Pre-Amplificatori Audio – I

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Il pre-amplificatore audio come si deduce dalla parola stessa è un componente utilizzato per amplificare un segnale audio prima dell’amplificazione finale.

Pre-amplificazione e amplificazione finale sono due cose separate da non confondere.

L’amplificazione finale è l’amplificazione del segnale con livello di linea ( 0,770 v – 1,223 v ) fino a valori di potenza ( decine di volt ), realizzata tramite l’utilizzo di amplificatori di potenza chiamati appunto finali di potenza ( fig. 1 ) in definizione dell’ultimo stadio di amplificazione prima della diffusione sonora del cui argomento parleremo in successivi articoli. Questa potenza è generalmente utilizzata per inviare il segnale audio ai diffusori audio passivi ( fig. 2 ) ( fig. 3 ).

fig. 1

fig. 2

fig. 3

In figura 3 un diagramma concettuale dello stadio di amplificazione finale, in cui il segnale a livello di linea, ad esempio quello in uscita dal master out dei mixer audio, viene inviato all’ingresso di un finale di potenza con il compito di elevare il segnale audio ad un livello di potenza cosi da poter alimentare correttamente il diffusore audio per la diffusione sonora.

La pre-amplificazione invece è utilizzata per elevare il segnale di livello microfonico ( millivolt ) a valori di linea ( 0,770 v – 1,223 v ), questo è necessario e fondamentale per poter processare qualitativamente il segnale ( equalizzare, comprimere, gestire linee di output, mixare e tutte quelle operazioni che si possono fare con processori outboard, mixer audio, dispositivi analogici e digitali con gestione del segnale audio a livello di linea ) prima dell’invio ad un finale di potenza.

Il dispositivo che effettua questo tipo di amplificazione si chiama pre-amplificatore microfonico ( fig. 4 ).

fig. 4

In figura 5 un diagramma concettuale dello stadio di pre-amplificazione.

fig. 5

In figura 5 si capisce come il segnale microfonico, esempio quello in uscita dai microfoni deve entrare in un pre-amplificatore microfonico cosi da poterlo elevare a valori di linea e poter essere correttamente processato ed inviato allo stadio di amplificazione di potenza per la diffusione audio.

Non esistono invece i pre-amplificatori a livello di linea in quanto come vedremo per lavorare sul segnale di linea è necessario prima abbassare il suo valore a livello microfonico per poi essere utilizzati pre-amplificatori microfonici per elevarlo a valori di linea utili per il processamento e mixaggio.

n.b. Un segnale a livello di linea all’interno di apparecchiature audio standardizzate come quelle utilizzate nel mondo audio professionale, oltre a poter creare distorsioni e danni ai componenti sarebbe ingestibile in quanto avrebbe dei valori sempre prossimi allo 0 dB e superiori, senza poter gestire qualitativamente il livello di segnale adeguato da utilizzare per il processamento, registrazione e mixaggio. Per cui viene sempre abbassato a livelli microfonici o prossimi per poi poter essere pre-amplificato e processato correttamente nella giusto livello di amplificazione.

Gli unici pre-amplificatori a livello di linea utilizzati sono quelli per la bilanciatura-sbilanciatura attiva di linea presente nei circuiti di uscita a livello di linea dei più moderni mixer audio analogici e digitali ( Main – Aux – Group – Omni – ecc.. Analog Out ), stage box – splitter attivi fixed gain e digitali ( analog out ) ed alcuni registratori multitraccia ( Analog In e Out a livello di linea ), e nei circuiti di ingresso ( analog input ) a livello di linea dei finali di potenza. Ma questi sono ben differenti da quelli che vedremo essere utilizzati per lavorare il segnale audio, come spiegato nell’articolo Cavi Audio Analogici IV sono circuiti interni all’hardware del processore utilizzato realizzati dal costruttore per le funzioni di bilanciatura del segnale e sono per lo più a guadagno fisso o poco più di 1.

Caratteristiche

Non si può scegliere se utilizzare o meno il pre-amplificatore microfonico, è sempre e comunque necessario prima di una qualsiasi operazione di lavoro sul segnale audio a livello microfonico altrimenti si rischierebbe l’introduzione di rumori di fondo e forti distorsioni sul segnale, ancor più quando lo si eleva ai livelli di potenza.

Per quanto riguarda la forma, le dimensioni ed i componenti utilizzati in un pre-amplficatore microfonico questi sono vari, ogni costruttore ha il suo anche a seconda del periodo in cui è stato costruito, in base alla sua qualità e prezzo.

I pre-amplificatori microfonici possono dividersi in diverse categorie quali:

• Pre-amplificatori microfonici analogici
• Pre-amplificatori microfonici digitali
• Pre-amplificatori microfonici su software

Pre-amplificatori microfonici analogici

I pre-amplificatori analogici sono realizzati utilizzando circuiteria analogica passiva e attiva ( per cui un qualsiasi pre-amplificatore microfonico necessità di alimentazione esterna per il suo funzionamento ), quale Valvole ( i primi sistemi, ancora oggi utilizzati per creare modelli di suono vintage ) e Transistor BJT ( Bipolar Junction Transistor ), ( ancora oggi i più utilizzati ) di cui lo schema ed il componente sono in figura 6.

fig. 6

 

I pre-amplificatori BJT sono per lo più realizzati utilizzando una struttura di amplificazione in classe A o AB ( esempio in fig. 7 ).

fig. 7  ( schema pre-amplificatore in classe A, da ilprogettista.it )

fig. 8  ( schema pre-amplificatore in classe AB, da ilprogettista.it )

In un contesto reale e più moderno per ottenere livelli di pre-amplificazione più qualitativi, precisi e maggiori livelli di amplificazione senza l’introduzione di distorsioni e rumori di fondo rilevanti, si utilizzano fino a “milioni di questi componenti attivi BJT” che vanno ha formare il cosiddetto amplificatore elettronico a Stato Solido o Circuito Integrato fig. 9 )

fig. 9

I pre-amplificatori a valvole invece utilizzano una circuiteria con valvole Triodi ed è sempre realizzata una struttura di amplificazione in classe A ( fig. 10 – 11 – 12 ).

fig. 10 ( schema pre-amplificatore valvolare in classe A )

fig. 11 ( schema Triodo )

fig. 12 ( Triodo )

L’utilizzo di questi componenti con questo tipo di configurazioni in classe A fa si che l’impedenza di ingresso del pre-amplificatore sia adeguata per ricevere e trasferire correttamente il segnale audio in ingresso ( segnale microfonico ) verso il processo di pre-amplificazione, per amplificare correttamente ed ottenere le migliori prestazioni sul livello di segnale microfonico in tutta la banda audio udibile ( 20 Hz – 20 Khz ) e fino alle più alte dinamiche.

Ogni costruttore ha diverse filosofie su quale sia la miglior impedenza di ingresso e circuito da avere per ottenere un rendimento del 100% ( idealmente ), in casi reali il segnale trasferito verso il processo di amplificazione anche nei più moderni e qualitativi pre-amplificatori non supera il 90% di rendimento.

n.b. Una più bassa impedenza di ingresso rispetto a quella di uscita dal microfono, determina un suono più scuro ed armonico, una più alta impedenza di ingresso determina un suono più chiaro e presente, se troppo alta le basse frequenze e le alte sono le prime a perdersi.

Alcuni circuiti sono sia sbilanciatori attivi che pre-amplificatori ( i più moderni,  permettono di ottenere rendimenti superiori ), ( in quanto come abbiamo visto in argomento Cavi Audio Analogici III e IV, il segnale audio bilanciato viene sbilanciato all’ingresso prima di essere pre-amplificato per eliminare tutte le interferenze caricate lungo la linea, ma in generale all’interno delle apparecchiature audio elettroniche e valvolari il segnale audio viaggia e viene processato sbilanciato ).

Altri sbilanciano il segnale con un componente passivo ( il trasformatore a presa centrale ) e poi inviano il segnale verso la pre-amplificazione ( i più vecchi e meno qualitativi ).

In generale non c’è un sistema migliore dell’altro, se guardiamo la qualità e linearità non chè trasparenza del circuito, senza dubbio i pre-amplificatori elettronici allo stato solido in classe A o AB che fungono sia da sbilanciatore che da pre-amplificatore sono i più qualitativi, gli altri hanno ognuno il suo timbro, soprattutto i pre-amplificatori valvolari tendono ad avere un timbro caldo dovuto dall’introduzione di armoniche pari di ordine superiore generate dalle distorsioni delle valvole, gli stessi valori di distorsione sono più gradevoli all’ascolto in pre-amplificatori valvolari che elettronici. Per cui dipende da ciò che vogliamo ottenere, se un suono caldo e vintage senza dubbio optare per i pre-amplificatori valvolari, se un suono puro e trasparente optare per pre-amplificatori elettronici, per il resto tutto da sperimentare, ogni pre-amplificatore ha il suo timbro e le sue caratteristiche.

Esistono anche pre-amplificatori valvolari e a stato solido insieme per delle configurazioni ibride.

Alcuni costruttori usano poi sistemi con più stadi di pre-amplificazione ( sia a stato solido che valvolari ), ritenuti qualitativamente migliori rispetto a quelli a singolo stadio, in quanto ogni singolo amplificatore utilizzato può essere tarato per lavorare in un certo range di amplificazione cosi da introdurre meno distorsioni e rumore di fondo possibile ( es. da 0 a +5 dB con il primo amplificatore, da +5 dB a + 10 dB con il secondo e cosi via ), questo perchè ogni singolo amplificatore può essere tarato nel suo circuito per lavorare con il suo massimo rendimento e massime prestazioni solo per un piccolo range di amplificazione.

n.b. L’inventore dei più stadi di amplificazione, in questo caso 2, fu Western Elecric nel 1913.

n.b. In generale a livello di utilizzo di pre-amplificatori microfonici per ottenere una qualità del segnale audio superiore è sempre consigliato amplificare il meno possibile, tanto più si amplifica e tanto più il pre-amplificatore introdurrà rumori e distorsioni.

Come vedremo più avanti i pre-amplificatori valvolari sono più adatti per utilizzo su hardware esterno, mentre quelli elettronici anche come pre-amplificatori interni ai mixer audio stessi, questo perchè le valvole sono molto fragili, risentono molto di più degli sbattimenti, delle polveri ed umidità, e hanno un tempo di carica per arrivare a regime ( tempo necessario per il caricamento della valvola “che vada in temperatura” cosi da lavorare al meglio ed offrire le massime prestazioni possibili ), per cui necessitano di maggiori accorgimenti tra i quali:

• Accendere per tempo il pre-amplificatori valvolare ( lo stesso discorso vale per qualsiasi dispositivo che utilizzi valvole di amplificazione, come ad esempio i pre-amplificatori da chitarra elettrica e basso elettrico ). Il tempo di carica dipende anche dal numero delle valvole presenti e dalla loro tipologia, i triodi utilizzati per i pre-amplificatori microfonici in 15 – 20 minuti sono a regime, per i pentodi utilizzati in pre-amplificatori di potenza invece occorrono anche 30 minuti.
• Non inviare segnale alle valvole prima che queste siano completamente caricate per non alterare i processi di caricamento che a lungo andare potrebbero rovinare le stesse. Eseguire check sound e recording solo quando le valvole sono a regime.
• Da spento spostare il pre-amplificatore valvolare con accortezza e appoggiarlo delicatamente sulle varie superfici, se il pre-amplificatore è acceso non spostarlo proprio.
• Come ha un tempo di carica quando acceso ha anche un tempo di scarica quando spento, per cui prima di spostarlo aspettare che le valvole siano completamente raffreddate.

n.b. Se il pre-amplificatore valvolare è accesso, è possibile in certi casi vedere le valvole illuminate in quanto caricate ( colore acesso come in figura 13, se ancora spente significa che probabilmente c’è un problema di carica ), urtando l’hardware è in certi casi possibile percepire un suono distorto improvviso, questo ad indicare l’estrema fragilità dei componenti che se scossi tendono a destabilizzare il segnale circolante, fino a rischio rottura. E’ per cui di fondamentale importanza non muovere il pre-amplificatore valvolare quando acceso.

fig. 13

Impedenza di ingresso

L’uscita di un segnale microfonico come detto ha valori di pochi millivolt di tensione ( generalmente non superiore ai 20 mV – 50 mV ) e l’impedenza di uscita dei microfoni considerando i più comunemente utilizzati ( dinamici e condensatore ) va in media da circa 50 Ω – 100 Ω a 500 Ω – 600 Ω

Per ottimizzare il trasferimento di carico del segnale microfonico verso lo stadio di amplificazione sarà necessario che l’impedenza di ingresso del pre-amplificatore microfonico sia molto superiore a quella di uscita dal microfono o da un qualsiasi dispositivo il cui segnale abbia valori di tensione simili a quello microfonico da inviare ad un ingresso di pre-amplificazione come può essere il segnale in uscita da una D.I..Box. Lo stesso principio visto anche in argomento D.I..Box per l’interfacciamento di linee strumentali e ingressi di D.I..Box.

I rapporti di impedenza utilizzati sono generalmente nell’ordine di un minimo di 1:6 – 1:10 fino anche a 1:20 e più, tanto maggiore sarà il rapporto di trasformazione e tanto più di qualità e quindi anche costoso dovrà essere la componentistica utilizzata.

n.b. Il rapporto di impedenza non è da sottovalutare, in quanto che più è basso e più il microfono tenderà a generare distorsione con meno pressione sonora incidente, quindi un più basso valore di tensione di uscita dal microfono. Per esempio in figura 14 sono indicati i massimi valori di pressione sonora sopportata prima di generare un valore di distorsione THD dell’ 1% considerando due impedenze di ingresso ( pre-amplificatore ) differenti.

Fig. 14

Come si nota in figura 14 un’impedenza di ingresso più alta favorisce il corretto passaggio del segnale e quindi minor distorsione fino ad un più alto valore di tensione ( quindi pressione sonora ).

Un diverso rapporto di trasformazione determina spesso anche un diverso timbro sonoro ed una caratteristica univoca di risposta in frequenza e dinamica, tale per cui è utile provare diverse tipologie di pre-amplificatori con diverse tipologie di rapporti di trasformazione al fine di ottenere il suono più utile per il proprio mix.

I pre-amplificatori microfonici valvolari tendono generalmente ad avere impedenze più elevate per caratteristiche naturali della valvola stessa, mentre quelli a circuito integrato sono quelli a più bassa impedenza di ingresso, e come visto insieme alla qualità dei componenti utilizzati e dalle armoniche portate dai componenti stessi utilizzati nel circuito di amplificazione si riescono ad ottenere suoni più colorati e caldi ( valvole ), o suoni più trasparenti e puliti ( circuiti integrati ).

In generale è utile conoscere l’impedenza di uscita del microfono utilizzato per associare ad esso il pre-amplificatore microfonico con l’impedenza di ingresso più adatta ( che rispetti un rapporto di trasformazione minima di almeno 1:6 – 1:10 ).

n.b. In caso di rumore di fondo sulla linea provare ad utilizzare un rapporto di trasformazione più grande.

Ma anche questo può essere tutto il contrario di tutto in quanto esistono pre-amplificatori microfonici di qualità con bassi rapporti di trasformazione che suonano meglio di pre-amplificatori con alti rapporti di trasformazione, è utile quindi provare seguendo sempre e comunque queste linee guida che sono la base fondamentale per conoscere la struttura ed il funzionamento di pre-amplificatori microfonici.

n.b. Non si utilizzano invece pentodi o valvole di ordine superiore in quanto presentano un’impedenza di ingresso troppo elevata e caratteristiche non adatte all’amplificazione di segnale audio di basso livello come quello microfonico, lo stesso discorso vale per l’utilizzo di amplificatori elettronici come i mosfet, sia pentodi che mosfet come vedremo viste le loro caratteristiche sono invece più utilizzati per l’amplificazione finale di potenza.

Per fare alcuni esempi in caso di utilizzo di un microfono con impendenza di uscita di 250 Ω è utile interfacciare ad esso un pre-amplificatore microfonico con impedenza di ingresso di minimo 1500 Ω.

n.b. In media l’ingresso di pre-amplificazione microfonica utilizzato nei mixer audio analogici e digitali con ingresso analogico ha un impedenza che non è mai inferiore a 1500 Ω. A livello di pre-amplificatori ouboard si possono trovare impedenze anche nell’ordine dei 4000 Ω – 5000 Ω, ma anche 300 Ω.

Segnali a livello di linea

Se abbiamo un segnale bilanciato o sbilanciato a livello di linea come facciamo ?

Un esempio può essere il segnale in uscita da chitarre elettroacustiche, tastiere, batterie elettroniche e campionatori.

Come definito sarà necessario abbassare il livello di tensione a valori microfonici, e per fare questo si interpone una resistenza di 20 KΩ prima dell’arrivo del segnale al pre-amplificatore microfonico ( fig. 15 ).

fig. 15 ( esempio illustrativo della presenza di una resistenza sul segnale di linea prima del pre-amplificatore microfonico ).

L’ingresso per i segnali a livello di linea viene spesso chiamato Line In nei mixer audio analogici ( fig. 16 ) o pre-amplificatori su hardware esterno o ingresso analogico di mixer audio digitali di vecchia concezione ( fig. 17 ), ed è sempre su connessione Jack TRS proprio perchè gli strumenti il cui segnale in uscita è a livello di linea passa su connessione Jack TS o TRS, mentre per le stage box – splitter analogici attivi questo tipo di ingresso non è previsto in quanto che il loro scopo è trasferire segnale microfonico per lunghe tratte, mentre il segnale di linea in uscita dai vari strumenti musicali è sempre sbilanciato ( se è bilanciato accertarsi che il livello del segnale sia quello microfonico altrimenti interporre una D.I. Box o entrare all’ingresso di linea del mixer audio ).

Alcuni mixer audio soprattutto artigianali anche di alto livello, possono eventualmente presentare ingressi di linea bilanciati su XLR.

fig. 16

fig. 17

In figura 18 un esempio grafico del collegamento di segnale a livello di linea in pre-amplificatori microfonici per poter essere ad esempio processato e mixato con i segnali audio microfonici.

fig. 18

Questo esempio è riferito ad una configurazione con il mixer audio in prossimità dello strumento che invia il segnale di linea sbilanciato ( entro 10 metri ).

In figura 19 invece un esempio considerando di inviare il segnale a distanze maggiori di 10 metri che come sappiamo si necessità di trasformare il segnale sbilanciato in bilanciato.

fig. 19

Nell’esempio è chiaro come interponendo una D.I. Box è possibile portare il segnale di linea sbilanciato in un ingresso microfonico bilanciato eventualmente interponendo pad di attenuazione direttamente dalla D.I. Box o dal pad presente nel mixer audio se il segnale di arrivo è troppo elevato.

n.b. In realtà il segnale a livello di linea anche dopo l’inserimento della resistenza da 20 KΩ o di una D.I. Box è prossimo a quello microfonico, generalmente + 5 dB / + 6 dB in più del livello medio microfonico. Non c’è un valore resistivo ideale da interporre sulla linea per ottenere un reale segnale di livello medio microfonico in quanto il livello del segnale di linea che risulterà dopo la resistenza da 20 KΩ dipenderà fortemente dall’impedenza di uscita dello strumento dal quale si preleva il segnale a livello di linea, dall’impedenza complessiva del circuito compreso quella del cavo in cui passa il segnale e tanti altri fattori.

Se il segnale di linea lo si vuole inserire in un ingresso microfonico come visto in argomento D.I. Box e nell’esempio in figura 16 è necessario introdurre appunto la D.I. Box che oltre a bilanciare permette di adattare il livello di segnale ed impedenza per lo standard microfonico. In questo caso è possibile, se il segnale è comunque di livello troppo alto, inserire le ulteriori resistenze ( pad ) presenti nelle D.I. Box generalmente con attenuazione del livello di segnale di 10 dB e/o 20 dB da utilizzare in sostituzione della resistenza di 20 KΩ presente nell’ingresso di linea del mixer audio o pre-amplificatore microfonico esterno, potendo collegare il segnale direttamente all’ingresso microfonico bilanciato.

In campo analogico o digitale di vecchio stampo in ogni caso con utilizzo di D.I. Box è sempre più qualitativo attenuare a monte, quindi utilizzare gli attenuatori della D.I. Box e poi entrare nell’ingresso microfonico del pre-amplificatore, a meno di non avere dei pad di attenuazione interni al mixer audio utilizzato molto più qualitativi o che generino minor rumore rispetto a quelli della D.I. Box utilizzata.

In campo digitale moderno alcuni mixer audio hanno il pad di attenuazione a livello digitale e/o software, ma il principio è lo stesso, utilizzare l’attenuatore della D.I. Box a meno che il pad del mixer non generi un rumore di fondo minore.

A livello di mixer audio digitali di moderna concezione il line input non esiste ( fig. 20 ), ma sono presenti solo ingressi microfonici bilanciati XLR.

fig. 20

Questo perchè vengono utilizzati gli stessi convertitori A/D sia per il processo di sbilanciamento del segnale bilanciato, conversione analogico/digitale che pre-amplificazione, e garantiscono di ottenere un livello di impedenza di ingresso molto elevato anche con rapporti di trasformazione da 1:20 a 1:40 ( esempio da 5 KΩ a 10 KΩ ) garantendo altissime prestazioni senza perdite di qualità. Per cui come si capisce sono ingressi microfonici che possono anche essere utili per ricevere un segnale a livello di linea, generalmente poi introducendo un pad con 10 dB di attenuazione.

n.b. Introducendo il PAD si introduce una resitenza sul segnale di ingresso che porta ad un innalzamento della resistenza complessiva, è bene quindi sapere questo per il corretto interfacciamento dei microfoni con gli ingressi di pre-amplificazione. Se si vuole evitare la resistenza del PAD o semplicemente perchè non è un attenuatore di qualità, è possibile prelevare il corretto segnale in input senza che arrivi in distorsione e poi inserirlo digitalmente, il processo digitale è completamente trasparente (se di qualità), in quanto che è solo un’operazione matematica di attenuazione sul segnale audio digitale campionato.

In alcuni casi è comunque possibile trovare se pur limitati ingressi di linea analogici con convertitore A/D ma denominati AUX IN ( fig. 21 ), utilizzabili generalmente per prelevare segnale a livello di linea da outboard esterni ( come processori di frequenza e dinamica ) in sostituzione di quelli presenti all’interno del mixer audio digitale.

fig. 21

Vista la resistenza di ingresso di 20 KΩ a volte anche 40 KΩ se l’impedenza complessiva di ingresso è determinata anche dal convertitore A/D è possibile comunque utilizzarli anche come ingressi di linea a cui collegare il segnale di linea in uscita dagli strumenti musicali, registratori multitraccia, ecc…

Per inviare un segnale già pre-amplificato da un pre-amplificatore microfonico esterno è possibile a livello di routing interno al mixer audio digitale impostare questa connessione AUX IN come ingresso di Insert, in modo tale da bypassare il pre-amplificatore già presente in questo ingresso.

Note sui Trasformatori

Per tutti i pre-amplificatori che presentano trsaformatore di ingresso e /o uscita, come visto e come verrà visto in questa serie di articoli e anche altre argomentazioni a parte, la struttura, forma, dimensioni, materiali utilizzati fanno dipendere le capacità di potenza, risposta in frequenza, dinamica ecc…

In linea generale pre-amplificatori più scarsa qualità hanno trasformatori con lamine in Ferro (con distorsioni più evidenti in bassa frequenza), anche se spesso vengono utilizzati come alternativa ad altri per avere diverse colorazioni del segnale audio. Quelli più qualitativi in Nichel e Cobalto (generalmente anche i più costosi), ma si possono trovare anche altri materiali, ci sono poi un mix di materiali (anche se qualitativamente non consigliato, per via delle differenze di fase, aumenti di velocità e/o rallentamenti, risonanze varie, derivate dal segnale che passa attraverso differenti stati di materia).

E’ quindi bene scegliere il pre-amplificatore che si avvicini di più anche alle caratteristiche tonali ricercate, ed il trasformatore è il principale componenete che da questa variabile.

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