Cavi Audio Analogici – IV

Modalità Attiva

Nella bilanciatura passiva, il trasformatore ha il compito di bilanciare e sbilanciare il segnale per poi essere amplificato se necessario da un dispositivo amplificatore, la bilanciatura audio attiva invece sfrutta l’utilizzo di componenti elettronici quali amplificatori per bilanciare-sbilanciare e molto spesso anche amplificare il segnale stesso.

In termini di ascolto, la risposta data è molto spesso erroneamente definita fredda al contrario di quella passiva ( calda ) ( per via delle interferenze normalmente introdotte dai circuiti passivi ma che non vuol dire più qualità ). La bilanciatura attiva come anche tutti i dispositivi  audio digitali vengono erroneamente definiti di scarsa qualità, perché la sensazione di freddo viene associata il più delle volte ad un suono scadente. Tramite studi fatti invece, si può evidenziare come tale applicazione consenta di generare una grossa percentuale di distorsioni inferiori a quella passiva. A partire dal rumore di fondo molto basso, anzi ad oggi in quelli di taglia maggiore il rumore è dovuto principalmente all’instabilità degli elettroni di cui tali componenti sono composti, quindi fenomeni naturali e trascurabili all’ascolto. Generano anche un valore di distorsione minore recato all’onda che lo attraversa.

Sempre tramite studi di psicoacustica, si ritiene che tale associazione di suono freddo spesso negativa, sia derivata dal fatto che per decenni il fonico o tecnico audio è stato acusticamente abituato a lavorare esclusivamente con un certo tipo di dispositivi ( quelli passivi ) in quanto unici sul mercato globale, tali per cui sonorità totalmente differenti da quelle abituali non siano poi cosi gradevoli se non con la successiva ri-abitudine acustica. Ad oggi oltre che per conferme tecniche che favoriscono l’utilizzo di sistemi attivi, ci si sta portando si a mantenere questo tipo di dicitura ( fredda ) associata al comunque e sempre suono percepito, ma in modo via via più gradevole. Con il passare degli anni e la sempre più evoluzione tecnologica che andrà ad un certo punto a surclassare i sistemi passivi, forse ci si convincerà al 100 % delle potenzialità tecnico – pratiche di questi sistemi.

In un contesto ideale il segnale che passa attraverso processi di bilanciamento ed amplificazione deve arrivare a valle tale e quale a quello originario solo eventualmente amplificato e processato. A questo proposito la bilanciatura attiva si avvicina di più a questo contesto ideale rispetto a quella passiva.

Prendendo in considerazione tutte e tre le tipologie di trasferimento del segnale tra dispositivi audio professionali, quindi sbilanciato, bilanciato passivo e bilanciato attivo, quello attivo si trova in mezzo a livello di qualità sonora finale ottenuta.

 

Cenni storici e differenze oggettive tra bilanciatura attiva e passiva.

Partiamo dalla nascita dell’elettronica attorno agli anni 60’, ma dove ancora il tutto era solo in fase di sperimentazione. Solo attorno agli anni 90’ i sistemi di bilanciatura attiva presero piede nel mercato professionale e contemporaneamente anche in quello consumer, questo grazie all’avvento dei sistemi digitali a largo consumo, come mixer audio ed outboard.

Molto spesso ancora oggi soprattutto per il collegamento dei microfoni ai pre-amplificatori microfonici si preferisce utilizzare circuiterie passive in quanto i microfoni presentano quasi tutti un trasformatore nel loro stadio di uscita contro le sovracorrenti indotte e che a livello di impedenza si interfaccia meglio con pre-amplificatori che abbiano un impedenza di ingresso di almeno 1 : 10 facilmente raggiungibile dai trasformatori. La bilanciatura attiva è invece molto più diffusa nei circuiti di linea ( esempio main out dei mixer audio e input dei finali di potenza ) in cui la tensione è molto più elevata rispetto a quella microfonica ed in cui è più semplice gestire anche le varie interferenze.

Ad oggi grazie alla continua evoluzione di questo tipo di circuiteria attiva, le cosiddette “servobilanciature“, si possono trovare comunque alcuni modelli con bilanciature attive sia in ingresso ( microfonico – linea ) che in uscita ( microfonica – linea ).

Le prime bilanciature attive erano realizzate attraverso semiconduttori di tipo Transistor, quali BJT / JFET per le uscite e gli ingressi microfonici e di linea, cercando di mantenere un rapporto di impedenza ottimale, per non creare troppa resistenza sul segnale con la conseguente crescita del rumore.

Ad oggi, grazie alla miniaturizzazione, stanno prendendo sempre più piede i sistemi a Circuito Integrato ( C.I. ), quindi piccolissimi hardware contenenti migliaia di questi transistor. Tali circuiti sono molto diffusi come definito prima per realizzare apparecchiature con ingressi e uscite completamente attive, non chè in pieno dominio digitale. Avendo potenzialità di calcolo molto elevate ed efficienze attorno al 100 %, consentono a livello di bilanciatura di effettuare un processo completamente trasparente, quindi minimi rumori di fondo e distorsione dell’onda e a livello di segnale, possono essere sfruttati come convertitori A/D o D/A per un utilizzo dello stesso in dominio digitale, oltre ad un ingombro ed un peso molto più riduttivo.

Di seguito, vediamo alcune immagini ( puramente indicative ) che rappresentano in termini qualitativi la differenza tra bilanciature passive e attive.

fig.1 a fig. 2 b

fig. 3 c fig. 4 d

In figura 1 abbiamo una forma d’onda sinusoidale che faremo passare attraverso le varie tipologie di bilanciatura viste.

In figura 2 abbiamo il segnale in uscita da una bilanciatura passiva.

In figura 3 abbiamo il segnale in uscita da una bilanciatura attiva con amplificatori BJT.

In figura 4 abbiamo il segnale in uscita da una bilanciatura a circuiti integrati.

E’ chiaro come una bilanciatura attiva sia nettamente superiore come qualità a quella passiva.

Va detto inoltre che le bilanciature attive richiedono da uno a due amplificatori ( si vedrà poi in che modo ). Considerando i circuiti integrati essendo composti da milioni di questi transistor, si potrebbe dedurre che con un unico circuito, si riescano ad effettuare milioni di bilanciature, più che necessarie a coprire anche il più grande mixer audio del mondo. In realtà, un circuito, viene utilizzato per un ingresso questo per sfruttare a pieno tutte le potenzialità di tali prodotti, soprattutto se dev’essere utilizzato anche come convertitore, oltre al fatto che risulterebbe ancora abbastanza difficile ad esempio, connettere decine di cavetti bilanciati a questo piccolo hardware di pochi mm di diametro.

Questo tipo di circuiti, come poi si vedrà e soprattutto il primo ( a singolo amplificatore ), soffrono delle sovratensioni di ingresso e/o retro azionate verso il circuito di uscita, tale per cui è consigliato prima di accendere un qualsiasi tipo di amplificatore con bilanciamento attivo del segnale, di attivare nel qual caso se ne renda utile la phantom di alimentazione cosi che non venga indotto un sovraccarico, invece trascurabile se non a lungo termine in quelli passivi. Vi sono comunque circuiti di compensazione come protezione, ma più questi circuiti sono sofisticati e tanto meno qualitativo sarà il suono finale, anche a valori di tensione nominali e soprattutto alle alte frequenze, mentre in opposto ( circuiti troppo semplici ), si rischierà di bruciare facilmente l’amplificatore.

 

Bilanciamento con Singolo Amplificatore

La prima bilanciatura attiva è quella a singolo amplificatore ( fig. 5 ). Questo sistema può essere utilizzato sia per bilanciare che per amplificare il segnale.

fig. 5 2016-01-17_00-08-44

Prendendo in considerazione un segnale microfonico sbilanciato, esso entra nella circuiteria elettronica dove incontra un’amplificatore a guadagno unitario ( vedi il circuito in figura 5) quindi non amplificante, nel caso in cui abbia il solo scopo di bilanciare, oppure con guadagno variabile o diverso da 1 nel caso in cui venga utilizzato per amplificare. In entrambe le configurazioni c’è da dire che tale sistema, è il più scadente rispetto ai circuiti che si andranno poi a vedere in seguito, per questo è utilizzato più che altro in sistemi consumer di taglia bassa. Il suo punto debole sta nel mal bilanciamento del segnale, in quanto come definito per i passivi dovrebbe arrivare al 100 % cosi da eliminare tutte le interferenze caricate fino alle più alte frequenze. Questo circuito fatica a superare il 90 – 95 % in banda audio e scende vertiginosamente al 30 – 40 % sopra i 20 Khz, per cui necessiterebbe di un ulteriore circuito di filtraggio con il conseguente calo delle prestazioni rispetto a cui tale dispositivo è stato pensato. Essendoci un solo amplificatore a guadagno unitario, il bilanciamento del segnale provoca anche in questo caso una perdita di 6 dB. Mentre con guadagno superiore a 1, il circuito può essere appositamente costruito per compensarne la perdita ma come anche definito per quelli passivi si potrebbe creare un problema di compatibilità tra i circuiti utilizzati. Lo stadio di ingresso è esattamente l’opposto di quello di uscita, in cui un amplificatore accetta un segnale bilanciato con massa e ne pone in uscita uno sbilanciato con stessa massa recuperando lo sbilanciamento di 6 dB.

Nei circuiti attivi non è possibile il distacco della massa, in quanto essendo parte di esso e non isolata come in quelli passivi si andrebbero a generare forti interferenze indotte con il rischio di danneggiare i componenti stessi, per cui in caso di ronze è bene connettere o il dispositivo di uscita o quello di ingresso ad un circuito passivo cosi da poter sconnettere la massa dalla parte del trasformatore. Un’attenzione particolare va fatta anche nel caso in cui il conduttore abbia uno schermo, pure questo componente non può essere sconnesso se non con un trasformatore presente lungo la linea in quanto tutte le interferenze magnetiche caricate andrebbero verso il circuito di ingresso o uscita a seconda del distacco.

Anche se generandosi una dissimmetria tra l’uscita e l’ingresso inferiore rispetto a quelli passivi causa impedenze differenti, il bilanciamento del segnale non sarà ottimale soprattutto in alta frequenza.

Lo stesso discorso della compatibilità di impedenza tra uscita e ingresso di un circuito passivo con trasformatori vale in teoria anche per sistemi attivo – attivo, proprio per cui differenti componenti utilizzati per realizzare il medesimo circuito possono avere differenti impedenze.

Di seguito un semplice grafico di un circuito di bilanciamento tra connessione passiva e attiva, utile per il distacco della massa ( fig. 6 )

fig. 6 2015-12-27_18-26-32

Apriamo quindi una parentesi per questo tipo di problematica che è quella della disconnessione della massa, in quanto soprattutto in eventi dal vivo e sempre presenti se pur limitati in studio, vi sono sempre interferenze indotte sulle masse che possono recare disturbi al segnale, causa mal dimensionamenti dei circuiti elettrici esterni, o dello stesso. In teoria, la massa, potrebbe anche essere sconnessa dal circuito anche in un sistema attivo – attivo a patto che la differenza di potenziale tra i connettori portanti segnale e la massa stessa sia pari a 0 V, cosi che alcuna corrente di ritorno possa danneggiare gli amplificatori. Ma, in realtà, gli stessi disturbi presenti sulla massa vanno a creare differenze di potenziale variabili nel tempo e indipendenti tra circuito di ingresso e uscita, ed è per questo motivo che è vivamente sconsigliata la disconnessione. È vero anche che per prevenire questi fenomeni, vengono interposti dei condensatori subito prima dello stadio di uscita o di ingresso per ammortizzare la sovratensione, ma di certo il problema non si risolve.

La differenza di potenziale non stabile per questo tipo di circuito, può risultare ancora più problematica nel caso in cui un’uscita, venga sdoppiata, triplicata, ecc.. su più ingressi. Ed è per questo che ancora oggi soprattutto in eventi live si preferiscono utilizzare microfoni con uscita traslata ( trasformatore ), soprattutto quando devono essere connessi a degli splitter.

Nel caso dei microfoni, essendo più delicati, il più delle volte sono costruiti con bilanciamento passivo, l’unico problema che potrebbe risultare è quello della solita incompatibilità di impedenza, in questo caso tra quello attivo e quello passivo, con conseguenza di un non corretto trasferimento del segnale, distorsione di fase e frequenza. Esistono però come si vedranno, dei circuiti che compensano un pò questi fattori quindi favorire l’utilizzo di un circuito attivo con minor interferenze possibili e migliorare il trasferimento di carico ( le servobilanciature ).

L’errore di bilanciamento non chè distorsione dell’onda aumenta nel caso in cui l’amplificatore venga utilizzato anche per scopi a guadagno variabile e per variazioni di tensione sia del segnale di ingresso che appunto di uscita, i cosiddetti problemi di simmetria dovuti all’alterazione della risposta al variare del guadagno. Anche se, per stabilizzare il tutto, vengono costruiti degli appositi circuiti di compensazione con condensatore e resistenza in parallelo.

C’è da dire però, che la compensazione, almeno al giorno d’oggi è fissa e non variabile, per cui è tarata a bilanciare ottimamente un certo tipo di voltaggio all’ingresso, generalmente quello nominale 0 dBV ( dipende sempre se è un amplificatore per segnali microfonici o di linea ). Per cui un guadagno unitario come anche uno superiore a 1 può essere discretamente linearizzato almeno per l’aspetto della distorsione di fase e frequenza. Ma qual’ora l’amplificatore sia a guadagno variabile cominciano ad insorgere i soliti problemi di distorsione se pur inferiori a come se il circuito di compensazione non fosse presente. Questa problematica è riscontrabile in un qualsiasi amplificatore.

Si può anche trovare un circuito con amplificatore a guadagno unitario per il bilanciamento e uno o più stadi di amplificazione successivi, ad esempio il primo amplifica da 1dB a + 10 dB ed il secondo da + 10 dB a + 20 dB al fine di migliorarne la simmetria.

Questa circuiteria, come definito, non è quasi mai utilizzata se non ha livello consumer data la sua scarsa resa ma ad un prezzo non eccessivo. Oppure lo si può trovare anche per il bilanciamento a livello di linea in quanto a tensioni più elevate rispetto a quelle microfoniche riesce comunque a mantenere una buona dinamica quindi rumore di fondo basso e una discreta linearità in frequenza e fase.

L’uscita di questo tipo di bilanciamento attivo può essere connessa ad un ingresso sbilanciato, ponendo a massa una delle due uscite o ingressi. Generalmente quella invertita di fase proprio per non ritrovarsi un segnale sfasato.

 

Bilanciamento con doppio amplificatore

Circuito di Uscita ( bilanciare un segnale sbilanciato ) ( fig. 7 )

fig. 7 2015-12-27_18-38-10

Circuito di Ingresso ( sbilanciare un segnale bilanciato cosi da eliminarne le interferenze ) ( fig. 8 )

fig. 8 2015-12-27_18-40-10

Il secondo tipo di circuito è quello a doppio amplificatore ( fig. 7 circuito di uscita, fig. 8 circuito di ingresso ) molto meglio del precedente in quanto ha una percentuale di bilanciamento del 100 % su tutta la banda audio e un’ottima qualità timbrica del segnale, molto più lineare e di bassissima impedenza. Si basa sul circuito precedente solo con in più un’amplificatore invertente per creare una copia del segnale invertita di fase. Anche in questo caso non può essere scollegata la massa e vi sono presenti i circuiti di compensazione, sia per le sovracorrenti che per la simmetria. Il problema rimane appunto sempre quello di subire delle interferenze esterne, sovracorrenti e degli effetti capacitivi indotti sui conduttori stessi. Il suo punto di forza sta nel fatto di essere composto da 3 stadi di cui 2 amplificatori a guadagno unitario per il bilanciamento e successivamente un amplificatore a guadagno superiore a 1 o variabile, cosi che i lavori siano ben separati e gli stadi di ingresso vengano mantenuti a bassa impedenza potendo cosi lavorare a piacimento sul guadagno ed avere una simmetria di bilanciamento ottimale. In più, grazie a questo circuito, l’amplificatore a guadagno variabile può essere costruito ad ulteriori stadi cosi da favorire migliori amplificazioni con minor distorsione sempre di frequenza e fase, a differenza del precedente, in quanto essendo utilizzato anche per bilanciare non può essere separato se non aggiungendo un’ulteriore amplificatore a parte ma con perdita di qualità. Per lo stadio di ingresso vale lo stesso circuito di uscita solo in senso opposto e quindi con l’invertente che ri-bilancia il segnale in fase.

Un discorso a parte va fatto per l’effetto capacitivo indotto sui cavi, soprattutto quando compiono lunghe distanze. Nel caso di un circuito passivo, la sola se pur non trascurabile problematica era quella di un naturale filtraggio passa – basso, mentre nei sistemi attivi non essendoci il trasformatore che blocca il ritorno di corrente tutte le interferenze indotte finiscono dentro il circuito di amplificazione, creando una sorta di loop e quindi oscillazioni del segnale se pur inferiori rispetto al caso che si vedrà successivamente, in quanto queste due tipologie di circuito hanno un’impedenza di uscita inferiore.

Di fatti è molto utilizzato come anche il precedente, in circuiti in cui le interferenze esterne siano minime e per brevi tratte, ma generalmente in ambiente studio e ancora più live in cui vi sono molte fonti di disturbo si utilizza un altro tipo di circuito molto più sicuro in termini di problematiche di sovracorrenti e interferenze varie, chiamato Servobilanciatura. Anche se c’è da dire che, il trasformatore nonostante i suoi difetti sia ancora il preferito di tutti in quanto risolve molte problematiche.

L’uscita di questo circuito bilanciato a doppio amplificatore non può essere connessa a massa in quanto verrebbe cortocircuitato proprio perché la massa è comune ad entrambi gli amplificatori e non è isolata. È comunque possibile ovviare al problema disconnettendo una delle due uscite cosi da avere un segnale sbilanciato se pur attenuato di 6 dB. Anche se lasciando un cavo disconnesso esso viene caricato da tutte le interferenze che possono incidere sul segnale.

 

Servobilanciatura ( fig. 9 )

fig. 9 2015-12-27_18-49-25

Il circuito più utilizzato, è appunto la servobilanciatura, il quale consente di ottenere un perfetto bilanciamento del segnale con maggiori protezioni contro le sovratensioni e interferenze grazie alla presenza di particolari controreazioni realizzate con resistenze in serie e parallelo, come si nota nella figura 9. Di contro, ha il fatto che tutti questi componenti passivi utilizzati e reazionati creano un’impedenza di uscita maggiore dei precedenti, causando una peggior qualità timbrica e ponendo il circuito a soffrire maggiormente degli effetti capacitivi indotti sui cavi. Per questo è dimensionato ponendo due resistenze in serie alle uscite che contrastano l’effetto ma peggiorando di conseguenza la qualità. Per valori capacitivi di basso valore il circuito riesce a compensarne l’effetto ma per valori alti ne subisce di forti oscillazioni, maggiori dei casi precedenti.

Il circuito è simile a quello precedente con una coppia di amplificatori di identiche caratteristiche tali da ottimizzare la simmetria e successivamente per lo stadio di ingresso o precedentemente per quello di uscita un amplificatore a più stadi per l’amplificazione del segnale. A differenza degli altri, questo tipo di circuito è costruito appositamente per poter sbilanciare il segnale quando lo si ritiene necessario.

n.b. Nei mixer audio digitali o outboard digitali di ultima generazione il bilanciamento del segnale è per lo più servobilanciato direttamente dal convertitore A/D ed al posto del trasformatore si presentano appositi circuiti elettronici per prevenire eventuali sovraccarichi e correnti di ritorno. In caso il circuito di ingresso non fosse previsto di questi accorgimenti ricordo di fare attenzione a non inviare un segnale invertito ( il pin 2 con il pin 3 della connessione XLR per evitare cortocircuiti ), lo stesso vale per connessioni non standardizzata, quindi che possono presentare il pin 2 e 3 invertito.

 

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