L’AMPLIFICATORE COME FUNZIONA UN AMPLIFICATORE Una immagine classica per comprendere l'uso dell'amplificatore è quello della valvola, intesa in senso idraulico. Tramite la valvola idraulica, è possibile controllare grandi pressioni d'acqua con un minimo dispendio di energia. Analogamente, un tubo a vuoto ( la valvola elettronica, EN= vacuum tube) controlla l'entità del flusso di segnale. Non è semplice dare una spiegazione del funzionamento dei tubi a vuoto senza prima fornire una infarinatura di elettronica. Possiamo però dire con una certa semplicità che, in presenza di una corrente continua, nel tubo a vuoto si presenta una differenza di potenziale tra il catodo e l'anodo (quest'ultimo detto placca nel tubo a vuoto). Fra i due elementi, catodo e placca, si trova una rete a griglia di materiale metallico che svolge una funzione analoga a quella della valvola idraulica, regolando il flusso di elettroni che si spostano dalla placca al catodo. Lo schema che vediamo è quello di un particolare tubo a vuoto, il triodo. Quando il livello del segnale sulla griglia subisce variazioni anche minime, corrispondentemente ci sono variazioni analoghe ma molto maggiori tra il catodo e la placca. Questo si traduce, come si vede nello schema esemplificativo che segue, in una amplificazione del segnale.
La maggior parte degli amplificatori attualmente sul mercato non utilizzano più i tubi a vuoto, eccezion fatta per apparecchiature particolarmente costose. Sono invece molto diffuse le apparecchiature a transistor. Il transistor (trans-resistor, ossia resistenza variabile) si basa su un principio elettrico del tutto differente, ma nella sostanza simile, nel senso che l'azione svolta dal transistor è identicamente assimilabile a quella della valvola che abbiamo visto all'inizio. Con una tensione di controllo alla base del transistor, è possibile creare una variazione nella resistenza tra collettore ed emettitore, proporzionale alla tensione di controllo ma molto maggiore. Questo si traduce in una amplificazione all'uscita del dispositivo. Lo schema di base di un amplificatore a transistor non è molto dissimile da quello di un amplificatore "a valvola" (ossia a tubi a vuoto).
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Nella pratica il transistor non opera in modo lineare, il che costringe ad operare una correzione mediante un segnale di bias applicato alla base del transistor: questo segnale costringe il transistor ad operare in una zona di linearità. POSSIBILI PROBLEMI DI UN AMPLIFICATORE Sono due le principali difficoltà incontrate da un amplificatore: la prima è il rumore, la seconda è la saturazione. Il rumore è dovuto alla circuiteria stessa, e può essere più o meno presente nel segnale in uscita a seconda di come è progettata e costruita la circuiteria stessa. E’ un parametro molto importante in un amplificatore, e dipende in genere dall' accuratezza del fabbricante. La saturazione è invece un fenomeno che non dipende dalla qualità del dispositivo, ma unicamente da tre valori: l'alimentazione, il rapporto di guadagno e il valore del segnale in ingresso. Facciamo un esempio: Se l'amplificatore ha un'alimentazione di 24 volt, ciò vuol dire che la massima tensione in uscita possibile sarà di 24 volt. Tensioni maggiori produrranno necessariamente una alterazione del segnale, essendo fisicamente impossibile per l'apparecchiatura una uscita maggiore. Ora, immaginiamo che un segnale in ingresso abbia un valore di 0,5 volt e che l'amplificatore stia operando con un rapporto di guadagno di 30:1. E' evidente con un semplicissimo calcolo che il valore di 0,5 volt moltiplicato per 30 darà un'uscita di 15 volt: ciò è compatibile con l'alimentazione e il segnale verrà inviato in uscita regolarmente. Immaginiamo invece un segnale in ingresso di 1 volt, con lo stesso rapporto di guadagno di 30:1. In questo caso il valore di 1 volt moltiplicato per 30 darò un valore in uscita di 30 volt. Questo è incompatibile con il massimo valore di tensione in uscita. Ciò produrrà un taglio delle onde in uscita, e una corrispondente distorsione del segnale. Va detto che il fenomeno della distorsione viene percepito molto più distintamente con i transistor che con i tubi a vuoto, in quanto i transistor in caso di distorsione producono una grande quantità di armonici dispari, particolarmente udibili e fastidiosi.
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L'AMPLIFICATORE OPERAZIONALE Tutti gli amplificatori che trovano applicazione nella produzione audio sono amplificatori operazionali (abbreviato in op amp). Un amplificatore operazionale è un amplificatore a larga banda ed elevato guadagno, con alta impedenza in ingresso e bassa impedenza in uscita. Vi sono numerosi tipi di amplificatore operazionale: • Il preamplificatore • L'equalizzatore • L'amplificatore sommatorio • L'amplificatore distributore • L'amplificatore da isolamento • L'amplificatore convertitore di impedenza • L'amplificatore di potenza • Il VCA (amplificatore controllato in tensione) • Il DCA (amplificatore a controllo digitale) IL PREAMPLIFICATORE Il preamplificatore è necessario non solo per incrementare il livello microfonico a quello di linea, ma anche per dare la possibilità di un controllo del guadagno del segnale e consentire di conferire determinate caratteristiche al segnale stesso. Il preamlificatore è infatti uno strumento "che suona", capace di dare un colore ed uno spessore caratteristici al suono, all'incirca allo stesso modo di un microfono. La qualità del preamplificatore in un lavoro in studio è fondamentale per la riuscita finale del lavoro, per cui è molto importante verificare che il proprio pre non produca un eccessivo rumore e sia in grado di rendere una buona gamma dinamica. Come per molte altre apparecchiature (vedi soprattutto i compressori), un preamplificatore valvolare, ben progettato e realizzato in modo rigoroso, può dare degli eccellenti risultati, ma anche molti modelli a transistor sono ormai di livello eccellente. L'AMPLIFICATORE DI POTENZA L'amplificatore di potenza viene detto anche finale di potenza (o semplicemente finale) o anche, abbreviando dall'inglese, power amp. Il power amp ha la funzione di alzare la potenza di un segnale alla potenza alla quale i diffusori possano raggiungere un certo livello desiderato. Questa definizione, all'apparenza un po' fumosa, ha una precisa ragione d'essere nel fatto che è il livello desiderato - e insieme quello consentito dai diffusori, o monitor - a definire la potenza necessaria dell'amplificatore, e non ovviamente il contrario. Sono molti i fattori che entrano in gioco in un amplificatore di potenza, sia per quanto riguarda la scelta, sia per quanto riguarda la manutenzione. Innanzi tutto diciamo che nell'uso di un amplificatore di potenza va tenuto conto della produzione di calore di quest'ultimo, in particolare per le apparecchiature a transistor. Un amplificatore di potenza deve disporre di varie protezioni per evitare rotture della circuiteria in caso di sovraccarico termico. Un altro parametro estremamente importante è l'impedenza. L'impedenza in uscita della maggior parte degli amplificatori di potenza in commercio è compresa tra i 4 ohm e i 16 ohm, con una certa preponderanza per il valore nominale di 8 ohm. E' estremamente importante, per evitare danni al sistema, accertarsi che l'impedenza in uscita richiesta dall'amplificatore sia compatibile con l'impedenza richiesta dai monitor. Bisogna sapere infatti che un amplificatore di potenza che si trovi ad alimentare un sistema di diffusori dalla sensibilità troppo bassa, rischia di andare in sovraccarico, con la tendenza quindi a produrre distorsione; questa distorsione (fatta di onde "tagliate) contiene per sua natura segmenti di corrente continua ad alto livello, capaci di bruciare le bobine dei diffusori, compromettendo il funzionamento del sistema stesso. Stabilire la potenza necessaria dell'amplificatore di potenza perché sia possibile
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fornire energia adeguata ai diffusori, ad esempio nel caso di un concerto all'aperto, non è cosa facile e richiede un certo numero di calcoli. Per chi volesse seguire un po' di formule, proviamo ad esporre il calcolo necessario, soprattutto per dare l'idea di quali siano le difficoltà che si incontrano nel maneggiare grossi impianti di amplificazione. Introduciamo innanzi tutto le grandezze di cui abbiamo bisogno. • Chiameremo LAmp il guadagno richiesto all’amplificatore in dBW • Lp sarà il livello di pressione sonora desiderato • Dx sarà la distanza tra i diffusori e gli ascoltatori (in genere si considera la distanza tra i diffusori e lo spettatore più lontano che si voglia raggiungere) • DDx sarà pari a 20 log Dx (differenza di livello SPL con la distanza) • LTM è il margine per i transitori, ossia il cosiddetto Headroom o fattore di cresta • MOffAxis è il valore di correzione per il fuori asse • LSENSI sarà il valore di sensibilità dei diffusori (espresso in dBSPL ad 1W/1m) Il margine per i transitori o Headroom LTM è il margine di livello massimo transitorio sopportabile dai monitor, e si misura in dB. Il valore di correzione per il fuori asse MOffAxis è la variazione della pressione sonora SPL su tutta l’area d’ascolto, anch'esso naturalmente misurato in dB. Una volta noti tutti questi parametri, sarà possibile applicare la formula: LAmp = (Lp + DDx + LTM + MOffAxis) - LSENSI grazie alla quale possiamo stabilire il guadagno richiesto all'amplificatore in dBW. Per convertire questo valore in potenza elettrica (o meglio in EPR, “Electrical Power Required” - potenza elettrica necessaria per ottenere le prestazioni predeterminate, ossia la Max SPL alla distanza desiderata per una data dispersione e con un dato Transient Margin) applichiamo la formula di conversione: EPR= PSENSI x10
(L /10) Amp
ossia, essendo PSENSI la potenza di riferimento utilizzata per determinare la sensibilità dei diffusori, potenza fissata in 1 Watt: EPR (misurata in W) = 10 elevato a (LAmp/10) dove LAmp è espressa in dBW IL VCA (amplificatore controllato in tensione) Il VCA (Voltage Controlled Amplifier) non ha (come gli amplificatori visti finora) livello in output proporzionale al livello di input; il livello è invece funzione di una tensione continua, tra 0 e 5 volt, applicata all'input di controllo del VCA. Il segnale quindi viene attenuato proporzionalmente all'aumento della tensione di controllo, il che vuol dire che viene applicato un segnale esterno per controllare l'incremento del segnale in uscita. Il VCA ha molte applicazioni (ad esempio all'interno dei campionatori e degli equalizzatori), in particolare laddove sia utile una automazione del controllo sul livello del segnale.
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