OP AMP: perché non suonano

[F.Calabrese]

Fabrizio
Nel DCX le uscite sono con gli Op-amp oltre questo circuitalmente non innovativo se vogliamo neppure performante si può fare meglio molto meglio .... nonostante ciò si fa pure apprezzare ...l'odio secondo me nasconde pregiudizi ...non dimentichiamo quasi tutto il software che ascoltiamo prima o poi è passato da decine di op-amp ...questi sono pure presenti in molti strumenti di misura professionali ...non credo lo facciano per risparmiare o semplificare ...

NO... lo fanno effettivamente per risparmiare e per semplificare...!

Ma affrontiamo una volta per tutte l'argomento, provando a risolvere l'enigma del perché i circuiti ad operazionali si siano guadagnati negli anni una così brutta fama. Partiamo da uno schema esemplificativo:



L'Operazionale, raffigurato con il tipico simbolo a triangolo, non è altro che un minuscolo finale in miniatura, con uno stadio d'ingresso, uno intermedio di guadagno ed uno stadio "di potenza" (minima davvero) in uscita, con tanto di protezioni contro il corto circuito in uscita. Un Operazionale ha due ingressi, uno invertente ed uno non-invertente, che possono essere utilizzati contemporaneamente, come nel circuito che vedete qui in alto (un ingresso differenziale economico). Nel prossimo post esamineremo il circuito interno in dettaglio.

Per ora enumeriamo quelli che sono i due difetti fondamentali degli Op Amps, in termini di qualità all'ascolto.

1)- Tutti gli Op Amps, discreti o integrati, operano con livelli elevatissimi di controreazione, dell'ordine delle decine e decine di deciBel. Dunque nel punto in cui il segnale in uscita (quello distorto) viene comparato con quello in ingresso, vale a dire nel punto <2> dell'immagine qui sopra, qualsiasi rumore di fondo o segnale spurio sarà amplificato di milioni di volte e potrà essere corretto dalla controreazione solo se l'errore non sarà ulteriormente inquinato da rumore o altro. Rendetevi ben conto delle proporzioni del problema...

2)- Negli operazionali integrati il package è quasi sempre in plastica, per cui può dissipare solo frazioni trascurabili di watt: ne consegue che le correnti di riposo ed operative all'interno dell'Op Amp non possono che essere minime. Il che significa che gli stadi di uscita operano tipicamente in Classe B, con ovvie possibilità di distorcere d'incrocio, vale a dire con l peggior tipo possibile di distorsione. Non solo, ma le ridotte correnti significano anche valori di impedenza elevati, ai quali corrisponde INEVITABILMENTE un elevato rumore termico...
Negli operazionali a componenti discreti questi due difetti possono essere evitati: ED INFATTI SUONANO MEGLIO.

In effetti -se ci pensate- la migliore prova del fatto che gli Operazionali siano una sciagura sta proprio nel fatto che le versioni a componenti discreti sono regolarmente assai superiori, sonicamente.

Segue
F.C.

[F.Calabrese]

Ecco dunque lo schema interno di un Operazionale piuttosto sofisticato, come è la media di quelli attuali: a sinistra gli ingressi, a destra l'uscita.



Partiamo dallo stadio di ingresso, vale a dire dal blocco in blu, a sinistra. Notate il fatto che le correnti di riposo sono tutte stabilite da altri transistor integrati e NON da resistenze. Ebbene, questa è la tecnica che conduce ai più elevati livelli di rumore e, quindi, alla minore risoluzione ai bassi livelli. Considerate infatti che quei transistor integrati operano ad alta temperatura, visto che sono collocati in un case plastico e sullo stesso chip degli stadi d'uscita... e necessariamente operano con correnti minime, dell'ordine dei microAmpere...

Se qualcuno vi proponesse un finale controreazionato in cui i transistor di ingresso lavorano con correnti di riposo simili, vale a dire a quei livelli di impedenza, e con i transistor appiccicati a dei dissipatori bollenti... voi lo acquistereste...??? Io vi consiglierei di non farlo...!!!

Al centro-destra, in rosso-viola, potete osservare lo stadio di guadagno in tensione. Il blocco in verde è il transistor che fissa la corrente di riposo dello stadio finale (quello in blu) ed il transistor Q22 è la prima delle protezioni da sovracorrente, regolata su una quindicina di milliampere.
La seconda protezione contro le sovracorrenti è realizzata con il transistor Q17, che chiude l'uscita con una corrente doppia: 25-30 mA.

Ora però fate attenzione... se andate a guardare nei Data Sheet dei più diffusi e migliori Operazionali, troverete che le loro correnti di riposo non eccedono i 4-5 milliAmpere.... E DUNQUE A 25 mA CI ARRIVANO IN CLASSE-B !!!

Che senso ha operare uno stadio a basso livello in Classe-B, se non per risparmiare qualche spicciolo...???

Non a caso, dunque, le Case consigliano carichi minimi di 2000 ohm...

Riassumendo: stiamo parlando di circuitini economici, con prestazioni sacrificate rispetto agli omologhi a componenti discreti, al punto che questo emerge chiaramente all'ascolto.

Se potete, fate un confronto tra un Op Amp a componenti discreti... ed uno normale... e sentirete...!!!

Saluti
F.C.

[F.Calabrese]

Poscritto: per non complicare troppo la questione non sono ancora ritornato sul problema fondamentale, che è quello della effettiva precisione della comparazione ingresso/uscita (vedi al punto <2> nella prima immagine, nel primo post).

Pensateci sopra e scoprirete che il problema maggiore è proprio lì.

Saluti
F.C.

[rock59]

Non sono affatto d'accordo,
Non avevo visto questo post ed ho postato il mio punto di vista sugli ic nel post del pre perfetto.
Se le cose stanno così come si spiega la distorsione armonica degli ic che in alcuni casi si attesta attorno allo zero virgola
con sei o sette zeri?
Ed il rapporto s/n di 120db?
Burmester che in suo ampli integrato mette gli AD797 nella sezione pre lo ha fatto per risparmiare (24.000 Euro di listino)?
Mark Levinson in un finale del quale non ricordo il modello, mise un LM324 in ingresso, lo fece per risparmiare?
Certo che sul MarkL colui che fece le prove su AW, perdonò l'azienda perché in realtà non si era permessa di introdurre un operazionale nel finale ma solo dei transistor come si era affrettato a spiegare.
Infatti spiego' che l'LM324 era solo una coppia di transistor super matched (vero) quindi la reputazione della MarkL era salva!
Questi sono solo preconcetti e come ho detto nel posto del pre perfetto, credo che nessuno sappia riconoscere un pre a integrati rispetto ad uno discreto (non a valvole perché quello è un altro discorso) in una prova al buio.
R.G.

[Tiromancino]

non v'è ombra di dubbio che esistono Op. Amp. con caratteristiche ( rumore e THD , su tutte) straordinarie.
Però contro il pre standard a IC restano su alcune obiezioni.
Anzitutto è altrettanto vero che nei pre ( quei pochi che ancora si costruiscono) "stranamente" vengono usati
Op. Amp. mediocri , implementati in modo pacchiano.
Ogni Op. Amp. a tutt'oggi riesce a sfoderare valori di THD e di linearità solo grazie ad elevatissimi tassi di
controreazione interni.
Tutte queste straordinarie caratteristiche , purtroppo, continuano a non collimare con tangibili
miglioramenti all'ascolto, per cui spesso un vecchio pre a discreti ( magari realizzato a singolo transistor
per stadio ) suona meglio nel confronto diretto con prestigiosi pre a IC .
Ma anche vecchi pre con IC preistorici ( uA741 per esempio) suonano meglio dei moderni .

Voglio dire che in ogni caso la valutazione è del progetto globale,
non potendosi escludere a priori qualsiasi tipologia ben realizzata .

[rock59]

Sapete perché gli integrati operazionali sono così bistrattati?
La risposta è semplicissima: perché ormai in hifi non conta più il suono ma i Kg. di componenti che sono presenti nell'apparecchio.
Più componenti ci sono e più è giustificato il costo altissimo dell'oggetto stesso.
Se guardate le circuitazioni dei preamplifiatori commerciali a componenti discreti noterete che tutti usano una topologia operazionale riprodotta con transistor,resistenze e condensatori (amplificatore operazionale discreto).
Questa modalità operativa è assolutamente assurda per un fatto fondamentale che nessuno e dico nessuno puntualizza e che è il seguente:
il circuito integrato è prodotto su un solo piccolissimo pezzo di silicio e pertanto ha delle tolleranze impossibili da ottenere nelle versioni discrete (transistor elettricamente identici senza ombra di dubbio).
Inoltre i circuiti più costosi hanno ulteriori affinamenti delle caratteristiche, effettuate mediante operazioni di laser trimming di reti restitive interne ai circuiti stessi.
Questo porta ad una ripetitività delle caratteristiche impossibili da ottenere con altri mezzi.
Certo che un pre ad integrati avrebbe un numero minimo di componenti e pertanto sarebbe certamente da scartare senza neanche ascoltarlo.
Peccato che ci si dimentichi che tutti gli dac usano gli opamp, tutti i mixer di tutti gli studi di registrazione del mondo usano gli opamp e moltissime elettroniche hiend usano opamp integrati (burmester,mark levinson ecc. ecc.)
Forse negli anni 70 aveva senso ricreare un opamp discreto a causa della limitata disponibilità di circuiti integrati (c'era solo uA741), ma oggi è assurdo......
Proporrei un ascolto al buio per verificare quanti di voi possono riconoscere un pre ad integrati rispetto ad un pre a componenti discreti.
Lo stesso vale per un umplificatore integrato........
Il problema paradossale dell'audiofilo di oggi e che.... non ascolta, quasi sempre ci si rinchiude solo in prove tecniche,grafici e teorie che portano a giudicare un oggetto senza ascoltarlo........
Il mondo hifi (o quel che ne rimane) oramai è:
Bass reflex
Valvole
Ingressi bilanciati
Cavi da 1000 euro al metro.
Tutto il resto non suona a priori!!!!!!!
Grazie per l'attenzione.
R.G.

[rock59]

Tiromancino,
In linea di massima posso essere d'accordo ma resta il fatto che è da dimostrare se all'ascolto si sia in grado di riconoscere una tecnologia piuttosto che un'altra.
Io resto dell'avviso che spesso si parte prevenuti e si sentono differenze dove non ci sono o addirittura quello che si difende a spada tratta suona peggio di quello che si 'odia' a priori.
Certo è che se un apparecchio è progettato male suonerà male a prescindere dalla tecnologia utilizzata.
Ad esempio ho ascoltato ampli a valvole assolutamente mediocri per i miei gusti musicali nonostante gli stessi ampli vengano
indicati come ben suonanti.
Tutto è relativo........

[gigigi]

Solo un piccolo appunto, negli integrati ci sono poche resistenze perchè è più costoso farle, e ci vuole un'area maggiore sul chip. Quindi vengono sostituite con transistor. I condensatori, poi, non ci sono per niente, o quasi, nell'esempio c'è un 30pF che è già un'eccezione. (è lo schema di un 741?) Un problema di cui parlò Otala, e altri, è la notevole controreazione applicata a un circuito "lento", quindi nel nodo dove si confrontano segnale in ingresso e controreazione, questa arriva "un po' in ritardo". In più, per la stabilità, abbiamo bande passanti open-loop di soli 10-100 Hz, quando queste dovrebbero essere, si dice, almeno uguali alla banda del segnale in transito. Questo è ciò che ho capito io dalla teoria, la verifica la lascio a voi perchè io non ho le orecchie, e pur essendo messo bene come amplificazione, mi mancano due diffusori "veri"!

[bepi67]

I miei 2 centes alla discussione.

Premesso che quello che hai postato è il 741, ovvero uno tra gli op amp più merdosi per uso audio (progetto del 1975 o giù di li, operazionale per usi generalistici), ci sono da fare diversi appunti alle tue considerazioni:

1. L'uso di transistor come carico attivo, al posto delle resistenze, diventa obbligatorio quando vuoi avere alto guadagno con basse tensioni di alimentazione, o lo fai a chip o lo fai a discreti, da li non scappi;

2. Ci sono operazionali con prodotti GxB di 200 MHz e slew rate altissimi, che col piffero che li ottieni con il circuito a discreti, se non altro per le capacità parassite delle piste del circuito (potresti farli a discreti a film sottile ma parliamo di fantascienza).
Con prodotti GxB così elevati, il ritardo di gruppo introdotto dall'opamp ad anello aperto diventa ridicolo, e tutte le teorie sulla precisione della comparazione ingresso-uscita perdono significato.

3. L'op amp si comporta male quando gli chiedi l'impossibile, ovvero lo attacchi a un carico indefinito (nel senso che solo Dio lo sa), tipico caso del 99% degli operazionali sugli stadi di uscita degli apparecchi HiFi, che se va bene usano l'ne 5532, se va male il 4558, al quale si collegano cavi pitonati e carichi che, se va bene hanno una capacità di 3-400 picofarad. Basterebbe metterci in mezzo un buffer di corrente con un circuito a transistor e le cose migliorerebbero notevolmente, ma tutti si guardano bene dal farlo, altrimenti si complicherebbe troppo il circuito vanificando il risparmio introdotto con uso dell'op-amp;

Ovviamente ci sono effetti collaterali: effettivamente avere sullo stesso chip i transistori di uscita ed il differenziale all'ingresso può creare dei problemi sulla stabilità termica del circuito.

Se però il riferimento resta il 741, beh, possiamo continuare a discutere come è stato fatto negli ultimi 40 anni sull'è meglio l'opamp o i transistori.

Ciao

[queledsasol]

se va male il 4558

Ciao

Altro op amp orrido............ .


Ciao,