L’attuale mercato dell’alta fedeltà offre una vasta scelta di amplificazioni, che si possono classificare in funzione di un fondamentale parametro: l’efficienza di conversione, cioè la capacità dello stadio finale di trasferire la potenza assorbita dall’alimentatore al diffusore. Scopo di questo articolo è comprendere come questo parametro influisca sulla qualità della riproduzione sonora
In un qualsiasi amplificatore parte della potenza erogata dall’alimentatore viene dissipata nel circuito di amplificazione senza raggiungere il diffusore. Tale potenza viene dissipata in calore ed è il motivo per cui gli amplificatori di potenza sono dotati di dissipatori. È anche il motivo per cui la vita di un amplificatore non è infinita: il calore dissipato e i cicli di riscaldamento/raffreddamento a cui i componenti dell’amplificatore sono sottoposti ogni volta che lo accendiamo e spegniamo sono i responsabili della effettiva durata dell’apparecchio. Non per niente, i condensatori elettrolitici sono classificati per massima temperatura di funzionamento (85°C oppure 105°C) e per resistenze e transistor di norma si indicano le massime temperature di funzionamento e il derating, cioè la massima potenza effettivamente sopportata quando il componente raggiunge una certa temperatura. È evidente, dunque, che in nome della massima durata vorremmo che il funzionamento dell’amplificatore avvenisse alla minore temperatura possibile (cioè i 15/35°C ambientali che troviamo nelle nostre abitazioni durante l’anno): ciò non può accadere perché l’unico modo che un oggetto ha di scambiare calore (cioè potenza) con l’ambiente è diventare più caldo dell’ambiente stesso: il calore fluisce dal corpo più caldo a quello più freddo.
L’efficienza di conversione dipende fortemente dalla topologia circuitale. In questo senso, possiamo effettuare una prima suddivisione degli amplificatori tra quelli lineari e quelli a commutazione o switching. I secondi, di norma, presentano un’efficienza di conversione molto elevata che può raggiungere e superare il 95 per cento. Un’ottima cosa, in quanto solo una minima frazione della potenza erogata dall’alimentatore viene dissipata dall’amplificatore sotto forma di calore.
Al contrario, gli amplificatori lineari hanno un’efficienza che dipende, ancora una volta, dalla loro topologia circuitale e da un altro fondamentale parametro: la corrente di polarizzazione (bias) dei dispositivi di potenza. In questo gruppo riuniamo gli amplificatori single-ended e quelli push-pull o a simmetria complementare.
In un amplificatore single-ended, che sia esso a valvole o a stato solido, un solo dispositivo di potenza è responsabile dell’amplificazione dell’intero segnale, sia per i valori positivi che per quelli negativi. Per questo motivo, tale dispositivo non può mai saturare o spegnersi se non all’estremo limite dell’ampiezza del segnale di uscita. Questo perché un dispositivo in saturazione non controlla più la sua tensione di uscita mentre uno spento non eroga corrente sul carico. Più in generale, il dispositivo di uscita non deve mai uscire dalla sua zona lineare. Per questo motivo, la sua corrente di polarizzazione deve essere almeno pari alla corrente massima erogabile sul carico. Si può dimostrare con alcuni calcoli, che non presentiamo per non appesantire la trattazione, che un amplificatore single-ended ha un’efficienza massima teorica del 25 per cento. Cioè: un amplificatore single-ended, con una corrente di polarizzazione adeguata a un certo carico, riesce a trasferire al diffusore solo il 25 per cento della potenza assorbita dal suo amplificatore. Il resto? Dissipato in calore. Ancora peggio, il circuito assorbe la massima potenza in qualunque condizione, anche in assenza di segnale. Paradossalmente, un amplificatore single-ended scalda di più in assenza di segnale che non durante la riproduzione di contenuti musicali.
Abbiamo parlato di efficienza “teorica”: quella reale è molto più bassa. I fattori che contribuiscono ad abbassarla sono molteplici. Nel caso di un amplificatore a valvole bisogna contare anche la potenza utilizzata per il riscaldamento del filamento o del catodo, mentre negli amplificatori a stato solido bisogna contare la potenza dissipata nel circuito di polarizzazione del dispositivo di uscita. Già questi due fattori contribuiscono a far allontanare parecchio l’efficienza reale da quella teorica. Anche i circuiti di amplificazione di segnale a monte dei dispositivi di potenza richiedono una certa potenza per funzionare e questa potenza entra nel calcolo dell’efficienza totale.
C’è poi un aspetto importante, quella che riguarda il valore reale della corrente di polarizzazione che il dispositivo di uscita deve avere per garantire un corretto funzionamento dell’amplificatore con carichi reali. Se scegliessimo una corrente adeguata a un carico resistivo di 8 Ohm, ad esempio, l’amplificatore non potrebbe erogare tutta la potenza di cui è teoricamente capace su un carico di 4 Ohm. Occorre allora raddoppiare la corrente di bias, il che porta l’efficienza dell’amplificatore a dimezzarsi. Ma ancora non basta: dobbiamo tenere conto dei carichi reattivi, cosa che facciamo aumentando ancora la corrente di bias. Ecco che l’efficienza crolla a un misero 8-10 per cento!
Proprio per questo motivo sono stati inventati i circuiti di potenza a simmetria complementare (valvole) e in push-pull (stato solido). Si tratta di circuiti in cui si usano due dispositivi attivi nello stadio di potenza, ciascuno dei quali amplifica solo metà del segnale audio: un dispositivo per i valori positivi del segnale e uno per quelli negativi. In queste configurazioni, almeno dal punto di vista teorico, in assenza di segnale nessuno dei due dispositivi attivi è chiamato a erogare corrente, per cui essi possono stare spenti. Niente corrente erogata, niente corrente assorbita, dunque nessuna potenza dissipata in assenza di segnale. La potenza assorbita dall’alimentatore ovviamente cresce con l’ampiezza del segnale, ma ci troviamo su valori decisamente inferiori a quelli di un amplificatore single-ended, anche alla massima potenza erogabile.
L’efficienza teorica di un amplificatore push-pull è del 78 per cento. Possiamo considerare un’efficienza reale del 65 per cento. Molto meglio dell’8 per cento di un amplificatore single-ended. Ma, ovviamente, tutto ha un prezzo. Un amplificatore push-pull in cui i dispositivi di uscita sono spenti in assenza di segnale distorce tanto e in modo fastidioso. Tale distorsione, detta “di incrocio”, è dovuta al fatto che un dispositivo attivo non inizia a erogare corrente con una minima tensione di pilotaggio. Ad esempio, un transistor bipolare (BJT) ha bisogno di almeno 0.6V di ingresso per iniziare a erogare una corrente apprezzabile al carico. Per un mosfet, questa tensione minima può essere anche di 3-4V! Ancora peggio per le valvole termoioniche.
Questa tensione minima di attivazione fa sì che il segnale di uscita venga fortemente distorto. La soluzione per questo grosso inconveniente è l’applicazione di una tensione minima all’ingresso di ciascun dispositivo attivo anche in assenza di segnale. Questa tensione determina la presenza di una corrente in ciascun dispositivo in assenza di segnale, chiamata “corrente di riposo”. Il lettore attento avrà già realizzato che questa corrente determina una dissipazione di potenza in ciascuno dei dispositivi di uscita, anche in assenza di segnale, che contribuisce ad abbassare l’efficienza dell’amplificatore. Giusto: fortunatamente, però, la corrente di riposo è in genere molto piccola e il suo contributo negativo al bilancio energetico dell’amplificatore è trascurabile.
È importante notare che se aumentiamo la corrente di riposo fino a valori pari a metà della corrente che desideriamo erogare al carico, otteniamo un amplificatore in cui i due dispositivi di potenza lavorano sempre in zona lineare, cioè non si spengono e non saturano mai, come capita con un amplificatore single-ended. Per questo amplificatore l’efficienza è doppia rispetto al single-ended: 50 per cento teorico e 16-20 per cento pratico. Siamo sempre molto lontani dal 78 per cento teorico del push-pull non polarizzato, ma abbiamo una qualità sonora maggiore.
Per classificare gli amplificatori lineari in base alla corrente di riposo o polarizzazione applicata, si usano le lettere; Classe A: amplificatori (single-ended o push-pull) in cui i dispositivi di potenza non si spengono mai; Classe B: amplificatori push-pull in cui la corrente di polarizzazione è nulla; Classe AB: amplificatori push-pull in cui la corrente di polarizzazione è diversa da zero.
Tra gli amplificatori in classe AB si distinguono quelli ad alta polarizzazione, che di norma funzionano in classe A per piccole potenze, sufficienti a gestire il livello medio del segnale durante un normale ascolto. Nelson Pass ha diffusamente popolarizzato questo approccio con la sua filosofia First Watt: secondo il famoso progettista americano, un Watt in classe A è sufficiente per riprodurre con altissima qualità il messaggio musicale, sfruttando maggiori potenze in classe AB per la riproduzione dei soli picchi musicali. C’è un forte consenso generale riguardo al fatto che gli amplificatori in classe A offrano la massima qualità sonora possibile e che tra quelli in classe AB, quelli con elevata corrente di polarizzazione siano superiori dal punto di vista sonoro. Vi sono però alcune altre affermazioni che andrebbero vagliate con maggior cura. Tra queste abbiamo scelto le più diffuse: un amplificatore a mosfet suona meglio di uno a bipolari perché i mosfet distorcono come le valvole; i mosfet suonano meglio dei bipolari perché si pilotano più facilmente in quanto non richiedono corrente sul terminale di ingresso; il mio push-pull di EL34 è in classe A! La classe A non occorre più perché ormai gli amplificatori in classe AB suonano altrettanto bene; qualunque amplificatore lineare suona meglio di uno in classe D. Ora, analizziamo insieme quanto sopra affermato.
Il suono dei dispositivi di potenza
È vero che la transcaratteristica (cioè la legge matematica che lega la grandezza di ingresso a quella di uscita) di un mosfet è molto simile a quella di una valvola: entrambe infatti sono leggi quadratiche. Diversamente, la transcaratteristica di un bipolare è un’esponenziale. Senza scendere nei dettagli, una legge quadratica tende intrinsecamente a produrre distorsioni di secondo ordine, mentre una esponenziale produce distorsioni più complesse e di ordine superiore. Dunque, nel solo caso di un amplificatore di potenza single-ended in cui lo stadio finale sia escluso dall’anello di reazione, è probabile che lo stadio finale realizzato con un mosfet offra un suono più gradevole di uno realizzato con un transistor bipolare. Le cose però cambiano nel caso di stadi di uscita push-pull: come ampiamente dimostrato da Douglas Self nei suoi testi sulla progettazione degli amplificatori di potenza a stato solido, l’intervallo di incrocio (cioè l’intervallo di tensioni di ingresso a uno stadio push-pull che non produce tensione di uscita) di un push-pull a mosfet è ampio fino a +/-5V, laddove quello di un push-pull di transistor bipolari è ampio circa +/-0,6V. È vero, qualunque progettista applichi una polarizzazione tale da annullare questo intervallo, ma il problema è che comunque il dispositivo scelto, nella zona di incrocio, rimane molto non lineare. Anche inglobando lo stadio di uscita nell’anello di reazione globale dell’amplificatore, questa non linearità ha i suoi effetti, riducendo la stabilità dell’amplificatore e peggiorando la sua risposta impulsiva. Meglio, dunque, che l’intervallo di incrocio sia il più piccolo possibile.
La scelta di aumentare la corrente di bias è solo un palliativo, in quanto (a parte che esiste un livello di bias unico che minimizza la distorsione armonica ed è in genere piuttosto ridotto) porta l’amplificatore ad avere due condizioni di funzionamento (classe A per i piccoli segnali e classe AB per i segnali di ampiezza maggiore) in cui il guadagno di anello è diverso: la transizione tra classe A e classe AB produce una discontinuità nel guadagno e quindi nel fattore di controreazione che può produrre spurie e, ancora una volta, riduce la stabilità dell’amplificatore, specialmente con carichi reattivi. In definitiva, il push-pull, sia esso realizzato con mosfet o con bipolari, richiede un tale tasso di controreazione che la transcaratteristica dei dispositivi di potenza risulta totalmente ininfluente in relazione al suono. Chi sente differenze tra un amplificatore a mosfet ed uno a bipolari, sta sentendo probabilmente le differenze tra due progetti diversi.
I mosfet suonano meglio perché sono più facili da pilotare
Il transistor bipolare è un dispositivo che lavora in corrente. In soldoni, questo vuol dire che per modulare la corrente di emettitore, che va al diffusore, devo applicare una corrente (molto più piccola) al terminale di controllo che è la base. Questa corrente viene fornita dallo stadio driver che deve essere opportunamente dimensionato. I mosfet sono invece dispositivi a gate isolato. Cioè, il terminale di ingresso (gate) è caratterizzato da un’impedenza elevatissima. La corrente di source, che viene applicata al carico, viene controllata da una tensione applicata al terminale di controllo, che è il gate, senza che in esso scorra alcuna corrente. Apparentemente, lo stadio driver in questo caso non è chiamato ad erogare alcuna corrente e dovrebbe essere più facile da progettare e il tutto dovrebbe suonare meglio.
Ebbene, le cose non stanno proprio così, perché a tutti gli effetti il gate è l’armatura di un condensatore, in cui l’altra armatura è il canale conduttivo tra gli altri due terminali (drain e source). Dunque, quando applico una tensione al gate, non è proprio vero che non scorra corrente nel suo terminale. In realtà, negli istanti immediatamente successivi all’applicazione della tensione di controllo, siccome il condensatore tra gate e canale deve caricarsi, la corrente scorre, eccome.
Pensiamo quindi di applicare al gate del mosfet un segnale che cambia continuamente nel tempo: per adattare la carica del condensatore di ingresso alla tensione di controllo continuamente variabile, nel gate scorrerà una corrente, anch’essa continuamente variabile. L’entità di questa corrente dipende sia dall’ampiezza della tensione di controllo, sia dalla capacità del condensatore, sia dalla velocità di cambiamento del segnale. In presenza di un segnale non costante, come è la musica, il gate del mosfet equivale a tutti gli effetti a un grosso condensatore che dev’essere continuamente caricato e scaricato dallo stadio driver, con correnti tanto più elevate quanto maggiore è la frequenza del segnale. Dunque, per far suonare bene un amplificatore a mosfet è necessario uno stadio driver ad alta corrente, ben più robusto di quello necessario per pilotare uno stadio finale a bipolari. Anche questi ultimi hanno una certa capacità di ingresso, ma è almeno un ordine di grandezza più piccola di quella di un mosfet, per cui richiede correnti ben più basse. Dunque, non è assolutamente vero che è più facile far suonare bene un amplificatore a mosfet rispetto ad uno a bipolari.
Questa affermazione risale agli anni Settanta, quando non esistevano transistor bipolari di potenza a elevato guadagno: i vecchi dispositivi BJT richiedevano una corrente di base piuttosto elevata, spesso superiore a quella richiesta dai mosfet di pari potenza coevi. Oggi le cose sono cambiate: abbiamo bipolari a elevato guadagno che si pilotano molto facilmente, mentre per i mosfet, la capacità di gate è purtroppo proporzionale alla corrente di source massima gestita, per cui quanto più è potente l’amplificatore, tanto più è impegnativo pilotare i dispositivi di potenza.
Finali a valvole in classe A
È vero: praticamente tutti i finali di potenza a valvole con trasformatore d’uscita sono in classe A. Ma questo non è niente di cui i progettisti o i proprietari possano vantarsi, perché è in effetti una scelta obbligata, imposta proprio dall’utilizzo dei trasformatori di uscita. Un trasformatore è in effetti un induttore, cioè un avvolgimento di numerose spire di filo di rame smaltato, nel volume interno della quale la corrente che scorre nel filo genera un campo magnetico. Una proprietà del campo magnetico è che non gradisce essere azzerato di colpo. Se interrompiamo brutalmente la corrente che scorre nel filo dell’induttore, esso cerca di mantenere costante il campo magnetico producendo ai suoi capi una tensione, detta “forza controelettromotrice”. Questa tensione può essere anche molto grande, in effetti è il principio sfruttato nei motori a benzina per far scoppiare la scintilla: la centralina elettronica fa scorrere una corrente nella bobina, poi la interrompe di colpo quando serve la scintilla: la forza controelettromotrice viene applicata alla candela ed è sufficiente a produrre un arco tra i suoi due terminali, cioè, appunto, la scintilla che accende la miscela nel cilindro.
Tutto questo è molto interessante, ma noi non vogliamo far scoccare alcuna scintilla sui nostri altoparlanti, per cui la presenza di una grande forza controelettromotrice al secondario del trasformatore di uscita non è desiderabile. Per questo motivo, non possiamo far lavorare un push-pull di valvole (più correttamente: uno stadio a simmetria complementare) in classe B oppure AB: ogni volta che una delle due valvole dovesse entrare in conduzione oppure andare in interdizione, avremmo dei brutti spike di tensione sul diffusore estremamente controproducenti.
Per questo motivo, le valvole finali degli amplificatori a valvole sono sempre polarizzate in classe A. Negli anni Cinquanta, McIntosh progettò due finali di potenza in cui, per spremere più potenza dalle valvole utilizzate, esse erano polarizzate in classe AB spinta verso la B. Per ridurre i problemi legati alla interdizione delle valvole finali, McIntosh dovette introdurre nel trasformatore di uscita degli avvolgimenti ausiliari collegati al catodo delle finali in modo che esse non si spegnessero mai del tutto, ma mantenessero una piccola corrente di polarizzazione. Complicazioni che oggi sono inutili, date le incredibili performance in potenza di valvole tipo le KT150.
La classe A non occorre più perché ormai gli amplificatori in classe AB suonano altrettanto bene
In parte è vero. Storicamente, uno dei maggiori problemi degli amplificatori in classe AB era la stabilità su carichi reattivi. Il basso guadagno e la ristretta banda passante dei dispositivi di potenza usati fino agli anni Novanta richiedevano elevati tassi di controreazione e, di conseguenza, pesanti compensazioni dell’anello di reazione per evitare oscillazioni. Ciò a causa della variazione del tasso di controreazione al variare dell’ampiezza del segnale e alla forte non-linearità del guadagno in corrente dei finali in funzione della corrente di emettitore. In un amplificatore in classe A questi problemi sono molto meno sentiti perché i dispositivi di potenza sono fatti lavorare nella loro zona più lineare per qualunque ampiezza del segnale trattato. Dunque, occorre meno controreazione e quindi meno compensazioni. In definitiva, un amplificatore in classe A degli anni Novanta molto probabilmente suonava molto meglio di uno in classe AB coevo (Krell vi dice niente?).
Oggi le differenze sono molto più sfumate, perché i dispositivi di uscita hanno guadagno di corrente molto alto e uniforme alle diverse correnti di emettitore e la loro banda passante è molto più elevata di quelli di un tempo. Dunque, anche in un moderno amplificatore in classe AB occorre molta meno controreazione di un tempo e quindi meno compensazioni, pur ottenendo una stabilità molto migliore rispetto a un simile amplificatore di trent’anni fa. Come risultato, le differenze con un amplificatore in classe A sono più sfumate e occorre essere dei veri appassionati della amplificazione in classe A per optare per una “stufa”.
Qualunque amplificatore lineare suona meglio di uno in classe D
Questo era probabilmente vero prima della comparsa della circuitazione IcePower. I primi amplificatori in classe D soffrivano di un problema non banale: la dipendenza della loro risposta in frequenza dall’impedenza del carico, per frequenze medie e alte. Ciò era dovuto alla presenza del filtro di uscita, normalmente un induttore di potenza seguito da un condensatore in derivazione, necessario per eliminare il ripple e le spurie prodotte dalla commutazione dello stadio finale. Questi filtro interagiva pesantemente con l’impedenza del diffusore. I tecnici della Bang & Olufsen sono stati geniali nel realizzare un design in cui l’oscillazione è prodotta, in un circuito prettamente analogico, grazie all’inserimento di un filtro LC nell’anello di reazione, precisamente tra lo stadio finale e l’uscita verso il diffusore, uscita ai capi della quale viene prelevato il segnale di controreazione. Il vantaggio di questa configurazione è che il suddetto filtro, che tutt’ora svolge anche la fondamentale funzione di ripulitura del segnale di uscita, è all’interno dell’anello di reazione, per cui la sua interazione con l’impedenza del diffusore è mitigata dalla controreazione stessa, con il risultato di una risposta in frequenza piatta fino all’estremo superiore.
Oggi, varie case sfruttano questa topologia circuitale: oltre ad IcePower possiamo citare Hypex e Purifi. Questi nuovi moduli di amplificazione in classe D hanno drasticamente ridotto il divario con la classe AB e, in molti casi, offrono prestazioni ancora maggiori rispetto a design lineari un po’ “poverelli”. Ormai, la differenza tra un buon classe D e un classe AB è la stessa che si può percepire tra due diversi design lineari, cosa che aumenta la varietà di proposte di qualità, a tutto vantaggio del divertimento dell’appassionato.
Questo articolo è stato pubblicato nel numero n.001/26 di AUDIOPHILE Hi-Fi Magazine e il link per l’acquisto è QUI 🌐
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