venerdì 22 giugno 2012

"Ricetta" per un finale audio - IV - Lo stadio di ingresso

Quarta  parte dell'articolo sulla progettazione di un finale audio sui generis. Qui trovate la prima parte. la seconda parte e la terza parte del testo.

Lo stadio di ingresso degli amplificatori audio a transistori

Lo stadio di ingresso dei moderni finali audio a transistori ha avuto una gestazione relativamente lunga che, dal primo esempio di amplificatore quasi complementare, proposto da H.C. Lin sulla rivista americana Electronic nel settembre 1956, fino all'emergere di topologie circuitali ormai definitivamente mature nella prima metà degli anni settanta del secolo scorso, ha coperto un buon quindicennio partendo da una situazione in cui lo stadio d'ingresso coincideva con il VAS per poi passare successivamente all'adozione di uno stadio a singolo tranistor che fungesse da stadio di ingresso autonomo e arrivando infine alla trasformazione di tale ingresso da single-ended  a differenziale per poi concludere la parabola nella definitiva adozione, a livello di componenti discreti, di circuiti direttamente mutuati dagli stadi di ingresso utilizzati negli amplificatori operazionali monolitici i quali, nonostante numerose varianti sul tema tentate da più costruttori, da allora è comunque rimasto concettualmente immutato.


Il primo amplificatore a transistori di concezione moderna, proposto da H.C. Lin sulla rivista americana Electronic del settembre 1956. Lo stadio di ingresso coincide con il VAS che pilota direttamente lo stadio di potenza.

La ragione di questa evoluzione relativamente lenta è interamente economica e imputabile all'alto (inizialmente altissimo) costo di produzione dei transistori; dal punto di vista delle idee e delle concezioni progettuali infatti non vi è mai stato alcun problema, al punto che un amplficatore di topologia completamente moderna (cioè concepito come un amplificatore operazionale di potenza) la RCA lo proponeva nei suoi Technical Manuals già a partire dalla metà degli sessanta, in cui l'unica differenza sostanziale rispetto a schemi elaborati alcuni anni dopo consiste in pratica nel notificare i transistori di uscita come "experimental power devices" piuttosto che con le sigla di componenti normalmente reperibili in commercio.

Il VAS usato come stadio d'ingresso

Questo stadio di ingresso, considerato oggigiorno (a torto) un circuito tout-court scadente, ha in realtà dalla sua un mix di qualità e difetti che, a conti fatti, non lo rendono in sé una scelta del tutto peregrina.
Innanzitutto vi è da dire che il "VAS", come stadio, non è necessariamente vincolato ad essere composto da un solo transistor ma può avere qualsiasi struttura la cui complessità (e problematicità...) ha in ultima istanza come solo limite quello della fantasia del progettista che, un tempo strettamente tenuta al guinzaglio dalla necessità di contenere i costi limitando il numero dei semiconduttori impiegati allo stretto necessario, oggi (se c'è!) è libera di esprimersi in ogni modo, con un solo reale vincolo da rispettare che è il mero uso del buon senso (e della prudenza: un circuito "nuovo" può rivelarsi inaspettatamente tale anche dal punto di vista dei possibili problemi di funzionamento, un aspetto che, se si deve "produrre", è bene avere sempre presente).

In buona sostanza l'unica differenza circuitale di rilievo tra  un VAS usato all'interno di un amplificatore moderno (quindi preceduto da uno stadio di ingresso dedicato) e lo stesso VAS utilizzato anche come stadio di ingresso consiste nella resistenza di feedback e relativa compensazione che, dall'uscita dell'amplificatore, va direttamente all'ingresso del VAS: qui sotto se ne possono vedere due esempi,  uno ripreso dalla terza parte di questo lungo articolo e l'altro tratto da un caso concreto che ho avuto occasione di riparare - i finali di un Brionvega RR26 che, come si vede in figura, ho anche opportunamente aggiornato per adattarsi ai moderni transistori al silicio, decisamente più affidabili dei vecchi AD149 al germanio.




I normali circuiti VAS con gruppo RC di retroazione e polarizzazione locale. A differenza di quanto rappresentato nel disegno, nella maggior parte delle situazioni reali il gruppo RC anziché essere collegato al collettore del VAS è collegato direttamente all'uscita dell'amplificatore (vedi illustrazione sotto relativa allo stadio finale di un Brionvega RR26 riparato e attualizzato nei transistori usati nello stadio finale - Le "T" su alcuni resistori indicano che sono trimmer anziché resistori fissi. Notare la generale somiglianza con lo schema originale di H.C. Lin di cui è in effetti soltanto una variante).

Il mix di pro e contro di un VAS che funge anche da stadio di ingresso, pur non essendo di quelli che si fanno preferire a prima vista (anzi...) non è neppure di quelli che si respingono senza pensarci. Dal lato "pro" vi è il fatto che esso consente, a causa del non elevatissimo guadagno di tensione generabile ad anello aperto, di ottenere un amplificatore quasi sempre esente da problemi di stabilità (che alle origini dell'elettronica a stato solido, con le forti liimitazioni di massima frequenza di lavoro che caratterizzava i transistori del tempo, era una caratteristica più che benvenuta), nonché un amplificatore più che ragionevolmente lineare (con distorsioni che alle normali potenze di ascolto si situano attorno allo 0.1%, qualche volta anche meno) a cui fa da "contro" una impedenza di ingresso piuttosto bassa (sui 5 kOhm al massimo) che obbliga all'impiego di un ulteriore stadio amplificatore di corrente (un inseguitore di tensione) che agevoli l'interfaccia del finale con le uscite dei preamplificatori. Ed è proprio da questa necessità che che ha preso le mosse l'evoluzione verso il passo successivo che, in sostanza, è consistita nel sostituire la resistenza di feedback tra ingresso e uscita con un ulteriore stadio a transistori che consentisse, tra le altre cose, proprio una migliore interfaccia con i preamplificatori a monte dei finali. Nella figura sottostante ne è visibile un esempio tra i tanti

Qui sopra un tipico finale ad alimentazione singola con ingresso in single ended tra i tanti che sono stati messi sul mercato a partire dalla fine degli sessanta fino alla prima metà degli anni ottanta del novecento.

Lo stadio di ingresso single-ended

Il fatto di aver sostituito il resistore di retroazione del VAS usato come stadio d'ingresso con un vero e proprio stadio d'ingresso a sé stante comporta in effetti, più che un cambiamento, una vera e propria "rivoluzione" nel funzionamento dei circuito nei confronti della quale la successiva evoluzione storica in stadio d'ingresso a differenziale (che vedremo dopo) non è altro che una rifinitura secondaria anche se utile.
Il cambiamento in assoluto più importante è la separazione ora esistente tra la rete di retroazione e il circuito del VAS in quanto tale, i cui parametri (incluso il suo massimo guadagno ad anello aperto e l'entità della compensazione a polo dominante posta tra la sua base e il suo collettore) possono ora venire definiti in maniera indipendente dai requisiti che l'intero circuito dell'amplificatore impone al dimensionamento della stessa rete di retroazione, con gran vantaggio soprattutto nell'assicurare un elevato guadagno ad anello aperto, essenziale per ridurre l'impatto delle distorsioni dello stadio di uscita.
O, vedendo le cose dall'altra sponda del problema, il conservare rispetto al semplice caso del VAS usato come ingresso un tasso di retroazione decisamente più robusto anche con i guadagni di tensione più elevati richiesti ad anello chiuso dagli amplificatori di potenza più elevata, che si ritrovano così avvantaggiati da una maggiore linearità di funzionamento e soprattutto da una minore dipendenza di questa dalla massima potenza di uscita che, nel caso precedente, tendeva con il suo crescere a ridurre il tasso di retroazione complessivo dell'amplificatore, un comportamento esattamente opposto a quello che serve in questi casi. Lo stadio single-ended assicura prima di tutto che il guadagno ad anello aperto e il tasso di retroazione di un amplificatore possano essere decisi quasi del tutto indipendentemente dalle esigenze imposte al progetto dalla potenza di uscita che si intende ottenere.

Oltre alle migliorie sopraddette, il salto di qualità principale portato dal single-ended alla situazione pre-esistente è anzitutto quello di essere un VERO stadio di ingresso che permette di interfacciare la sorgente con una impedenza di ingresso anche elevata ma soprattutto definita quasi a piacere, indipendentemente dalle esigenze imposte dal VAS e dal suo circuito locale, semplificando così notevolmente sia il circuito complessivo (che diviene effettivamente un blocco circuitale compiuto che, a parte il ricevere un segnale da amplificare, ha prestazioni definite in modo quasi completamente indipendente dalle caratteristiche della sorgente e in modo particolare dall'impedenza di uscita di questa) sia il raggiungimento di prestazioni adeguate (che sono definite internamente soltanto dal suo massimo guadagno ad anello aperto, dalla sua rete di retroazione e, in alta frequenza, dalle sue compensazioni).

Lo stadio di ingresso differenziale

Sebbene lo stadio single-ended prefigurasse in nuce l'evoluzione successiva in stadio differenziale con l'aggiunta di un secondo transistor che da una parte ne abbattesse la forte componente di seconda armonica presente nella sua distorsione e dall'altra svincolasse ulteriormente le interdipendenze esistenti tra le esigenze dello stadio di ingresso e quelle della rete di retroazione, quest'ultimo si impore realmente solo quando, nella corsa a potenze di uscita sempre più elevate, si prese a preferire sempre più l'adozione di un'alimentazione duale rispetto all'alimentazione singola che pure aveva lavorato egregiamente per un decennio e oltre in tutta una generazione di amplificatori audio che, più o meno tacitamente, aveva osservato il tetto dei 50-60 volt di alimentazione come limite da non valicare per evitare un abnome aumento di costi legato all'esigenza di adottare transistori con tensioni di Vceo massima superiori appunto ai 60 volt massimi non solo allora piuttosto costosi da produrre ma anche piuttosto difficili da trovare, soprattutto se in grado di trattare in modo affidabile le potenze disponibili con tensioni di alimentazione maggiori senza dover adottare più di una coppia di finali per canale.

Questa è anche l'epoca in cui, non a caso, spopolavano i 2N3055 (un finale appunto da 60 volt di Vceo), allora costruito con una tecnologia che non permetteva di affiancargli un vero complementare. Il MJ2955 che era allora passato per tale  prima dalla Motorola e poi anche da altri, non solo non era complementare in nulla ma non lo sarebbe diventato fino a quando, sotto la sigla 2N3055, il transistor originale non venne sostituito da un "sosia" prodotto in realtà con una tecnologia completamente diversa, ovvero la versione NPN di quella effettivamente utilizzata per costruire il MJ2955 che però si diffuse veramente solo nel corso degli anni settanta del secolo scorso, ovvero circa un decennio dopo che il 2N3055 originariamente prodotto dalla RCA fece la sua comparsa sul mercato (dal 1962 in poi). A parte questo limite, era un transistor estremamente affidabile, relativamente poco costoso rispetto ai suoi diretti concorrenti e soprattutto adattissimo a funzionare come finale audio (allora gli audiofili non li avevano ancora inventati... o meglio i pochi che allora c'erano erano soprattutto melomani che badavano al sodo, cioè alla riproduzione di musica, infischiandosene abbastanza di cosa c'era sotto il cofano - e, dulcis in fundo, chi comunque se ne immischiava era gente che di elettronica ci capiva parecchio, spesso ben al di là del livello puramente "amatoriale").

Quando però, nel corso degli anni settanta, gli amplificatori con elevata potenza di uscita basati su alimentazione duale presero sempre più piede, lo stadio di ingresso differenziale divenne praticamente una scelta obbligata e imposta d'ufficio dall'esigenza di dover tenere inchiodata l'uscita a zero volt in assenza di segnale senza ricorrere a complicazioni circuitali non solo di dubbia affidabilità ma soprattutto, ancora una volta, troppo costose per passarci sopra. L'adozione dello stadio differenziale di ingresso era, per tale scopo, la soluzione più semplice, immediata e affidabile.
Rispetto all'ingresso single-ended, l'ingresso differenziale se adottato nella sua forma moderna completa di generatore di corrente sugli emettitori (o sui source se si usano JFET in ingresso) e di specchio di corrente sui collettori in grado di convertire al meglio l'uscita in differenziale in singola, permette di avere un controllo migliore della trasconduttanza dell'intero amplificatore di tensione, della sua banda passante e anche del suo slew-rate nei limiti dell'impatto che esercita realmente sulle prestazioni del circuito; buon ultimo è in grado di ridurre il contributo dello stadio di ingresso alla distorsione totale di almeno un ordine di grandezza: in effetti nelle migliori realizzazioni la riduzione del contributo dell'ingresso e del VAS alla distorsione totale si riduce a tal punto da consentire di considerare il tasso di retroazione come interamente dedicato alla correzione della distorsione di incrocio dello stadio di uscita qualora questo non lavori in classe A, mentre quando vi lavora lo sprofondamento del contriibuto effettivo in distorsione sotto il livello di rumore dell'amplificatore è spesso tale da rendere l'amplificatore virtualmente privo di distorsione fino alla saturazione: quello che viene rilevato nelle misure in effetti non è nient'altro che rumore.

(continua)