Lo spettro armonico della distorsione

[BandAlex]

Detto questo, devo anche confessare che io la pensavo proprio come lui... ma due anni fa, vale a dire prima di ascoltare i miei ampli cinesi modificati...

Arriva sempre il momento in cui si viene fulminati sulla via di Damasco...

E pure per me è stato così. Nel post precedente ho scritto di un ampli su cui ho lavorato per un po' di tempo, nel quale ero partito con tutte le buone intenzioni di applicare la teoria fino in fondo...

Devi capire, un ampli tutto a BJT, tutto accoppiato in continua, ad ampia banda passante, in classe A single-ended: come avrei potuto non applicare almeno un po' di NFB totale?

Spostando una sola resistenza, quella di feedback, cambia completamente il carattere sonoro dell'amplificatore, e indubbiamente esso suona meglio se lo stadio finale è lasciato fuori dal loop di NFB.

In un caso, esso esprime tutte le sue qualità di un amplificatore in classe A, ovvero è vitale, caldo e veloce. Nell'altro, diventa un amplificatore moscio, piatto, direi mono-tono.

Alle misure, questa differenza non si vede. Perchè succede questo? Io non ho trovato ancora una risposta chiara, posso solo fare delle ipotesi. Bisogna tenere presente che dietro la NFB c'è una solida teoria scientifica, per cui dire semplicemente "suona meglio" non ha molto senso. Il fatto poi che la stessa NFB applicata allo stadio di ingresso e al VAS (dove non se ne può fare a meno per tanti motivi) sia invece benefica anche all'ascolto, questo è un altro punto che andrebbe indagato. Una delle modifiche da me apportate al VAS è stata proprio quella di aumentare il guadagno ad anello aperto proprio per aumentare la NFB applicata allo stadio, e tale modifica è stata udibile anche all'ascolto, in maniera molto positiva. Quindi perchè invece la stessa cosa non funziona con lo stadio finale? Ed essendo un ampli per cuffia, non possono entrare in gioco le cause che normalmente degradano l'intervento della NFB per via del carico estremamente reattivo e variabile di un diffusore. No, le cuffie sono il paradiso dei progettisti, sono un carico quasi ideale, prevalentemente resistivo. E quindi?

Una delle ipotesi che ho fatto è che può essere importante l'ampiezza del loop di feedback, ma soprattutto c'è una cosa che mi è venuta in mente soltanto dopo: includendo nel loop lo stadio finale, linearizzo quest'ultimo, ma nello stesso tempo tolgo gran parte del feedback allo stadio di ingresso. Cioè, lo stadio di ingresso, composto dal differenziale + il VAS, lo stadio forse più importante dell'amplificatore (perchè è l'unico ad amplificare in tensione), si vede tornare indietro un segnale di errore che non è più il suo, ma quello (ritardato, e ovviamente diverso) dello stadio finale! Per cui nell'intento di linearizzare tutto, si sposta il problema da uno stadio all'altro, solo che lo stadio di ingresso è più importante e in un ampli per cuffia è quello che vince, perchè le potenze che deve erogare tale ampli sono solo di 1 - 2 watt al massimo: lo stadio finale non ha bisogno un granchè di essere linearizzato!

Per cui, alla fine quello che faccio includendo il finale nel loop, è togliere gran parte del prezioso feedback di cui invece ha disperato bisogno lo stadio di ingresso.
Questa è l'unica risposta che per il momento mi sono dato, ed è in accordo con l'esperienza positiva dell'aumento di feedback dopo il beta multiplier (errato, leggi: enhancement) adottato sul VAS.

Ovviamente tale ipotesi è valida solo per un amplificatore con le stesse caratteristiche del mio, ovvero stadio finale già linearizzato di suo con il cascode dinamico e in classe A. In altri contesti (e con altre potenze in gioco) lo stadio finale è quello che ha più bisogno di linearizzazione, il che cambia le carte in tavola.

Alla fine, quello che ritengo esca fuori da tutto questo, è che non è facile isolare l'intervento della NFB (per non parlare delle varie NFB locali) e capire se questa sia positiva all'ascolto o meno. Ogni caso fa storia a se', e quello che può essere vantaggioso in un ampli di pochi watt può non esserlo per un mostro da centinaia di watt.

(ma il discorso ovviamente continua...)

[intrepido]

Un dispositivo attivo per essere perfettamente lineare dovrebbe avere una gm (trasconduttanza) costante al variare della corrente. Nei BJT la curva è direttamente proporzionale alla corrente, mentre nei triodi è all'incirca proporzionale alla sua radice quadrata. Quindi un triodo è leggermente più lineare, ma d'altro canto ha una trasconduttanza (diciamo un "guadagno") molto inferiore a quella del BJT. Inserendo una semplice resistenza sull'emettitore (BJT) e sul catodo (triodo), si linearizza in maniera sufficiente lo stadio, ma a parità di gain il BJT, avendo una trasconduttanza maggiore, sarà anche maggiormente linearizzato e quindi fornirà delle prestazioni migliori. Questa linearizzazione è frutto della controreazione locale, che permette di abbattere la 2^ armonica, e di aumentare la banda passante.

Quindi se si hanno due stadi di tipo singleton, uno a triodo e l'altro a transistore, se questi sono opportunamente degenerati, a parità di gain lo stadio a BJT è quello con le caratteristiche migliori.

La valvola continua ovviamente ad avere il vantaggio di una impedenza di ingresso altissima, ma d'altro canto anche la sua impedenza di uscita sarà più elevata rispetto a quella del BJT, il che non la mette in netto vantaggio neanche in questo caso. Se poi consideriamo il fattore energetico vediamo che per ottenere lo stesso gain, con prestazioni inferiori, dobbiamo dissipare qualche watt, mentre con il BJT sono sufficienti 5-10 mW.

Accettando un guadagno minore, è impossibile con un triodo (o un dispositivo a SS?) non applicare la controrezione allo stadio di guadagno in tensione? Pensavo ad amplificatori, come quelli per cuffia, che in fondo devono erogare potenze modeste. Surdimensionare rispetto alle effettive esigenze può essere la strada giusta?

[BandAlex]

Accettando un guadagno minore, è impossibile con un triodo (o un dispositivo a SS?) non applicare la controrezione allo stadio di guadagno in tensione? Pensavo ad amplificatori, come quelli per cuffia, che in fondo devono erogare potenze modeste. Surdimensionare rispetto alle effettive esigenze può essere la strada giusta?

Se la tua domanda è relativa ad eliminare la controreazione anche locale, allora il problema è proprio "accettare un guadagno minore". Se non si usa la controreazione ci si deve affidare completamente alla trasconduttanza del dispositivo, sulla quale non si ha alcuna forma di controllo. Per un BJT, ad esempio, si potrebbe usare un dispositivo di potenza, che come noto ha un beta molto più basso rispetto ai dispositivi di basso segnale. Mettendo da parte gli altri problemi che comporterebbe una scelta del genere (in primis le capacità parassite molto più elevate presentate da un dispositivo di potenza), si avrebbe un circuito il cui guadagno non sarebbe ben determinato, ma sarebbe affidato al caso, perchè ogni transistor ha il suo beta che cambia da esemplare a esemplare. Ma diciamo che si potrebbe passare sopra anche a questo, il problema più grande lo avresti con la trasconduttanza che varia al variare della corrente di collettore (e mettiamoci pure l'effetto Early), che ti porterebbe ad avere una distorsione di seconda armonica intorno al 10%.

Quindi avresti uno stadio di cui non sai quale è il gain (se non dopo averlo misurato), che distorce (però di 2^ armonica!), e che è difficilmente interfacciabile con gli stadi seguenti (perchè esci di collettore, da un device senza controreazione locale, con impedenza di uscita piuttosto altina).

Direi che con un transistor sarebbe piuttosto difficile implementare uno stadio di ingresso in questo modo, con una valvola le cose si semplificano perchè la trasconduttanza è più bassa e perchè le curve sono più lineari, ma sei sempre in balia delle variazioni da valvola a valvola, che potrebbero darti problemi anche ad ottenere un corretto bilanciamento tra canale destro e sinistro.

Se invece ti riferivi alla contoreazione totale o a quella inter-stadio, allora la risposta è sì: si può progettare uno stadio di ingresso controreazionato solo localmente (e viene fatto spesso), e questo vale ovviamente sia per i transistor che per le valvole. Se si accetta almeno la NFB locale, si può fare un amplificatore di buone caratteristiche e perfettamente prevedibile nel suo funzionamento.

[Telstar]

Ed ora veniamo alla "qualità" della THD. E' abbastanza assodato che ciò che è più fastidioso all'ascolto è la presenza di armoniche di ordine elevato, ovvero superiori alla terza armonica. Test effettuati in doppio cieco hanno dimostrato che non vi sono preferenze nette tra una prevalenza di 2^ e una prevalenza di 3^ armonica, ma io non sono molto convinto di questi test, a dire il vero.

Vero.
Volendo usare dei qualificativi, la 2a armonica da un suono più dolce e musicale mentre la 3a conferisce un suono più scattoso e "dinamico".
Chiaramente l'ideale è avere una THD bassa e nessuna armonica di ordine superiore al 3°, ma questo è estremamente difficile da ottenere, se non impossibile. O almeno un'andamento della THD motonicamente decrescente. Questo è possibile.

Si potrebbe continuare il discorso con la NFB, come questa modifica il contenuto armonico della distorsione residua, e un sacco di altre cose...

Bene, continuiamo il discorso
Il GNFB (controreazione ingresso-uscita) abbassa la THD totale, ma cambia la distribuzione della stessa, generando la nascita di armoniche di alto ordine che sono estremamente più spiacevoli all'ascolto.
Secondo problema, fa poco ad alta frequenza dove IMNSHO la distorsione è più percettibile e quindi dannosa. Occorre un open loop molto ma molto ampio per avere una THD-20 sotto lo 0,001% in modo che le alte amoniche siano almeno 30db SOTTO al rumore di fondo dell'amplificatore. (1)

La THD cmq è solo la punta dell'iceberg. Solo perché è il tipo di distorsione più misurata e più documentata non vuol dire che sia l'unica, nè tantomeno la più importante.

Quali sono le altre distorsioni? La più grave è la IMD, la distorsione da intermodulazione. Perché? Perché noi non ascoltiamo sinusoidi, ma la musica, che è fatta da una serie di impulsi, o da infinite sinusoidi per chi preferisce, molti dei quali presenti contemporaneamente. La IMD appare quando DUE o più frequenze sono presenti CONTEMPORANAMENTE nel segnale dato in pasto all'amplificatore, quindi ovviamente i test fatti con UNA sinusoide non la mostrano.
I test di IMD si fanno in due modi, uno è con un segnale contenente un tono a 19khz e un'altro a 18khz (è meglio se sono vicini). (2)
Beh, solitamente la IMD è SUPERIORE o uguale alla THD.
Fortunatamente, per gli amanti della controreazione, essa riduce anche la IMD.

Poi c'è un'altro tipo di distorsione molto infausta ed è la TID (transient intermodulation distortion), che come dice la parola stessa si verifica nei transienti, cioè quando è richiesta una potenza istantanea molto più alta E il segnale cambia repentinamente. Per testarla si usano solitamente delle onde quadre. Quando lo slew rate dell'amplificatore è insufficiente (3) a riprodurre la frequenza richiesta alla potenza richiesta si verifica la TID.

Infine, il rumore e le interferenze causate dall'alimentazione, in tutti gli stadi sono importantissimi e dannosissimi. E' particolarmente nefasto ad alta frequenza (tanto per cambiare), dove però è facile da filtrare (chissà perché lo fanno in pochi)

Ho tralasciato tanti altri tipi di distorsioni, ma esse riguardano solamente gli ampli in classe AB o B (che a me interessano poco). Basta leggere i testi di Self e Cordell per farsi una cultura in proposito.

note:
__
(1) E stato scientificamente dimostrato che il nostro orecchio distingue i suoni fino a 30dB sotto il livello del rumore
(2) Ricordo a memoria, probabilmente sbagliando le frequenze, cmq la sostanza di quanto esposto non cambia.
(3) Circuiti per stabilizzare che limitano la corrente sono tra le cause della TID, in un amplificatore con slew rate altrimenti sufficiente.

[Telstar]

Se fossi malizioso, dedurrei da quanto scritto da Bandalex che il PP in classe A è il circuito più lineare (immagino tutto stia nel pesare i "residui di terza armonica").

Corretto. A patto che le due semionde siano quanto più identiche possibile, molto difficile da ottenere nella realtà.

[Telstar]

Se invece ti riferivi alla contoreazione totale o a quella inter-stadio, allora la risposta è sì: si può progettare uno stadio di ingresso controreazionato solo localmente (e viene fatto spesso), e questo vale ovviamente sia per i transistor che per le valvole. Se si accetta almeno la NFB locale, si può fare un amplificatore di buone caratteristiche e perfettamente prevedibile nel suo funzionamento.

Io sono contrario anche alla controreazione inter-stadio. E' così che hai fatto sul tuo ampli in classe A oppure hai unito IPS e VAS?

[BandAlex]

Io sono contrario anche alla controreazione inter-stadio. E' così che hai fatto sul tuo ampli in classe A oppure hai unito IPS e VAS?

No, IPS e VAS sono nella loro forma più ortodossa possibile, e ovviamente tra i due c'è il loop di feedback.

Se vuoi dare un'occhiata:
http://aviostar.net/vhf11e/schematic

Nella versione pubblicata ancora non è implementato il beta enhancement del VAS, dovrei aggiornare lo schema elettrico.

[kauko]

A parità di potenza erogata, e quindi nei limiti di compatibilità di un SE, e senza considerare i costi, la scelta del SE è sempre la migliore? O il PP in taluni casi può essere la soluzione più indicata? Che ruolo gioca la classe di lavoro di un PP? Ai fini della nostra indagine, cosa differenzia un PP che lavora in classe A da uno che lavori in classe AB o B?

Grande è il disordine sotto il cielo audiofilo...

Guido eisenstein

allora...

cosa scegliere tra un SE e un PP???...

il PP è uno strastagemma, un trucco per ovviare alla carenza di potenza dei tubi, l'idea: invece di usare un solo tubo per amplificare tutto il segnale usiamo due tubi separati in due rami, ognuno si occuperà di una porzione di segnale, diciamo un tubo la parte di semionda positiva l'altro la semionda negativa, et voià, raddoppiata la potenza disponibile (per capirci quasi come la multiamplificazione in cui ogni amplificatore si occupa di amplificare un singolo spettro di frequenze)...

ma... siccome che i due segnali vanno poi ricomposti all'uscita ecco i primi guai.

avete mai provato a fotocopiare un A3 dividendolo in due A4 e poi provare a ricomporre la figura???

ecco...

il SE invece sconta la carenza di potenza, insomma non c'è trippa per gatti, poca potenza significa tendenza alla saturazione e ovvimante distorsione, ergo limitazione dinamica.

la classe A e AB funziona sempre allo stesso modo, non dipende dal dispositivo o dalla topologia circuitale ma da come i dispositivi stessi sono messi a lavorare, ovvero dalla scelta del punto di riposo.

l'ampli in classe A riscalda, certo, perchè il dispositivo è sempre 'acceso' anche in assenza di segnale, così l'energia prodotta verrà trasformata in calore da dissipare e bolletta da pagare...

in classe B invece il punto di riposo del dispositivo è scelto in modo che in assenza di segnale il dispositivo stesso sia spento.

così quando arriva il segnale ecco che il dispositivo prende vita e assolve al suo compito.

è intuitivo capire la differenza tra la classe A e B, quali vantaggi ed effetti...

amne (faccina sudata tre).

[BandAlex]

cosa scegliere tra un SE e un PP???... il PP è uno strastagemma, un trucco per ovviare alla carenza di potenza dei tubi, l'idea: invece di usare un solo tubo per amplificare tutto il segnale usiamo due tubi separati in due rami, ognuno si occuperà di una porzione di segnale, diciamo un tubo la parte di semionda positiva l'altro la semionda negativa, et voià, raddoppiata la potenza disponibile (per capirci quasi come la multiamplificazione in cui ogni amplificatore si occupa di amplificare un singolo spettro di frequenze)...

In realtà con il push-pull non aumenta la potenza, ma l'efficienza. Anche con il single-ended puoi avere tutta la potenza che vuoi, a patto di essere pronto a bruciarne altrettanta in calore ed energia elettrica consumata. Ma bisogna distinguere i due casi in maniera precisa: un conto è la classe A, e un conto è la classe B/AB.

Il single-ended ovviamente può lavorare solo in classe A, c'è poco da scegliere. Il push-pull lo puoi far lavorare in classe A, B o AB.

L'efficienza del single-ended arriva al massimo al 25% cioè, a potenza massima erogata sul carico il 75% dell'energia lo buttiamo via in calore.
L'efficienza del push-pull arriva al massimo al 50%, sempre a potenza massima. Ma poichè in realtà la musica ha un contenuto energetico medio molto più basso del limite di picco, l'amplificatore per la maggior parte del tempo userà l'energia solo per scaldare l'aria, e quindi l'efficienza reale sarà di circa il 15%.

Per amplificatori di piccola potenza, ad esempio quelli per le cuffie, ci si può anche permettere il single-ended, ma già per un ampli da 10-20 Watt, l'efficienza di tale soluzione è fin troppo bassa per essere presa in considerazione, e allora si passa al push-pull. Il push-pull non è una scelta, è un ripiego.

Il single-ended genera componenti prevalentemente pari, con la 2^ armonica che prevale su tutte le altre. Il grosso vantaggio di tale tipologia è che non produce armoniche di ordine elevato, e a parte la seconda armonica dovuta alla solita non linearità del dispositivo attivo utilizzato, e a parte la scarsa efficienza, non ha altri svantaggi. Inoltre, con determinate tecniche si può linearizzare lo stadio, come ad esempio nel caso del mio ampli dove il transistor finale è "incapsulato" in un cascode dinamico che lo rende già molto lineare senza la necessità di intervenire con la NFB totale.

Subito a seguire il push-pull in classe A rappresenta la soluzione principe per un amplificatore che punti sulla qualità di riproduzione senza la necessità di dissipatori monumentali. Una coppia complementare di emitter follower, magari opportunamente cascodizzati, può rappresentare un'ottima scelta per amplificatori fino a 50 Watt. Oltre tale potenza, francamente, la vedo dura per un classe A anche se in push-pull.

Il push-pull ha inoltre il vantaggio di attenuare gli eventuali prodotti di seconda armonica, abbassando ulteriormente la già scarsa THD totale.

Una strada poco battuta invece è quella del single-ended modificato, con il carico attivo che arrivato alla massima erogazione di corrente commuta e diventa un push-pull. Soluzione interessante che sto cercando di implementare nel mio amplificatore.

(il discorso continua...)

[intrepido]

Continuo a seguire la discussione con grande interesse. Chiedo ad Alex se la configurazione in bilanciato del suo amplificatore per cuffia ne abbia cambiato la tipologia da SE a PP.