhms (10 x 1KOhms). L'amplitude du signal récupéré par l'équipement récepteur est quasiment identique (à peine plus faible) que celle fournie par l'équipement Emetteur. On parle ici d'adaptation en tension. Cette "méthode" est largement utilisée pour le raccord d'équipement audio, aussi bien dans le domaine grand public que dans le domaine pro. Le schéma ci-dessous montre une connexion à deux fils (liaison asymétrique) mais le principe est exactement le même pour une liaison symétrique.

Valeurs courantes des impédances

Il n'existe pas toujours des normes pour les valeurs d'impédance d'entrée ou de sortie. Les impédances de sortie sont généralement faibles, et les impédances d'entrées sont généralement moyennes ou élevées. Dans certains domaines, la concordance exacte importe peu : par exemple, une entrée pour microphone dynamique accepte généralement qu'on y raccorde un micro dont l'impédance de sortie est de 150 ou de 600 ohms. Dans d'autres domaines, les impédances de source et de charge ont une telle influence sur le niveau et la qualité du signal, que leur valeur peut en devenir critique. C'est pour cette raison qu'il a été décidé de fixer des valeurs bien précises pour certains équipements, afin de satisfaire les conditions de fonctionnement optimales. Il "suffit" en effet de respecter les normes imposées pour être quasiment sûr que tout se passera bien. Le non respect de ces valeurs normalisées ne signifie pas que celà ne fonctionnera pas, mais signifie simplement qu'il y a plus de risques de mauvais fonctionnements, ou risque de travailler avec des signaux dont l'amplitude sera trop forte ou trop faible.

Domaine / Type	Impédance courante ou normalisée
Vidéo (BNC)	75 ohms (normalisé)
HF (Hautes Fréquences)	50 ohms ou 75 ohms (normalisé)
AES/EBU (XLR)	110 ohms (normalisé)
S/PDIF (RCA Phono)	75 ohms (normalisé)
Sortie microphone à ruban	< 1 ohm (30 à 100 ohms si présence d'un transfo d'adaptation)
Sortie microphone dynamique	120 ohms à 600 ohms (souvent 200 ou 600)
Sortie microphone statique	120 ohms à 600 ohms (souvent 200 ou 600)
Sortie synthé / expandeur	Généralement comprise entre 100 ohms et 2 KOhms
Sortie capteur piezo guitare	Entre 2 Kohms et 10 Kohms à 1 KHz (voir Nota 1)
Sortie processeurs de son (pro)	40 ohms à 100 ohms (souvent plus pour le grand public)
Sortie HP d'un ampli BF	Généralement comprise entre 0,01 ohms et 0,5 ohms
HP (Haut-Parleur)	Généralement comprise entre 2 et 32 ohms
Casque	Généralement comprise entre 8 et 600 ohms
Entrée processeurs de son	Généralement comprise entre 10 KOhms et 50 KOhms
Entrée Line d'une console de mixage	Généralement comprise entre 10 KOhms et 50 KOhms
Entrée Mic d'une console de mixage	Généralement comprise entre 1 KOhms et 10 KOhms
Entrée Word Clock	75 ohms (normalisé) ou de l'ordre de 1MOhms (Hi-Z)
Entrée Hi-Z d'un ampli guitare	Généralement comprise entre 470KOhms et 3 MOhms (valeur courante 1 MOhms)
Entrée boite de direct	Généralement comprise entre 100 KOhms et 1 MOhms

Nota 1 - L'impédance d'une cellule piezzo est en fait très "chahutée" sur l'ensemble de la bande passante, avec un pic et un creux importants correspondant aux fréquences de résonnance et d'anti-résonnance. Bien plus "chahutée" que l'impédance d'un haut-parleur, bien que pour ces deux élements on peut définir un modèle équivalent constitué de self, résistance et condensateur. L'impédance d'un élement piezo seul peut être considérée comme presque purement capacitive, à l'opposé des capteurs magnétiques qui présentent une composante principalement inductive. Plus la composante (valeur) capacitive du piezo est élevée, et plus il est en mesure de restituer des fréquences basses (fréquence de coupure plus basse quand associé à un étage d'entrée résistif). C'est la raison pour laquelle le montage de deux capteurs piezo doit généralement s'effectuer en parallèle plutôt qu'en série.

Cas pratiques

Utilisation	Adaptation	Remarques
Microphone sur entrée MIC d'une console	Par pontage	L'impédance d'entrée du préampli micro doit être de 5 à 10 fois plus grande que l'impédance de sortie du microphone. Notez que l'on accèpte ici le "5 fois plus grande", car dans certains cas, le fait d'avoir une impédance un peu plus faible permet un meilleur rapport signal/bruit, même si on y pert un peu en amplitude. Il peut sembler paradoxale de gagner en rapport S/B avec moins de niveau, mais ça s'explique et se démontre (sans rentrer dans le déatil, celà est principalement lié au bruit généré par les composants électroniques utilisés dans l'étage d'entrée du préampli).
Microphone sur entrée LINE d'une console	-	Mauvaise association. L'impédance d'entrée LINE conviendrait, mais l'insuffisance de gain apporté par une telle entrée occasionnerait beaucoup de souffle, et une perte certaine de qualité.
Microphone sur deux entrées MIC d'une console	Par pontage	Bien que celà puisse se faire sans trop poser de problème, il est tout de même préférable d'utiliser un transformateur BF "splitter" (qui à partir d'une source, fournit deux ou trois sorties distinctes), ou un préampli micro additionnel dont la sortie pourra être raccordée simultanément sur deux entrées lignes (ou sur deux entrées MIC avec peu de gain). On peut aussi se "repiquer" sur la prise d'insert d'une première console, avec une fiche dont le fil d'envoi (SEND) et le fil de retour (RETURN) sont reliés ensemble pour aller vers l'entrée d'une seconde console. Et si la console dispose de sortie additionnelle de type Direct OUT (une par tranche), vous avez là encore une autre possibilité de récupérer votre signal amplifié...
Guitare "passive" sur entrée Hi-Z d'un ampli guitare	Par pontage	L'impédance d'entrée d'un ampli guitare est très élevée. C'est une condition minimale pour une bonne restitution du signal provenant du capteur de la guitare.
Guitare "passive" sur entrée MIC d'une console	-	Mauvaise association. L'impédance d'entrée MIC est trop faible pour ce type de source, et occasionne une perte de niveau et de qualité importante. Il vaut mieux insérer une Boite de direct (DI Box) ou un préampli guitare dédié, entre la sortie guitare et l'entrée MIC de la console.
Guitare "passive" sur entrée LINE d'une console	-	Mauvaise association. L'impédance d'entrée LINE peut être plus élevée que l'impédance d'entrée MIC, mais elle reste trop faible. De plus, l'amplification apportée sera faible comparée à ce qu'il faudrait pour ce genre de source, celà se traduit par un souffle très important.
Sortie console sur entrée BF de deux amplis BF	Par pontage	Relier une sortie simultanément sur deux entrées (avec un cable en Y) ne pose généralement pas de problème car l'impédance d'une sortie console est faible (40 à 100 ohms sur une très bonne console, sinon 100 à 500 ohms), par rapport à deux entrées ligne cablées en parallèle. Les entrées Ligne d'amplis BF possèdent en général une impédance d'entrée supérieure à 10 KOhms. Deux entrées de ce type mise en parallèle équivaut donc dans le pire des cas à 5 KOhms. Ceci dit, même si celà est possible, il est plus "professionnel" de recourir à un distributeur audio pour dupliquer la source en plusieurs sorties indépendantes. Evitez ce genre de procédé pour raccorder une sortie sur trois entrées.
HP sur sortie amplifiée d'un ampli	Par pontage	Il s'agit d'un cas un peu différent, car entrent ici en jeu des tensions et des courants plus importants que dans les liaisons audio de type Ligne ou Micro. L'impédance d'un HP est généralement de quelques ohms (4 et 8 ohms sont des valeurs courantes), et l'impédance de sortie HP d'un ampli BF est très faible, de l'ordre de quelques centièmes d'ohms. Les courants qui peuvent circuler peuvent atteindre plusieurs ampères ou plusieurs dizaines d'ampères, le moindre petit ohm parasite provoquera une perte importante. Une autre donnée, qui a eu sa mode pendant un certain temps, est le facteur d'amortissement, déterminé entre autre par le rapport entre l'impédance du HP et l'impédance de sortie de l'étage de puissance. On a eu droit pendant quelques années à un discours assurant que le facteur d'amortissement jouait un rôle dominant dans la qualité finale, celà semble s'être un peu calmé. Un peu comme pour les chiffres de distorsion harmonique... Ampli à tube : facteur d'amortissement de 40 et distorsion de 0,1%. Ampli à transistor : facteur d'amortissement de 200 et distorsion de 0,0001% (notez que ce ne sont que des chiffres donnés de façon arbitraire). Musicalité : vous diziez ? Mais je m'égare... Il y a peu de risque d'endommager un ampli prévu pour être chargé par des haut-parleurs de 8 ohms, si on lui raccorde des HP de 16 ohms. En revanche, y relier des HP d'impédance inférieure (2 ou 4 ohms) peut être destructeur.

Remarques diverses

Avez-vous remarqué l'absence de formules mathématiques ?