L’amplificatore di potenza – Filosofia progettuale

L’impianto ad alta fedeltà, tanto auto-costruito quanto commerciale, è il mezzo più appropriato per riprodurre la musica e avere l’impressione di ascoltarla dal vivo negli spazi domestici dedicati. Senza entrare nel merito dell’ambiente e di tutte le problematiche connesse, una configurazione ragionata sulla scelta delle elettroniche dovrebbe rispecchiare la personale preferenza di ascolto. In realtà più che di ascolto dovremmo parlare di percezione psicoacustica. Questa è il risultato della cultura del suono formatasi nel tempo dall’eventuale studio di uno strumento e dalle caratteristiche del suono relativo, dall’ascolto di voci, rumori, suoni naturali, canto, strumenti musicali dal vivo, dalla fruizione di concerti classici e leggeri. Inoltre la percezione psicoacustica è influenzata dalle distorsioni acustiche, dalla risposta in frequenza, dal timbro, dall’impressione spaziale. Se la risposta in frequenza dell’impianto audio è un elemento misurabile e la qualità delle frequenze alte e basse e la risposta uniforme è un obiettivo ricercato, il timbro, il riconoscimento e l’apprezzamento generale del contenuto armonico è quello che maggiormente colpisce la nostra percezione uditiva. Grazie alla capacità di localizzazione binaurale del nostro organo uditivo, mentre ascoltiamo un brano formiamo un’immagine mentale del posizionamento dei musicisti, dei cantanti e del contesto ambientale. L’immagine può essere molto reale quando l’impianto è posizionato correttamente. In essa sono raffigurate le dimensioni e la forma della sorgente sonora. L’amplificatore di potenza rappresenta l’ultimo componente attivo della catena audio. Gli amplificatori possono essere a valvole, a stato solido o ibridi (utilizzando valvole e transistori nel loro circuito). Un’ulteriore distinzione riguarda la classe di funzionamento: A; AB; B; C; D; G; H; S.

L’interesse per gli amplificatori in classe A e in classe AB a stato solido risale alla metà degli anni 70. Pur ritenendo gli amplificatori a valvole elettroniche di tutto rispetto, le problematiche di linearità, distorsioni e il degrado dei tubi termoionici nel tempo, mi hanno portato a concentrare l’attenzione sulle elettroniche a stato solido. Utilizzando componenti a stato solido si possono realizzare circuiti di indubbia qualità sonora con caratteristiche tecniche e prestazioni che non variano nel tempo. Gli amplificatori si differenziano nella riproduzione audio per la topologia circuitale e a seconda che siano realizzati con valvole, transistor o mosfet.

Perché parlo di filosofia? Già agli inizi degli anni 80 con il mio amico Lucky iniziammo la progettazione e sperimentazione di un amplificatore che avesse determinati requisiti timbrici e sonori e che fosse in qualche modo diverso da quelli che generalmente si trovavano nella letteratura elettronica. La continua ricerca e i miglioramenti che ne seguirono ci portarono alla realizzazione di un circuito che si distingueva nella riproduzione musicale per la raffinatezza del dettaglio e la qualità timbrica del suono.

Non vi è dubbio che la percezione musicale è diversa da individuo a individuo. Questa differenza, spesso oggetto di animate discussioni, tende a contrapporre sostenitori di misure strumentali e sostenitori di qualità percepita. In realtà la ragione può stare d’ambo le parti. Infatti nella progettazione di un amplificatore di potenza è necessario ricercare il giusto compromesso tra il risultato ottenuto con misure strumentali e la qualità percepita all’ascolto. Ovviamente, quest’ultima assume significato se è fatta in condizioni tali da non influenzare gli stessi ascoltatori. Un buon amplificatore può scaturire da diverse soluzioni circuitali e ognuna potrebbe essere considerata quella ideale. In ogni caso molte caratteristiche tecniche-progettuali del nostro amplificatore hanno trovato conferma nelle numerose occasioni di ascolto e confronto con altri amplificatori cosiddetti “esoterici”. Annotando negli anni le modifiche, le misure strumentali e i test di ascolto, abbiamo avuto conferma della “filosofia progettuale” e della validità del circuito messo a punto. Si possono, quindi, così riassumere le caratteristiche minime da ricercare nella realizzazione di un buon amplificatore di potenza a stato solido:

1 – Capacità di pilotare qualsiasi carico: facile più a dirsi che a farsi. Il carico di un amplificatore è un carico complesso. La cassa acustica è composta da crossover, altoparlanti e cavi, e fa sì che l’amplificatore si trovi a pilotare un carico capacitivo, induttivo e resistivo che varia di fase e impedenza secondo la frequenza riprodotta. Tenendo conto che nella musica spesso le frequenze riprodotte contemporaneamente sono molteplici, come ad esempio nella riproduzione di orchestre sinfoniche, spesso è la capacità di erogare corrente a fare la differenza.

2 – Distorsione di fase quasi assente: nel range da 20 a 20000 Hz la rotazione di fase dovrebbe essere contenuta. La rotazione di fase è il ritardo del segnale di uscita rispetto quello di ingresso. Le cause, spesso, sono legate alle compensazioni utilizzate per stabilizzare il circuito, in particolare nella retroazione. L’orecchio umano è sensibile alla distorsione di fase sui suoni di natura transitoria mentre è insensibile ai suoni di natura statica.

3 – Bassa retroazione (feedback): una piccola porzione di segnale riportato all’ingresso in opposizione di fase (retroazione) rende il circuito più stabile e funzionale. La retroazione deve essere comunque bassa perché va ad incidere sulla qualità di riproduzione musicale. La scelta di retroazioni elevate servono a diminuire la distorsione armonica o in alcuni progetti a stabilizzare il circuito. Per ridurre la retroazione totale si può agire anche con retroazioni locali dei vari stadi.

4 – Distorsione contenuta: ricercare un distorsione armonica (THD) con numerosi zeri prima della virgola non ha senso e spesso è a discapito di altri parametri . Studi (Olsen – 1950) hanno dimostrato la bontà del nostro orecchio che nelle condizioni migliori non riesce a percepire distorsioni inferiori allo 0,75% ( Vedi articolo) . Sebbene la distorsione armonica sia quella più conosciuta, ci sono altri tipi di distorsione che incidono sulla qualità audio di un amplificatore, tra cui quella di intermodulazione e, come sembrerebbero dimostrare ricerche più recenti, quella di memoria (memory distorsion G. Perrot – 1996).

5 – Risposta in frequenza elevata: proprio perché la risposta in frequenza è responsabile della rotazione di fase questa deve essere elevata. Un range minimo che va da 10 a 100.000 Hz soddisfa il contenimento della distorsione di fase del segnale da 20Hz a 20Khz.

6 – Fattore di smorzamento uniforme: sul fattore di smorzamento ho dedicato uno specifico articolo. Ottenere fattori di smorzamento molto alti significa dover penalizzare altri parametri senza alcun beneficio nella qualità di riproduzione audio. Utile, invece, che il fattore di smorzamento misurato riguardi tutto il range della frequenza udibile e non solo, come spesso accade, quello delle frequenze più gravi.

7 – Potenza minima di 80-100 watt per canale: anche su questo argomento ho pubblicato un articolo che ne spiega le ragioni.

8 – Classe di funzionamento : anche se la classe A sembra suonare meglio, la realizzazione di un amplificatore in classe A con potenza elevata richiede un investimento notevole e un dispendio di energia assorbita. Il compromesso può essere quello di prevedere il funzionamento in classe A a bassa potenza e in classe AB per il resto della potenza erogata. Ad esempio 5 -10 watt in classe A per un finale da 100 – 200 Watt per canale.

9 – Topologia circuitale: la topologia circuitale definisce differenze soniche negli amplificatori.

10 – Semiconduttori di potenza: la potenza totale dei semiconduttori implementati nello stadio finale dell’amplificatore dovrebbe essere nettamente superiore alla potenza nominale alla minima impedenza. Il beneficio sarà una maggiore affidabilità e un maggiore fattore di smorzamento.

11 – Alimentazione separata per canale: l’alimentazione separata per canale aumenta la separazione dei canali riducendo la diafonia (Vedi articolo).

12 – Elevata dinamica e risposta ai transienti: ottenibile solo con amplificatori con potenza superiore a quella necessaria nel proprio ambiente di ascolto. Questo darà la garanzia che l’amplificatore potrà riprodurre qualsiasi genere musicale senza rischio di incorrere nel clipping del segnale audio.

13 – Slew Rate elevato: è bene che lo Slew Rate sia più alto di quello minimo necessario (vedi articolo)

La messa a punto di un’amplificatore richiede numerose misure tecnico-strumentali e numerosi test di ascolto; soprattutto se si cerca di ottenere un’amplificazione lineare, cioè che non aggiunga o tolga nulla al segnale originale. L’amplificatore di potenza “Nice Audio reference“, che ritengo risponda alla massima qualità sonora fra tutti quelli che abbiamo progettato, si basa su uno schema tipico a tre stadi a simmetria complementare con soluzioni originali nello stadio di ingresso e soprattutto nello stadio di uscita. L’architettura a tre stadi rappresenta la migliore filosofia di progettazione perché consente la modifica, la messa a punto ed il controllo dei parametri di ogni singolo stadio. Già dagli anni 60 la maggior parte degli amplificatori utilizzava un’architettura a tre stadi (fig.1). Lo stadio di ingresso o primo stadio (a transconduttanza), lo stadio amplificatore di tensione o secondo stadio ( a transimpedenza) e lo stadio a guadagno in tensione unitario ed elevato guadagno in corrente o terzo stadio (stadio finale). L’amplificatore di potenza può essere progettato con un numero limitato di componenti oppure cercando di affinare per ogni stadio i flussi di tensione-corrente, impedenza e dinamica, per ottenere il massimo della stabilità, della larghezza di banda e ridurre al minimo le distorsioni tipiche. Quest’ultima è la scelta che abbiamo fatto implementando topologie circuitali adeguate. Inoltre abbiamo effettuato una scelta accurata dei componenti attivi e passivi e nella fase di costruzione ogni componente elettronico è stato sottoposto a controllo meticoloso. I trasformatori toroidali sono stati costruiti su nostre specifiche. Ogni semiconduttore è stato selezionato con tracciacurve e ogni componente passivo verificato nella tolleranza del proprio valore. Il risultato è stato quello di ottenere misure tecniche pressoché identiche dei due canali. Per dare un’idea della complessità del circuito sono stati utilizzati 104 semiconduttori, 4 circuiti integrati, 26 diodi e due ponti raddrizzatori. Particolare attenzione è stata posta nel percorso del segnale, nel cablaggio delle masse, nel layout dei circuiti stampati. I grossi condensatori elettrolitici, che fungono da serbatoio di corrente, sono stati posizionati in prossimità dei trasduttori di potenza e saldati sulle piste che alimentano gli stadi finali. Questa soluzione dovrebbe consentire una risposta immediata ai transienti. Inoltre l’utilizzo di retroazione locale ha permesso di mantenere bassa la controreazione totale pur mantenendo un’ottima stabilità del circuito. La protezione, separata per canale, è affidata a due fusibili di rete e due circuiti che rilevano l’eventuale presenza di corrente continua in uscita con conseguente interruzione dell’alimentazione dei relè. Gli stessi circuiti agiscono come temporizzatori all’accensione del finale. Lo stato dell’amplificatore (acceso/spento) è indicato da un piccolo led rosso che non sottrae attenzione durante l’ascolto.

Nell’immagine in alto è evidente il numero elevato di componenti attivi e passivi utilizzati e la disposizione ragionata dei vari stadi. La progettazione dello schema elettronico risale alla seconda metà del 1996, gli interventi di miglioramento negli anni sono stati minimi mentre la manutenzione, ad oggi, ha richiesto soltanto la sostituzione dei relè di protezione.

Per quanto riguarda la qualità audio dell’amplificatore, rientrando questa nella percezione psico-acustica, la descrizione è espressione di un parere soggettivo. Durante l’ascolto quello che maggiormente si fa apprezzare è la raffinatezza della riproduzione sonora e il dettaglio dell’immagine percepita. Gamma bassa veloce ed estremamente controllata, gamme medio alte accurate e rifinite tanto da far cogliere ogni piccola sfumatura con naturalezza e senza mai stancare, anche quando si tratta di gruppi orchestrali complessi. Il tutto con una qualità timbrica che oserei definire neutrale, diversa comunque da quella valvolare, a mosfet e transistori. Queste caratteristiche fanno sì che venga messa in evidenza la qualità della sorgente e la dinamica delle registrazioni. In particolare nella musica digitale si apprezza facilmente la differenza tra le registrazioni realizzate a 16 bit e quelle realizzate con un campionamento superiore. Da evidenziare il riscontro sulla qualità percepita da altri cultori della musica e del bel canto che negli anni hanno avuto modo di ascoltare l’impianto. Comunque, al di là della percezione uditiva, resta il fatto che la soddisfazione maggiore che può dare un impianto ad alta fedeltà è quella di passare in secondo piano durante l’ascolto. Se questo si verifica, l’attenzione si concentrerà sugli intrecci armonici della trama musicale e sarà orientata alla ricerca delle emozioni che l’autore e l’esecutore del brano vogliono trasmettere.