L' Amplificazione in audiofrequenza - Bernardi Web · Web viewNel caso del transistor NPN...

L' Amplificazione in audiofrequenza

Introduzione

Lo sviluppo tumultuoso della tecnologia ha portato soluzioni nuove ed inimmaginabili al problema dell' amplificazione dei segnali elettrici, in particolare quelli destinati alla produzione audio, argomento principale di questa ricerca.Tuttavia, accanto alle più moderne realizzazioni, trovano ancora oggi posto schemi classici e componenti "antichi", ma insostituibili, per le loro caratteristiche "antropiche" ossia centrate sulla sensibilità fisiologica dell'ascoltatore.A conforto di queste affermazioni è interessante leggere tre articoli, apparsi recentemente sulla rivista Elettronica Oggi, riportati integralmente nella appendice A.

Obiettivo della Ricerca

Con questo lavoro mi propongo di illustrare, attraverso brevi note teoriche, integrate da articoli e testimonianze sugli aspetti più dibattuti, i principi fondamentali della amplificazione audio. La vastità e l'articolazione di questo tema sono tali da meritare uno svolgimento ben più ampio, tuttavia il lettore potrà trarre da queste pagine un primo orientamento su cui basarsi per successivi approfondimenti.Partendo dagli aspetti concettuali della amplificazione vengono passate in rassegna le diverse applicazioni nel campo dell'audio musicale e viene illustrata la struttura base di un sistema di amplificazione.Pur non entrando in dettagli eccessivamente tecnici, viene presentata la tipologia di componenti tradizionali come valvole e transistor, i loro meccanismi di funzionamento, i relativi vantaggi e svantaggi nonché la possibilità di soluzioni ibride.Nell'ultimo capitolo sono presentati, a titolo di esempio, alcuni circuiti classici di amplificatori e le loro versioni "ringiovanite", per chiudere con un cenno al problema della corretta valutazione del rapporto qualità /costo dei sistemi presenti sul mercato.

Mi sono posto l'obbligo di citare le fonti utilizzate, sia per un doveroso tributo agli Autori, sia per consentire al lettore di risalire agli originali e ad ai loro possibili aggiornamenti futuri.Per chi desiderasse approfondire ulteriormente alcuni argomenti, il luogo più ricco di informazioni resta comunque Internet. Tuttavia, proprio per la sovrabbondanza di siti dedicati a questa materia, conviene ricorrere al filtro selettivo di un efficace motore di ricerca come, ad esempio, Google: www.google.it

L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi 1

1 L'AMPLIFICAZIONE: PRINCIPI E UTILIZZI..................................................................................................3

1.1 INGRESSO E USCITA: VARIABILI DI CONTROLLO E VARIABILI CONTROLLATE..........................................................31.2 CHI FORNISCE L'ENERGIA IN USCITA: IL RUOLO DELL'ALIMENTAZIONE.................................................................31.3 AMPLIFICATORI FINALI PER STRUMENTI MUSICALI: REQUISITI DESIDERATI............................................................41.4 AMPLIFICATORI FINALI PER HI-FI : REQUISITI DESIDERATI.....................................................................................41.5 AMPLIFICATORI MICROFONICI: CENNI......................................................................................................................5

2 AMPLIFICAZIONE A VALVOLE E A TRANSISTOR - LORO CONFRONTO............................................6

2.1 LE VALVOLE TERMOIONICHE - TIPI E FUNZIONAMENTO..........................................................................................62.2 IMPIEGHI TIPICI DELLE VALVOLE E SIGLE CELEBRI.................................................................................................82.3 I SEMICONDUTTORI : DIODI E TRANSITSTORS..........................................................................................................92.4 VANTAGGI E SVANTAGGI DELLE DUE TECNOLOGIE...............................................................................................12

3 COSTITUZIONE DI UN AMPLIFICATORE PER AUDIOFREQUENZA....................................................13

3.1 PREAMPLIFICATORI E AMPLIFICATORI FINALI........................................................................................................133.2 ALIMENTAZIONE E POLARIZZAZIONI......................................................................................................................143.3 ACCOPPIAMENTO DI PIÙ STADI (IN CASCATA E CONTROFASE)..............................................................................153.4 LA CONTROREAZIONE - CENNI...............................................................................................................................183.5 DIFFUSORI: CARATTERISTICHE E COLLEGAMENTO ALL'AMPLIFICATORE..............................................................18

4 RISPOSTA IN FREQUENZA DEGLI AMPLIFICATORI...............................................................................20

4.1 IL PROBLEMA DELLA LINEARITÀ............................................................................................................................204.2 L'EQUALIZZAZIONE................................................................................................................................................21

5 CLASSI DI FUNZIONAMENTO..........................................................................................................................24

5.1 CLASSE A E AB.....................................................................................................................................................245.2 CLASSE B...............................................................................................................................................................245.3 PUSH-PULL IN CLASSE A E B................................................................................................................................255.4 CLASSE C...............................................................................................................................................................265.5 CLASSE D...............................................................................................................................................................26

6 STORIA ED EVOLUZIONE DEI CIRCUITI.....................................................................................................27

6.1 ALCUNI SCHEMI STORICI E LORO VERSIONI ATTUALI............................................................................................276.2 CIRCUITI IBRIDI......................................................................................................................................................306.3 LA SIMULAZIONE VALVOLARE - CENNI..................................................................................................................326.4 QUANTO MI COSTA? IL MERCATO E IL "FAI DA TE................................................................................................33

7 APPENDICE A.......................................................................................................................................................34

7.1 IC PER APPLICAZIONI AUDIO..................................................................................................................................347.2 AMPLIFICATORI AUDIO INTEGRATI........................................................................................................................387.3 LA VALVOLA TERMOIONICA HA CENTO ANNI MA NON LI DIMOSTRA....................................................................41

8 APPENDICE B........................................................................................................................................................43

8.1 INTERVISTA A MARCO BRUNETTI..........................................................................................................................438.2 CAN SOLID-STATE SOUND REALLY MATCH THAT OF TUBES?................................................................................49


1 L'amplificazione: principi e utilizzi

1.1 Ingresso e uscita: variabili di controllo e variabili controllate

Un dispositivo di amplificazione può essere visto come una "black box" a cui è applicato un segnale di ingresso e da cui ricaviamo un segnale di uscita.Il rapporto tra il valore della variabile di uscita e quella di ingresso rappresenta il fattore di amplificazione che si ottiene dal dispositivo. Poichè le due variabili di ingresso e di uscita sono della medesima natura fisica (es:. possono essere due tensioni, oppure due correnti) il loro rapporto non ha dimensioni ma è un numero puro: il numero di volte che l'uscita è più grande dell'entrata.L'amplificazione viene comunemente espressa in Decibel (dB) secondo l'espressione: A(dB) = 20 log (Vu/Ve)

nella quale Vu rappresenta il valore di uscita e Ve quello di entrata.Una amplificazione di 60 dB produce quindi una Vu che è 1000 volte superiore alla Ve.Se il valore in dB della amplificazione è negativo significa che il rapporto tra Vu e Ve è un numero inferiore ad 1, in altri termini la variabile in uscita è più piccola di quella in entrata. In questo caso l'effetto prodotto è quello di attenuare il segnale e l'amplificatore funziona quindi da "attenuatore".Idealmente in un amplificatore lineare il rapporto tra la variabile in uscita e quella in entrata è costante per qualsiasi valore di entrata e in qualsiasi istante. Nella realtà la linearità si mantiene solo entro certi limiti, come vedremo in seguito parlando della classi di amplificazione.Si potrebbe pensare che un dispositivo, come un trasformatore elevatore, che fornisce in uscita al secondario una tensione più elevata di quella applicata al primario, possa essere visto come un amplificatore. Ebbene, anche se la tensione di uscita è proporzionale a quella in entrata e ne segue fedelmente le variazioni, la potenza che si ottiene non è affatto superiore a quella che si immette (anzi, per via delle perdite dovute a fenomeni dissipativi di varia natura, è sempre inferiore). Infatti se la tensione di uscita è maggiore K volte quella di entrata, la corrente di uscita è K volte minore di quella di entrata. In altre parole il trasformatore modifica i fattori che determinano la potenza ma non modifica la potenza complessiva, perdite a parte.In un amplificatore di segnali, invece, il segnale in uscita è realmente associato ad una maggiore potenza, in grado, ad esempio, di pilotare dispositivi di diffusione che non sarebbero utilizzabili con il segnale non amplificato. Il segnale in entrata non si "trasforma" in quello in uscita ma lo "controlla", come il direttore di un coro controlla i coristi, magari con il solo gesto, senza neppure cantare.Dato che nell'universo nulla si crea e nulla si distrugge, c'è da domandarsi da dove provenga la potenza in uscita dell'amplificatore; dove è nascosto il "coro" che eroga l'energia all'utilizzatore ?

1.2 Chi fornisce l'energia in uscita: il ruolo dell'alimentazione

La fonte di energia di un amplificatore, a valvole o a semiconduttori, è un generatore di corrente continua, una batteria o un circuito di alimentazione che svolge il medesimo compito: rendere disponibile un livello di tensione e di corrente che verrà regolato dalle variazioni della grandezza in entrata. Se non fosse disponibile questa fonte di energia, ad esempio a causa di un blackout della rete per cui il circuito di alimentazione smette di funzionare, l'amplificazione si annullerebbe e le variazioni del segnale in entrata non produrrebbero alcun effetto. Per tornare all'esempio del coro: se i coristi se ne vanno la presenza del direttore è del tutto inutile.


La realizzazione pratica di un alimentatore chiama in causa componenti quali un trasformatore che assorbe energia dalla rete elettrica, un circuito "raddrizzatore" che utilizza diodi a valvola o a semiconduttore, circuiti di filtraggio che operano il "livellamento" del valore della tensione, e circuiti di stabilizzazione che garantiscono un funzionamento indipendente dalle variazioni di temperatura o dagli sbalzi di tensione di rete.In ogni caso il risultato a cui si tende è di avere a disposizione l'equivalente di una batteria ideale, in grado cioè di erogare corrente elettrica a tensione costante.I componenti controllati dal segnale di entrata assorbiranno più o meno corrente, a seconda del comando ricevuto e questa corrente variabile produrrà sul carico utilizzatore una tensione variabile.

1.3 Amplificatori finali per strumenti musicali: requisiti desiderati

La chitarra elettrica richiede un'amplificazione che potenzi il segnale generato dai suoi pick-ups quando viene suonata. Essa non può essere collegata direttamente all'altoparlante, il cui funzionamento esige una potenza ben superiore a quella fornita dai pick-ups. E' pertanto indispensabile utilizzare un amplificatore. Questo anello della catena elettroacustica impiega energia elettrica proveniente da una fonte esterna (corrente o batterie) e utilizza la tensione del segnale proveniente dalla chitarra per controllare l'invio di tale energia all'altoparlante. L'amplificatore consente di modificare il tono e il volume e di aggiungere caratteristiche quali la distorsione e il riverbero. Molti musicisti pensano all'amplificazione strettamente in termini di amplificatori di potenza utilizzati per azionare gli altoparlanti, ma in senso più generale, la parola amplificatore può indicare anche molti dispositivi di elaborazione del suono (equalizzatori, espansori, compressori ecc.). Gli amplificatori possono essere costruiti con due diverse tecnologie: a valvole o a transistor. Le filosofie, come si usa dire, sono diverse, e in un certo senso lo sono anche le caratteristiche del suono amplificato. Per il tramite dell'amplificatore, il segnale d'ingresso del suono originale può essere riprodotto all'uscita (altoparlante) con grande precisione. E' questo, sostanzialmente,il significato di alta fedeltà. L'amplificazione HI-FI (alta fedeltà) è un esigenza fondamentale per le chitarre acustiche, i bassi (per cui si richiedono a volte sonorità pulitissime), le tastiere, i fiati e particolarmente la voce umana. Un amplificatore può essere anche progettato per fornire un arricchimento armonico dei segnali ad esso inviati. Molti chitarristi elettrici preferiscono al suono fedele questa qualità, dal momento che se ne servono come fattore determinante per creare il proprio suono personale. L'effetto può anche essere utile per certi strumenti a tastiera, ma, in genere, è inadeguato per la maggior parte degli altri strumenti a meno che non si miri a risultati particolari. Gli amplificatori combinati con l'altoparlante (o gli altoparlanti) sono detti amplificatori combo. Sono agevolmente trasportabili e facili da sistemare, ma nei casi di maggiore flessibilità (come nelle necessità di aggiungere potenza extra), si preferisce usare amplificatori (testate) separati dalle casse. I blocchi possono essere messi in pila (cioè uno sopra l'altro) o si può porre l'amplificatore ad una certa distanza dalle casse per ridurre i rischi di danno da vibrazione.

1.4 Amplificatori finali per Hi-fi : requisiti desiderati

Sorprendente, ma non troppo, leggere in una ristampa di un manuale della Philips, edito nel 1959, come i requisiti di un amplificatore per alta fedeltà fossero ben chiari anche diversi anni fa e già raggiunti con la tecnologia dell’epoca:


Bassa distorsione armonica (max. 0.5 %) Bassa distorsione da intermodulazione (max 2%) Bassa distorsione per nota da battimento (max. 0.8%) Curva di risposta in frequenza lineare sino ad almeno un’ottava oltre la massima frequenza

udibile Minima distorsione di fase entro questa gamma di frequenze Basso livello di fruscio e ronzio Ampia riserva di potenza per consentire la riproduzione dei transitori di potenza elevata

senza sovraccaricare l’amplificatore Bassa resistenza di uscita per permettere lo smorzamento elettrico dell’altoparlante

Criteri certo ben noti, lapalissiani per i più, ma che comunque molti costruttori esoterici farebbero bene a ricordare anche oggi.

Chi fosse interessato a consultare un'ampia documentazione relativa all'HI FI esoterica non manchi di visitare il sito www.hi-figuide.com alla pagina:http://www.hi-figuide.com/Esoterica/1/index.html

1.5 Amplificatori microfonici: cenni

I microfoni a condensatore devono essere alimentati mediante un amplificatore, opportunamente collocato il più vicino possibile al diaframma, (non più distante di 5 cm). Tale amplificatore è inserito nel corpo del microfono in modo da prevenire i ronzii, la ripresa dei rumori e la perdita di livello del segnale che altrimenti si verificherebbero.Anche se la maggior parte dei microfoni attuali utilizza per il circuito amplificatore un transistor ad effetto di campo (FET) per diminuire l'impedenza della capsula, alcuni design più vecchi e di gran fama (nonchè i nuovi rifacimenti di tali modelli) usano delle valvole a gas rarefatto messe all'interno della capsula. Questi microfoni di solito sono molto apprezzati dagli studi o dai collezionisti per il loro suono valvolare; generalmente danno una piacevole colorazione tonale, risultante dal design stesso (spesso hanno un'intelaiatura più ampia e una chiusura a griglia a rete) e dalla distorsione degli armonici pari, oltre ad altre caratteristiche che si incontrano quando si usano le valvole.


http://www.hi-figuide.com/Esoterica/1/index.html

2 Amplificazione a valvole e a transistor - loro confronto

2.1 Le valvole termoioniche - tipi e funzionamento

Il diodo

Anodo

Catodo

Il diodo è la valvola più semplice: si compone di due soli elettrodi, “catodo” e “anodo”, racchiusi in un tubo di vetro nel quale è stato prodotto un vuoto spinto (dell’ordine di 1/100.000 di atmosfera).Il catodo viene riscaldato da una corrente elettrica che lo percorre (oppure da un apposito filamento riscaldatore) ed emette elettroni per effetto termoionico. L’anodo viene collegato ad un generatore di tensione continua in modo che si trovi ad un potenziale positivo rispetto al catodo (connesso al polo negativo).Questa distribuzione di potenziale provoca la migrazione degli elettroni, emessi dal catodo, verso l’anodo e determina la circolazione di corrente “anodica” che percorre il diodo.Se la differenza di potenziale tra catodo e anodo viene invertita, ossia l’anodo viene collegato al polo negativo e il catodo a quello positivo, il passaggio di corrente non può più avvenire in quanto gli elettroni vengono ora respinti dall’ anodo. Questa caratteristica del diodo viene utilizzata per “raddrizzare” la corrente alternata che potrà circolare solo nella direzione da catodo a anodo in corrispondenza alle semionde di segno positivo.

Il triodo

Anodo

Catodo

Il triodo deriva da un diodo nel quale è stato aggiunto un elettrodo che si interpone tra catodo ed anodo. Applicando una opportuna differenza di potenziale a questo nuovo elettrodo, denominato “griglia”, si riesce a controllare l’intensità della corrente che transita nella valvola. Più precisamente, se la griglia viene “polarizzata” negativamente rispetto al catodo, respingerà gli elettroni diretti all’anodo e la corrente non si potrà mantenere; la valvola in tal caso si troverà in uno stato denominato di “interdizione”.Viceversa con una polarizzazione positiva della griglia si produrrà una accelerazione degli elettroni che saranno, per così dire, “incoraggiati” a migrare verso l’anodo e, conseguentemente, la corrente nella valvola aumenterà di intensità. La valvola si trova così nello stato di “conduzione”. Questo aumento non è però illimitato in quanto la corrente non potrà superare un certo valore massimo. In questa condizione estrema di funzionamento la valvola si troverà nello stato di “saturazione”.L’applicazione più immediata del triodo nasce dalla possibilità di ottenere consistenti variazioni nella corrente anodica e quindi nella tensione trasferita al circuito di uscita, a cui è collegato un dispositivo utilizzatore, a partire da identiche variazioni, in scala ridotta, della tensione applicata alla griglia, nel circuito di entrata. Questa effetto di “leva” del triodo è la base del funzionamento degli amplificatori.


Il tetrodo

Anodo

Catodo

Il tetrodo costituisce una evoluzione del triodo e presenta, oltre alla griglia di controllo già vista, una seconda griglia denominata “schermo” che si trova in prossimità dell’anodo ed è polarizzata ad un potenziale positivo piuttosto elevato (dal 70 al 90 % del potenziale anodico). Il suo effetto principale è di produrre una accelerazione supplementare degli elettroni e perciò un ulteriore aumento di corrente, con un conseguente incremento del rapporto tra grandezze in uscita e grandezze in entrata. In altre parole il tetrodo “amplifica” in misura maggiore rispetto al triodo.Esiste però anche un effetto secondario prodotto dalla griglia schermo che altera in parte la sua funzione. Infatti in certe condizioni la velocità acquisita dagli elettroni, grazie alla “spinta” della griglia-schermo, può essere tale da produrre, al momento dell’impatto con l’anodo, una “emissione secondaria” da parte dell’anodo stesso. E’ un fenomeno analogo a quello per cui se scagliamo violentemente un sasso contro un mucchio di ghiaia vedremo schizzare da questo altri sassi che hanno assorbito l’energia dell’urto.Naturalmente la carica negativa degli elettroni, così emessi, produrrà un effetto indesiderato sulla corrente anodica poichè tenderà ad impedire l’arrivo all’anodo di altri elettroni .

Il pentodo

Anodo

Catodo

Per ovviare all’inconveniente che si manifesta nel tedrodo, a causa della emissione secondaria, il pentodo utilizza un quinto elettrodo, denominato “soppressore”, collegato allo stesso potenziale del catodo e frapposto tra griglia-schermo e anodo. Il soppressore respinge gli elettroni prodotti dalla emissione secondaria impedendo che possano ostacolare l’arrivo all’anodo di quelli provenienti dal catodo e accelerati dalle griglie.In questo modo viene rimossa l’anomalia presente nel meccanismo di conduzione della corrente anodica del tetrodo e si ottiene una elevata amplificazione in tutte le condizioni di funzionamento.Nel pentodo la condizione di saturazione (massima corrente anodica) viene raggiunta molto più velocemente che nel triodo, ossia sono sufficienti potenziali di griglia più bassi per ottenere una elevata corrente anodica. Ciò costituisce un vantaggio dal punto di vista della amplificazione ottenibile ma incide, come vedremo, sul contenuto di armoniche introdotte nel segnale in uscita, privilegiando le dispari rispetto alle pari, maggiomente presenti in circuiti che utilizzano il triodo. Questo effetto, negli amplificatori per frequenze audio determina una diversa e meno gradevole “colorazione” del suono.


2.2 Impieghi tipici delle valvole e sigle celebri

PreamplificatriciLa valvola preampliflicatrice preamplifica il segnale in ingresso. Le più usate sono le 12AX7, note in Europa con la sigla ECC83 (a livello industriale viene catalogata 7025). Anche se le denominazioni sono diverse, tecnicamente si tratta dello stesso tipo di valvola, ma il fatto che venga prodotta in Europa, in America o ad esempio su specifiche militari (in questo senso vengono tra l'altro parecchio usate), porta a udibili differenze a livello timbrico e nelle capacità di guadagno. Oggi, essendo cessate le produzioni sia europee che americane, le sigle diverse indicano in pratica le differenti caratteristiche. Generalmente le 7025 hanno un maggiore guadagno e un suono più brillante, mentre gli altri due tipi hanno un suono più ricco di medi e un timbro più caldo. I vecchi Fender usavano le 12AY7, caratterizzate da un guadagno leggermente inferiore e un suono più morbido.

SfasatriciQueste valvole pilotano il finale del pre ma anche ad esempio il riverbero interno. Solitamente si usano le 12AT7, le ECC81 o le 6201. Alcuni preferiscono le 12AX7 anche come sfasatrice, per un suono più compresso e aggressivo.

RettificatriciLa valvola rettificatrice ha il compito di trasformare la corrente alternata di rete in corrente continua all'interno dell'apparecchiatura. La più usata è la GZ34, denominata in America 5AR4, mentre su molti Fender vintage si possono trovare la 5U4 o la 5Y3.

La scelta di un tipo di valvola o l'altro dipende dalle caratteristiche del circuito e dalle tensioni in gioco, quindi non a scelta dell'utente. Il processo di rettificazione tramite l'uso della valvola, paragonandola al processo tramite diodi, a parità di circuito provoca una lieve diminuzione di potenza nell'ampli, ma dà un suono più morbido, più carico di armoniche (specialmente ad alto volume), una migliore distorsione e una compressione naturale del suono che aumenta man mano che aumenta il livello di uscita. Come ultima cosa si può dire che, sempre paragonando i due sistemi, rende il timbro più caldo.

FinaliIl compito di queste valvole è di fornire agli altoparlanti l'energia, che determina la potenza complessiva dell'intero sistema. Due sono i modelli a maggiore diffusione: le 6L6, usate tra l'altro per ampli come Fender, Ampeg, Gibson, Mesa Boogie ecc., e le EL34, solitamente usate dai Marshall. Ultimamente è possibile trovare i Marshall che montano le 6L6 - modello 5881 - per problemi di reperibilità delle EL34.I caratteri timbrici dei due tipi di valvole sono piuttosto diversi. Le 6L6 sono brillanti e tendenzialmente lineari e hanno un buon margine di pulizia sonora prima di saturare. Le EL34 sono invece più grintose, con una maggiore enfasi sugli estremi di banda (un po' più nasali) e un'attitudine alla distorsione maggiore.Un altro modello, con un timbro più dolce e una minore potenza, sono le EL84, rese famose da un mitico ampli quale il Vox AC30, ricercate soprattutto anche per i bassi morbidi, le medie leggermente bronzate e gli acuti trasparenti.Negli Stati Uniti sono molto usate le 6V6 per amplificatori di bassa potenza. Queste hanno una distorsione più calda e un timbro più chiaro e più dolce rispetto alle ben più potenti cugine 6L6. Spinte al limite rendono un suono abbastanza tipico, irrinunciabile per molti chitarristi.


2.3 I semiconduttori : diodi e transitstors

Il diodo

Anodo

Catodo

Il diodo a semiconduttore è costituito da due zone di silicio, diversamente “drogate”, a contatto tra loro.La zona P (corrispondente al simbolo della freccia) contiene impurità costituite da un elemento trivalente che determina una alterazione in difetto dei legami tetravalenti del reticolo di atomi di silicio. Viceversa la zona N, corrispondente al simbolo della piastra, contiene impurità costituite da un elemento pentavalente che crea uno scompenso dei legami per eccesso di elettroni.L’analogia con il diodo a vuoto è immediata: infatti anche il diodo a stato solido si compone di due soli elettrodi, “catodo” ( piastra) e “anodo” (freccia) ma in questo caso il meccanismo di funzionamento dipende da un fenomeno diverso, dovuto all’equilibrio particolare che si crea mettendo a contatto le due zone P ed N.In prossimità della zona di giunzione gli elettroni si dispongono in modo da creare una zona “neutra” che non può essere superata se non sotto la spinta di una differenza di potenziale di qualche decimo di volt (circa mezzo volt). Se applichiamo il polo positivo di una sorgente di tensione continua, superiore alla soglia di 0,6 Volt, dalla parte della freccia ed il polo negativo dalla parte della piastra, otterremo il passaggio di una corrente nel diodo. Viceversa, se la tensione è inferiore alla soglia, il diodo non condurrà. Nel caso che la tensione sia negativa il diodo continuerà a rimanere interdetto, come se fosse un interruttore aperto, fino a quando, in corrispondenza di un valore di tensione “inversa” denominato di breakdow, il diodo condurrà una corrente rapidamente crescente e di intensità tale da compromettere la sua integrità.In altri termini possiamo dire che il diodo si comporta come un interruttore chiuso se è polarizzato direttamente (sopra la soglia di conduzione) e come un interruttore aperto quando è polarizzato inversamente (restando sotto la soglia di brekdown). Per queste sue caratteristiche anche il diodo a semiconduttore, come quello a vuoto, trova impiego nei circuiti “raddrizzatori” di corrente alternata.

Transistor NPN

Collettore

Emettitore

Il transistor, nella sua forma più primitiva, è costituito da una barretta di silicio drogata con impurità pentavalenti (N), al cui interno è stata creata una sottile zona intermedia, drogata con impurità trivalenti (P), Si viene quindi a configurare una duplice giunzione (NP + PN), da cui il nome di transistor bi-giunzione ( Bi-Junction Transistor = BJT), proprio come se ci fossero due diodi in successione.Nonostante la simmetria N-P-N nel drogaggio delle zone del transistor, si deve distinguere un terminale N dall’altro perché, dato il diverso dimensionamento costruttivo, i loro ruoli non sono intercambiabili. Facendo riferimento al simbolo, il terminale contraddistinto dalla freccia indica il flusso della corrente


(dal positivo al negativo) e si chiama “emettitore” l’altro, senza freccia, e contraddistinto fisicamente con un segno rosso o un rilievo convenzionale sull’involucro del transistor, costituisce il “collettore”. Il terzo terminale, simboleggiato dalla piastrina, si trova fisicamente in posizione centrale tra gli altri due e si chiama “base”.Volendo ricorrere ad una analogia con i terminali delle valvole (il transistor può essere paragonato al triodo, avendo come esso tre terminali) si può dire che l’emettitore corrisponde al catodo, il collettore corrisponde all’anodo e la base corrisponde alla griglia. Tuttavia il fenomeno della conduzione nei solidi è del tutto diverso da quello che presiede alla conduzione nelle valvole, come già detto parlando del diodo.Nel caso del transistor NPN supponiamo di applicare una differenza di potenziale tra base ed emettitore in modo che la base risulti positiva rispetto all’emettitore. La giunzione NP emettitore-base risulterà così polarizzata direttamente e, se la tensione applicata è superiore a 0,6 volt, si stabilirà una “corrente di base”.Se ora anche il collettore viene polarizzato positivamente rispetto all’emettitore, ad un potenziale superiore a quello assegnato alla base, la seconda giunzione PN tra base e collettore risulterà polarizzata inversamente e non ci sarà passaggio di corrente da collettore a base. Viceversa la corrente potrà scorrere da collettore a emettitore tanto più intensamente quanto più elevata è la corrente di base.Da un punto di vista microscopico il potenziale della base rappresenta un attrattore per gli elettroni che vengono richiamati dall’emettitore ma, data la sottigliezza costruttiva della base, questa non riesce ad intercettare che una piccola parte di elettroni. Gli altri vengono attratti dal più lontano, ma più elevato potenziale del collettore e vanno appunto a costituire la “corrente di collettore”. Le due correnti di base e di collettore confluiscono nell’emettitore sommandosi e dando origine alla “corrente di emettitore”.Da un punto di vista macroscopico la presenza della corrente di base agisce come un regolatore della resistenza elettrica opposta dal percorso emettitore-collettore, nel senso che una debole corrente di base riduce tale resistenza, consentendo il passaggio di una corrente di collettore limitata, mentre una corrente di base più elevata abbatte sensibilmente la resistenza del circuito di collettore, permettendo che vi transiti una corrente ben più forte. Il nome stesso di transistor ( TRANSfer resISTOR ) deriva da questo modo di interpretare il suo funzionamento.Come il triodo anche il transistor può svolgere il ruolo di amplificatore di segnali immessi, in questo caso, nel circuito di ingresso tra base ed emettitore. Le variazioni prodotte dal segnale agiranno regolando la corrente nel circuito di uscita dal lato del collettore. Naturalmente se il segnale assume valori negativi, tali da neutralizzare la polarizzazione di base, il transistor non potrà più condurre ed entrerà in uno stato di “interdizione” perchè la giunzione base emettitore ora sarà polarizzata inversamente.Dal punto di vista della qualità del segnale amplificato, il risultato ottenuto con un transistor è più simile a quello di un pentodo che a quello di un triodo. Si deve innanzi tutto considerare il fatto che l’amplificazione delle valvole non è costante per qualsiasi valore del segnale di ingresso ma varia con esso. Nel triodo l’azione della griglia è graduale e l’amplificazione tende ad aumentare costantemente con il crescere del segnale in ingresso. Quindi la deformazione del segnale in uscita dal triodo è “asimmetrica” perchè per valori bassi si ha una minore amplificazione e per valori alti si ha una maggiore amplificazione. Le distorsioni asimmetriche sono tipiche delle armoniche pari che in un


semiperiodo rinforzano la fondamentale e nel semiperiodo successivo la indeboliscono. Nel pentodo l’effetto combinato dello schermo e del soppressore introduce una limitazione nella crescita dell’amplificazione che, dopo avere raggiunto un valore massimo, tende a decrescere per segnali di ingresso più elevati. Quindi il segnale in uscita risulta deformato in modo “simmetrico” perchè in corrispondenza del valore medio di segnale di ingresso si ottiene la massima amplificazione e per valori inferiori o superiori l’amplificazione tende comunque a decrescere. Le distorsioni simmetriche sono caratteristiche delle armoniche dispari, che si presentano con fase positiva all ‘inizio dei semiperiodi positivi della fondamentale e con fase negativa all’inizio di quelli negativi. Di conseguenza sulle semionde positive e su quelle negative vengono prodotte alterazioni identiche. Tornando all’amplificazione del transistor possiamo dire che esiste un valore di amplificazione ottimale per un valore intermedio della corrente di base e che per valori inferiori o superiori l’amplificazione tende a ridursi, proprio come succede per il pentodo, anche se le cause di questo comportamento sono differenti.Anche nel transistor quindi la deformazione del segnale amplificato è simmetrica e le armoniche rilevabili sono quelle dispari.Le conseguenze di questo diverso contenuto armonico tra triodo da un lato e pentodo e transistor dall’altro, sono particolarmente evidenti per l’orecchio umano.Infatti se prendiamo come riferimento una nota di LA a 110 Hz e consideriamo le sue armoniche pari troviamo che la seconda armonica, a 220 Hz, è ancora un LA (ottava superiore) e la quarta armonica , a 440 Hz , è anch’ essa un LA (ulteriore ottava). Se invece analizziamo le armoniche dispari troviamo che la terza armonica, a 330 Hz, è un MI e la quinta armonica, a 550 Hz, è un DO#.E’ evidente che la deformazione simmetrica introduce una dissonanza laddove quella asimmetrica mantiene una consonanza; questa diversità di colorazione è immediatamente percepita da un ascoltatore.

Transistor PNP

Collettore

Emettitore

Il transistor BJT può esere realizzato anche con un tipo di drogaggio speculare rispetto a quello descritto in precedenza, ottenendo un transistor “complementare” di tipo PNP.Il funzionamento di questo transistor è sostanzialmente identico, avendo ovviamente cura di invertire le polarità delle differenze di potenziale in modo che la base ed il collettore risultino negativi rispetto all’emettitore.Alcuni particolari circuiti di amplificazione, denominati “a simmetria complementare” sfruttano proprio questa struttura speculare impiegando una coppia di transistor gemelli, uno PNP ed uno NPN per ottenere, come vedremo in seguito, un duplice vantaggio in termini di costi e di risultati.


2.4 Vantaggi e svantaggi delle due tecnologie

Un amplificatore a valvole portato ad alto livello di volume inizia a distorcere in modo tipico: il suono diviene ricco e caldo grazie alla preponderanza di armoniche pari. E' una distorsione piacevole all'ascolto.Gli amplificatori a transistor, al contrario, tendono a produrre in distorsione soprattutto armoniche dispari, e ciò porta ad una colorazione sgradevole del suono, che si contrappone alla resa ad alta fedeltà che tali amplificatori hanno a volume più basso. I chitarristi elettrici preferiscono per lo più la ricchezza armonica dell'amplificatore a valvole. La richiesta di suoni di tipo valvolare è sempre viva, benchè gli apparecchi solid-state siano maneggevoli, robusti e in genere più comodi per il trasporto. Molti costruttori hanno perciò iniziato a combinare i pregi di entrambi i tipi di circuitazione, producendo amplificatori a transistor dal suono analogo, anche se discutibile, a quello dei modelli a valvole. Alcuni ibridi si avvalgono di stadi sia valvolari sia a transistor, fornendo così una certa varietà di suoni. La tecnologia moderna ha comunque portato a dei risultati veramente sorprendenti, in quanto alcune forme di simulazione valvolare di certi modelli sono veramente impressionanti per la loro fedeltà al punto da renderne difficile la comparazione.

Gli amplificatori a valvole richiedono qualche istante per riscaldarsi fino a raggiungere una temperatura adeguata al funzionamento. La valvola, infatti, non è in grado di entrare in azione finche il filamento ha surriscaldato il catodo al punto che gli elettroni vengono emessi dalla superficie sotto l'effetto della tensione applicata. Il tasto di attesa (stand-by) che si trova su quasi tutti gli amplificatori a valvole interrompe le alte tensioni della valvola, ma lascia completamente in azione il meccanismo di riscaldamento a bassa tensione. Ciò consente di mantenere l'amplificatore caldo, pronto per un uso immediato. Gli amplificatori a transistor rispondono subito all'accensione, e non richiedono alcun riscaldamento preliminare. L'iniziale extra-corrente, generata nel circuito che carica i condensatori e stabilisce la tensione di funzionamento, causa però un rumore improvviso o un colpo negli altoparlanti. Si tratta di un inconveniente oltre che fastidioso anche pericoloso per i coni, specie negli amplificatori di una certa potenza. Perciò in molti ampli è incorporato un circuito automatico che blocca per alcuni secondi l'erogazione di potenza agli altoparlanti.

Gli amplificatori a valvole devono adattarsi perfettamente all'impedenza degli altoparlanti, che varia da 4 ohm , 8 ohm , fino a 16 ohm. Non vanno mai accesi se non sono collegati agli altoparlanti, se non si vuole danneggiare seriamente il trasformatore o le valvole finali. Gli amplificatori a transistor sono in questo senso più robusti; anzi quasi tutti i modelli di un certo livello sono immuni sia al corto che al circuito aperto sulle uscite per gli altoparlanti, anche se comunque è sempre meglio averli collegati. In genere l'impedenza minima degli altoparlanti dà il massimo volume di uscita a livelli accettabili di distorsione. Il montaggio di altoparlanti d'impedenza maggiore di quella prescritta causa solo un volume di uscita ridotto, e forse anche un minore tasso di distorsione. Se non c'è un pulsante di stand-by sull'amplificatore, è buona precauzione abbassare a zero il volume prima dell'accensione, anche sugli ampli a transistor.


3 Costituzione di un amplificatore per audiofrequenza

3.1 Preamplificatori e amplificatori finali

Lo schema a lato illustra i diversi stadi che compongono un tipico amplificatore valvolare con due canali di ingresso e riverbero. Dalla qualità dell'alimentatore dipende l'efficacia di tutti gli anelli successivi alla catena. Quale che sia la bontà del resto del circuito,le prestazioni di un amplificatore risulteranno certamente sminuite a causa di una sotto-alimentazione. In questo stadio ausiliario, l'energia tratta dalla corrente alternata di rete è elevata in alta tensione e raddrizzata in corrente continua tramite diodi semiconduttori o valvolari. Una rete di resistori,condensatori e una induttanza livella la corrente continua e alimenta con tensioni diverse i vari stadi di amplificazione. Vediamo quindi ora di analizzare le singole parti che compongono l'amplificatore. Il primo stadio, o preamplificatore, consiste di una valvola e dei relativi componenti. Essi applicano un guadagno fisso in tensione al segnale in ingresso proveniente dalla chitarra (in altre parole: preamplificano il segnale). I controlli di tono e volume utilizzano spesso una rete passiva di resistori e condensatori, analoga a quella dei controlli sulla chitarra. Comunque il loro funzionamento può essere leggermente più complesso poiché in questo caso il segnale si trova ad una tensione più alta, prodotta dal primo stadio. Alcuni amplificatori sono dotati di controlli di tono attivi che influiscono, entro una gamma di frequenze adeguate, sul guadagno del secondo stadio. Il secondo stadio consiste di una valvola che, come il primo stadio, è un amplificatore di tensione. La sua funzione consiste nel recuperare la perdita di tensione del segnale, dovuta all'uso dei controlli di tono passivi, e nel fornire un guadagno in tensione supplementare.


Il blocco del riverbero contiene una coppia di molle metalliche utilizzate per dare un segnale ritardato. Una o due valvole fungono da amplificatore di corrente che pilota un trasduttore connesso ad una estremità delle molle. Ciò produce la vibrazione delle molle, raccolta all'altra estremità da un secondo trasduttore che alimenta un amplificatore di tensione a una o due valvole. Il controllo di riverbero è, in sostanza, un controllo di volume collocato dietro alla prima di queste valvole. In un amplificatore a transistor ovviamente non saranno le valvole ad avere questo ruolo, ma, come vedremo, la circuitazione ''solid state''. Il volume generale è un controllo passivo che agisce sul livello complessivo del segnale inviato da tutti gli ingressi all'amplificatore di potenza.L'amplificatore di potenza consiste di tre stadi: l'invertitore di fase, il pilota e lo stadio di potenza.

L'invertitore di fase (chiamato anche separatore di fase) produce due segnali in uscita, uno dei quali è fuori fase rispetto all'altro di 180°. La tensione di questi due segnali è amplificata dallo stadio pilota. Le due valvole impiegate nel separatore di fase vengono spesso usate anche per ottenere tale amplificazione, perciò i due stadi sono spesso combinati. Normalmente, tutte le valvole impiegate fino a questo punto del circuito sono triodi. Per risparmiare spazio, si usano talvolta doppi triodi, che combinano le funzioni di due valvole in un solo bulbo. Pertanto, la funzione teorica di una valvola può essere svolta da mezza valvola; la parte restante di funzionalità può essere usata per altri scopi. Nello stadio di potenza, del resto, si utilizzano una o più coppie di valvole per convertire la tensione del segnale in un flusso di corrente. Tale corrente è condotta attraverso il trasformatore d'uscita e viene inviata infine all'altoparlante.

Sito consigliato su questo argomento e, in generale, sulla effettistica : http://www.soundme.com

3.2 Alimentazione e polarizzazioni

Il modello concettuale di alimentatore per i circuiti di amplificazione risale all'epoca dei diodi a valvola.Si tratta semplicemente di un circuito che preleva la tensione alternata di rete attraverso un trasformatore che la porta al livello richiesto, mantenendo ovviamente la sua caratteristica di onda sinusoidale.I due diodi funzionano alternativamente in modo che la corrente che circola nel carico (la resistenza R) abbia sempre il medesimo senso, indipendentemente dal segno positivo o negativo di una semionda.Fino a questo punto la corrente, più che continua e costante, è semplicemente unidirezionale. Per realizzare una sorta di "volano" di energia che mantenga il livello costante, si inserisce in serie al carico una induttanza L , che introduce una inerzia alla variazione della corrente e agisce da filtro di spianamento.Per ottenere un risultato più preciso si possono disporre celle di filtraggio in cascata, alternando induttanze in serie e condensatori in parallelo, secondo una struttura, non a caso denominata π


http://www.soundme.com/

Una volta ottenuta una tensione continua dalla tensione alternata, si pone il problema di distribuire livelli di tensione differenziati ai vari punti del circuito, per soddisfare le diverse necessità di polarizzazione degli anodi, delle griglie, delle griglie schermo, etc, nel caso di un amplificatore che utilizzi triodi e pentodi. La soluzione più semplice è di utilizzare dei partitori di tensione a resistenza e capacità secondo il semplice schema della figura a lato. Si noti anche la cella a pi-greco sulla destra.

Un classico schema di polarizzazione automatica delle griglie è realizzato mediante resistenze catodiche, bypassate da opportuni condensatori volano che le rendono invisibili alle componenti alternate del segnale. Da notare anche la distribuzione della corrente a bassa tensione, in questo caso alternata a 6,3 Volt, per i filamenti riscaldatori dei catodi.

La polarizzazione automatica di questo transistor, collegato ad emettitore comune per realizzare un amplificatore, è ottenuta con la tecnica della alimentazione di base a partitore.La tensione di base è mantenuta costante dal partitore costituito dalla resistenze R1 e R2,

mentre RE limita la corrente nell'emettitore ed è bypassata (o shuntata) dal condensatore. R1 e R2

non devono assorbire più del 10% della corrente di collettore e RE non deve essere elevata (circa 1K) per non produrre perdita di potenza. In questo modo si ottiene una buona stabilizzazione del funzionamento contro le variazioni di temperatura.

3.3 Accoppiamento di più stadi (in cascata e controfase)

Accoppiamento Capacitivo: è il sistema più semplice per collegare due stadi di amplificazione in cascata.I condensatori da 5μF trasferiscono il segnale alternato, presente sui rispettivi collettori, alla base del transistor successivo. E' importante che le impedenze si adattino o almeno non si scostino troppo dalla condizione ideale, pur ammettendo che l'ingresso possa essere pilotato


da una sorgente di impedenza minore, mentre per l'uscita, è preferibile che la resistenza del carico sia maggiore di quella propria d'uscita dell'amplificatore.Si noti nei circuiti, collegati ad emettitore comune, la polarizzazione automatica di emettitore e la polarizzazione a partizione delle basi. Accoppiamento a trasformatore. Questo sistema di accoppiamento permette di realizzare il giusto adattamento di impedenze, quindi il massimo sfruttamento dei transistors ed un maggior guadagno totale. Come vedremo esiste tuttavia una influenza del trasformatore nel determinare la forma della curva di risposta in frequenza.

Circuito controfase. Con due transistors perfettamente uguali è possibile realizzare uno stadio amplificatore in controfase (push-pull) come quello in figura. E' fondamentale che le caratteristiche coincidano, soprattutto il coefficiente di amplificazione di corrente, ed occorrono sempre due trasformatori, come nel caso della valvole.Disponendo di due transistors, aventi caratteristiche complementari PNP e NPN, si può eliminare sia il trasformatore d'ingresso (non essendo ivi più necessaria alcuna inversione di fase), sia quello di uscita con primario a presa centrale, collegando direttamente il carico, rappresentato dalla resistenza RL, tra emettitori e collettori . Ciò è consentito per il fatto che la medesima corrente di base produce nei due transistors correnti di collettore circolanti in senso opposto, per cui le entrate possono essere collegate in parallelo e le due uscite in opposizione, in modo che le correnti di collettore si sommino nel carico RL.

Controfase a valvole Antenato del circuito a transistors, già visto, impiega in ingresso un trasformatore il cui secondario è diviso in due sezioni simmetriche per fornire alle due griglie segnali in opposizione. Le due correnti anodiche circolano in opposizione nel trasformatore di uscita, il cui primario è pure diviso in due sezioni uguali. L'effetto complessivo di magnetizzazione, dato dalla differenza delle due correnti, si trasferisce al secondario a cui è applicato il carico.

Nel caso di due stadi in cascata il trasformatore


intervalvolare ha sia il primario che secondario suddivisi in due sezioni la cui simmetria è fondamentale per il risultato.Nella figura l'alimentazione anodica in continua di entrambi gli stadi, è indicata in modo semplificato con il simbolo +AT.

Il trasformatore intervalvolare può essere evitato sfruttando l'opposizione di fase tra i segnali nei circuiti anodici di due stadi successivi accoppiati RC.Il circuito anodico del primo triodo superiore alimenta la griglia del triodo inferiore (invertitore) e del successivo.L'input all'invertitore è regolato con P in modo da produrre alla sua uscita una tensione gemella di quella in uscita dal primo tubo, ma in opposizione di fase, che viene inviata al triodo adiacente.

Ecco un altro metodo che usa un solo triodo invece di due: la resistenza di carico è divisa in due parti uguali. La prima, R', è inserita tra anodo e batteria, la seconda, R", tra catodo e massa. I rispettivi potenziali alternativi di anodo e catodo risultano uguali e opposti: quando nel tubo invertitore la corrente cresce, il potenziale anodico diminuisce e quello del catodo aumenta, e viceversa.Trasferendo con i due condensatori di accoppiamento questi segnali sulle griglie dei triodi in controfase si realizza l'input desiderato.


3.4 La controreazione - cenni

Negli amplificatori a bassa frequenza è possibile migliorare la risposta in frequenza e la stabilità della amplificazione introducendo un opportuno grado di reazione negativa. Come negli amplificatori a valvole, anche in quelli a transistors è sufficiente eliminare il condensatore di bypass di RE per riportare all'ingresso una tensione correttiva proporzionale alla corrente in uscita. Si parla in tal caso di controreazione di corrente.Nella figura più sotto, invece, si ottiene una controreazione di tensione riportando sulla base, per mezzo del condensatore C, in serie ad una opportuna resistenza, una parte della tensione alternata di uscita presente ai capi della resistenza di carico.Entrambi i casi sfruttano l'inversione di fase tra ingresso ed uscita dell'amplificatore, tuttavia, mentre il primo metodo fa aumentare le impedenze di ingresso e di uscita, il secondo le riduce.

3.5 Diffusori: caratteristiche e collegamento all'amplificatore

La qualità sonora e il volume di un diffusore dipendono da tre fattori: la sua efficienza, le sue dimensioni e il suo utilizzo in combinazione con altri diffusori. L'efficienza, cioè la quantità di energia prodotta dall'amplificatore e trasformata in suono, determina il volume che si può ottenere da un amplificatore di una data potenza. I diffusori molto efficienti (come quelli del tipo a tromba) possono far si che un amplificatore da 50 watt dia maggior volume di uno da 100 watt usato con diffusori meno efficienti. Le dimensioni del diffusore, e soprattutto dei coni, sono in stretto rapporto con le sue caratteristiche di riproduzione del suono: quanto è più grande, ad esempio, tanto meglio riprodurrà le basse frequenze, che richiedono il movimento di maggiori volumi d'aria. Si possono usare altoparlanti simili in combinazioni multiple per ottenere un maggior volume complessivo: il timbro rimarrà sempre lo stesso.

Come funziona un altoparlante Il pick-up e il microfono convertono il segnale elettrico in energia acustica; l'altoparlante ( o trasduttore elettroacustico, per usare una definizione tecnica) riconverte nuovamente il segnale in suono. Un segnale proveniente dall'uscita dell'amplificatore viene inviato ad una ''bobina mobile'' avvolta attorno al collo del cono e posta in mezzo ai poli del magnete fisso e permanente dell'altoparlante. Quando un segnale attraversa la bobina, si genera un flusso magnetico variabile che interagisce con il campo del magnete. Se la corrente che scorre nella bobina mobile genera un campo con polarità concorde con quello permanente, la bobina tende ad essere espulsa mentre, se la corrente scorre in senso inverso, i due campi sono di polarità opposte e la bobina viene attirata. Il movimento alternativo della bobina si trasmette al diaframma a cui è connessa, e il diaframma fa vibrare il cono sulla sua sospensione. Si ha così, a turno, compressione e rarefazione dell'aria a contatto con esso, e una conseguente generazione di onde sonore, la cui dispersione viene regolata fisicamente dal tipo di chiusura della cassa. Lo spazio di movimento in avanti del blocco è convenientemente limitato, e se l'altoparlante dovesse eccedere tale spazio (quando è applicato, per


esempio, un segnale superiore alle sue capacità di riproduzione) potrebbe danneggiarsi e il cono staccarsi dalla sospensione. Dato che il suono si espande immediatamente dalla fonte (e le alte frequenze sono più direzionali delle basse), scoprirete che il montaggio dell'altoparlante sul fronte del pannello darà risultati considerevolmente diversi dal montaggio dell'altoparlante sul retro del pannello frontale.

Le casse (speaker cabinets) La cassa del diffusore ha una parte importante nella riproduzione del suono. Quando si comprime l'aria davanti al cono e questo si muove in avanti, si rarefà l'aria dietro ad esso. Il contrario succede quando il cono si muove all'indietro. Se l'aria davanti al cono raggiunge rapidamente la zona d'aria retrostante, la differenza di pressione si cancella e si ha una perdita di volume sonoro. Le pressioni del retro e del davanti del cono sono quindi fuori fase tra loro. Funzione della cassa e della sua chiusura è di impedire o ridurre la cancellazione di fase. La cassa "carica" inoltre il cono in modo da ottimizzarne l'accoppiamento con l'aria circostante. Idealmente, il suono non deve essere colorato in nessun modo con aggiunte di risonanze della cassa. I materiali di costruzione delle casse devono essere spessi e pesanti allo scopo di ridurre la vibrazioni delle pareti. Sovente si utilizzano materiali assorbenti come il feltro pesante, con cui si rivestono tutte le superfici interne che possono riflettere il suono mandandolo di ritorno al diaframma o causare ''onde stazionarie''. Talora si aggiungono alla cassa anche cortine di materiale assorbente per smorzare i riflessi interni.

Collegamento con l'amplificatoreL'ultimo stadio di amplificazione, il "finale" ha il compito di amplificare in misura rilevante tutto il segnale che vi entra, ritoccandolo leggermente in alcuni casi, per poi spedirlo alle casse, le quali permettono di farlo sentire sotto forma di suono.Un finale può essere costruito con circuitazione valvolare o a transistor o addirittura ibrida, nel senso che si trova ad avere una circuitazione mista. I tipici controlli che possiamo trovare per ogni singolo canale sono il volume e il presence. Il volume, ovviamente, controlla il livello di uscita del canale. Il presence controlla la presenza del segnale; è utile come possibile ritocco del suono globale dal vivo, in quanto può fare in modo che la nostra performance si distingua con più chiarezza durante il concerto, enfatizzando le frequenze medio-alte. Oltre a questi controlli, più che sufficienti ad amplificare correttamente il suono nel modo a noi idoneo, può capitare di trovare anche controlli a selezione che operano dei tagli netti ai bassi e ai medio-alti. Nel pannello posteriore abbiamo invece una o più uscite Line Out per ogni canale. Sono le uscite a cui andranno collegate le casse. Attenzione alle impedenze di queste uscite, che dovranno essere compatibili con le impedenze delle casse. Possiamo avere uscite da 4ohm, 8ohm e 16ohm (a seconda del tipo di finale e di amplificatore), in modo da creare qualsiasi combinazione. In alcuni casi si può fare confusione proprio sugli abbinamenti delle impedenze tra finali e casse. Vediamo quindi di fare un po' di chiarezza con la tabella seguente.

FINALE CASSA

8ohm 8ohm16ohm 16ohm8ohm 16ohm4ohm 8ohm

Si può quindi affermare che le impedenze uguali sono chiaramente abbinabili fra loro, mentre un finale che ad esempio ha un'uscita di 8 ohm può essere collegato ad una cassa che abbia l'entrata a 16 ohm. Questo vale su ogni canale di uscita del finale. Bisogna poi aggiungere che i finali a


transistor non soffrono particolarmente nei casi in cui i collegamenti con le casse siano sbagliati (al limite può esserci una leggera perdita di volume), mentre i finali valvolari, ed in particolare quelli vecchi, possono subire danni, anche seri. Consultiamo sempre i manuali guida allegati ad ogni finale. Adattare l'impedenza di uscita del finale di potenza a quella degli speaker significa fare in modo che tutta l'energia emessa dal finale venga trasferita alle casse senza perdita di segnale e quindi far funzionare il sistema al meglio delle sue possibilità (ed evitare danni), e per ciò i valori sopra descritti non danno problemi, anche se è sempre meglio collegare due impedenze di valore uguale. Usando sistemi più complessi (ad esempio più speaker collegati allo stesso finale), bisogna fare in modo che il valore totale dell'impedenza degli altoparlanti sia corrispondente a quello presente sul finale. Possiamo avere due tipi di collegamento: in serie o in parallelo. Collegare in serie due altoparlanti significa unire un terminale positivo ed uno negativo dei due e collegare all'amplificatore i rimanenti due terminali rimasti scollegati. I loro valori si sommano: per esempio, due altoparlanti da 8 ohm in serie danno 16 ohm. Quando gli altoparlanti sono collegati in parallelo, i terminali dello stesso segno sono uniti tra loro. Per ottenere il valore totale bisogna utilizzare una formula, indicando con R1 ed R2 i valori di due altoparlanti, ed eseguire. (R1 x R2)/(R1 + R2). Con due altoparlanti da 8 ohm, per esempio, avremo: (8x8)/(8+8) = 64/16 = 4 ohm. In pratica, collegando due altoparlanti uguali in parallelo il valore si dimezza. Il sistema di collegamento in parallelo è molte volte già inserito nei finali (occhio al manuale!), e di conseguenza permette situazioni di collegamenti elaborate. Oltre alle uscite per le casse, nel pannello posteriore trovano posto il fusibile di protezione (uno o più a seconda del finale), e in alcuni casi delle uscite per pedali Foot Switch, per il controllo a distanza di selettori di controllo, se sono presenti nel finale. Per finire, voglio ricordare che i finali a valvole sono delicati, ed è quindi importante che all'interno di un rack abbiano un buon ricircolo d'aria, in quanto la temperatura delle valvole è molto elevata, e proprio queste devono essere fatte raffreddare prima di rimuovere il finale, il quale, chiaramente, dovrebbe subire meno botte possibili. Per ulteriori approfondimenti sul funzionamento degli altoparlanti, vale la pena di visitare l'indirizzo: http://utenti.tripod.it/tecnologia/altop1.htm

4 Risposta in frequenza degli Amplificatori

4.1 Il problema della linearità

A causa della non linearità delle caratteristiche delle valvole la tensione anodica non riproduce perfettamente la forma d'onda della tensione applicata alla griglia. Nel caso del triodo, analizzando con lo sviluppo in serie di Fourier la forma dell'onda prodotta in uscita da una entrata sinusoidale, si riscontra una componente continua, corrispondente al valore medio, dovuta alla asimmetria delle due semionde, la sinusoide a frequenza fondamentale e una serie di armoniche, a partire dalla seconda, prevalentemente di ordine pari.


http://utenti.tripod.it/tecnologia/altop1.htm

Nel caso del pentodo, invece, la non linearità è simmetrica e questo comporta, nell'onda in uscita, l'assenza della componente continua ( valore medio nullo) e la presenza, oltre alla sinusoide a frequenza fondamentale, di armoniche di ordine dispari, a partire dalla terza.

In entrambi i casi le armoniche di ordine superiore sono progressivamente di ampiezza decrescente.Nel loro insieme le armoniche causano una THD (distorsione lineare complessiva) data dal rapporto, moltiplicato per 100, tra il valore efficace (RMS) della corrente causata dalla distorsione e il valore RMS della componente utile, ossia la prima armonica. Il valore ottenuto per la THD indica, in un certo senso, la percentuale di potenza che inquina la linearità del segnale di uscita La figura riporta alcune curve di frequenza di trasformatori per accoppiamento intervalvolare. Le caratteristiche 1,2,3 (tra loro vicine) si riferiscono a trasformatori di qualità: buona (1), media (2), scadente (3). La caratteristica 4, che alle basse frequenze coincide con la 2, si riferisce ad un trasformatore che utilizza materiale magnetico di qualità migliore e avvolgimenti realizzati con particolari accorgimenti. Per evitare gli effetti negativi della saturazione del nucleo (perdita di linearità) il suo utilizzo ideale è nell'accoppiamento di circuiti push-pull dove le correnti , confluenti nelle rispettive sezioni in opposizione di fase, creano flussi magnetici i cui effetti si compensano.

4.2 L'equalizzazione

Il lavoro che viene svolto dall'equalizzatore è di correggere la timbrica, operando sulle frequenze del suono. Di regola il termine equalizzatore può riferirsi a qualsiasi forma di controllo di tono. La più semplice consiste in un condensatore collegato ad un potenziometro per filtrare le frequenze sonore operando un taglio al segnale. Un amplificatore può disporre di numerosi controlli di tono che operano sulle frequenze alte, medie e basse, ma esistono anche metodi più sofisticati per alterare la risposta in frequenza. Gli equalizzatori si possono dividere, a seconda della loro complessità, nei seguenti tre tipi:

- equalizzatori analitici- equalizzatori grafici- equalizzatori parametrici.


L'equalizzatore analitico ha un normale controllo enfasi-taglio, e, in più, un controllo supplementare che permette di spostare in alto o in basso nello spettro audio la frequenza centrale del normale controllo. Si trova generalmente sui banchi di mixaggio. L'equalizzatore grafico, che in origine era progettato per l'uso in sala di registrazione, si può trovare oggi su molti amplificatori per chitarra e come effetto (a pedale e a rack).

L'equalizzatore parametrico (nome che viene spesso attribuito erroneamente anche a quello analitico) ha di base un controllo in più rispetto a quello grafico (cioè quello della larghezza di banda), oltre ad un diverso approccio a livello manuale.

Tralasciando di discutere l'utilizzo pratico dei diversi tipi, cosa che ci porterebbe fuori tema, ci soffermiamo sulla distinzione tra due opposti modi operativi con cui si realizza l'intervento dell'equalizzatore, che può essere attivo o passivo.

Equalizzatori attivi Gli equalizzatori attivi amplificano o attenuano la frequenza selezionata. Nello spettro sonoro (termine che visualizza graficamente le frequenze), le frequenze sono calcolate dai 20Hz (Hertz) ai 20K (20 KiloHertz, cioè 20.000Hz). Ci sono frequenze più alte, inudibili per l'orecchio umano ( ma non per i sistemi percettivi di alcuni animali che sono in grado di udire le frequenze alte, dette anche ultrasuoni, o addirittura di comunicare attraverso esse). Per fare degli esempi useremo un grafico

Le linee orizzontali definiscono il valore di enfasi (positivo) o di taglio (negativo) alle varie frequenze, e sono graduate in dB nell'intervallo tra +15 e -15 a lato del grafico. Le linee verticali danno il valore della frequenza, e nel grafico sono identificate dai valori compresi tra 20Hz e 20KHz. Torniamo quindi agli equalizzatori attivi che, come già detto, amplificano o attenuano la frequenza selezionata. Se per esempio vogliamo sentire maggiormente la frequenza dei 500Hz (per avere quindi più enfasi su quei particolari tono bassi), aumentiamo sull'equalizzatore il valore corrispondente. L'equalizzatore attivo non farà altro che alzare il volume dei soli 500Hz permettendoci così di sentirli maggiormente rispetto al valore precedente. La domanda da farci ora è questa: Quando dobbiamo intervenire sull'equalizzatore? Risposta: ogni volta che sentiamo il bisogno di aggiungere o togliere particolari frequenze. Ma come capirlo? Non potendo avvalerci di costose apparecchiature (spettrometro, audioscopio), dobbiamo farlo ad orecchio e a proprio gusto. Vediamo quindi vari esempi di intervento sugli equalizzatori attivi. Supponiamo di avere un suono troppo carico di bassi e che manca di medio-alti. Graficamente si presenterebbe così:


La soluzione è questa: ridurre le frequenze basse, la cui gamma varia da circa 20Hz ai 500Hz, e aumentare la presenza (medio-alti), dai 2KHz ai 10KHz.

Il grafico si presenta ora in questo modo:

Il lavoro svolto dall'equalizzatore attivo è stato quello di diminuire il volume delle frequenze basse e di aumentare il volume delle frequenze medio-alte

Equalizzatori passivi Gli equalizzatori passivi sono dei filtri che limitano il passaggio del segnale alla frequenza sulla quale sono impostati. Al contrario degli equalizzatori attivi, quelli passivi non amplificano ma agiscono attenuando: regolati a zero danno la massima attenuazione (cioè il filtro è chiuso), mentre a 10 il filtro è completamente aperto (cioè è neutrale), lasciando passare tutto il segnale a quella frequenza. Sulla maggior parte degli amplificatori valvolari, il controllo dei toni è di questo tipo. Supponiamo di regolare uno dei tre classici controlli di tono degli ampli (abbiamo solitamente, come già visto, bassi, medi e acuti). Ruotiamo verso destra il potenziometro dei toni medi: così facendo non aumentiamo le frequenze medie, ma facciamo in modo che questo filtro si opponga meno al loro passaggio. Solo se impostato al massimo valore (10) il filtro si apre completamente, lasciando passare tutta la frequenza. E' quindi sbagliato dire: "alzo i medi", oppure: "abbasso gli acuti". Anche il controllo di tono sulla chitarra è di tipo passivo, a meno che non si usi una circuitazione attiva. Se si chiude il potenziometro del tono, i tono acuti non passano più, ma se lo apriamo tutto, ciò che sentiamo è il vero suono totale dello strumento.


5 Classi di funzionamento

Il discorso sulle classi di funzionamento degli amplificatori potrebbe essere un lungo discorso, con una fitta rete di distinguo tra funzionamento in "A, A2, AB1, AB2 etc..."Per farla breve, riassumiamo le definizioni delle caratteristiche di ciascuna classe principale, rinviando il lettore interessato all'analisi delle varie sotto-classi, ai testi specializzati.

5.1 Classe A e ABLa classe A è la classe di funzionamento lineare, in cui la grandezza del segnale in uscita è sempre proporzionale a quella del segnale in entrata. In altre parole: la caratteristica di trasferimento è un tratto di retta.Ciò si ottiene mettendo i componenti attivi, valvole o transistors che siano, nella condizione di operare nella zona rettilinea delle loro caratteristiche, agendo opportunamente sulle loro polarizzazioni, le quali vincolano il punto di lavoro. Naturalmente l'ampiezza del segnale in entrata non deve essere talmente grande da portare i picchi del segnale a debordare dal tratto rettilineo. In tal caso si avrebbero distorsioni o, al limite, il clipping (cioè la "tosatura" )del segnale in uscita se vengono interessate le zona di funzionamento in saturazione e interdizione. In classe A la corrente di uscita (anodica o di collettore a seconda che si parli di valvole o di transistors) circola per l'intero periodo, si dice che il suo angolo di circolazione è di 360°.Se l'angolo scende sotto i 360° ma si mantiene sopra i 180° si ha il funzionamento in classe AB, con varianti che tuttavia, come detto, non tratteremo.

5.2 Classe B Nel funzionamento di classe B la polarizzazione è scelta in modo che la valvola o il transistor si trovino al limite dell' interdizione. La tensione di ingresso può crescere fino a valori elevati (purchè non si superi la zona limite della saturazione).In tal modo la parte positiva del segnale verrà amplificata linearmente mentre la parte negativa risulterà tagliata. La corrente nel circuito di uscita sarà così presente per un tempo pari a mezzo periodo, ossia per un angolo di circolazione di 180°, e in tale intervallo avrà un andamento che riproduce fedelmente quello del segnale di entrata.


5.3 Push-Pull in classe A e B

Nel capitolo 3.3 , accoppiamento di più stadi, abbiamo incontrato i circuiti controfase o push-pull. Per studiarne il funzonamento si può ricorrere alla loro caratteristica complessiva, illustrata nella figura a lato. La curva si ottiene dalle caratteristice individuali di ciascuna delle due sezioni, ribalte tra loro di 180°.Se nel circuito di entrata viene applicato un segnale sinusoidale, questi si compone con i potenziali di polarizzazione (uguali ma di segno contrario) di ciascuna delle due vavole e le correnti in uscita saranno individuate sulle rispettive curve. Poichè il segnale globale di uscita dipende dalla differenza tra queste due correnti, la differenza, ordinata per ordinata, tra le due curve rappresenterà proprio la caratteristica complessiva. Essa, come ben si vede, è molto più rettilinea di quella di un solo circuito. Inoltre, se le valvole sono identiche, vi sarà una perfetta simmetria rispetto al punto centrale e saranno eliminate le distorsioni armoniche. In conclusione: i due circuiti danno origine ad un funzionamento complessivo di classe A a livelli di potenza più elevati.

In questa seconda figura è invece rappresentato il funzionamento di un circuito controfase in classe B. Mentre nel caso precedente le due valvole funzionavano contemporaneamente, in questo caso esse funzionano alternativamente, ciascuna per un solo semiperiodo. La corrente di uscita viene generata dalla "saldatura" tra le due semionde, prodotte ora da una, ora dall'altra sezione del circuito.Questo fatto è la causa base del fenomeno di distorsione di incrocio (crossover) che può incidere sulla qualità del suono prodotto.In altri termini: la commutazione tra una mezza sinusoide e l'altra, anche se in linea teorica consente di ricostruire una sinusoide perfetta, nella sua attuazione pratica introduce un disturbo ricorrente nella continuità della forma d'onda.Tuttavia, se questa distorsione è contenuta a livelli accettabili, questo tipo di funzionamento presenta importanti vantaggi dal punto della potenza ottenibile e del rendimento.


5.4 Classe C

Nel funzionamento di classe C la polarizzazione viene fissata ben al di sotto del potenziale limite di interdizione e la tensione in ingresso può raggiungere livelli ancora più elevati di quelli del funzionamento in classe B.A seguito di questa marcata polarizzazione la corrente di uscita perdura per un tempo inferiore a mezzo periodo, con un corrispondente angolo di circolazione sotto i 180°.Per questo motivo e per il fatto che viene interessata anche la zona di funzionamento in saturazione, la forma d'onda in uscita non riproduce quella in entrata, come ben evidente nel grafico a lato.

5.5 Classe D

L’efficienza di un amplificatore in classe B, teoricamente pari al 78%, in realtà risulta inferiore al 70% in caso di carico resistivo e scende sotto il 55% quando si pilotano altoparlanti con fattori di potenza dell’ordine del coseno di 60° (ricordiamo che il fattore di potenza è il coseno dell'angolo di sfasamento tra tensione e corrente relative ad un carico non puramente resistivo, nel caso degli altoparlanti, ovviamente, induttivo). Al contrario, gli amplificatori in classe D, basati su componenti IC (circuiti integrati allo stato solido) e sulla PWM (modulazione ad ampiezza di impulso da parte di un segnale digitale ottenuto campionando la forma d'onda da amplificare), possono fornire potenze elevate con una dissipazione molto contenuta, e quindi con un elevato rendimento.L'efficienza raggiungibile è del 90% e, con componenti attentamente selezionati, anche del 95%, e questo consente di superare ampiamente il tradizionale limite dei 100 Watt ( a 100 watt, negli amplificatori analogici convenzionali, la dissipazione termica è così elevata che non esistono contenitori capaci di sopportare potenze maggiori).Molti audiofili e progettisti audio si preoccupano che gli amplificatori in classe D possano generare un’eccessiva distorsione armonica; tuttavia, sebbene a frequenze dell’ordine di 20kHz la distorsione e il rumore siano leggermente più elevati rispetto a un amplificatore lineare, la Thd (Total harmonic distortion) può essere mantenuta a un livello inferiore all’1% su tutta la banda passante. Alle basse frequenze gli amplificatori in classe D mostrano invece una Thd più bassa rispetto ad amplificatori in classe AB, per i quali la distorsione di incrocio (crossover) rappresenta un problema. La distorsione di intermodulazione per la classe D è invece comparabile con quella dei migliori amplificatori di classe B. Per la classe D la banda passante è compresa tra 10Hz e 20kHz e in questa gamma la risposta in frequenza risulta praticamente piatta (< ±0,5dB).


6 Storia ed evoluzione dei circuiti

6.1 Alcuni schemi storici e loro versioni attuali

Una ricca collezione di schemi circuitali di ogni epoca e di ogni tipologia è disponibile in Internet all'indirizzo: http://www.infomaniak.ch/~bonavolt/audioel.htmIn questo capitolo ci limiteremo a presentare un paio dei più famosi, risalenti alla fine degli ani '40.

Circuito Williamson

E' forse il più classico dei circuiti, impiegato ancora oggi anche in realizzazioni che coinvolgono transistors e circuiti integratiChi fosse interessato a qualche dettaglio in più, puo consultare la pagina originale all'indirizzo: http://www.xs4all.nl/~ideas/amps/chapt1.html e seguire i links in essa contenuti.

Introduction The Williamson amplifier is a design by the British engineer D. T. N. Williamson and was first published in the spring off 1947 in "Wireless World". Williamson was employed by "The M.O. Valve Company" ( later with Ferranti ) as an engineer. The M.O. Valve Comp. was one of the constructors of the famous KT66 tube. The amplifier Williamson designed employed a pair of those tetrodes connected as triodes in a push-pull class A configuration and had a max. output power of aprox. 16 Watt. What made this design famous was its very low distortion. After war Europe had other things to do at that time and High Fidelity seemed a luxury. When the circuit design reached the mainland years later constructors reacted disappointed because the circuit was so simple. The high quality was the mere fruit of careful design and a very complicated outputtransformer. After a short period of popularity may constructors turned to the so called "Ultra-Linear" amplifiers which were invented a few years later. These gave more power with less tubes and seemed to have the same sound quality as the Williamson design at that time. We must consider that parts for tube amplifiers were very expensive at that time. A good outputtransformer for the Williamson Amplifier would cost a weeks wages or more and one must not be surprised that constructors would carefully compare every design in the financial aspect rather then looking at the last little bit of joy a triode class A amp. would bring. Nowadays building tubeamps is a costly undertaking anyway and the reason people do this is merely because of the last little bit of joy that can be achieved when one looks carefully at every aspect of the amplifier, never mind the extra tube or that rare transformer. When one doesn't need an awful lot of output power the Williamson design is a construction one must consider since it is sounding very good and at the low levels of listening at home ( at night ) certainly better as comparable constructions of the Ultra Linear type. When one however wants to build a tubeamp. on a very tight budget one must be very patient and spend a year or so collecting the parts, when ones main diet is vinyl one can better start by building a good tubepre-amp. since that gives the greatest improvement for the money. Is this amp still any good? Is it worth to build one? Are more recent circuits not much better? Williamson designed his amp for mono reproduction with a fairly high amount of negative feedback. That is ideal for mono. All designs in that time were mono-amps. Later, when stereo was invented, they just build two monoamps on the same chassis and claimed that it was a stereo amp. Unfortunately stereo amps must sound roomy and it is just not good enough to copy mono amps for


http://www.xs4all.nl/~ideas/amps/chapt1.html

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stereo use. In most cases however decreasing the amount of feedback makes an amp better for stereo use. The Williamson design is still working perfectly with very little feedback because of its careful design. Later commercial designs are often developed for maximum power output with minimum parts. It is often claimed that the ultra lineaer circuit gives the powerstage the quality of a triode-connected powerstage without the disadvantages of the triodes. In fact this is not really the case. The internal resistance remains twice as high at the same level of negative feedback, the low power distortion is much higher but it saves one tube since it is easier to drive. The typical advantage of a triode-connected powerstage such as the Williamson is the low internal resistance that provides with low negative feedback enough damping for the loudspeakers. Striking results can be expected with speakers that require not that much damping from the amp. such as transmissionlines. Enclosures with the size of shoeboxes require in most cases a lot of damping from the amp. The result of high negative feedback levels can be described as the typical "Hear me sounding good and not forgetting any detail" sound of many amps that makes listening tiring.

The picture at the top of this page shows the overall circuit of the revised version as published in 1949 in "Wireless World" and indeed it is simple! It consists of three stages, Note that the values of C3 and C4 are the values from the "Ultra Linear Williamson" that was published much later. The input stage combined with the "concertina" phasesplitter using tubes as 6SN7, 12AU7 orECC82. The driver stage. In the original version a 6SN7 was used. For those who are interested in the experiment: 12BH7 and 12AU7 or ECC82 . The power stage using in the original version a pair of KT66 that was impossible to obtain. Rumors are that it is in the Far East in production again. Alternatively try the latest version of "Sovtek's" 6L6WXG or 5881 that are capable of handling the dissipation. The slim 6L6GC versions that are in fact 6L6GB wont handle the current! The EL34 or its US counterpart 6CA7 can also be used. American constructors tend to prefer the foreign EL34 and the Europeans vice versa. More important then looking at the three individual stages that are quite simple is the fact that those stages together make the amplifier that became famous! Designers took ample efforts to compose an amplifier out of succeeding stages so that the distortion in one stage reduced distortion in the


next stage. That is why some circuits became classics! Every change in the circuit can turn a masterpiece into a disaster if you don't know what you are doing. On paper is exchanging the 6SN7 for the more modern 12AU7 modest surgery. In reality you increase the bandwidth of the phasesplitter because the capacitve load of the 12AU7 on the phasesplitter is only half. This alone can cause instability! The main reason the Williamson amplifier became famous was the output transformer. This was a piece of workmanship that was not seen before. Williamson had calculated that its bandwidth should range straight from 2Hz to 60.000Hz (being the third harmonic of 20.000Hz.)! Only the best transformer possible would allow the amp to operate stable with a strong negative feedback loop. Nowadays it is a very common to design amplifiers so that they are straight to 20kHz without feedback.

Nella schema è omessa la sezione di alimentazione che nelle versioni attuali , non ortodosse, tende a preferire l'impiego di componenti allo stato solido.Confrontate questo circuito con gli ibridi illustrati nel successivo punto 5.2.

Circuito Olson

Altro fortunato schema, coevo del Williamson, utilizza la identica valvola 6SN7 (un doppio triodo) per lo stadio di driver e ben 4 pentodi 6F6 per il doppio push-pull finale. Nel disegno del circuito, alla pagina seguente, si può notare la sezione di alimentazione che, oltre a fornire le tensioni anodiche e di schermo per i pentodi, eroga le tensioni per il riscaldamento indiretto dei filamenti catodici..Per quanto riguarda l'uso dei pentodi osservate come le griglie schermo siano alimentate allo stesso potenziale degli anodi: questo comporta il funzionamento del pentodo in modo simile a quello del triodo. Inoltre le griglie di controllo ricevono a coppie il medesimo segnale quindi, in ciascuna delle due sezioni controfase, i pentodi, anzichè essere in cascata, funzionano in parallelo con un conseguente raddoppio della corrente circolante nel trasformatore di uscita.All'entrata del push-pull l'inversione di fase è ottenuta con un circuito analogo a quello descritto, in termini generali, nell'ultimo schema del capitolo 3.3, parlando di circuiti invertitori sostitutivi del trasformatore di entrata . In questo caso le due tensioni sfasate di 180° sono prelevate all'uscita della seconda sezione del doppio triodo 6SN7, sul partitore costituito dalle resistenze R14 e R15, da mezzo MΩ ciascuna.L'unico trasformatore presente nel circuito resta quindi quello di uscita agli altoparlanti sul cui punto centrale primario viene applicata la polarizzazione anodica dei 4 pentodi, peraltro condivisa, come già detto, con le ripettive griglie schermo.La regolazione principale del segnale è attuata a valle del primo stadio di amplificazione (triodo 6J5) con un potenziometro che regola il livello di ingresso alla prima sezione della 6SN7, utilizzata come ulteriore preamplificatrice.L'eliminazione del condensatore di bypass sul catodo della invertitrice, infine, introduce nel suo funzionamento un certo tasso di controreazione, a vantaggio della stabilizzazione della amplificazione, la cui inevitabile riduzione in questo stadio del circuito viene compensata dalla amplificazione dello stadio finale. Altro effetto della controreazione è il tendenziale allargamento della banda passante e il maggior controllo sulla incidenza dei disturbi esterni.


This scheme is the Olson amplifier (1946-1947)

6.2 Circuiti ibridi

La disponibilità contemporanea di semiconduttori e valvole non poteva che far nascere soluzioni miste, in parte per la ricerca di economie a parità di risultati, in parte per cercare di trarre il meglio dalla contaminazione tra i due ambiti. Volendo aggiungere una motivazione meno tecnica e più "psicoanalitica", non dimentichiamo che la creazione di un ibrido consente di rivivere in laboratorio il mito di Frankestein (più o meno junior).Ecco alcuni simpatici "mostri"....

Celeste

http://space.tin.it/musica/efhco/di Alessandro Coppi


http://space.tin.it/musica/efhco/

L'amplificatore "Celeste", grazie all'impiego del trasformatore di interstadio, consente il pilotaggio diretto dei transistor finali (non darlington o mosfet) con uno stadio pilota completamente a valvole, di elevata qualità musicale: un circuito Williamson, realizzato con due ECC82 per canale. Da notare che i transistors di dimensioni più ridotte nel disegno non fanno parte del circuito di segnale, ma di quello di polarizzazione e stabilizzazione termica.

Questa scelta permette una capacità di pilotaggio in corrente elevatissima, molto difficile da raggiungere con schemi tradizionali, a meno di non aumentare il numero degli stadi di guadagno sul percorso del segnale.Interessante è anche l'uscita cuffia puramente valvolare, con caratteristiche di ascolto di altissimo livello.Si tratta di un apparecchio che richiede un certo impegno, non lo consiglierei ai meno esperti, specie nella realizzazione del circuito di polarizzazione, così importante ai fini della stabilità rispetto alla temperatura ed al punto di funzionamento, di cui fa parte il trasformatore di interstadio, la cui taratura va fatta con estrema cura.Il funzionamento è in classe A2, cioè funziona in classe A per buona parte della sua dinamica.L'esemplare che ho realizzato impiega in totale ben sei trasformatori, 3 circuiti stampati, 4 dissipatori, più tutto il resto, tra cui una quantità di condensatori per un totale di oltre 300.00 microfarad, solo a farli entrare in un mobile di dimensioni normali è un bell'impegno. Si noti che questo amplificatore essendo accoppiato direttamente agli altoparlanti senza trasformatore o condensatore, deve prevedere una protezione per il distacco del carico in caso di guasto ad uno dei transistor finali, con funzioni anche anti bump sia all'accensione che allo spegnimento.

Pacific http://www.infomaniak.ch/~bonavolt/pacific.htm

Schematic by Jean Hiraga published in "L'Audiophile".


http://www.infomaniak.ch/~bonavolt/pacific.htm

In questo secondo circuito ibrido troviamo uno stadio finale valvolare, preceduto da uno stadio a transistors, secondo una scelta speculare rispetto allo schema precedente.

6.3 La simulazione valvolare - cenni

La possibilità di riprodurre il tipico suono "valvolare" impiegando circuiti alla stato solido è una delle sfide più interessanti di questi anni.Nella appendice B sono raccolte due diverse testimonianze su questo argomento: da un lato una posizione, se non scettica, abbastanza "tiepida" di un nome celebre nel campo della amplificazione audio per chitarra: Marco Brunetti, dall'altro lo scenario prospettato da un fisico e ricercatore, John Murphy, della True Image Audio che ha realizzato, fin dal 1983, sistemi basati su microcircuiti in grado di emulare le forme d'onda prodotte dagli amplificatori a valvole.Gli studi in questo settore sono in continuo sviluppo ma, anche tra gli addetti ai lavori, il dibattito resta più che mai aperto.


6.4 Quanto mi costa? Il mercato e il "fai da te

Se ci aggiriamo nella rete alla ricerca di siti che propongono assemblaggi di kit di amplificazione, potremo trovare le cose più incredibili a prezzi altrettanto incredibili. Un sito che può essere utile per l'orientamento e per comprendere se ciò che paghiamo è un giusto prezzo di mercato o meno, è quello di "Atteinable Audio", una rivista che recensisce continuamente i prodotti HI-FI secondo criteri che hanno il merito di essere dichiarati pubblicamente e di formulare punteggi price/performance che rendono possibili i confronti.L'indirizzo, per chi fosse interessato, è il seguente:http://www.attainableaudio.com/

Riportiamo qui alcune informazioni dalla pagina http://www.attainableaudio.com/what%20is.htm

a quick note...Did you know that the average price for a single piece of equipment reviewed during 1999 for one of the leading high-end magazines is nearly $7,000.00? How about $6,000.00 for one of their competitors?The real fact is many audiophiles do not...Will Not...CANNOT...spend tens of thousands of dollars to assemble a musical sounding system. And truth be known, you don't have to!We're here to tell you that you can obtain incredible sound for well under $5,000.00 for the entire system! Our "reference" system retails for around $5,500.00! Read all about it here Our System. Pocket the rest of your change and pick up some software missing from your collection - after all, it is about the music.

And to help make sure everyone's on the same page, we have set forth the following price guidelines to determine whether or not a component is even eligible for review in our publication. All figures reflect the manufacturer's suggested retail price.

The figures listed above are the maximum retail prices. Many of the components we review will be significantly lower than these "ceiling" amounts.


http://www.attainableaudio.com/what%20is.htm

http://www.attainableaudio.com/

7 APPENDICE A

7.1 Speciale: IC per applicazioni audio Silvano Iacobucci - da Elettronica Oggi n. 245 - 15 novembre 1997

Accanto agli intramontabili chip audio analogici nascono in continuazione nuovi tipi di circuiti integrati digitali e misti, in grado di garantire una qualità del suono e numerose funzionalità fino a poco tempo fa ritenute impensabili

Parlare di circuiti integrati per applicazioni audio in modo esaustivo diventa sempre più complicato, in quanto la disponibilità di tecnologie, componenti e loro possibili impieghi cresce in continuazione con l’andare del tempo. Ormai gli Ic offerti dal mercato sono innumerevoli, e abbracciano tutta la catena di produzione del segnale audio fino praticamente a "sconfinare" in altri settori tecnologici: dai filtri agli oscillatori controllati in tensione (Vco), dagli amplificatori di segnale o di potenza ai demodulatori-ricevitori radio, dai convertitori A/D e D/A ai processori di segnali digitali (Dsp), dai generatori di suoni ed effetti ai chip multimediali, dai codec ai circuiti di compressione.Numerosi sono anche i produttori attivi in questo segmento di mercato della microelettronica, tra i quali si annoverano Analog Devices, Burr-Brown, Crystal/Cirrus Logic, Harris Semi-conductor, Linear Technology, Maxim, Mitsubishi, National Semiconductor, Philips Semiconduc-tor, Sgs-Thomson, Siemens, Texas Instruments.Data la vastità dell’argomento e la moltitudine dei prodotti disponibili, questo speciale si focalizza principalmente sulle tendenze tecnologiche e applicative emergenti del mondo audio, illustrando solo un numero relativamente ristretto di componenti, considerati a puro titolo di esempio.

Standard e applicazioni emergentiIn campo audio e musicale si possono osservare parecchi standard e applicazioni emergenti (Mpeg, Dolby AC-3, Musicam, Audio 3D, Circle Surround, Dsb/Dab, Dvd, Pc multimediali, videotelefonia, videoconferenza, Hdtv, eccetera), che stanno già influenzando i produttori di circuiti integrati. La principale tendenza che accomuna queste innovazioni è quella di produrre, trasmettere e ricevere segnali audio di crescente qualità, con una occupazione di banda sempre più ridotta. La qualità viene garantita dal trattamento audio digitale, il quale a sua volta però richiede l’impiego di codifiche a basso bit rate per minimizzare i costi di trasmissione, immagazzinare i dati in modo efficiente ed economico e consentire la trasmissione su canali di limitata capacità quali quelli radio (Fig. 1). Predizione lineare, codifica in sottobande, codifica con trasformata, quantizzazione vettoriale e codifica a entropia sono le tecniche più utilizzate per realizzare efficienti algoritmi in grado di ottenere livelli di compressione sempre più spinti. Bit rate estremamente ridotti (2 bit/sample per il segnale audio) vengono ottenuti grazie all’impiego delle cosiddette "tecniche di codifica percettiva" (perceptual coding techniques), basate sulla trasmissione delle sole componenti di segnale che l’orecchio umano è in grado di percepire. Occorre sottolineare il fatto che, sebbene molte delle tecniche sopra citate vengano già impiegate da tempo per elaborare il segnale vocale di tipo "telefonico", solo ora la tecnologia si rivela in grado di applicarle con successo anche al segnale audio hi-fi. Infatti, rispetto al segnale vocale telefonico, il segnale audio risulta più complesso da trattare, in quanto implica frequenze di campionamento maggiori, risoluzione in ampiezza e gamma


dinamica più elevate, variazioni nella densità spettrale di potenza più ampie, differenze anche significative in termini di percezione uditiva umana e maggiori attese di qualità da parte dell’ascoltatore.Il sistema Dolby Ac-3 è la prima codifica percettiva specificamente pensata per codificare audio digitale su più canali, e trae vantaggio dal fenomeno di mascheratura uditiva dell’orecchio umano. Il sistema suddivide lo spettro audio di ciascun canale in strette bande di frequenza di dimensioni differenti ottimizzate rispetto alla selettività dell’udito umano. Ciò consente di filtrare finemente il rumore in modo da forzarlo a stare vicino alle componenti in frequenza del segnale audio. Poi, riducendo o eliminando il rumore laddove non sia presente alcun segnale audio capace di mascherarlo, si riesce a preservare a livello soggettivo la qualità sonora del segnale originario. Tecnicamente parlando, Ac-3 può elaborare segnali audio digitali aventi una gamma dinamica pari almeno a 20 bit su una banda compresa tra 20 Hz e 20 kHz x 0,5 dB (-3 dB a 3 Hz e 20,3 Hz). Il canale dedicato ai bassi copre la banda tra 20 e 120 Hz. Il sistema supporta frequenze di campionamento di 32, 44,1 e 48 kHz. La gamma di data rate può variare da 32 kb/s per un singolo canale mono fino a 640 kb/s; applicazioni tipiche richiedono 384 kb/s per i formati consumer Dolby Surround Digital e 192 kb/s per la distribuzione audio su due canali.Il sistema Dolby Ac-3, dopo aver fatto il suo debutto nei cinema nel 1992, è stato scelto per la High Definition Television (Hdtv) statunitense ed è un candidato di tutto rispetto per altre applicazioni quali la Tv via cavo, il Dvd e il Dbs/Dab (si veda il riquadro).Il chip Yamaha Yss243 è un decodificatore Ac-3 monolitico per applicazioni set-top box e Pc. Certificato dai laboratori Dolby, questo dispositivo audio supporta il massimo bit rate (640 kb/s) e offre numerosi vantaggi agli Oem per quanto riguarda la riproduzione Dvd. L’algoritmo Dsp del circuito può miscelare intelligentemente i cinque canali di ingresso per creare un’uscita audio ottimizzata su due canali d’uscita, consentendo la modifica delle impostazioni di miscelazione e il supporto della codifica Dolby Surround. Il chip Crystal Cs4610 è il primo acceleratore audio per Pc che incorpora un decodificatore Ac-3, consentendo la riproduzione di sei canali audio indipendenti (anteriori sinistro, destro e centrale; posteriori sinistro e destro; subwoofer). Anche se molti Pc dispongono solo di due casse, il circuito consente di ottenere un audio tridimensionale di grande effetto inviando opportunamente sui due canali concretamente disponibili le informazioni presenti sui sei canali teorici. Dotato di una architettura innovativa a 300 Mips, un sofisticato motore Dma e una interfaccia Pci estremamente efficiente, il chip Cs4610 probabilmente raggiungerà il mercato consumer nella prossima stagione natalizia.Tra le proposte di Crystal citiamo anche il circuito Cs4237 (Fig. 4), il primo sottosistema audio single-chip "3D sound" con supporto per la tecnologia Sound Retrieval System di Srs Labs, le Api Microsoft DirectSound e l’interfaccia digitale Sony/P.

Un altro sistema di compressione audio in grado di offrire una qualità del suono "tipo CD" a bit rate estremamente bassi, anch’esso basato sulla codifica percettiva, è il Musicam (Masking-pattern-adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing). Il Musicam è una utilizzazione pratica dell’algoritmo di codifica Mpeg Layer II (Fig. 4). Il metodo di codifica trasforma le caratteristiche psicoacustiche del segnale in un complesso modello matematico, che impiega una "riduzione per ridondanza" (le parti ripetitive di un segnale vengono trasmesse una sola volta) e una "riduzione per irrilevanza" (le parti impercettibili non vengono trasmesse affatto). L’elaborazione viene effettuata utilizzando la tecnologia più avanzata (Dsp floating point) e, per soddisfare le esigenze applicative più diverse, supporta tre frequenze di campionamento: 32kHz per la trasmissione dati su linee telefoniche, 44,1kHz per l’impiego di lettori di CD e 48kHz per sistemi professionali di riproduzione e registrazione. I risultati della compressione applicata al momento attuale


variano da 32 kbit/s (trasmissione di voce intelligibile) a 192 kbit/s (qualità "studio") per canale. Rispetto al Layer I, detto "Musicam semplificato" e usato in forma leggermente modificata nei sistemi Philips Dcc (digital compact cassette), il Layer II (Musicam) usa un fattore di compressione più elevato. Questo si traduce in una maggiore mole di calcoli e quindi in un maggiore ritardo, ma offre un transfer rate di soli 128 kbit/s per canale con un’eccellente qualità audio, ideale per applicazioni Dab (digital audio broadcasting, si veda il riquadro) e di audio professionale. La figura 4 illustra il principio di funzionamento del Musicam per un canale mono; il segnale d’ingresso è audio digitale con quantizzazione a 16 bit campionato alla frequenza di 48 kHz.Oltre ai Layer I e II, in Mpeg esiste anche il Layer III, che è essenzialmente una combinazione delle tecniche di codifica Musicam e Aspec (Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding). Esso utilizza una risoluzione in frequenza più elevata e un algoritmo ancora più complesso, ma offre una buona qualità di trasmissione anche a 64 kbit/s per canale.Componenti codec Musicam sono prodotti per esempio dalla società Ccs Europe ([email protected]), che offre dispositivi di codifica e decodifica G.722, Layer II e Layer III mono e stereo.Lsi Logic rende disponibile il decoder audio L64111, compatibile con Musicam e con i Layer I e II Mpeg. Questo prodotto ha numerose applicazioni audio: set-top box per Tv via cavo e satellite, laser disc video, CD-I, Cdtv, Dab, Dcc, Vcr digitali e schede multimediali per Pc (Fig. 5).Un altro standard emergente è AC’97, definito da un consorzio costituito da Intel, Adi, Yamaha, Creative Labs e National Semiconductor. In contrasto con la tendenza a integrare la circuiteria audio analogica e digitale in un singolo chip, AC’97 prevede l’impiego di due chip separati, uno per i segnali misti e l’altro per la parte strettamente digitale. La separazione delle due sezioni a segnale misto e digitale permette il raggiungimento di livelli di prestazione e flessibilità di progettazione significativamente più alti. Infatti, ponendo per esempio gli ingressi e le uscite analogiche fisicamente vicini ai connettori audio si riesce a minimizzare accoppiamenti indesiderati con segnali digitali. Analogamente, la separazione del controllore audio digitale dal codec analogico permette un significativo miglioramento del rapporto segnale-disturbo. L’amplificatore stereo Boomer di National (LM4832), perfettamente aderente allo standard AC’97, offre in un unico circuito integrato, equipaggiato di convertitori delta-sigma A/D a 16 bit e D/A, controlli di tono e volume, preamplificatore microfonico, driver per cuffie stereofoniche e suono 3D (Fig. 7). Il dispositivo è particolarmente indicato per l’utilizzo in prodotti multimediali con riproduzione audio di qualità, come monitor, notebook e desktop.

Potenza in classe D

Non si può parlare di circuiti integrati audio senza accennare agli amplificatori, e in particolare a quelli di potenza (Fig. 11). Oggi esistono chip monolitici in grado di erogare più di 100 W, con risposta piatta sulla banda audio (20Hz-20kHz) e bassa distorsione, dotati di numerosi dispositivi di autoprotezione e capaci di pilotare carichi con impedenza estremamente bassa. Poiché tuttavia sembra che nella realizzazione di amplificatori audio analogici si sia raggiunto un limite invalicabile (oltre i 100 W la dissipazione termica è così elevata che non esistono contenitori capaci di sopportare potenze maggiori), si sta facendo strada sul mercato una nuova tendenza tecnologica sulla quale puntiamo l’attenzione: audio di potenza in classe D (switching).Storicamente, gli amplificatori audio di potenza sono stati raggruppati secondo le classi A, B o AB, la cui progettazione risulta ormai ben nota, così come la loro bassa efficienza in confronto a quella degli amplificatori in classe D. I progettisti di sistemi di pilotaggio motori


e di alimentatori usano amplificatori in classe D (a commutazione) da molti anni, in quanto l’impiego di amplificatori lineari presenta un’eccessiva potenza dissipata, tranne che nel caso di bassi carichi. L’efficienza di un amplificatore in classe B, teoricamente pari al 78%, in realtà risulta inferiore al 70% in caso di carico resistivo e scende sotto il 55% quando si pilotano altoparlanti con fattori di potenza dell’ordine di 60°. Al contrario, gli amplificatori in classe D possono raggiungere di solito una efficienza del 90% e, con componenti attentamente selezionati, anche del 95%; in aggiunta, il fattore di potenza introdotto dal carico non influenza la potenza dissipata dai Mosfet normalmente usati in questo tipo di amplificatori. Se si basano su tecniche in classe D, gli amplificatori necessitano di dissipatori stampati piccoli ed economici, pur generando potenze di diverse centinaia di Watt. Per linearizzare e mantenere uno stretto controllo del guadagno e della risposta in frequenza dell’amplificatore vengono spesso utilizzate tecniche di retroazione (feedback). A differenza degli amplificatori lineari, quelli in classe D richiedono un filtro d’uscita di tipo Butterworth capace di rimuovere le componenti ad alta frequenza introdotte dalla frequenza di commutazione, di solito pari a circa 10 volte la massima frequenza audio trattata (200-250kHz). Tali componenti, infatti, sebbene non udibili, generano interferenze elettromagnetiche che si irradiano dai cavi che collegano l’amplificatore agli altoparlanti. Molti audiofili e progettisti audio si preoccupano che gli amplificatori in classe D possano generare un’eccessiva distorsione armonica; tuttavia, sebbene a frequenze dell’ordine di 20kHz la distorsione e il rumore siano leggermente più elevati rispetto a un amplificatore lineare, la Thd (Total harmonic distortion) può essere mantenuta a un livello inferiore all’1% su tutta la banda passante. Alle basse frequenze gli amplificatori in classe D mostrano invece una Thd più bassa rispetto ad amplificatori in classe AB, per i quali la distorsione di incrocio (crossover) rappresenta un problema. La distorsione di intermodulazione per la classe D è invece comparabile con quella dei migliori amplificatori di classe B. Per la classe D la banda passante è compresa tra 10Hz e 20kHz e in questa gamma di frequenze la risposta in frequenza risulta praticamente piatta (< ±0,5dB).Un esempio di amplificatore in classe D è rappresentato dal circuito Hip200acref di Harris Semiconductor, che fa parte del programma CoolAudio concepito per offrire ai clienti un ridotto time-to-market per la realizzazione di prodotti audio. Il circuito in questione (Fig. 12) è un amplificatore subwoofer da 200W Rms (su altoparlanti con impedenza da 2 Û) con uscite full bridge controllate da un driver Mosfet Hip4081 per applicazioni audio.

Uno sguardo al mercatoSebbene le ricerche e le attività produttive attuali in campo audio si stiano concentrando in gran misura sulla tecnologia digitale, che sicuramente farà da padrona fra qualche anno, oggigiorno il mercato degli Ic audio analogici è predominante (circa 18 miliardi di dollari contro i 3,5 dei chip audio digitali nel 1996, secondo una ricerca dell’americana Ice).In effetti, a parità di prestazioni, il costo dei prodotti basati su Ic audio è attualmente inferiore (da un decimo a un terzo) rispetto a quello richiesto da soluzioni digitali. Occorre inoltre considerare che dal mercato consumer giunge una domanda elevata per sistemi caratterizzati da costi sempre più contenuti, e le sorgenti di segnali audio non sono ancora tutte digitali. Di conseguenza la produzione e l’utilizzo di chip audio analogici sono ancora ben lontane dall’abbandono definitivo, nonostante la continua avanzata dei controlli digitali. Il mercato dei circuiti integrati audio digitali probabilmente avrà una crescita esplosiva nel corso dei prossimi 10 anni; alcune fonti stimano che si arriverà a un giro d’affari di 50 miliardi di dollari annui entro il 2005.Nel frattempo si assiste a una proliferazione di chip in tecnologia mista (analogico e digitale), nonché di convertitori audio A/D e D/A, indispensabili per attraversare la fase di transizione.


7.2 Amplificatori audio integrati Paolo De Vittor - Da Elettronica Oggi - N. 258 - 15 giugno 1998

Gli amplificatori lineari sono ancora gli elementi indispensabili per amplificare il livello del segnale e adattarlo al carico

Sebbene il cosiddetto "trattamento digitale dei segnali" stia indubbiamente andando (giustamente) per la maggiore, ciononostante il compito di amplificare il livello del segnale in uscita ai D/A converter o proveniente dalle sorgenti analogiche e di adattarlo al carico viene tuttora affidato ad amplificatori lineari o analogici che dir si voglia.Mentre però la parte propriamente "di segnale" viene tuttora realizzata generalmente tramite i classici amplificatori operazionali (solo occasionalmente si ricorre a integrati audio di tipo particolare), la parte di potenza richiede invece necessariamente componenti specifici in grado di interfacciarsi direttamente con l’altoparlante, ovvero di pilotare carichi a bassa impedenza.

Circuiti audio di segnale

Come abbiamo detto, l’amplificazione audio di segnale può essere affidata senza problemi agli operazionali, in quanto questi sono in grado di fornire all’occorrenza guadagni elevati e di gestire anche segnali di livello estremamente ridotto, offrono elevate impedenze d’ingresso ed un’elevata linearità, sono caratterizzati da un basso rumore ed un’elevata reiezione dei disturbi, e infine si dimostrano estremamente flessibili e possono essere facilmente configurati per operare in varie modalità. Essi sono quindi, e per molti aspetti, degli amplificatori pressoché ideali.Fra i vari tipi di operazionali, però, l’audiofilo esigente tende a scegliere componenti di tipo particolare. Infatti, per il trattamento dei segnali audio, alcuni parametri rivestono particolare importanza, in quanto possono influenzare direttamente l’ascolto.

Rumore elettrico - Ad esempio, soprattutto nelle sezioni ad elevato guadagno (la sezione di preamplificazione del sistema audio, che gestisce segnali di piccola ampiezza) il livello di rumore elettrico generato internamente all’operazionale deve essere il più basso possibile. I costruttori indicano come idonei all’impiego audio operazionali caratterizzati da una tensione di rumore En all’ingresso inferiore a 10nV/(Hz^0.5) a centro banda, oppure a 1µVp-p sull’intera banda passante, specificando una resistenza di sorgente di 1Kohm. Esistono operazionali in grado di garantire livelli di rumore ancora inferiori, pari ad esempio a 50nVp-p come l’AD797 di Analog Devices, che evidenzia una densità di rumore di soli 0.9 nV/(Hz^0.5) da 1KHz a 10KHz. Per taluni impieghi ha anche senso andare a considerare la corrente di rumore anziché la tensione. In questo caso si scelgano operazionali quali ad esempio l’AD549, caratterizzato da solo 0.11 fA/(Hz^0.5). [ ndr: fA= femtoA = 10 -18 A]

Rapporto S/N - Un altro parametro legato al livello di rumore generato è dato dal rapporto segnale/rumore (S/N) misurato con un filtro di equalizzazione che segua la curva A standard oppure le specifiche Dolby CCIR/ARM, funzione dell’impedenza della sorgente e dell’ampiezza del segnale applicato. Livelli idonei all’impiego audio sono ad esempio di 60dB, anche se sono disponibili operazionali caratterizzati da un valore di S/N superiore ai 100dB.


Si noti che è importante conoscere il livello del rumore reale, ovvero funzione del guadagno dello stadio e dell’impedenza della sorgente di segnale. Si veda ad esempio nel grafico di figura 1 come varia il rumore in funzione della resistenza di sorgente.

Supply Rejection - Anche se solo indirettamente legato al rumore, vi è anche da tener presente il parametro SVR (Supply Voltage Rejection), ovvero l’abbattimento dei disturbi eventualmente presenti sull’alimentazione, ad esempio a causa di un insufficiente filtraggio dei residui di rete oppure di un inadeguato disaccoppiamento dei disturbi provenienti da altri stadi. Valori adeguati di SVR sono attorno agli 80dB a 1KHz, ma è bene cercare operazionali con un SVR migliore di 100dB.

Distorsione - Un altro parametro determinante è la distorsione, specificata come distorsione armonica totale (THD) oppure come distorsione di intermodulazione (IMD). Valori idonei di THD sono tipicamente inferiori allo 0.1% a 1KHz, fissato il guadagno, l’ampiezza del segnale e l’impedenza del carico, ma sono disponibili operazionali che presentano valori di THD inferiori allo 0.0006% come nel caso dell’OP275 di Analog Devices o, come nel caso dell’AD797, inferiore ai -110dB.Si noti che è bene prendere in considerazione non solo il valore della distorsione a centro banda, ma anche all’estremo superiore della banda audio (al di sopra dei 10KHz), in quanto l’andamento tipico è quello di figura 2, ovvero aumenta al crescere della frequenza a causa dell’inevitabile intervento delle capacità parassite interne.Un’altra forte dipendenza è quella della distorsione in funzione dell’ampiezza del segnale in uscita, in quanto il punto di lavoro dei transistor degli stadi finali dell’operazionale tende ad uscire dalla zona di elevata linearità. Si veda infatti, nel grafico di figura 3, la dipendenza dallo swing d’uscita. Un altro parametro che condiziona direttamente la distorsione è la resistenza minima di carico, inversamente proporzionale alla corrente massima erogabile dall’operazionale. Esistono infatti amplificatori in grado di erogare solo pochi milliampere e altri che, come ad esempio l’LM837 di National Semiconductor, fornisce correnti d’uscita fino a ±40mA e può pilotare a bassa distorsione (0.0015%) carichi di 600 ohm.

Slew-rate - Un altro parametro ben tenuto d’occhio dai progettisti di circuiti audio è lo "slew-rate" SR, ovvero la massima velocità di variazione ammissibile del segnale, espressa in volt al microsecondo. Per poter infatti garantire un’elevata fedeltà di riproduzione nonché l’amplificazione anche di segnali a rapida variazione nel tempo, è opportuno che lo slew-rate sia elevato, almeno superiore a 1V/µsec. Esistono comunque operazionali in grado di evidenziare SR molto elevati, superiori ai 50V/µs, accanto ad amplificatori ultra veloci (ad esempio quelli per uso video) capaci di slew-rate superiori ai 3500 V/µs! Si tenga però presente che, all’aumentare della corrente d’uscita (e quindi al diminuire della resistenza di carico) lo slew-rate decresce sensibilmente, come si può ben notare dal grafico di figura 4.

Banda passante - Altrettanto importante è la banda passante "di potenza" o il prodotto guadagno-banda passante, per alcuni operazionali non sempre adeguato all’impiego audio di alta fedeltà. Esistono infatti operazionali nei quali, all’aumento del guadagno della configurazione scelta, si ha un sensibile calo nella banda passante, soprattutto al massimo swing d’uscita.

Separazione - Nel caso in cui si utilizzino operazionali duali o quadrupli (molto frequenti negli schemi audio a causa della necessità di riprodurre segnali stereo) un parametro importante è la diafonia, specificata dal costruttore anche come "separazione fra i canali" CS ed espressa in decibel. Valori idonei all’impiego audio debbono essere superiori ad esempio


ai 50dB. Una certa diafonia è comunque inevitabile, a causa del fatto che gli operazionali multipli vengono realizzati partendo da un solo substrato di silicio. E’ questo il motivo per cui i "puristi" del suono aborriscono gli operazionali multipli.Swing d’uscita - Un ulteriore parametro utile ai fini di un buon circuito esente da problemi di accoppiamento con altri stadi è lo swing del segnale in uscita per una determinata tensione di alimentazione, parametro oggi divenuto importante soprattutto nelle applicazioni portatili alimentate a bassa tensione. E’ opportuno infatti che la caduta di tensione sui transistor finali di un circuito sia la più ridotta possibile, e da questo punto di vista si comportano bene i nuovi operazionali definiti "rail-to-rail", molti dei quali sopportano un analogo range di tensione in ingresso.

Altri comunque possono essere i parametri da consultare per un buon audiofilo, come ad esempio il tempo di assestamento del segnale, il margine di fase e di guadagno, il fattore di overshoot, la tensione di alimentazione, la corrente erogabile, eccetera.

Amplificatori di potenza

Sebbene per potenze d’uscita superiori ai pochi watt si sono preferite spesso circuitazioni di tipo discreto a transistor, oggi è sempre più frequente trovare finali audio a circuiti integrati, anche per potenze di varie decine di watt. Ciò è dovuto alla recente disponibilità di integrati in grado di fornire discrete potenze con una bassa distorsione ed un numero limitato di componenti esterni. Inoltre, per potenze fino ad un centinaio di watt, alcuni costruttori impiegano i moduli a circuito ibrido. Per potenze ancora superiori, invece, i transistor di potenza dominano incontrastati, con il recente predominio dei Mosfet rispetto ai bipolari.I parametri interessanti per gli amplificatori audio di potenza sono i medesimi già visti a proposito degli amplificatori di segnale, tenendo conto che molto difficilmente è possibile ottenere le medesime prestazioni quando i livelli di corrente e di tensione sono considerevolmente più elevati.Per quanto riguarda i prodotti utilizzabili, si tenga presente che è possibile ricorrere comodamente agli amplificatori operazionali ad elevata corrente d’uscita, ottimi per pilotare carichi di bassa impedenza. Sebbene non tutti i costruttori ne abbiano a catalogo, si sappia che sono disponibili (da Burr-Brown, ad esempio) operazionali capaci di erogare ben 15A a ±45V di alimentazione (OPA512), accanto ad altri da 2A, 5A e 10A. Normalmente, però, in applicazioni quali il consumer, l’automotive, le schede audio o le casse amplificate per i personal computer si utilizzano i più economici amplificatori audio integrati, che sono presenti a catalogo di moltissimi produttori quali ad esempio Philips, Sgs-Thomson, Motorola, National Semiconductor, Hitachi, Toshiba e altri, che consentono di ottenere potenze fino a varie decine di watt in classe B e AB, con il vantaggio fra l’altro di disporre di versioni stereofoniche.Per potenze superiori, oltre a soluzioni totalmente discrete a transistor, esistono anche approcci misti, che per pilotare i transistor di potenza impiegano degli operazionali oppure dei driver di potenza. Fra queste soluzioni miste sta recentemente emergendo l’interessante proposta di Harris Semiconductor (si veda a tal proposito la rubrica Tecnologie & Applicazioni sui numeri 237 e 256 della rivista) che, grazie al ricorso alla modulazione Pwm, sfrutta la classe D per ottenere fino a 200 watt di potenza con una dissipazione molto contenuta, e quindi con un rendimento elevato. Sebbene nelle catene audio ad alta fedeltà o professionali si impieghino componenti separati per gli amplificatori finali e per i preamplificatori, nelle applicazioni invece in cui è importante la compattezza ed il costo è possibile fruire dell’elevato guadagno offerto dagli attuali amplificatori di potenza per interfacciare direttamente la sorgente di segnale, tanto più che non è più necessario trattare segnali di pochi millivolt come quelli forniti dalle testine dei giradischi di buona memoria.


Anche per questo motivo molti degli attuali amplificatori di potenza integrano funzioni e caratteristiche ausiliarie prima non presenti negli stadi finali, quali ad esempio funzioni di "mute" degli ingressi, limitazione della corrente d’uscita, protezione dall’inversione di polarità, limitazione termica, possibilità di operare in modalità stereo oppure a ponte, protezione nei confronti della sconnessione della massa, e soppressione del "pop" di accensione e spegnimento. Ancora, possibilità di "power down", caratteristica di "soft clipping", possibilità di accedere separatamente al preamplificatore o allo stadio finale, disponibilità di un regolatore di tensione interno, presenza di un circuito ALC di controllo automatico del livello, possibilità di operare a basse tensioni (a partire da 1.6V) e protezione contro il "load dump". Infine, possibilità di operare in standby (spesso su controllo TTL), rilevamento della presenza di una componente continua all’uscita (per proteggere gli altoparlanti), possibilità di controllo in continua del volume e limitazione interna della banda passante alle alte frequenze.Accanto a questi vi sono poi alcuni amplificatori audio più sofisticati, che integrano la possibilità di essere controllati per via digitale (tramite bus seriale) e forniscono indicazioni sul proprio stato. Ne è un classico esempio il TDA1551Q di Philips Semiconductor, che integra 4 amplificatori da 11W single-ended che possono diventare 2 amplificatori da 22W BTL (Bridge-Tied Load) su controllo digitale tramite bus I2C, tramite il quale è altresì possibile impostare le modalità Sleep, Mute e Operate; grazie al medesimo bus vi è inoltre la possibilità di ottenere indicazioni sul proprio stato interno (area operativa, temperatura interna, clipping, power-on reset) e di rilevare automaticamente l’inizio di fenomeni di distorsione dinamica.

Circuiti ausiliariSebbene vengano prodotti solo da alcuni costruttori, sono disponibili molti tipi di circuiti audio ausiliari, fra i quali compaiono controlli di tono, volume e bilanciamento in continua, circuiti di riduzione del rumore (Dolby e DNR), matrici audio, selettori di ingressi con controllo in continua, piloti di bar-graph a LED o VFD, equalizzatori, fader, compander, processori audio (quali ad esempio il TDA7318 di Sgs-Thomson) e circuiti di monitoraggio solo per citarne alcuni. Accanto a questi si collocano poi tutta una serie di circuiti audio digitali, quali ad esempio A/D e D/A converter audio, filtri, decoder per CD, interfacce di vario tipo, eccetera.

7.3 La valvola termoionica ha cento anni ma non li dimostraMichele D’Amico - da Elettronica Oggi n. 297 – Gennaio 2001

La tecnologia dello stato solido domina incontrastata il mondo dell’elettronica; ciononostante le valvole termoioniche resistono (e prosperano) in due aree di nicchia

Nate nel 1904 dall’intuizione dello scienziato inglese Fleming, le valvole termoioniche, nonostante la veneranda età, non sono scomparse. Tutt’altro, a quasi 100 anni dalla loro apparizione, in due applicazioni di nicchia prosperano e si rinnovano: la generazione di segnali a radiofrequenza (microonde) di elevata potenza e la creazione e riproduzione della musica.

Applicazioni Rf di potenzaLa generazione di segnali Rf di potenza è un’applicazione classica delle valvole termoioniche; molti trasmettitori commerciali (con potenze superiori a 10 kW e frequenze superiori ai 50 MHz) utilizzano tubi elettronici negli stadi finali, per ragioni sia di costo che


di efficienza. La realizzazione di un trasmettitore ad alta potenza allo stato solido richiede la connessione di centinaia o migliaia di transistor in parallelo per mezzo di combinatori Rf; lo stesso livello di potenza può essere generato con un unico tubo. Per questa stessa ragione i trasmettitori a bordo di satelliti utilizzano quasi esclusivamente Twt (Travelling Wave Tubes), mentre i radar utilizzano Magnetron o Klystron.

Applicazioni audioSicuramente meno esotiche e più vicine all’uomo “comune” sono le applicazioni nel campo della creazione e riproduzione della musica. Si dibatte da tempo sul fatto che ci sia o meno una differenza significativa tra valvole e transistor nel campo audio; il problema è complicato dal fatto che la musica è destinata al sistema orecchio-cervello umano, assolutamente non lineare, il che rende estremamente difficile la definizione di un parametro “oggettivo” di confronto. Alcune delle differenze tra valvole e transistor vanno ricercate nella natura fisica dei dispositivi e nella topologia dei circuiti in cui questi vengono impiegati. I triodi di potenza hanno distorsione minore rispetto ai transistor bipolari o ai Fet, e i prodotti di distorsione sono solitamente di ordine basso (seconda e terza armonica). Questo permette di realizzare amplificatori senza rete di controreazione, o con controreazione molto blanda. Quando vengono fatti funzionare vicino alla saturazione, questi amplificatori si comportano meglio di quelli a stato solido, che utilizzando invece una forte controreazione tendono a “squadrare” il segnale. Le valvole di potenza (finali) non possono poi essere connesse direttamente ai diffusori, a causa del forte disadattamento di impedenza; di solito viene interposto un trasformatore di uscita, un dispositivo intrinsecamente non lineare che introduce distorsioni armoniche di ordine basso (seconda o terza armonica) anche relativamente elevate (1% o più); il risultato è un suono “caldo”, difficile da ottenere con i semiconduttori. Anche la componentistica passiva gioca la sua parte: l’impedenza relativamente bassa dei dispositivi a semiconduttore richiede spesso l’utilizzo di condensatori elettrolitici, che presentano problemi legati alle perdite e all’isteresi del dielettrico, nonché all’invecchiamento. I tubi elettronici consentono di utilizzare condensatori (non elettrolitici) di capacità significativamente più bassa, dalle prestazioni molto migliori. Tre sono le applicazioni principali delle valvole in campo audio: negli amplificatori per strumenti musicali (quasi esclusivamente chitarre), nella strumentazione professionale da studio e nei sistemi di fascia alta per gli audiofili.

Amplificatori per chitarre

L’idea di attaccare un trasduttore, un amplificatore ed un altoparlante ad una chitarra nasce negli anni 30; oggi il mercato degli amplificatori per chitarre assorbe i tre quarti della produzione mondiale di valvole. Il produttore che più ha influenzato il mercato è stato senz’altro Leo Fender; il modello “base” della sua linea di amplificatori è il Champ, che utilizzava solitamente un tetrodo a fascio del tipo 6V6GT o 6L6GC in configurazione “single ended”; destinato a studenti e principianti, il Champ produceva generosamente distorsione di seconda armonica. Tra i modelli Fender destinati ai professionisti ricordiamo Bandmaster, Twin, Showman e Bassman; tutti utilizzavano valvole 6L6GC o 5881 in configurazione push-pull. Nel 1962 il londinese Jim Marshall cominciò a produrre una copia del Bassman, sostituendo in seguito le valvole finali con delle EL34; queste valvole europee erano dei veri pentodi, e differivano alquanto dai tetrodi a fascio utilizzati da Fender; purtroppo le EL34 risultavano poco affidabili se utilizzate in saturazione per lunghi periodi; per questa ragione il distributore americano degli amplificatori Marshall preferì sostituirle con dei tetrodi 6550. Un terzo produttore molto noto fu Vox Amplification, anch’esso londinese; i suoi amplificatori AC15 e AC30 furono utilizzati dai Beatles nel momento della


loro massima popolarità. L’AC15 utilizza due valvole EL84 in push-pull, mentre l’AC30 ne utilizza quattro.

Strumentazione da studioLe valvole termoioniche trovano applicazione anche nelle apparecchiature professionali da studio; probabilmente l’utilizzo più diffuso è all’interno dei microfoni a condensatore per la voce. Il vantaggio di usare valvole è da ricercare nella loro elevata impedenza di ingresso, che non carica la capsula microfonica in modo significativo. Inoltre, l’elevato range dinamico delle valvole ben si adatta alla dinamica della voce umana: alcuni cantanti riescono a produrre picchi in grado di saturare buona parte dei dispositivi a stato solido. Un’altra applicazione in rapida crescita è costituita dai preamplificatori, che provvedono all’amplificazione di tensione ed alla conversione di impedenza dei segnali audio. Le valvole utilizzate sono solitamente le 12BH7, le 12FQ7, le 12AX7 e le 12AU7, doppi triodi collegati in configurazione push-pull.

Sistemi ad alta fedeltàNel passato recente le valvole hanno trovato utilizzo sempre più ampio anche negli impianti hi-fi di fascia alta, destinati alla ristretta (ma solitamente facoltosa) categoria degli “audiofili”. Tutto sembra essere partito dal Giappone: nel 1973 gli audiofili giapponesi furono esortati a ricercare la Western Electric 300B, un triodo utilizzato negli anni 30 negli amplificatori da cinema; seguirono a ruota la 205D e la 212E, sempre di Western Electric; da lì a breve fu caccia aperta ad apparati e componenti degli anni 50 e 60. Oggi la produzione di amplificatori audio che utilizzano le “vecchie” valvole è florida e monolitica: ogni costruttore tende ad utilizzare sistematicamente uno solo dei tre schemi circuitali più diffusi, per tutta la sua produzione. Lo schema più convenzionale è quello che utilizza una coppia di 6550 o EL34 in configurazione push-pull con una retroazione negativa di 20 dB o meno. Più recentemente si è affermato anche lo schema single-ended, che utilizza uno o due triodi di potenza senza alcuna retroazione; la potenza di uscita non è elevata, e questo richiede l’impiego di diffusori ad alta efficienza. Il terzo schema (che è anche quello meno diffuso)è l’Otl (output transformerless), dove, come dice il nome, è stato eliminato il trasformatore di uscita; per poter pilotare un diffusore a bassa impedenza è necessario collegare in parallelo diverse valvole di potenza (ad esempio 6 o 8 EL519); in alternativa occorre utilizzare diffusori ad alta impedenza (quali quelli elettrostatici).

8 Appendice B

8.1 Intervista a Marco Brunetti Thomas Serafini - studente di matematica e musicista; si occupa degli aspetti sound-oriented

della rivista Kult

Questo mese abiamo avuto l'onore di intervistare Marco Brunetti, noto artigiano che produce e vende sia in Italia che all'estero amplificatori per chitarra, molto apprezzati da chitarristi professionisti.Marco Brunetti è noto per la sua capacità di instaurare un feeling con le valvole e di riuscire sempre a farle suonare al meglio. Durante l'intervista si è dimostrato molto disponibile a rispondere in maniera chiara e completa ad ogni nostra domanda; avremo così modo di capire quanta passione e quanta cura impiega nella costruzione dei suoi prodotti. Questa è la vera differenza fra artigianale ed industriale; un progetto industriale viene ottimizzato


soltanto in funzione della sua produzione e commercializzazione, uno artigianale viene sviluppato anche per il gusto di riuscire a costruire un'amplificatore che piace alla gente e che suona meglio degli altri.

Parlaci della tua attività. Cos'è Brunetti Custom Guitar Systems e come è nata?La mia attività è nata come un'azienda individuale, attorno al 1980, ed ho avuto un'esperienza di collaborazione ed assistenza nelle sale di registrazione e nelle tourneè di importanti artisti (Zucchero, Vasco, ecc...); ho cominciato col riparare mixer, amplificatori, registratori e così ho acquisito parte dell'esperienza che ho adesso.A partire dal '90 ho cominciato a costruire degli equalizzatori analogici, i PAR400, ed è stato il primo apparecchio che ho prodotto.Il PAR400 era valvolare?No, era a stato solido. Era necessario averlo così per la complessità dell'apparecchio; non potevo farlo valvolare anche se la mia è sempre stata una predisposizione in quel senso.Dopo il PAR400, che ha venduto parecchio in italia ed anche in Inghilterra, mi sono detto: "Qui l'unico modo per fare qualcosa di valvolare è dedicarsi o all'Hi-Fi home domestic, oppure all'amplificazione per chitarra." Quello dell'Hi-Fi è un mercato dominato da grandi colossi, soprattutto giapponesi, che riescono a produrre grandi quantità con prezzi bassissimi. Anche l'artigianato l'ho visto come qualcosa nel quale emergere sarebbe stato un po' difficile.

Quando ho deciso di dedicarmi agli amplificatori per chitarra, molti chitarristi di mia conoscenza mi dicevano: "perchè non fai qualcosa di valvolare che suoni bene come i vecchi Vox o i vecchi Marshall". Ho provato a buttare giù un piccolo canale pulito a valvole; suonava bene, anche se alla fine lo schema era uno dei classici circuiti visti e rivisti come quelli Fender o Mesa Boogie. D'altronde un triodo funziona allo stesso modo su tutti gli amplificatori; il bello stà nell'utilizzare particolari trucchettini per farlo suonare come vuoi tu.Poi mi hanno detto: "ma perchè non fai anche un canale distorto?". Ho fatto il distorto ed in questo modo è nato il mio primo preamplificatore che si chiama Mille. Da questo momento la produzione si è aperta a tutti gli altri prodotti del mio catalogo.Io studio, progetto e produco apparcchiature rigorosamente valvolari; meno stato solido metto dentro all'amplificatore e più sono contento.

Ci puoi descrivere quali sono i prodotti che compongono il tuo catalogo?Io produco tre preamplificatori per chitarra: due sono fratelli, il Mille e il Mille vintage; hanno tre canali, pulito, crunch e distorto con in più la possibilità di ottenere un quarto suono. Questi preamplificatori sono prodotti artigianali e come tali hanno una collocazione di prezzo medio-alta. Poi c'è il loro fratello minore, il Cento, che ha solo due canali (pulito e distorto) e la possibilità di ottenere tre suoni. E' interessante il tipo di ricerca tecnologica legata a questo prodotto: infatti nella preamplificazione non usiamo un triodo ma un pentodo e questo tipo di scelta non è mai stata utilizzata da nessun amplificatore, a parte qualche raro e vecchio Vox.Ah, quindi hai usato un pentodo non solo nel finale ma anche nel pre!Esatto! Nel finale il pentodo è la cosa più semplice, meno costosa e più diffusa; il triodo poi non ha potenza quindi non è utilizzabile nei finali, mentre in preamplificazione viene usato da tutti perchè fa quella bella distorsione di seconda armonica che conferisce al suono determinate caratteristiche "valvolari". Però il triodo ha un quadagno inferiore e noi abbiamo usato un pentodo che comunque fa una distorsione bellissima perchè se polarizzato e fatto lavorare in una determinata zona può avere le giuste non-linearità; lavorando accoppiato con un triodo si risparmia una valvola e noi abbiamo usato oltretutto dei triodi-pentodi televisivi


(usati negli anni '60-'70) di cui ne abbiamo trovati grandissime quantità a prezzi bassissimi. Io non conosco nessun'altro amplificatore al mondo che usi una valvola particolare come la PCF82; stando a quello che dicono i nostri clienti, ciò che si ottiene è una distorsione bellissima, con un sound tipico americano.

Torniamo ai prodotti in catalogo.Abbiamo un preamplificatore per basso, linearissimo, puramente valvolare. Anche qui ho utilizzato una PCF82 in preamplificazione, perchè a me piace "standardizzare" le componentistiche per utilizzare blocchi già testati ed affidabili. Ha due canali, è superlineare, dinamicamente molto aperto cioè risponde molto bene alle sollecitazioni, quindi segue bene la dinamica dell'intenzione del brano.Poi abbiamo un apparecchio di alimentazione; è praticamente un distributore di tensioni che serve per alimentare tutta la serie si effetti e processori di segnale che normalmente sono in un rack. In questo modo non è più necessario utilizzare tutta quella serie di trasformatorini che si staccano sempre dalla ciabatta quando si fanno gli spostamenti.Poi c'è il nostro cavallo di battaglia, la testata chiamata XL. Sta vendendo in maniera strepitosa: siamo passati dai 5-10 pezzi al mese agli attuali 40-50. Sono molto contento specialmente perchè molti vengono venduti in Italia. Qui da noi c'è un po' il mito degli amplificatori americani, Marshall, Soldano, ed è difficile che siano visti di buon occhio quelli italiane. La XL è presente in quattro versioni: 60W o 120W, MIDI o non MIDI, quindi in tutto quattro combinazioni. Come molti amplificatori in commercio, anche noi montiamo le valvore 12AX7; noi però facciamo una selezione dei triodi, prima di montarli. Nella preamplificazione montiamo valvole Jugoslave, mentre nei finali usiamo valvole russe, le Softek, la cui robustezza è incredibile.Stiamo per commercializzare una cassa dotata di altoparlanti custom, costruiti per noi negli stati uniti con le specifiche che abbiamo mandato.Poi abbiamo due amplificatori finali di potenza: uno 50W+50W stereo e uno 100W+100W. Prima è nato il 100W+100W poi, per motivi commerciali, abbiamo sviluppato anche il 50W+50W.

Come nasce un tuo prodotto?Parto da un'idea che può essere perseguita dal punto di vista commerciale, cioè che possa potenzialmente vendere. Per accertarmene faccio una piccola indagine di mercato, un giro di telefonate a dei professionisti e ad un campione di ragazzi della fascia normale di utilizzo dell'apparecchio ed espongo a loro la mia idea. Una volta avuto esito positivo, comincio a sviluppare l'idea. Faccio uno schizzo dello schema poi vado in mezzo ai miei "rottami", prendo uno chassis, gli metto sopra i componenti e lo sperimento nella maniera più brutale. Sento se va bene o se ha delle problematiche, ma normalmente colle valvole non ci sono mai problemi (sempre che non si rompano se cadono a terra). Poi chiamo i miei due collaboratori, Gabriele Leonardi e Massimo Varini, e faccio provare loro il prototipo. Loro hanno le orecchie che funzionano molto bene; anch'io le ho però voglio un giudizio di persone di un certo tipo. Apporto le ultime correzioni e butto giù uno schema semidefinitivo.Poi prendo la carta millimetrata e disegno il progetto del pannello, sia dal punto di vista estetico che meccanico. Non uso CAD perchè ho una forma di idiosincrasia verso i computers. In pratica l'intera progettazione di un apparecchio viene fatta da me.Poi con l'aiuto di collaboratori, come Cesare che disegna il circuito stampato, realizziamo il primo vero prototipo. Facciamo le ultime prove e se tutto va bene lo mettiamo in produzione. Vengono fatte le pellicole per le serigrafie, montati gli apparecchi, imballati e spediti. Poi a mesi di distanza si comincia a valutare la reazione del mercato.

A tuo avviso, che caratteristiche deve avere il suono di un buon amplificatore?


aturalmente queste caratteristiche le troveremo anche nei tuoi amplificatori...Partendo dal fatto che la chitarra riproduce da 50Hz fino a 8-9KHz (escludendo le armoniche), questa gamma di frequenze deve essere riprodotta integralmente e bene, cioè con fedeltà. Però questa fedeltà deve essere rapportata al tipo di suono; per esempio il canale pulito deve essere tale per cui questa sonoritàviene riprodotta integralmente e con pulizia.Devo fare una distinzione: il canale pulito può assomigliare ad un canale hi-fi di un amplificatore, cioè deve riprodurre dei segnali fondamentali puliti, ed eventualmente aggiungere armoniche di un certo tipo, assonanti con le fondamentali che creano quella specie di chorus, di ingrossamento, di corposità del suono. Passiamo alla distorsione. La distorsione non è altro che un'esagerazione di guadagno che porta allo squadramento (per dirla in breve) di quella che è una fondamentale; si ottengono delle armoniche di ordine superiore che vanno avanti fino, in teoria, all'infinito. Se la distorsione fosse fatta dai transistors, il segnale sarebbe perfettamente squadrato. Infatti il transistor è un componente molto veloce (non che una valvola non lo sia, anzi lo è molto di più di un transistor perchè lavora in tensione con impedenza altissima). Comunque, per dirla in breve, certe componenti vanno "limitate" perchè altrimenti il suono prende quella sgradevolezza, definita zanzarosità o radiolina, nasale e bruttissima. Quindi si deve avere una gamma di frequenza più ristretta rispetto a quella del pulito e ristretta nei punti giusti; devono risaltare soltanto le frequenze medie; gli alti e i bassi devono essere limitati.Ma non ci pensa già il cono...Sì, il cabinet; però se tu vai in diretta il problema rimane ed in questi casi bisogna usare un simulator. Un cabinet a 4-5KHz è già sceso di 10-15dB ed il suo suono è bello se è quello naturale dei coni, quindi se non è filtrato, perchè se usi dei filtri con una pendenza così elevata hai delle rotazioni di fase brutte a livello sonoro. La cassa invece taglia naturalmente le frequenze alte e basse e ti da quella pancia in mezzo, tra 100Hz e 4KHz, che è il suono bello per la chitarra.Poi un amplificatore deve avere la massima silenziosità, anche se qualcuno dice che è bello sentire un ronzio perchè questo è sintomo di un amplificatore a valvole. Non è vero: un amplificatore a valvole può avere, come molti altri prodotti, pochissimo ronzio; hanno un soffio perchè il guadagno è alto, specialmente nel canale distorto dove ci sono 70-80dB di quadagno.Così tanto!Beh, fra i vari stadi di amplificazione e reti attenuatrici ci sono 80dB su certe frequenze e 70 su altre; con questa amplificazione è inevitabile che si senta il rumore termico della valvola.Però fondamentalmente, per me il suono non deve essere aperto sopra, anche il finale e il trasformatore di uscita. Non deve avere moltissima controreazione, che è un sistema che funziona bene ma arriva sempre un po' più in ritardo. Quindi meno dB di controreazione vengono dati all'amplificatore e più l'amplificatore suona bene. E' vero che la controreazione mette a posto tutto, nel senso che la distorsione va giù, l'impedenza si abbassa, il rumore cala, però tutti questi effetti che apparentemente sono positivi sulla carta, suonati si traducono in un suono orribile, orribile per i valori di controreazione che si tende ad usare oggi negli amplificatori. Infatti la presenza, che normalmente viene creata sulla controreazione retroazionando meno determinate frequenze che vengono quindi amplificate di più, è sempre sgradevole, perchè è l'unico comando non passivo. Ad esempio, nei miei progetti tutte le reti di equalizzazione, cioè di controllo dei toni, sono tutte passive.C'è però un buffer alla fine!Si, c' è un'impedenza bassa, un filtro poi un'impedenza alta e di nuovo un guadagno. Però è tutto un attenuare, non è un limitare un guadagno con controreazione; il massimo guadagno è 0dB, cioè quando non attenua. Questo è l'unico modo per far suonare bene le cose.Inoltre un amplificatore deve avere una buona robustezza costruttiva.


Quali accorgimenti costruttivi utilizzate per assicurare la massima qualità al prodotto?Le alimentazioni sono tutte filtratissime e i filamenti sono alimentati in continua e non in alternata, questo per minimizzare i rumori dare maggiore dettaglio al suono ed ottenere un'immagine sonora più bella.Usiamo componentistica selezionata, zoccoli dorati per minor dispersione di contatto, commutazioni a relè sigillati oppure a fotoaccoppiatori, componenti all'1%, resistenze a strato metallico perchè fanno poco rumore.Usiamo fili in Teflon argentati, perchè quando li scaldi per saldarli non si sguainano. Sono particolari banali che però a me piacciono, anche perchè questo per noi è sempre stato sinonimo di qualità, oltr che esteriore e pratica, anche sonora. Si vedono i Marshall che usano i fili (io non critico i Marshall; anzi, mi devo dogliere il cappello davanti all'antenato, al progenitore di tutta l'amplificazione mondiale) da impianto elettrico...

Progetti per il futuro?Farò entro l'anno una testata per basso completamente valvolare da 400W; è un progetto abbastanza innovativo per quanto riguarda la tecnologia impiegata. Sarà un amplificatore di fascia alta, però avrà caratteristiche sicuramente eccezionali; questo lo dico perchè abbiamo già sperimentato qualcosa, e a livello di velocità e calore è pazzesco.Forse avremo un pre in uscita per Maggio alla fiera di Rimini, nuovo e diversa dal Mille, che riprenderà un po' di più i concetti che dicevo prima, cioè del suono un po' più aperto, perchè a qualcuno comunque piace di più. Purtroppo, ma questa è una mia idea, bisogna stare un po' anche alle richieste del mercato.

Passiamo ora alla parte un po' più generica. Quali sono a tuo avviso le principali differenze fra suono valvolare e suono dei transistors?La valvola è tonda; sembra un suono, per usare degli aggettivi chiari a tutti, ovattato, rotondo, soft e soprattutto gommoso, dove quando uno suona sulla chitarra, sembra che il suono esca dall'altoparlante e rimbalzi su un tappeto di gomma. Ha un suono avvolgente e nello stesso tempo deciso, con molta dinamica, con molto attacco. Nel transistor hai sicuramente molto attacco, molta "velocità", però abbiamo sempre una distorsione e delle assonanze che lo rendono molto meno piacevole. Devo dire che ho sentito degli amplificatori a transistor suonare bene, però a costo di un circuito complessissimo quando un triodo con quattro resistenze suona già benissimo.E per quanto riguarda la distorsione il transistor distorce di terza armonica...esattamente, perchè il transistor viene polarizzato nella zona centrale, clippa simmetricamente e crea terza armonica, perchè come risultato di una funzione di trasferimento simmetrica abbiamo armoniche dispari.Quindi il risultato acustico è un suono che "gratta" fastidiosamente.Si, perchè se ad esempio io prendo una fondamentale a 1000Hz, la terza armonica è 3000Hz e non è un intervallo musicalmente concorde con la fondamentale. Ad esempio se la fondamentale fosse un Mi, la terza armonica non è un Mi di una o due ottave sopra, è ad esempio un Si. Le armoniche dispari non sono assonanti con la fondamentale, mentre invece la secona armonica è esattamente l'ottava superiore, la quarta armonica è due ottave sopra la fondamentale.Nelle valvole, il triodo è il tipico componente che distorce con le armoniche pari. Il pentodo, come famiglia di curve, assomiglia molto ad un transistor, anche se lavorando in una zona di interdizione abbastanza stretta, cioè nella zona dove le curve si stringono, si slinearizza e tende a creare questa distorsione più di seconda; anche il pentodo può distorcere di seconda se viene polarizzato nella maniera opportuna, però poi perde delle caratteristiche tipiche,


tipo l'impedenza diventa altissima e appena gli fai sentire un carico il segnale va giù... allora uso un triodo e faccio prima.Nel triodo invece, nella sua zona dove le curve partendo da sotto si stringono e tendono all'interdizione, la funzione di trasferimento è schiacciata e la pancia della sinusoide viene schiacciata; questa è la parte che genera la seconda armonica.Queste sono più o meno le cose che avevo descritto nell'articolo del mese scorso; ora i lettori possono avere la conferma di Brunetti in persona!Passiamo ad un altra domanda: cosa diresti a chi sostiene che il suono di una circuitazione a semiconduttore è migliore di una valvolare perchè riproduce più fedelmente il suono originale.E' vero, c'è questa corrente di pensiero che in un certo senso non è sbagliata.Facciamo un paragone con un registratore analogico e uno digitale. Quello digitale è perfetto però è freddo e questo fatto, non per essere presuntuoso, è non soggettivamente ma oggettivamente avvertibile, anche se uno non è una cima dal punto di vista dell'udito. Per non parlare poi di integrati e di amplificatori operazionali: hanno caratteristiche ad anello aperto di oltre 100dB, poi ne sfruttano 10-20dB, quindi vuol dire che tutto il resto lo devi controreazionare, con tutto quello che riguarda il discorso delle fasi e che la controreazione è un sistema imperfetto, è un segnale di errore che viene riportato indietro.In effetti è vero che la ricerca del suono bello sul CD avviene in funzione dell'amplificazione che gli viene messa dopo; quindi uno può cercare l'amplificatore a transistor perchè finchè stà entro la zona del clipping sento il suono così come me lo propongono dal CD.Però se uno mette dietro ad una tenda due amplificatori e fa dei cambi veloci da un'amplificatore all'altro... io ho visto prove del genere davanti a un gruppo di audiofili evolutissimi e alla fine sono cascati tutti nella rete della valvola. Non sapevano nemmeno spiegare il perchè, ma sentivano qualcosa di più trascinante, più piacevole, più rotondo. Il suono di un amplificatore a transistor sarà anche più fedele, però è meno piacevole.Ad esempio, con le valvole si sente la tridimensionalità del suono in un sistema a due altoparlanti; si riescono a sentire gli spazi di un'orchestra in tre dimensioni, si sente la profondità nelle casse.

Ultima domanda: cosa pensi della simulazione digitale di amplificatori analogici valvolari?Mah, sicuramente funzionano bene; bisogna vedere che sensibilità ha una persona per dirlo...Il problema è questo: per quanto uno possa utilizzare algoritmi che simulano fedelmente il comportamento della valvola, comunque non potrà mai avere la soluzione di continuità che c'è nell'analogico. Quindi se guardi il suono vedi dello sporco, devi filtrarlo per togliere le frequenze spurie che si creano...Io posso dire che vanno bene, ma sono una copia dell'originale, non sono l'originale. Se uno mi dice che quello digitale è una simulazione, io ne prendo atto e posso anche confermare che suona bene, però non mi venga a dire che sono uguali; possono suonare apparentemente uguali, però non sono uguali... a meno che uno non inventi un chip con dentro una valvola!

Marco, grazie per il tempo che ci hai concesso e per le interessantissime cose che ci hai descritto.


8.2 Can solid-state sound really match that of tubes?

Volume cranked up in amp debateBy Brian Santo

Escondido, Calif. - The analog world is being translated into bits faster than you can say compact disk. Whether that's progress or an unfortunate progression is open to debate-and nowhere is the argument more heated than in the music industry, where many audiophiles still value vinyl and musicians treasure tube-based amplifiers. Both groups seek a quality of sound presumably unattainable by the solid-state and digital counterparts of their analog artifacts. But those holdouts may be left behind by the latest in technology.Recently, Deja Vu Audio (Berkeley Springs, Va.) reported the creation of a solid-state tube emulator that provides the sounds of several classic electric guitars (see July 11, page 39). Other tube emulators have preceded the Deja Vu design. The catch is that whenever attempts are made to bridge the gap between tube and solid-state sound reproduction, subjective criteria such as "warmth" often overwhelm scientific engineering principles.But one audio engineer and physicist contends that the physics involved with the recreation of sound are no mystery and, furthermore, pretending that audio reproduction is a black art only confuses the market. That engineer, John Murphy of True Image Audio (Escondido), has designed a number of tube and solid-state preamps and power amps for the musical-instrument and professional-audio markets."Any product containing vacuum tubes is especially likely to be surrounded by exaggerated claims of supernatural performance," Murphy asserted. "From an engineering point of view, there is nothing new or mysterious about vacuum tubes. They have been in use since Lee de Forest first inserted a control grid into a Fleming valve in 1906 to create the first triode. Today, tube audio products are surrounded by such excessive disinformation that the small, but real, sonic advantage that tubes offer is almost lost in the hype."When operated in a linear (or unclipped) mode, Murphy explained, tube amps sound the same as their solid-state counterparts, provided that their frequency response and group delay characteristics are well matched and their distortion levels are sufficiently low. The audible difference between tube and solid-state amps emerges only when they are clipped.Murphy cited published results of several carefully conducted double-blind listening tests confirming that even highly trained listeners cannot hear the difference between tube and solid-state amplifiers when the amps are operated in their linear range. "Only a handful of fanatics-but mostly those with blatant financial interests-persist in making claims to the contrary," he said.Everything changes when you clip (overdrive) the amps, however. "Then it becomes easy to hear the difference between typical tube and solid-state amps. It is also easy to see the difference on an oscilloscope trace," he said.A typical tube amp (such as a pair of triodes in series) can be seen to clip with a softly rounded waveform, while typical solid-state amps (such as op amps) clip with razor-sharp edges."Every engineering student who has studied Fourier analysis knows why these two waveforms sound different: the harmonic structure," Murphy said. The hard clipping waveform of the solid-state amp has a different harmonic content from the soft-clipped tube amp, simply because the waveforms are different. While the harmonics from the solid-state amp have strong amplitudes out to frequencies beyond the limits of audibility, the harmonics from the soft-clipping tube amp fall rapidly in level with increasing frequency.

Amplifier debate rocks onThose harmonic differences account for the "raspy and obnoxious" sound of the solid-state amp in


clipping, compared with the much-more-mellow sound of the tube-amp clipping. A second, more-subtle difference is that solid-state amps tend to have a fixed 50-percent duty cycle as they clip, whereas most class A tube amps clip with a duty cycle that varies as a function of the drive level.Push-pull, class AB tube power amps tend to clip much like solid-state amps, but they sound different because of their high output impedance. In particular, tube power amps exhibit a peak in their frequency response by as much as 10 dB or more at the resonance frequency of the speaker they are driving."No wonder they are reported to sound 'warmer' than solid-state power amps," Murphy said . "This aspect of tube power amps is not seen in test reports, where reviewers use nice 8 dummy loads for their tests. But measure the frequency response at the input terminals of your speaker, and you will see this effect clearly."As for class A tube preamps, Fourier analysis helps reveal the harmonic structure of the clipped waveforms, Murphy said, nothing that the unclipped waves have no harmonics, except for residual distortion. For instance, any square wave, regardless of its source, is composed of only the fundamental and odd harmonics (first, third, fifth, etc.).Square waveTo a first approximation, the clipped output of either type of amp looks much like a square wave, and spectrum analysis shows that the waveforms consist largely of odd harmonics. Even the tube-amp waveforms, with their rounded shoulders, consist only of odd harmonics as long as the duty cycle of the wave is 50 percent and the left half is an inverted image of the right half (in other words, as long as half-wave symmetry is maintained). The even harmonics are introduced only as the waveform deviates from a perfect 50-50 duty cycle."This is what I call duty-cycle modulation," Murphy said, adding that many class A tube amps exhibit that characteristic. But most solid-state and push-pull tube amps have perfect 50-50 duty cycles, he explained, and therefore have no significant even-harmonic content in their clipped waveforms.When the tube amp clips, its duty cycle starts at 50 percent and typically shifts to 55 percent (or even as much as 65 percent) as it is driven further into clipping. That has the effect of adding even harmonics as the amp is pressed further into clipping. Plotting the duty cycle vs. the input level provides a kind of sonic signature of the amp. For a typical solid-state amp, that signature is just a flat fine at 50 percent."But for some of the more interesting types of tube amps, that signature starts at 50 percent, goes to maybe 55 percent and then back to 50 percent or even 45 cent," Murphy said.

Solid state v. Tubes: cranking the volume"In response to a strong transient, these amps exhibit what looks like 'dancing harmonics’ the spectrum analyzer. First the odds rise, and then the evens rise and fall between the odds. When a guitar is used as the signal source, the audible effect is a subtle, but musically interesting, sort of 'reedy' sound mixed with an otherwise 'brassy' sound," he explained."Besides the obvious soft clipping, I believe this to be an important reason why guitar players like tube amps. But so much for the truism that says: 'tubes have even harmonics, and solid state has odd harmonics.' Bull dung. The waveforms of both consist primarily of odd harmonics. Tube amps with duty modulation just throw in a sprinkling of evens.Further, Murphy contended, "the occurrence of those even harmonics is not critically important , when you consider that most of the guitar-overdrive devices in use by players today employ solid state diode circuits, which exhibit soft clipping but with a fixed 50-percent duty cycle."In 1983, Murphy designed a tube-emulator circuit that, to his knowledge, is the only solid-state overdrive device to exhibit duty cycle modulation."I have worked with at least one well known guitar player who sets up an array of tube-amp stacks on stage, only to use a small solid-state pedal-effects unit 'stomp box,' as players say-for his actual overdrive sound," he said.'From the [perspective of the] audience, you would think he was using the amps, but those are just for show. The advantage of the stomp box is that it is reliable-no tubes to change, it's consistent and it


usually provides more gain or overdrive than a typical tube guitar amp. The stomp box drives another guitar amp - tube or solid state - which then drives a limited number of the speakers. Most of the amps on stage are just props without any electronics or speakers."The point, Murphy said, is that some professional artists would just as soon use their solid-state pedals as their tube amps. They can get a satisfactory overdrive sound from either. The pedal is simply more convenient. "But ask a kid in the a audience," Murphy said, "and he will insist that his favorite guitar player uses a tube amp, because he saw it. Ha! A lot of really expensive tube amps are sold this way."As far as other characteristics of tube guitar amps are concerned, I have found that the pre-clipping frequency equalization and post-clipping EQ are absolutely critical adjustments. Once you have a well-behaved clipper-even if it's just simple diodes, as in the stomp boxes-it is the precise combination of pre- and post-clipping EQ that mostly determines how an amp sounds. The 'secret' of the best sounding guitar amps lies in the pre-clipping EQ response curve."Subtle harmonic effectsIf one could devise a solid-state amp that had soft clipping along with waveform duty-cycle modulation, Murphy contends, the amp would look substantially like a tube amp in the lab and would sound much like a tube amp in the listening room-down to the subtle effects of the time-varying even harmonics."From our knowledge of Fourier analysis, we can be confident that the waveform tells the whole truth and nothing but the truth. 'The waveform contains no 'secret' information as to whether it was produced by a tube amp, a solid-state amp, a digital waveform generator or hundreds of sine wave generators operating in parallel, for that matter," he said. "The mathematics of Fourier assures us of this. If we can make a solid-state amp produce the same waveform as a tube amp when it clips - including duty-cycle modulation - then we have successfully simulated the tube amp with solid-state components."Reproducing the tube ampMurphy created his solid state tube emulator circuit in 1983, when he was chief engineer for Carvin Corp. He claims his invention reproduces the significant characteristics of a tube amp."This circuit was first used in a line of solid-state guitar amplifiers by Carvin and introduced in their 1987 catalog of musical-instrument products. That circuit continues in production today in Carvin’s SX series solid-state guitar amps," he said. Carvin could not be convinced to pursue a patent, and as a result, the tube simulator is now in the public domain."Common diodes are employed to clip first the one half of the waveform and then the other half of the waveform, but not at the same stage," Murphy explained. That follows the way in which a pair of tube triode stages, operating in series, clips only one half of the waveform at a time. It is the independent clipping of the two halves of the waveform that allows the duty cycle of the clipped wave to modulate away from 50 percent and introduce the even harmonics."My invention employs op amps to buffer each diode-clipper stage," Murphy said. "To more closely match the waveform of a 12AX7 triode clipper, my circuit also employs diodes in the feedback loop of the inverting op-amp buffers to make the clipping a bit less soft."Besides applications in guitar amps, the circuit could be employed in the front end of any solid-state preamp or power amp to provide controlled clipping characteristics that measure - and sound - very much like a class A tube amplifier.The next step in audio technology Murphy envisions, will be vacuum microelectronics-thermionic emission with cold arrays of microtips based on quantum tunneling as the electron source, and promising to provide triodes, pentodes, and the like."Though this new technology is targeted at microwave amplifiers and flat-panel displays, it is entirely possible that it will end up in guitar amps and hi-fi gear," Murphy said. "Imagine that." Reprinted from Electronic Engineering Times, October 3, 1994


L' Amplificazione in audiofrequenza - Bernardi Web · Web viewNel caso del transistor NPN...

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