Preamplificatore audio e amplificatore per cuffie.

Dall’inizio dell’obbligo di rimanere in casa decido, recuperando materiale che avevo in deposito, di realizzare un preamplificatore simile a quello del mio impianto di riferimento. Ci pensavo da tempo. Riprendo in mano lo schema elettronico realizzato parecchi anni fa e apporto delle modifiche allo stadio di uscita in modo da fargli pilotare anche delle cuffie. Volendo risparmiare tempo e “denaro” non potrà avere lo stesso layout del riferimento ma sicuramente lo stesso suono. La maggior parte dei componenti che ho usato hanno anche 20 – 30 anni ho più e molti sono stati costruiti in USA e Giappone! Non ho incluso un modulo RIAA (phono) per lasciare spazio, nello stesso contenitore, allo stadio di alimentazione. Alla fine è venuto fuori il solito preamplificatore minimalista con cinque ingressi commutabili da un robusto selettore a contatti dorati, regolazione del volume affidato ad un potenziometro logaritmico Alps, doppia uscita del segnale audio e una uscita per le cuffie da 6,35 mm. Contatti dorati sul percorso del segnale e cavo Mogami per il cablaggio dello stesso. Intanto perché l’uso di un preamplificatore e non di un amplificatore per cuffia dedicato? Un preamplificatore è decisamente più versatile ed è in grado di pilotare delle cuffie, almeno il nostro per come è progettato.

Alimentato a una tensione di + – 35 Volt rigorosamente stabilizzata con l’aiuto di un sovradimensionato trasformatore toroidale, il preamplificatore utilizza un circuito a simmetria complementare particolarmente complesso con una notevole larghezza di banda, bassa retroazione, ingresso a fet e uscita a mosfet in configurazione esclusiva in classe A. La stabilità è assicurata dalla meticolosa scelta dei componenti, dallo layout del circuito stampato, dall’alimentazione stabilizzata e dalla cura del percorso delle masse. Per i più tecnici posso solo dire che l’unica compensazione si trova nel differenziale di ingresso. Il circuito utilizza 57 componenti attivi tra transistori, fet e mosfet; 26 diodi; 4 circuiti integrati con funzione di regolazione e componenti passivi di elevata qualità.

Terminato l’assemblaggio passo alla taratura e alle misure strumentali per valutarne la stabilità, le distorsioni, le prestazioni. Ultima, ma non meno importante, la prova di ascolto. Nella mia lunga e modesta esperienza ho potuto constatare che differenze immediatamente percepibili nelle sedute di ascolto sono legate proprio alle scelte circuitali che compongono lo schema. Differenze sostanziali sono udibili dalla scelta dello stadio di ingresso, dalla quantità di retroazione e in modo più incisivo dallo stadio di uscita. Quest’ultimo vale anche per gli amplificatori di potenza. Ecco perché le centinaia ore di ascolto fatte da me e il mio amico Lucky e in diverse occasioni, anche di confronto con apparecchi commerciali di elevata caratura, alla presenza di appassionati molto critici, ci ha portato a sperimentare una nostra topologia circuitale di stadio d’uscita che abbiamo poi implementato nella realizzazione di preamplificatori e ancora meglio in amplificatori di potenza. Ovviamente le prove di ascolto hanno valore se condotte alla cieca nel medesimo ambiente e con la stessa pressione sonora. Ma uno schema elettronico può comunque essere inficiato nelle prestazioni da un cattivo cablaggio e da un alimentazione inadeguata. Voglio dire che oltre al circuito elettronico, per ottenere caratteristiche analoghe per i due canali bisogna selezionare i vari componenti, bisogna curare il cablaggio partendo dal layout del circuito stampato, dal percorso e dimensioni delle piste alla disposizione delle schede e assemblaggio nel contenitore. La cura del percorso del segnale e della schermatura riduce la possibilità che segnali spuri di diversa natura si sommino al segnale audio in uscita.

Perché rivolgo molta attenzione nell’assemblaggio? Capita spesso che la scheda terminata e testata fuori dal contenitore funziona correttamente. Una volta montata nel contenitore metallico può comparire qualche oscillazione ad alta frequenza. Per eliminarla le strade possibili sono due:

a) ridurre la larghezza di banda intervenendo con compensazioni sul circuito elettronico;

b) individuare le cause che determinano l’innesco dell’oscillazione.

Nel primo caso la soluzione può essere un filtro RC posto in ingresso costituito da una resistenza e condensatore che limita il segnale di ingresso attorno ai 100Khz o anche meno. Maggiore sarà il taglio maggiore sarà la rotazione di fase o distorsione di fase, cioè il ritardo di fase fra il segnale di ingresso e quello di uscita. Se questa soluzione non dovrebbe essere sufficiente si dovrà intervenire con compensazioni sul circuito elettronico “Cdom”. In pratica controreazionando le frequenze elevate localmente o totalmente.

Indubbiamente il secondo caso è la soluzione migliore. Se è vero che il segnale può essere un segnale RF (radio frequenza) captato in ingresso è vero anche che questa oscillazione la rileviamo al momento che montiamo il tutto in un contenitore metallico che, per altro, dovrebbe parzialmente schermare questo tipo di disturbo. In base alla mia esperienza alcuni stadi del circuito nel momento che vengono montati troppo vicini al telaio metallico possono essere soggetti a delle capacità parassite, anche di pochi pf, sufficienti a determinare l’innesco di una oscillazione. Ecco perché volendo ridurre al minimo la distorsione di fase e di conseguenza ottenere una maggiore larghezza di banda del circuito e un maggiore slew rate, la strada da seguire è la ricerca della giusta collocazione nel contenitore delle schede elettroniche e il corretto percorso delle masse sia se fungono da schermatura che di messa a terra del telaio. Ad esempio la parte metallica del potenziometro del volume deve essere collegata a massa in un solo punto; utilizzando una prolunga metallica per raggiungere il frontale, questa deve essere isolata dal telaio. L’alternativa è quella di utilizzare una prolunga in plastica anche se meno robusta. Stesso discorso vale per tutti i connettori di ingresso e di uscita. Molte volte le cause di un ronzio sono proprio determinate da un contatto della massa di un connettore col telaio metallico. Un lavoro, questo, che richiede tempo e pazienza, dove spesso l’oscilloscopio assume un’importanza fondamentale, ma che alla fine viene compensato dal risultato ottenuto.

Ho previsto di poter collegare cuffie con impedenza minima di 30Ω. Effettuando misure su diversi carichi ottengo i risultati seguenti:

THD =0,1% su carico di 10KΩ – 1Khz

THD =0,12% su carico di 56Ω – 1Khz

SR=178 V/µs a 20Khz con carico di 56Ω

Frequenza Massima riproducibile 1219Khz a 47 Vpp su carico di Ohm.

Valori questi che non pretendono una precisione assoluta in quanto non tengono conto della distorsione dell’oscilloscopio ma che rendono l’idea delle prestazioni dell’apparecchio.

La distorsione di fase a 20 Khz e quasi inesistente ed è evidente nelle fig.2 e 3 con la figure di Lissajous, dove per evidenziare una maggiore distorsione bisogna arrivare a 100Khz. Questo significa che la risposta da 20 a 20000 Hz (range ipoteticamente udibile) non presenta alcuna distorsione di fase e lo slew rate è molto elevato.

Ho parlato di distorsione di fase e larghezza di banda o larghezza di ampiezza. La larghezza di banda è l’intervallo fra la frequenza più bassa a-3dB e la frequenza più alta a -3dB rispetto la frequenza nominale di centro banda che convenzionalmente viene normalizzata a 1000Hz assunto che il segnale audio è compreso fra i 16 e 20Khz.

La distorsione di fase non è altro che la rotazione di fase delle componenti spettrali del segnale d’uscita rispetto quello di ingresso. Alla fine, risposta in frequenza e rotazione di fase e slew rate sono correlati tra loro e vanno ad influenzare la qualità audio di un sistema di amplificazione.

Il limite della larghezza di banda è determinato dalla stabilità del circuito e anche dalla necessita di ridurre il rumore di fondo e le distorsioni di intermodulazione.

E’ provato da diversi esperimenti di ascolto che l’aumento della larghezza di banda, ad esempio passando da un filtro con taglio a 50 Khz a un filtro con taglio a 100 Khz, determina la percezione di un miglioramento della nitidezza sonora. Si è visto anche che l’orecchio umano è sensibile alla distorsione di fase su suoni dì natura transitoria.

Gli esperimenti di ascolto, che abbiamo condotto quando l’orecchio era giovane, ci hanno dato conferma che la maggiore ariosità e nitidezza della riproduzione audio che si avvertiva con una maggiore larghezza di banda e una minore retroazione metteva in secondo piano l’inevitabile aumento di rumore di fondo dell’impianto di amplificazione; a fronte di un aumento della distorsione armonica totale, migliorava nettamente il senso di naturalezza e di maggiore dettaglio della scena sonora.

Bene. Terminato il lavoro e collegato la mia cuffia AKG Q701 ho iniziato ad ascoltare diversi brani ben conosciuti: la qualità di riproduzione è notevole, nettamente superiore ad un amplificatore per cuffie dedicato munito di DAC, anche dopo lunghe ore di ascolto si continua ad apprezzare il dettaglio e la naturalezza del suono senza che ci sia alcun affaticamento di ascolto.