L'ampli ideale: parliamone

[F.Calabrese]

Non aspettatevi il solito thread che parla di schemi o della questione stato solido Vs. valvolari...

Di quelle cose ne abbiamo parlato qui: https://www.hifi-forumlibero.it/phpBB3/ ... ?f=6&t=554

E qui: https://www.hifi-forumlibero.it/phpBB3/ ... ?f=6&t=469


Questa volta partiremo da una certezza acquisita dopo anni di esperienze (dal 2009 ad oggi...) e senza più dubbi: l'ampli ideale esiste, ma non lo troverete in alcun negozio di Hi-Fi o di Hi-End. Vediamo di capire di cosa si tratta ed il perché di quest'ultima affermazione.


Partiamo con un chiarimento in materia di distorsione degli amplificatori... Guardate bene l'immagine qui sotto: mostra l'andamento della distorsione rispetto alla potenza (dell'ampli Electrocompaniet AW-400). Notate le quattro curve, relative a quattro impedenze di carico diverse: 16-8-4-2 ohm.

Distortion vs level vs imp +abc.png (224.43 KiB) Visto 2396 volte

Dal grafico possiamo individuare tre diverse zone, con comportamenti diversi ma prevedibili.

La zona "A" è quella in cui l'ampli si comporta meglio, vale a dire distorce pochissimo: si tratta -come potete vedere- di potenze intermedie e tipicamente poco al di sotto della potenza massima. Purtroppo questa è la zona operativa più raramente utilizzata nel caso di ascolti domestici: vedremo più avanti il perché.

La zona "B" è quella in cui l'ampli raggiunge la sua potenza massima, che è ovviamente assai diversa a seconda dell'impedenza del carico: maggiore per i carichi bassi e minore per le impedenze più alte. Questo nel caso dei normali ampli a bassa impedenza d'uscita (= alto Fattore di Smorzamento). Notate che più è basso il carico e più è alta la distorsione: una cosa normalissima...

La zona "C" è invece quella in cui la distorsione viene sommata al rumore di fondo, per cui AUMENTA al diminuire del livello. Purtroppo questa zona è frequentatissima durante i normali ascolti domestici, sia perché i livelli di potenza media sono appunto minimi, sia perché nei brani musicali migliori, cioé meno compressi, il rapporto tra i livelli di Picco e quelli medi raggiunge e supera i 25-30 deciBel (mille volte in potenza): quindi se la potenza di picco sarà di 100 Watt, quella media sarà mille volte inferiore, vale a dire UN DECIMO DI WATT, ed andrà a ricadere inevitabilmente nella zona "C".

Ora ditemi: quanti di voi si limitano a conoscere il dato di distorsione misurato nella zona "A", vale a dire in condizioni assolutamente diverse rispetto alle normali condizioni di ascolto...?


Segue
F.C.

[F.Calabrese]

Tanto per capire meglio il concetto, esaminiamo insieme un grafico che ci mostra la differenza tra i valori nei brevi picchi (curva in alto, in verde) ed i valori medi, integrati a passi di un secondo (curva in basso, in blu)... I valori medi sono ponderati "A" per tradizione, il che ne abbassa di poco il livello perché la ponderazione "A" attenua le basse frequenze, simulando il comportamento dell'udito ai bassi livelli (ed il fastidio agli alti livelli).

Due Vie The Wall.jpg (68.96 KiB) Visto 2392 volte

Ora ragioniamoci insieme: se collochiamo i valori di Picco Lineare in modo che ad essi corrisponda la potenza massima dell'ampli (regione "B" nel grafico del post che precede)... ecco che i fondamentali livelli medi finiranno per essere compresi in un intervallo che va da -50 a -25/30 dB rispetto alla potenza massima. E stiamo parlando di un brano di musica Rock... Con la Classica la situazione potrebbe essere peggiore, vale a dire i livelli minimi potrebbero essere anche inferiori a -50 (centomila volte al di sotto della potenza massima... ve lo ricordo). Quindi se l'ampli ha trecento watt di potenza massima, i minimi spazieranno da 3 millesimi di watt ad un terzo di watt all'incirca... Quindi sempre ampiamente nella zona "C", dove rumore e distorsione dell'ampli si sommano.

Tanto per completezza, ecco a voi il tracciato rilevato in Auditorium per il finale l'Ottava Sinfonia di Mahler: osservate bene le due curve e traetene voi stessi le deduzioni. (Qui i minimi stanno sotto un milione di volte, rispetto alla potenza massima...!!!)

Mahler_VIII.jpg (64.75 KiB) Visto 2390 volte

Segue
F.C.

[F.Calabrese]

A questo punto abbiamo capito una prima cosa: il nostro ampli ideale DEVE poter operare al meglio sia nella zona "C" (vale a dire ai bassissimi livelli) che nella zona "B", dove è condotto ad operare nel caso dei picchi brevi, che sono frequentissimi quando si ascoltano incisioni musicali di alta qualità, vale a dire poco compresse. E c'è solo UNA categoria di ampli che riesce bene in questa impresa: i Single Ended valvolari, e non a caso.

Partiamo dalla zona "B", vale a dire quella della saturazione: tutti quelli di noi che hanno esperienza di ascolto sanno bene che certi ampli valvolari (non controreazionati) distorcono talmente "bene" quando raggiungono la potenza massima -nei picchi- che è assai difficile accorgersene all'ascolto. Il loro pregio maggiore è che recuperano immediatamente dalla condizione di sovraccarico e che -comunque- producono solo armoniche di basso ordine, che l'udito scambia come normali armoniche prodotte dai vari strumenti.

E qui vi racconto una cosa che mi ha stupito incredibilmente: in uno studio pubblicato sul Journal of Audio Engineering Society negli anni '70, due studiosi (Clark e Luce) scoprirono che praticamente tutti gli strumenti acustici emettono una quota maggiore di armoniche quando vengono suonati a livello più alto (in musica si dice "forte" o "fortissimo", in italiano). Qui sotto vi mostro un esempio:

LUCE spettri strumenti.png (48.41 KiB) Visto 2381 volte

Quindi è chiaro che l'ampli valvolare (non controreazionato) imita perfettamente il naturale meccanismo di accrescimento delle armoniche quando lo strumento è suonato ad un livello più elevato. Questo spiega il perché, per esempio con le radio ed i televisori di tanto tempo fa, l'ascolto di un pieno orchestrale sembrava a volume elevato, anche se la potenza effettiva dell'ampli era di 2-3 Watt (il tipico Single Ended di EL-84 impiegato in radio e TV degli anni '50).

Per quel che riguarda le prestazioni dei valvolari ai bassissimi livelli... beh... qui sta la differenza tra quelli ben progettati e realizzati (e non necessariamente più costosi) e quelli tutti luccicanti, ma di progetto scopiazzato senza cultura. Ne riparliamo più avanti...

Segue
F.C.

[F.Calabrese]

Ora vediamo quel che accade negli ampli a stato solido (transistor e mosfet, per capirci). Sia i transistor che i mosfet hanno caratteristiche assai variabili da esemplare ad esemplare e -soprattutto- cambiano moltissimo al variare della temperatura al loro interno. I dissipatori servono a poco per compensare le differenze, perché ci mettono un tempo definito -e lungo- per intervenire efficacemente.

Ed allora... cosa fare...? Semplice: la pratica totalità degli ampli a stato solido utilizza un principio chiamato CONTROREAZIONE, e che consiste nel comparare l'uscita con il segnale in ingresso, ricavando un segnale di "differenza", che è poi quello che viene concretamente amplificato dagli stadi intermedi dell'ampli.

La configurazione in assoluto più comune è quella che vedete nell'immagine qui sotto: l'ampli (esemplificato da un triangolo) ha DUE ingressi, di polarità opposta rispetto all'uscita. L'ingresso "positivo", vale a dire non invertente, è quello dove si invia il segnale da amplificare. L'altro ingresso, quello invertente (individuato dal segno "-") riceve la tensione di uscita, attenuata da un partitore resistivo (R2 ed R1 nell'immagine qui sotto). L'amplificatore non fa altro che amplificare la DIFFERENZA tra questi due segnali in ingresso, di fatto riducendo la distorsione tanto più quanto maggiore sarà il fattore di amplificazione dell'ampli prima che gli venga applicato il segnale di controreazione. Il guadagno finale dell'ampli sarà dato dal rapporto tra i valori delle due resistenze (R2 ed R1), più uno.

OPAMP exemp.png (20.73 KiB) Visto 2378 volte

In teoria -cioè a chiacchiere...- la controreazione funziona benissimo e risolve una quantità di problemi, tra cui la stabilità termica (la si può applicare anche alla Continua...) e la gran parte delle distorsioni, inclusa la (rara) nonlinearità della risposta in frequenza, che si amplia anche troppo... PERO' CREA ANCHE BEI PROBLEMI... ed in particolare proprio nelle importantissime zone di funzionamento "B" (al clipping) e "C" (ai bassissimi livelli), vale a dire proprio dove le prestazioni dell'ampli incidono maggiormente con quel che si ascolta. Spieghiamo meglio, partendo dalla zona "C".

Osservate la freccia nell'immagine: essa rappresenta il punto in cui il segnale di uscita -attenuato dal partitore R2-R1- viene impiegato come termine di confronto con il segnale in ingresso. Ebbene... immaginate di scendere di livello, gradualmente, fino ad arrivare al punto in cui lì (alla freccia) avremo raggiunto il livello di rumore di fondo. Cosa comparerà l'ingresso negativo, se non un disordinato rimescolamento di segnale e rumore stocastico...?

Ecco dunque spiegato il perché la controreazione ha un definito limite -in termini di efficacia- quando i livelli agli ingressi raggiungono il limite del rumore termico e dei vari altri tipi di rumore (shot noise, ecc...) presenti nelle resistenze e negli stessi stadi attivi.
In queste condizioni è chiaro che si comporterà molto meglio lo stadio di amplificazione NON controreazionato, che magari sarà anche progettato in modo di avere il minimo di rumore fisicamente possibile, p.es. impiegando trasformatori al posto delle resistenze. E questo spiega la superiorità ai bassissimi livelli delle elettroniche "antiche", come i finali WE degli anni '30 per capirci... vedi lo schema qui sotto...

WE_7a_amp.jpg (125.71 KiB) Visto 2376 volte

E' facile prendere in giro gli audiofili giapponesi per le loro manie... ma in fatto di ampli ci hanno insegnato moltissimo.

Segue
F.C.

[F.Calabrese]

Ora parliamo -invece- dei problemi creati dalla controreazione nella zona "B", vale a dire quando l'ampli raggiunge la potenza massima.

Lo avrete letto mille volte, che la presenza della controreazione rende "brutale" il clipping di qualsiasi ampli, valvolari inclusi. Nei valvolari Push Pull si impiega infatti abbastanza controreazione da creare un comportamento al clipping che è pochissimo diverso rispetto a quello dei soliti ampli a transistor o mosfet.

Quello che invece avrete letto pochissime volte, se non mai, è che la controreazione CAMBIA LO SPETTRO DELLA DISTORSIONE al clipping, come spiegò tra i primi Peter Baxandall sulle pagine di Wireless World. Osservate con attenzione l'immagine qui sotto, che mostra lo spettro di uno stesso segnale all'aumentare della controreazione.

FBack_Pass.jpg (366.7 KiB) Visto 2366 volte

Lo stesso concetto viene spiegato dall'immagine qui sotto, in cui potete vedere quanto vengano ridotte (o accresciute) le armoniche di ordine diverso a seconda della maggiore o minore quantità di controreazione (feedback in inglese).

FBack_JLH.jpg (371.15 KiB) Visto 2366 volte

Notate che i primi 10 dB di controreazione sono quelli che creano il maggior danno all'ascolto, di fatto incrementando le armoniche di alto ordine , invece di ridurle...

Ed ora pensate a quanti (ignorantissimi) costruttori di ampli valvolari si vantano di averli controreazionati pochissimo... (appunto quei 6-8-10 dB che fanno poco in termini di riduzione della distorsione in termini assoluti, ma creano armoniche di alto ordine sicuramente micidiali all'ascolto)... Cretini !


Segue
F.C.

[F.Calabrese]

Ma restiamo ancora per un post sull'importantissimo argomento relativo al MODO con cui gli ampli clippano.

Nell'immagine qui sotto potete vedere (a sinistra) lo spettro povero di armoniche che è tipico degli ampli valvolari NON controreazionati, quando entrano in saturazione. Per confronto, alla destra potete vedere quanto lo spettro prodotto da ampli a valvole o a transistor controreazionati sia ricchissimo di armoniche anche di ordine altissimo, vale a dire quelle che letteralmente "segano le orecchie".

Soft+Hard Clipping.png (233.43 KiB) Visto 2362 volte

Proviamo a fare insieme due conti su quel che accade nella normale pratica di ascolto domestico di un impianto HiFi, e partiamo dalla constatazione che i diffusori di gran lunga più diffusi sono quelli la cui efficienza è compresa tra gli 85 ed i 90-92 dB/1W/1m. Attenzione alle specifiche che riportano la tensione di prova (2,83 Volt) invece della potenza nominale... infatti 90 dB/2,83V/1m corrispondono a 90 dB con TRE Watt, ad un metro, se il diffusore ha la tipica impedenza di 2,5-3 ohm, specie in gamma bassa. E quindi quei 90 dB sono in realtà 85 dB/1W/1m... (furbissimi... eh...?).

Ebbene, con 85-86 dB/1W/1m occorrono circa MILLE Watt di Picco ad un metro, per riprodurre un pieno orchestrale da 115 dB, e più di TREMILA Watt di picco per riprodurre seriamente un concerto di Rock-Pop a livelli "live". E poi... chi di voi ascolta con i diffusori ad UN METRO dalle orecchie...? Nessuno !

Ipotizzando una distanza d'ascolto di DUE metri occorrerà moltiplicare da due a quattro volte queste potenze, a seconda che l'ambiente aggiunga o meno le sue riflessioni... (Ma attenzione: le riflessioni possono arrivare in fase o anche in controfase, ed in questo secondo caso sottraggono livello...!!!

Abbiamo capito che sia i pieni orchestrali che il Rock-Pop a livelli "live" sono assolutamente impraticabili, con i soliti diffusori a bassa efficienza, che non a caso io chiamo: "ciofegoni asfittici"... anche perché potenze di qualche migliaio di Watt li cuociono o li danneggiano inesorabilmente.

Diverso è il caso in cui i diffusori abbiano 96-97 dB/1W/1m, per cui i 115 dB di Picco ad UN metro si raggiungono con circa 80 Watt, ed a DUE metri occorrono al massimo 320 Watt di Picco, vale a dire due canali da 160 W di Picco, che si traducono in 80 Watt RMS nelle normali specifiche (misurate con segnali sinusoidali, per cui il rapporto tra valore di potenza di Picco ed il valore RMS è pari a due).

Ma quanti sono i sistemi di diffusori che hanno VERAMENTE un rendimento di 96-97 dB/1W/1m o più ancora...? Pochissimi...!!!

Comunque abbiamo capito che la possibilità che i nostri ampli clippino è tutt'altro che ipotetica, anzi è quasi la regola quando i diffusori sono di efficienza media o bassa.

In due parole: un ampli a valvole NON controreazionato produrrà un ascolto ancora accettabile anche quando i picchi verranno "tosati" di 9-12, anche 15 dB (a seconda della sensibilità e esperienza dell'ascoltatore).
Diversamente, gli ampli controreazionati, siano essi a valvole che a transistor, suoneranno in modo vetroso ed affaticante all'ascolto già con picchi "tosati" di 6-7 deciBel...

Ebbene: la differenza tra questi 6-7 dB ed i 9-12-15 dB dei valvolari NON controreazionati E' ESATTAMENTE LA DIFFERENZA APPARENTE DI POTENZA ALL'ASCOLTO, quando si compara un ampli valvolare NON controreazionato con gli omologhi a stato solido o valvolari, ma con anche poca controreazione. Con buona pace di quelli che dicono che "la controreazione è un falso problema"...!

Fermo il thread per darvi il tempo di leggere e riflettere, per poi proseguire. Per i commenti, vi chiedo di postarli su questo thread accessorio, perlomeno fino a che non avrò completato la parte informativa di questa discussione: https://www.hifi-forumlibero.it/phpBB3/ ... =5&t=10017


Saluti
F.C.

[F.Calabrese]

Apro questo thread per raccogliere i vostri primi commenti su questo: https://www.hifi-forumlibero.it/phpBB3/ ... =5&t=10005

Successivamente unirò i due thread ed aprirò i commenti per il thread risultante.

Saluti
F.C.

[tola]

Forse mi è sfuggito qualcosa. Qual’e’ l’ampli ideale?

[F.Calabrese]

Forse mi è sfuggito qualcosa. Qual’e’ l’ampli ideale?

Ci dobbiamo arrivare...

I primi post sono solo una premessa !

Saluti
F.C.

[bobgraw]

Apro questo thread per raccogliere i vostri primi commenti su questo: https://www.hifi-forumlibero.it/phpBB3/ ... =5&t=10005

Thread molto bello, complimenti.

L'ampli ideale è un finale SE a valvole per la gamma alta oppure uno ss a trafo con massa flottante, molto potente e poco controreazionato per i mediobassi. In entrambi i casi con ingressi bilanciati (veri).