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
1.2
1.3
1.4
1.5
2
AMPLIFICAZIONE A VALVOLE E A TRANSISTOR - LORO CONFRONTO ........................................... 6
2.1
2.2
2.3
2.4
3
LE VALVOLE TERMOIONICHE - TIPI E FUNZIONAMENTO .......................................................................................... 6
IMPIEGHI TIPICI DELLE VALVOLE E SIGLE CELEBRI................................................................................................. 8
I SEMICONDUTTORI : DIODI E TRANSITSTORS .......................................................................................................... 9
VANTAGGI E SVANTAGGI DELLE DUE TECNOLOGIE............................................................................................... 12
COSTITUZIONE DI UN AMPLIFICATORE PER AUDIOFREQUENZA ................................................... 13
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
4
INGRESSO E USCITA: VARIABILI DI CONTROLLO E VARIABILI CONTROLLATE .......................................................... 3
CHI FORNISCE L'ENERGIA IN USCITA: IL RUOLO DELL'ALIMENTAZIONE .................................................................. 3
AMPLIFICATORI FINALI PER STRUMENTI MUSICALI: REQUISITI DESIDERATI ............................................................ 4
AMPLIFICATORI FINALI PER HI-FI : REQUISITI DESIDERATI ..................................................................................... 4
AMPLIFICATORI MICROFONICI: CENNI .................................................................................................................... 5
PREAMPLIFICATORI E AMPLIFICATORI FINALI ....................................................................................................... 13
ALIMENTAZIONE E POLARIZZAZIONI .................................................................................................................... 14
ACCOPPIAMENTO DI PIÙ STADI (IN CASCATA E CONTROFASE) .............................................................................. 15
LA CONTROREAZIONE - CENNI .............................................................................................................................. 18
DIFFUSORI: CARATTERISTICHE E COLLEGAMENTO ALL'AMPLIFICATORE .............................................................. 18
RISPOSTA IN FREQUENZA DEGLI AMPLIFICATORI .............................................................................. 20
4.1 IL PROBLEMA DELLA LINEARITÀ ........................................................................................................................... 20
4.2 L'EQUALIZZAZIONE .............................................................................................................................................. 21
5
CLASSI DI FUNZIONAMENTO ........................................................................................................................ 24
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
6
STORIA ED EVOLUZIONE DEI CIRCUITI .................................................................................................... 27
6.1
6.2
6.3
6.4
7
CLASSE A E AB .................................................................................................................................................... 24
CLASSE B ............................................................................................................................................................. 24
PUSH-PULL IN CLASSE A E B ............................................................................................................................... 25
CLASSE C ............................................................................................................................................................. 26
CLASSE D ............................................................................................................................................................. 26
ALCUNI SCHEMI STORICI E LORO VERSIONI ATTUALI ............................................................................................ 27
CIRCUITI IBRIDI .................................................................................................................................................... 30
LA SIMULAZIONE VALVOLARE - CENNI ................................................................................................................. 32
QUANTO MI COSTA? IL MERCATO E IL "FAI DA TE ................................................................................................. 33
APPENDICE A ..................................................................................................................................................... 34
7.1 IC PER APPLICAZIONI AUDIO ................................................................................................................................. 34
7.2 AMPLIFICATORI AUDIO INTEGRATI ....................................................................................................................... 38
7.3 LA VALVOLA TERMOIONICA HA CENTO ANNI MA NON LI DIMOSTRA ..................................................................... 41
8
APPENDICE B....................................................................................................................................................... 43
8.1 INTERVISTA A MARCO BRUNETTI ......................................................................................................................... 43
8.2 CAN SOLID-STATE SOUND REALLY MATCH THAT OF TUBES? ................................................................................ 49
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
2
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
3
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:
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
4








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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
5
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
Gr.
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
6
Il
tetrodo
Anodo
Gr
Sc
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
Sop
Sc
Gr
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 grigliaschermo 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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
7
2.2
Impieghi tipici delle valvole e sigle celebri
Preamplificatrici
La 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.
Sfasatrici
Queste 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.
Rettificatrici
La 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.
Finali
Il 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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
8
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
B
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 ( BiJunction 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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
9
(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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
10
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
B
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
11
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
12
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 sottoalimentazione.
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
13
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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
14
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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
15
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
16
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
17
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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
18
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'amplificatore
L'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
16ohm
8ohm
4ohm
8ohm
16ohm
16ohm
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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
19
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
20
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'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
21
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:
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
22
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
23
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 AB
La 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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
24
5.3
Push-Pull in classe A e B
Nel capitolo 3.3 , accoppiamento di più stadi,
abbiamo incontrato i circuiti controfase o pushpull. 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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
25
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).
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
26
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.htm
In 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 integrati
Chi 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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
27
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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
28
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 R 14 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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
29
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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
30
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".
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
31
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
32
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
33
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 emergenti
In 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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
34
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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
35
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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
36
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 (200250kHz). 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 mercato
Sebbene 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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
37
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
38
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 slewrate 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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
39
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
40
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 ausiliari
Sebbene 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 dimostra
Michele 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 potenza
La 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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
41
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 audio
Sicuramente 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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
42
loro massima popolarità. L’AC15 utilizza due valvole EL84 in push-pull, mentre l’AC30 ne
utilizza quattro.
Strumentazione da studio
Le 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 fedeltà
Nel 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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
43
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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
44
(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?
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
45
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
46
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,
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
47
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.
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
48
8.2
Can solid-state sound really match that of tubes?
Volume cranked up in amp debate
By 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 on
Those harmonic differences account for the "raspy and obnoxious" sound of the solid-state amp in
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
49
clipping, compared with the much-more-mellow sound of the tube-amp clipping. A second, moresubtle 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 wave
To 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
L'amplificazione in audiofrequenza - di Andrea Bernardi
50
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 effects
If 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 amp
Murphy 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 - di Andrea Bernardi
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