Velocità di risposta di un amplificatore audio ( Slew Rate) – Misura con oscilloscopio.

Quando si parla di velocità di un amplificatore ci si riferisce allo Slew Rate. Lo Slew Rate descrive la velocità massima di variazione di tensione in uscita di un amplificatore che possiamo definire anche la capacità di un amplificatore di seguire l’ingresso all’interno della banda passante e si misura in V/µs (Volt/ micro secondo). La procedura è relativamente semplice disponendo di un oscilloscopio e di un carico resistivo di 8 ohm di adeguata potenza. Si invia un onda quadra, ad esempio da 20 Khz, all’ingresso dell’amplificatore e si aumenta il volume del segnale fino a ottenere, ai capi della resistenza, la massima ampiezza possibile. A questo punto si misura il il tempo del fronte di salita dell’onda quadra (vedi figura 1). Lo Slew Rate sarà dato da: Vpp/Δx , dove Vpp rappresenta la massima ampiezza del segnale e Δx il tempo in µs. Dallo SR (Slew rate) possiamo risalire alla frequenza massima che l’amplificatore è in grado di riprodurre alla massima potenza:

Fmax= SR / 2 x π x Vp

SR= slew rate; Vp= volt di picco della potenza massima di uscita sul carico.

Lo slew rate dipende dal limite della larghezza di banda del circuito elettronico ed è quindi legato alla scelta progettuale e a tutti gli interventi messi in atto per garantirne la stabilità. La maggior parte degli amplificatori dispone di un filtro passa-basso (filtro RC) in ingresso per ridurre al minimo l’ingresso di segnali RF (radio frequenza) e per limitare le distorsioni indotte dalla velocità di variazione. Tutto questo ovviamente falsa la misura dello slew rate che sarà minore di quella effettiva. La velocità di risposta dell’amplificatore varia in base alla potenza. Maggiore è la potenza dell’amplificatore più elevato sarà lo slew rate. Possiamo calcolare lo slew rate minimo necessario dell’amplificatore perché il segnale audio venga riprodotto senza distorsione:

SR= kHz x 2 x π

Facendo riferimento alla frequenza massima riproducibile nel range udibile che equivale ipoteticamente a 20 kHz.

Abbiamo: 20 x2x3,14 = 125,6 Vp/ms = 0,126 Vp/µs

considerando che un amplificatore da 100W su 8 ohm eroga 40 Vp

SR= 40 x 0,1256 = 5,024 V/µs

da cui si evince che per un amplificatore da 100 W è sufficiente un SR di 5,024 V/µs.

Volendo risalire alla frequenza massima riproducibile dall’amplificatore basta risolvere la formula:

Fmax = 5,024/2 x 3,14 x 40 = 20 kHz

Anche se la misura è relativamente facile bisogna tenere conto che stiamo portando l’amplificatore a riprodurre un’onda quadra alla massima saturazione; condizione quasi impossibile che possa verificarsi in condizioni normali di funzionamento e per lungo tempo. Questo potrebbe creare malfunzionamenti in amplificatori non ben dimensionati negli stadi di uscita o mal progettati. Il rischio è l’innesco di oscillazioni che nel caso migliore si manifesteranno con la bruciatura della resistenza della rete di Zobel ma che nel caso peggiore potrebbero danneggiare anche gli stessi finali di potenza. Procedere, quindi, con cautela aumentando il segnale lentamente fino a raggiungere il valore massimo per poi portarlo velocemente a zero una volta acquisito il valore.

A titolo di esempio proviamo a testare lo slew rate di un mio finale di potenza ancora in fase di messa a punto. Per farlo vado a collegare il generatore di frequenza all’ingresso di un canale e il carico resistivo da 8 ohm all’uscita dello stesso canale. Prima di iniziare il test lascio l’amplificatore acceso per circa 20 minuti in modo che i circuiti raggiungano la temperatura di lavoro e si stabilizzino. Procedo, quindi, alzando il volume del segnale del generatore fino a quando l’onda quadra saturi lo stadio di uscita del finale.

A questo punto dalla schermata di figura 3 posso desumere il valore picco picco (Vpp) del segnale di uscita: =94,4 volt (9,44 x 10) e il tempo del fronte di salita dell’onda quadra (ΔX): =2,560µs. Lo Slew rate sarà, quindi, Vpp/ΔX = 94,4/2,560 = 36,87 Volt/µs. La frequenza massima riproducibile dall’amplificatore, prendendo come riferimento il valore di picco del segnale sinusoidale di uscita alla massima potenza dell’amplificatore, sarà : Fmax= SR / 2 x π x Vp = 36,87/2 x 3,14 x 47,2 = 124,38 kHz. Questo valore supera ampiamente lo slew rate minimo necessario per riprodurre frequenze di 20 kHz che nel nostro caso sarebbe uguale a: 45 x 0,1256 =5,652V/µs.

Abbiamo stabilito lo slew rate alla massima potenza e calcolato l’ipotetica frequenza massima riproducibile dall’amplificatore. Ora difficilmente porteremo il nostro amplificatore alla massima potenza quindi proviamo a capire il comportamento a metà potenza. Misurando il fronte di salita dell’onda quadra a 20 kHz abbiamo un tempo di 1µs che potremmo tradurre in uno slew rate di 41,6V/µs. Con questi valori la frequenza massima riproducibile dell’amplificatore diventerebbe 318kHz. Questo valore si avvicina al taglio attuale del filtro RC posto in ingresso.