Pre-Amplificatori Audio – V

Utilizzare un pre-amplificatore che processa a livello digitale offre un’amplificazione di qualità superiore rispetto a quelli analogici, soprattutto per il fatto di poter amplificare la tensione fino ai livelli nominali ( + 18 dBFS o +24 dBFS ), rispetto ai + 4 dBu utilizzati a livello analogico. Le perdite maggiori di qualità ( risposta in frequenza, dinamica, THD % ) sono nei convertitori A/D e D/A, soprattutto D/A, ma allo stato attuale sono realizzate circuiterie che hanno risolto con il tempo anche questo tipo di problemi. Per cui se possibile in termini qualitativi utilizzare sempre un pre-amplificatore digitale anche solo per processare in digitale un segnale analogico per poi riprendere la conversione in analogico, mentre per armonizzare il suono, creare sonorità analogiche e vintage utilizzare pre-amplificatori analogici.

Se il pre-amplificatore digitale amplifica a livello analogico o digitale lo si può vedere, a volte, anche dal meter che presenta, se è un peak meter ( analogico ) se è un digital meter ( digitale ).

L’utilizzo di un pre-amplificatore microfonico digitale con connessioni di uscita analogiche può essere sempre utile caso mai lo si debba interfacciare con attrezzature analogiche ( es. mixer audio analogico ), ( ricordarsi di entrare sempre nell’ingresso insert del mixer audio analogico cosi da bypassare il pre-amplificatore inboard presente ) ( fig. 1 ).

fig. 1 2016-03-24_19-45-02.jpg

Nel caso in cui il pre-amplificatore digitale non abbia un uscita analogica è possibile utilizzare un convertitore D/A ( fig. 2 ) che porti la linea amplificata in dominio digitale a valori di linea analogica ( fig. 3 ).

fig. 2 f04b5e09546fdcb9258ad0af1f89bde521754f15.jpg

fig. 3 2016-03-25_11-19-18.jpg

Oppure se la configurazione lo prevede può essere anche utile da utilizzare come split di segnale da inviare a due mixer diversi direttamente dal processore del pre-amplificatore microfonico digitale senza passare per quello del mixer audio digitale , un esempio può essere quello di dover inviare il segnale sia al mixer di sala digitale che ha quello per la registrazione analogico ( fig. 4 ).

fig. 42016-03-24_19-52-54.jpg

A livello digitale sarebbe possibile sommare diversi pre-amplificatori microfonici digitali ( solo quelli che amplificano il segnale in dominio digitale e quindi non hanno pre-amplificatore microfonico analogico ), senza l’introduzione di rumori e dei problemi visti nel caso di somma dei pre-amplificatori analogici, ma non lo si usa fare in quanto che il pre-amplificatore digitale già di suo riesce ad amplificare fino ai suoi massimi valori senza avere problemi di alterazione della risposta e dinamica al variare del livello di amplificazione, in questo caso e soprattutto se di qualità, questi parametri rimangono invariati e trasparenti.

Sconsigliato per i soliti motivi sommare pre-amplificatori analogici e digitali.

n.b. Qualsiasi componente sia alimentato da tensione elettrica, questo necessità del più pulito e stabile livello di tensione, livelli di tensione non stabili portano al mal funzionamento del componente ed in certi casi rottura. Accertarsi per cui di avere un ottima linea elettrica, eventualmente introducendo lungo la linea prese elettriche filtrate ( fig. 5 ) e/o UPS ( fig. 6 ) e/o Stabilizzatori di corrente ( fig. 7 ), ( strumenti che provvedono a stabilizzare e ri-pulire tale tensione ) possibilmente con controllo almeno dei valori di tensione per accertarsi che la linea elettrica sia adeguata e stabile.

fig. 5  41HkkGhQL1L._AC_UL320_SR252,320_

fig. 6 71Sf0khKzML._SL1500_.jpg

fig. 7 1113077_800

Alcuni pre-amplificatori microfonici analogici, processano tutto il segnale in analogico ma offrono anche un uscita in digitale ( fig. 8 ).

fig. 82016-03-24_18-49-01.jpg

Quello in figura 3 ha uscite tipo AES3 e S/Pdif ma se ne possono trovare anche con interfacce di altri protocolli, in caso poi si voglia convertire il protocollo per adattarlo ad uno utile per l’interfacciamento di altri dispositivi con diverso protocollo, sarà allora necessario acquistare un interfaccia di conversione del protocollo digitale.

Quasi tutti i pre-amplificatori analogici che presentano uscite digitali ( fig. 8 ) e pre-amplificatori digitali ma anche qualsiasi componente audio digitale ( mixer audio, registratore, ecc.. ) può presentare ingressi ed uscite Word Clock ( WC ) ( fig. 9 ) ( altri con ingresso AES11 su XLR, più che altro utilizzato nel broadcast per la sincronizzazione tra audio e video, essendo un protocollo che determina il clock diviso per frame ), per definire il clock di campionamento di uno o più dispositivi audio digitali collegati tra di loro, come spiegato anche nell’articolo Splitter e Sommatori IV.

n.b. Di qualsiasi pre-amplificatore digitale si parli questo considera un segnale audio digitale PCM ( che vedremo meglio quando parleremo di audio digitale ). Prossime generazioni di pre-amplificatori audio digitali prevedranno anche o solo il segnale audio DSD ( che vedremo sempre quando parleremo di audio digitale ).

fig. 9 pre-amplificatore con a-d

Dove posiziono il pre-amplificatore Outboard Digitale ?

La posizione ed i problemi riscontrabili sono gli stessi visti per i pre-amplificatori microfonici analogici ( Pre-amplificatori Audio IV ).

Per cui se volessi utilizzare un pre-amplificatore digitale su Outboard al posto di quelli presenti in stage box – splitter digitali e/o mixer audio digitali, in caso di situazione live con mixer audio digitale di sala e di palco ( fig. 10 ).

fig. 102016-03-25_11-53-58.jpg

La migliore soluzione se la propria attrezzatura lo permette è quella in figura 10, per cui entrare con la linea microfonica nell’ingresso insert analogico della stage box – splitter digitale, collegare il pre-amplificatore microfonico digitale con interfaccia I/O digitale presente nel mixer audio digitale, gli standard possono essere differenti. Impostare il routing del canale del mixer audio digitale a cui si desidera inviare il segnale audio con utilizzo di pre-amplificatore microfonico digitale su Outboard, dicendogli di inviare il segnale in ingresso nell’insert della stage box a cui abbiamo collegato la nostra linea microfonica al pre-amplificatore microfonico digitale, ed impostando l’ingresso del canale desiderato per il prelievo del segnale digitale in uscita dal pre-amplificatore microfonico digitale.

In caso la stage box – splitter digitale non presenti ingressi insert allora è necessario inviare una linea separata ( soluzione meno qualitativa ) ( fig. 11 ).

fig. 112016-03-25_13-02-54.jpgNel caso in figura 11 potrebbe facilmente esserci anche un problema di fase per i diversi tempi di arrivo tra il segnale della stage box – splitter digitale e quello del pre-amplificatore microfonico digitale.

n.b. Allo stato attuale non è possibile mettere in ponte digitale stage box – splitter digitali con pre-amplificatori digitali su Ouboard esterni anche se di stesso protocollo ( anche se il protocollo stesso nel caso di standard come quello Dante e qualsiasi protocollo che viaggia su network di rete prevede questa possibilità di interfacciamento attraverso appositi router, per sviluppi futuri saranno probabilmente i primi a consentire questo ), in quanto che il protocollo di informazioni per permettere la lettura ed interfacciamento tra mixer audio digitali e stage box – splitter digitali contiene anche informazioni di routing per il posizionamento dei canali ( 1 della stage box sarà 1 del mixer audio, 32 della stage box 32 del mixer audio e cosi via ), la maggior parte dei pre-amplificatori microfonici digitali non è in grado di leggere e trasferire questo tipo di informazioni.

n.b. In più allo stato attuale non si può avere ancora il controllo remoto di un pre-amplificatore digitale Outboard direttamente dal mixer audio digitale come avviene collegando le stage box – splitter digitali, a meno di non avere delle stage box – splitter digitali che permettono la sostituzione di parti di pre-amplificazione come precedentemente visto, ma comunque limitati sempre nella scelta del pre-amplificatore digitale che in più può essere solo inboard e compatibile con la stage box – splitter digitale di riferimento.

In alcuni casi questo può essere ovviato se si utilizza un pre-amplificatore che permette il controllo remoto a livello proprietario, esempio permette l’interfacciamento con un PC nel quale può essere utilizzato il software ( generalmente sempre proprietario ) che presenta tutti i controlli gestibili del pre-amplificatore digitale controllabili appunto in remoto. In questo caso allora il pre-amplificatore digitale può anche essere lasciato vicino alle stage box – splitter presenti sul palco e il pc con il software per il controllo remoto in regia F.O.H.. Generalmente questo tipo pre-amplificatore presenta connessioni a livello di rete ( cat 5 – 6 ), in quanto che per l’interfacciamento digitale, Usb e Firewire non consentono tratte superiori a 6 – 7 metri ( fig. 12 ).

fig. 12 4280531_11442043104.jpg

Un’altra soluzione potrebbe essere quella di interfacciare la connessione remota del pre-amplificatore digitale con un dispositivo che trasformi USB o Firewire in Wi-Fi ( fig. 13 ), cosi da non dover stendere alcun cavo di cablaggio e interfacciando il PC appunto in Wireless.

fig. 1331fZVN09y+L.jpg

In caso di utilizzo di stage box analogiche il principio è lo stesso visto per i pre-amplificatori Outboard analogici, solo che invece di avere un pre-amplificatore analogico abbia un pre-amplificatore digitale al cui ingresso analogico arriverà il segnale microfonico.

Nel caso che i mixer siano analogici ed i pre-amplificatori digitali allora optare per l’introduzione dei convertitore D/A come visto negli esempi precedenti.

In caso si voglia invece utilizzare un pre-amplificatore analogico da collegare ad un dispositivo digitale ( es. mixer audio digitale ), allora sarà necessario utilizzare un convertitore A/D ( fig. 14 ) ( fig. 15 ).

fig. 14 04ca12e8890fc968d5b2b34c45868b55c9ab3583.jpg

fig. 15 2016-03-25_11-05-58.jpg

E’ di fondamentale importanza che la connessione e protocollo digitale in uscita dal convertitore A/D sia lo stesso presente nell’ingresso del mixer audio digitale.

Altro

Anche una scheda audio per PC può avere pre-amplificatori microfonici analogici o digitali all’ingresso ( fig. 16 ) per poter collegare segnali microfonici e di linea da inviare ad esempio all’interno di registratori multitraccia su software DAW.

fig. 16 scheda audio 2.jpg

Queste schede audio possono avere anche funzionalità di processazione come regolazioni del guadagno e qualche eventuale parametro di filtraggio, phantom power, pad, mentre processamenti di dinamica ed equalizzazione e a volte anche di guadagno e controlli fader se presenti sono per lo più controllabili a livello software dal PC ( fig. 17 ) ( fig. 18 ) in uso a cui la scheda audio è collegata.

fig. 17 us-322_p_dsp-mixer.jpg fig. 18 US-322-366_m_dsp_effect.jpg

Una scheda audio generalmente è interfacciata con il PC tramite connessione USB (  consumer ) ( fig. 19 ) o Firewire ( professionale ) ( fig. 20 ).

fig. 19 2016-03-23_15-21-57

fig. 20 2016-03-23_15-24-47.jpg

Anche le schede audio possono essere monocanale o multicanale, e presentare un misto di connessioni di ingresso ed uscita analogiche / digitali con vari parametri di controllo definiti dal costruttore ( fig. 21 ).

fig. 21Scheda audio.jpg

Anche gli ingressi presenti nei PC, Notebokk, Tablet, Smartphone possono presentare pre-amplificatori microfonici analogici o digitali ed ingressi ed uscite analogici e/o digitali ( fig. 22 ).

fig. 22 images

Altro

Esistono alcune interfaccie per pre-amplificatori analogici in grado oltre che avere ingressi pre-amplificatori, di ottenere un controllo remoto a distanza ( tramite connessioni midi o rs232 o LAN TCP/IP, per pre-amplificatori compatibili quindi con questa tipologia di ingresso per il controllo remoto ) ed offrire all’uscita un protocollo in dominio digitale ( es. MADI o DANTE i più diffusi ) per il trasporto verso altre fonti, ( fig. 23 ).

Fig. 23 HV3R-Web1960.jpg

Pre-amplificatori Audio su Software

Qualsiasi software di controllo remoto di pre-amplificatori microfonici inboard, outboard ( fig. 24 ), può essere considerato un pre-amplificatore a livello software, compreso il controllo del segnale di input di DAW ( fig. 25 ), plugin audio ( fig. 26 ).

fig. 24 2016-03-25_13-22-07.jpg

In figura 24 è evidenziato il controllo remoto tramite software del pre-amplificatore digitale di un mixer audio digitale.

fig. 252016-03-25_13-27-02.jpg

In figura 25 è evidenziato il controllo del segnale di pre-amplificazione a livello software in una digital audio workstation, generalmente questi controlli si presentano sempre su fader digitali, cosi da consentire una scala di livelli più precisa.

fig. 26  pre amp plugin software qualsiasi plugin può essere pre amplificatore a livello software.jpg

In figura 26 è evidenziato il pre-amplificatore su software che gestisce il  livello del segnale di ingresso al plugin, sempre su fader.

Soprattutto a livello di plugin audio si possono trovare anche emulazioni di pre-amplificatori o channel strip di hardware analogici ( fig. 27 ) ( fig. 28 ) ( fig. 29 ).

fig. 27 2016-03-16_13-28-53.jpg

fig. 28 2016-03-16_13-29-30.jpg

fig. 29 2016-03-16_13-29-50.jpg

Attenzione all’Impedenza

Come vedremo anche in altre argomentazioni, in campo analogico il valore dell’impedenza è di fondamentale importanza per interfacciare diversi dispositivi audio, in modo tale che sia mantenuto un corretto trasferimento di carico, indice di simmetria e quindi bassi valori di distorsione e rumore di fondo. Un cattivo rapporto di impedenza può far aumentare il rumore del segnale audio.

Questo valore dipende anche dal tipo di connessione di input o output, ingressi od uscite bilanciate hanno valori di impedenza differenti da ingressi od uscite sbilanciate.

Come linea da tenere si ha che un segnale sbilanciato offre la metà dell’impedenza di un segnale bilanciato.

Se abbiamo quindi un ingresso microfonico a 10 Kohm di impedenza ed è correttamente dimensionato rispetto all’impedenza di uscita del nostro microfono per avere un ottimo rapporto di impedenza ( es. 1:10 ), ma il cavo bilanciato su XLR che permette la connessione tra i due dispositivi si è sbilanciato perdendo ad esempio la connessione sul pin 2, avremo che l’impedenza di ingresso non è più a 10 KOhm ma a 5 KOhm, in quanto che il circuito chiude all’ingresso in modo sbilanciato utilizzando solo la metà del trasformatore a presa centrale o bilanciamento attivo ( quindi metà dell’impedenza ).

Cosi facendo il rapporto di impedenza si dimezza e potrebbero insorgere rumori per un aumento delle correnti spurie ed indotte per ritorno lungo la linea.

Lo stesso vale anche per gli altri tipi di ingresso, come quello di linea, in cui generalmente si ha per un ingresso bilanciato TRS a 40 KOhm di resistenza ( una per il Tip ed una per lo Sleeve ), se entro sbilanciato TS avrò 20 KOhm di resistenza, in quanto solo una delle due linee è utilizzata.

Fare per cui attenzione a tutti questi fattori quando si collegano linee microfoniche e segnali a livello di linea.

Per le uscite invece il possibile problema non sorge in quanto che l’impedenza è già data dal processo di bilanciamento del segnale sbilanciato o viceversa, per cui avremo sempre ad esempio se l’uscita è a livello di linea, un’impedenza di 75 o 50 Ohm sia nel prelievo di una connessione bilanciata che sbilanciata.

In campo digitale come vedremo quando parleremo di audio digitale le impedenze dei dispositivi di ingresso ed uscita devono essere identiche e avere una minima tolleranza di oscillazione su questi valori, altrimenti si creano disturbi sul segnale fino alla sua interruzione.

Specifiche Tecniche

Vediamo ora quali sono le caratteristiche che devono avere i Pre-amplificatori audio di qualità.

Analogici

Input Impedance: Come detto nei precedenti articoli il valore dell’impedenza di ingresso deve essere almeno da minimo 6 – 10 volte il valore dell’impedenza di uscita del microfono o dispositivo a cui vuole essere collegato il pre-amplificatore microfonico.

Max Level Input: Un buon pre-amplificatore analogico deve poter consentire all’ingresso un valore di segnale massimo > + 20 dB ( 28 dB i migliori ), prima di generare distorsioni, generalmente dell’ordine dell’ 1%, ma spesso calcolata anche su valori più bassi come lo 0,01%. Valore che garantisce una maggiore pulizia tanto più basso è il segnale di ingresso ed un maggiore headroom verso il segnale di linea che puòò avere sbalzi di tensione ben oltre al valore nominale 0 dBu o + 4 dBu.

Max Leve Output: Più il livello massimo di uscita è alto e meno distorsioni ci saranno per livelli di uscia a più basso livello come lo 0 dB ( considerato il limite RMS massimo per interfacciamento con gli ingressi dei finali di potenza per ottenere la massima potenza di uscita ). I migliori consentono un livello massimo di uscuta > + 20 dB ( considerando un valore di distorsione massimo dello 0,01% ), se ne trovano comunque anche ad esempio a > + 28 dB ( considerando una distorsione massima di 0,05% ). E’ generalmente calcolato ad 1 Khz.

Il più alto valore che ho trovato a > + 32 dB ( considerando una banda di frequenze 20 hz – 40 Khz, ma dipende poi anche dal carico di uscita ed il carico di ingresso considerato, ed inoltre misurato su di un più ampio range di frequenze si ottengono valori più alti in quanto che l’energia è distribuita su di un più ampio range di frequenze, da valutare anche il calcolo se mediato generico di tutte le frequenze, o preso frequenza per frequenza e scelta la prima che ha generato un livello di distorsione non più accettabili come lo 0,01% o lo 0,05% ).

Gain Range o Drive Control Range: Identifica il valore di guadagno massimo dato dall’amplificatore prima di generare distorsioni udibili ( generalmente 1% ) od oltre un livello massimo determinato dal produttore stesso.

Un valore ottimale è: > + 40 dB ( 60 – 80 dB i migliori ), per il segnale microfonico e > + 15 dB per il segnale di linea.

Dynamic Range: Tanto più alta sarà la dinamica del pre-amplificatore e tanto più basso sarà quindi anche il rumore di fondo e la capacità di amplificare senza introdurre distorsioni rilevanti.

Un buon pre-amplificatore analogico deve consentire una dinamica > 120 dB.

EIN ( Equivalent Input Noise): Identifica il rumore di fondo del pre-amplificatore al passaggio di un segnale di rumore bianco ( 0 dB a 20 hz – 20 Khz ) al suo ingresso e con guadagno di amplificazione generalmente al massimo possibile. Questo valore è calcolato con un rumore bianco pesato A, cioè a cui è applicata un’equalizzazione tale da emulare la risposta dell’orecchio a 60 dB di pressione sonora, tale da definire il livello di rumore percepito dall’uomo. Il suo calcolo è determinato senza alcun segnale applicato ( rumore intrinseco ).

n.b. Il suo livello dipende anche dalla differenza di impedenza tra il circuito di uscita ( in cui viene generato il segnale ) ed il circuito di ingresso del pre-amplificatore stesso, e per questo è buona norma mantenere i rapporti di impedenza visti precedentemente.

Un valore ottimale è: < – 115 dBu ( < – 130 dB i migliori ).

Quando questo valore è misurato senza resistenza applicata risulterà ancora più basso, ma nella realtà dipende dal carico applicato ( rapporto di impedenza tra output ed input ).

Frequency Responce: Tanto più lineare sarà la risposta in frequenza e tanto più trasparente sarà il pre-amplificatore, questa scelta dipende fortemente dal tipo di suono che si vuole ottenere. Se si cerca un pre-amplificatore trasparente una buona risposta in frequenza è: +/- 3 dB da 10 Hz a 75 Khz ( oltre i 200 Khz i migliori, soprattutto quelli costruiti per utilizzo con microfoni di misura ).

Questa risposta è spesso calcolata con rumore bianco a 0 dB e/o a – 1 dB poi normalizzata ( dipende dal livello di distorsione del generatore di rumore applicato, da norma deve essere il più lineare e meno distorsivo possibile a 0 dB ).

CMRR ( Common-mode Rejection Ratio a volte nominato solo CMR ): Identifica i valori di tensione e corrente espressi in decibel retroazionati lungo la linea di input, fenomeno rilevante quando la differenza di potenziale è diversa da 0, un valore basso garantisce minor perdita di tensione, un maggiore controllo del segnale da amplificare ed una più lineare risposta in frequenza e dinamica.

Un valore ottimale è: > 65 o > 70 dB.

n.b. Dipende molto dal guadagno di riferimento a cui è stato eseguito il test, generalmente a + 20 dB e + 40 dB.

Phase Shift

Il problema di fase è un fattore non sempre menzionato in quanto più di altri dipende da diversi fattori, come la stabilità della corrente di alimentazione, della simmetria e rapporto di impedenza tra circuito di ingresso del pre-amplificatore e quello di uscita di un dispositivo a cui è connesso, dalle interferenze esterne, fenomeni indutti e capacitivi. E’ importante che l’amplificatore e soprattutto in fase di amplificazione generi un errore/sfasamento di fase minore possibile, prossimo ai 0°. Vedremo più avanti come diverse tecnologie possano permettere di ottenere un errore di fase dello 0%.

I migliori < 10° da 20 hz a 20 Khz ( se ne trovano alcuni attorno ai 2° dai 50 hz ai 20 Khz ).

THD%: Identifica il valore percentuale delle distorsioni armoniche generate dal pre-amplificatore al passaggio di un segnale generalmente di test ( rumore bianco da 20 Hz a 20 Khz ) con un valore di guadagno generalmente al massimo possibile. Questo valore è calcolato con un rumore bianco pesato A, cioè a cui è applicata un’equalizzazione tale da emulare la risposta dell’orecchio a 60 dB di pressione sonora, tale da definire il livello di distorsione percepito dall’uomo. Spesso è calcolato ad un determinato livello di amplificazione, esempio a + 20 dB di guadagno in ingresso, ma lo si può trovare anche a + 35 dB od altri valori, e anche con un determinato livello di guadagno all’uscita.

n.b. Generalmente viene misurato all’uscita insieme al rumore di fondo complessivo della linea di ingresso.

Un valore ottimale è: da 0,1 % a 0,5 % ( il migliore trovato 0,001% a +35 dB di guadagno all’ingresso ).

In alcuni casi è misurato anche a 0 dB di guadagno in ingresso a singola frequenza ( 1 Khz ), in questo caso i valori ottimali sono : < 0,010 %

Crosstalk: Valore presente quando si hanno più pre-amplificatori in un unico modulo e sta ad indicare il livello di copia, cioè la generazione di calore e fenomeni indotti dai pre-amplificatori che tendono a trasferisti su quelli vicini creando fenomeni di diafonia.

Valori ottimali sono: > 90 dB as 1 Khz tra due canali vicini.

Impedenza di Uscita: Il segnale in uscita da pre-amplificatore microfono può raggiungere al massimo valori di linea, per questo è bene che la sua impedenza sia la più bassa possibile per un corretto interfacciamento con gli ingressi di linea o insert presenti ad esempio nei mixer audio. I migliori pre-amplificatori hanno impedenze di uscita attorno ai 40 Ω – 50 Ω. Ne ho trovati anche a 24 Ω.

Slew Rate

Lo Slew Rate è un parametro che indica quanto livello di amplificazione riesce a dare il dispositivo in un arco di tempo di riferimento ( in questo caso microsecondi ), tanto più alto è questo valore e tanto più l’amplificatore sarà reattivo nella fase di amplicazione, introducendo meno distorsione, problemi di fase e potendo raggiungere livelli di amplificazione più elevati.

I migliori hanno valori che si aggirano attorno > 20 V per microsecondi.

Digitali

Per i pre-amplificatori digitali o analogici ma che presentano anche circuiteria digitale valgono le stesse specifiche di quelli analogici con l’aggiunta di ulteriori parametri che identificano la qualità dei componenti digitali.

Si parla sempre di conversione A/D e D/A in quanto che nel percorso del segnale digitale D/D ( come vedremo meglio quando parleremo di audio digitale ) i parametri del segnale audio sono sempre matenuti al livello dato dalla conversione A/D ( parametri del convertitore che amplifica a livello digitale o semplicemente converte dopo l’amplificazione ), esisteranno invece altre problematiche.

L’amplificazione a livello software si presenta come un algoritmo che ricrea l’onda al livello definito, precisione, bassa latenza, e meno errori di calcolo fanno la differenza tra un pre-amplificatore su software ( plugin ) ed un’altro.

Per la risposta in frequenza, il calcolo dovrebbe essere eseguito ai diversi valori di campionamento, in quanto può facilmente variare.

Valori ottimali sono il mantenimento di una risposta in frequenza di 0,1 dB da 20 Hz alla massima frequenza prima del filtro anti-alias ( Fs/2, 24 Khz per un campionamento a 48 Khz, 48 Khz per un campionamento a 96 Khz, sono valori variabili in base alla posizione e taglio del filtro anti-alias dato in fase costruttiva, che sia software o hardware ).

n.b. Per questo sono pre-amplificatori molto limitati nell’utilizzo con interfacciamento con microfoni di misura ( i 48 Khz limitati a 22 Khz, mentre i 96 Khz limitati a 48 Khz ), in quanto spesso si richiedono analisi anche oltre la banda audio udibile, scegliere per cui in questo caso pre-amplificatori con alto campionamento in base al range di frequenze da analizzare.

Campionamento: Un valore di campionamento più alto garantisce un’accuratezza maggiore nella trasformazione del segnale analogico in digitale ( A/D ) e digitale in analogico ( D/A ). Se si preleva un’uscita digitale sarà necessario che il dispositivo di ingresso possa lavorare alla stessa frequenza di campionamento per poter funzionare.

I migliori pre-amplificatori digitali lavorano a frequenze di campionamento di: 88.2 Khz – 96 Khz – 176.4 Khz – 192 Khz – 256 Khz – 384 Khz.

Quantizzazione: Tanto più alto sarà il valore di quantizzazione e tanto più rispecchiata sarà la dinamica del segnale nella conversione A/D e D/A.

I migliori pre-amplificatori digitali lavorano a quantizzazioni di 32 – 64 bit floating point.

Max Level Input: I migliori pre-amplificatori digitali hanno un massimo livello di segnale di ingresso > + 25 db, un > + 15 dB è ritenuto comunque un buon pre-amplificatore digitale.

Max Level Output: I migliori pre-amplificatori digitali hanno un massimo livello di segnale in uscita > + 24 dB ( generalmente calcolato ad 1 Khz ).

Gain Range o Drive Control Range: I migliori pre-amplificatori digitali hanno una capacità di guadagno > + 70 dB, comunque già un valore di + 60 dB è considerato ottimo.

Dynamic Range: Tanto più alta sarà la dinamica del segnale di ingresso dopo la conversione A/D e nello stadio di uscita dopo la conversione D/A e tanto più qualitativo sarà il segnale audio.

I migliori pre-amplificatori digitali hanno una dinamica A/D – D/A > 115 – > 120 dBA.

n.b.1 C’è da fare una differenza tra dinamica del convertitore A/D e D/A e quella del processo di conversione di un pre-amplificatore digitale, in quanto che la dinamica del convertitore è quella fornita dal chip/integrato ( ed è la sua massima dinamica possibile calcolata ), mentre quella a noi di interesse è la dinamica complessiva di conversione che è quella compresa di connettore XLR ( circuito di sbilanciamento del segnale, attivo o passivo, e/o Jack TS / TRS ) applicati ed eventuale altra circuiteria impiegata e cablata al convertitore stesso, compreso eventualmente la presenza di un pre-amplificatore analogico. Questo dato è spesso accompagnato appunto dalle caratteristiche tecniche del convertitore A/D – D/A utilizzato. La dinamica reale come si può intuire è sempre più bassa, spesso anche oltre i 10 dB, ed è questa la reale dinamica che incontrerà nel percorso di conversione che sia A/D od in senso opposto D/A il segnale audio.

Di seguito un estratto di un data sheet in cui è presente l’informativa sia sulla dinamica del convertitore audio utilizzato ( non chè la sua risoluzione ) ( fig. 30 ), che sulla dinamica del processo di pre-amplificazione/conversione ( bilanciato – sbilanciato ) sia per lo stadio A/D che D/A ( fig. 31 ).

fig. 302017-03-27_14-17-28

fig. 31 2017-03-27_14-27-38

A volte come si vede dalla figura 30 viene anche indicato la dinamica complessiva del circuito, quindi nel passaggio del segnale tra l’input A/D e l’output D/A per avere una chiara comprensione delle capacità del dispositivo che si sta utilizzando.

Come si vede dalla figura 30 il processo di conversione è spesso anche inferiore di oltre 10 dB rispetto alle capacità stesse del convertitore.

Se il pre-amplificatore presenta anche circuiti di equalizzazione e dinamica sarà necessario che anche questi abbiano le migliori caratteristiche qualitative possibili come vedremo in altre argomentazioni.

Noise:

A livello digitale alcuni costruttori evidenziano non solo il rumore EIN che rappresenta il complessivo di rumore dato dalla conversione A/D o D/A, ma anche il singolo rumore dato dal segnale in dominio analogico ( definito Noise A-A o rumore analogico pesato A ), e/o in dominio digitale ( definito Noise A – D o rumore digitale pesato A ).

A-A Ottimi pre-amplificatori mantengono un rumore analogico inferiore ai – 85 dBA.

A-D ( EIN ) Ottimi pre-amplificatori mantengono un rumore analogico inferiore ai – 128 dBA.

n.b. Parametro generalmente calcolato a 0 dB di gain, ma in certi casi lo si può trovare anche in risposta ad un certo tipo di guadagno dato.

I migliori < – 128 dBA con 60 dB di guadagno ( più è alto il guadagno e più il rumore generato si alza, quindi un basso valore di rumore ad alto guadagno è sinonimo di qualità ).

Latenza di conversione:

Anche la latenza di conversione A/D e D/A è fondamentale, i migliori mantengono una velocità di conversione nel tempo di < 100 microsecondi.

Phase Shift

Come per quelli analogici anche i pre-amplificatori digitali devono avere un errore di fase minore possibile, prossimo ai 0°. In fase di conversione, come vedremo quando parleremo di audio digitale, la stabilità della tensione di alimentazione è fondamentale ancor più che in campo analogico, in quanto che è punto di riferimento per i valori di quantizzazione ( può creare DC Offest ).

Risoluzione di Amplificazione:

Il principale difetto pur non idealmente risolvibile in quanto che come vedremo in ogni paragone di audio analogico e audio digitale la differenza principale sta nella risoluzione, infinita in campo analogico e dipendente dalla risoluzione del dispositivo utilizzato in ambito digitale ( ad oggi praticamente risolto con dispositivi digitali con risoluzioni a livello psicoacustico percepibili in egual modo dall’orecchio umano ), è appunto la risoluzione di amplificazione, quando si amplifica a livello digitale più gli step sono piccoli e più di qualità sarà anche il processo di amplificazione, potendo cosi adeguare il livello audio secondo le necessità di mix e processamento, generalmente questo è accompagnato anche da un suono più trasparente ed una risposta in frequenza più lineare. Più gli step sono risolutivi e più l’orecchio percepirà un percorso di amplificazione lineare, al contrario invece si percepiranno fastidiosi “scalini” di amplificazione.

Ottimi pre-amplificatori digitali devono consentire step di amplificazione < 0,25 dB, ( i migliori 0,1 dB ).

n.b. Step inferiori a 1 dB sono generalmente impercettibili all’orecchio umano.

THD%:

I migliori hanno valori a + 20 dB di guadagno di 0,0005% seguendo il principio di calcolo visto per gli analogici. Valori di 0,001 sono comunque rappresentativi di un buon pre-amplificatore digitale.

Nei digitali è possibile trovarli anche con valori di riferimento riferiti al massimo digitale 0 dBFS o prossimi, esempio – 1 dBFS.

I migliori con riferimento a – 1 dBFS hanno un valore di 0,01%

CMRR ( Common-mode Rejection Ratio a volte nominato solo CMR ):

Calcolata generalmente ad 1 Khz o per una banda passante ( 20 Hz – 20 Khz ).

I migliori hanno valori > 90 dB ( 1 Khz ) e > 70 dB ( 20 hz – 20 Khz ).

Il guadagno di riferimento è 0 dB, ma si possono trovare calcoli anche con diverso guadagno, esempio 20 dB, un guadagno più alto abbassa ulteriormente il valore de CMRR in quanto vi sono meno fenomeni di retroazione.

Slew Rate:

Lo Slew Rate è un parametro che in dominio digitale non esiste in quanto non vi è un tempo di amplificazione, il segnale digitale è sotto forma di onda quadra e numeri binari, in questo caso si parla di tempo di latenza del processamento.

Comparazione oggettiva tra pre-amplificatori analogici e digitali

I migliori preamplificatori digitali si sono avvicinati molto alle caratteristiche dei migliori preamplificatori analogici, molti dei quali infatti hanno un identico a volte superiore a volte inferiore ( dipende dal costruttore ) valore di Max Input, in media però il preamplificatore analogico soprattutto quello con ingresso a trasformatore supporta valori di amplificazione più elevati, un po meno quello attivo e ancor meno il circuiti integrato/convertitore, il convertitore che funge anche da amplificatore é limitato al massimo livello di tensione per lo standard digitale seguito ( es. + 24 dB per lo standard SMPTE ). Lo stesso discorso vale per lo stadio di uscita Max Output.

A livello di rumore EIN i valori sono molto simili ( quantomeno in una misurazione da freddo ), il maggiore difetto dei componenti analogici è che riscaldandosi molto più che circuiti integrati e convertitori tendono fortemente a cambiare i loro valore nel tempo, per cui anche già dopo 1 ora di lavoro le specifiche tecniche tendono a diventare con un rumore generato superiore, mentre nei sistemi digitali questo non avviene e rimane costante. Per questo considerando un periodo di utilizzo i pre-amplificatori digitali sono superiori. La stessa cosa per il valore THD %.

I preamplificatori analogici avendo un valore di Max Input e Max Output superiore ( in quanto quelli digitali limitati dallo standard seguito ), consentono di avere anche una superiore Dinamica, punto debole degli amplificatori digitali per i motivi appena visti, se pur molto migliorati rispetto a qualche tempo fa, e che devono puntare tutto sulla riduzione dei valori di distorsione e rumore di fondo, a meno che in futuro non si adotti un diverso standard di riferimento per il digitale.

Generalmente i dati delle caratteristiche tecniche sono riferiti al Max Input analogico, quindi prima del convertitore A/D ( che può presentare valori di Max Input anche superiori allo standard digitale ), e Max Output analogico, quindi dopo convertitore D/A ( anch’esso può presentare valori di max output superiori a quello da standard digitale, soprattutto se la bilanciatura di uscita analogica o il semplice stadio di uscita sbilanciato è eseguito attivamente tramite amplificatori o ancor più trasformatori ). Ma come detto prima, il limite dinamico e di caratteristiche tecniche è limitato dai valori dello standard digitale utilizzato, in quanto che anche se il Max iìInput è a + 30 dB, dopo lo stadio di conversione A/D, il segnale viene elevato a tensioni digitali con massimo livello es. standard SMPTE + 24 dBFS ed è quello che alla fine della catena audio percepiamo. Avere un ingresso con più alto valore di Max Input permette comunque e sempre di mantenere un più basso valore di distorsione all’ingresso, anche se come detto pur se più basso, il circuito integrato/convertitore permette una più trasparenza tonale del pre analogico. Lo stesso discorso vale per lo stadio di uscita, in cui anche se presenta un valore di Max output ad esempio di +30 dB, il limite è sempre dato dal livello di conversione massimo che come limite ha lo 0 dB FS o sempre prendendo come esempio lo standard SMPTE + 24 dB. Un più alto Max Output consente al segnale a parità di conversione come quella a 0 dBFS di essere più lontano dalle distorsioni analogiche del convertitore stesso.

La risposta in frequenza degli amplificatori digitali è nettamente superiore a quella degli amplificatori analogici, spesso realizzata con ulteriori componenti di equalizzazione, la linerità di conversione soprattutto ad elevate risoluzioni è inarrivabile per il preamplificatore analogico ( risultano più trasparenti ).

Il mantenimento della corretta fase durante il processo di amplificazione è superiore in dominio digitale più che in quello analogico.

Il preamplificatore analogico è in grado di avere un più elevato grado di amplificazione rispetto a quello digitale ( anche sopra i livelli di 0 dBFS, che come detto è un limite per quelli digitali ) e per questo spesso viene utilizzato il preamplificatore analogico e poi convertito in digitale, amplificatore analogico in questo caso spesso limitato ai limiti di conversione e massimo livello di segnale gestibile dal convertitore ( 0 dBFS in digitale sono sempre per lo standard SMPTE + 24 dBu ). Quelli digitali che spesso invece come da specifiche non riescono ad arrivare con un livello di amplificazione allo 0 dBFS, produrranno quindi un livello superiore di distorsione quando amplificati fino al massimo valore digitale. Un convertitore che funge anche da amplificatore avrà un più basso livello di Max Input e rapporto dinamico rispetto ad ogni altra tipologia di preamplificatore ma offre una maggiore trasparenza sul segnale audio convertito e minore distorsione armonica ( si consideri che 110 dB di dinamica sono giá più che sufficienti per coprire qualsiasi genere musicale ).

Il vantaggio di avere un segnale audio digitale nonostante il più alto guadagno possibile da parte dell’analogico ( se pur di poco superiore a quello digitale ) è quello di poter lavorare agli stadi successivi di processamento con alti livelli di tensione, garantendo un processamento preciso e fine sul segnale audio mantenedo basso il livello di rumore e distorsione, ottenendo cosi in fondo alla catena audio prima dello stadio di amplificazione un segnale più pulito. In dominio analogico lo standard di riferimento per gli ingressi è 0 dB ( – 24 dBFS per lo standard SMPTE rispetto al dominio digitale ) o + 4 dBu ( – 22 dBFS ), valore per cui si ha il migliore rendimento nel percorso del segnale audio, inviando un segnale con un più alto livello di tensione si cominceranno a produrre distorsioni proporzionali a quanto più basso è il livello di max input supportato dall’ingresso dello stadio successivo, oltre che hai problemi di rapporto di impedenza tra i vari dispositivi connessi. In digitale invece non si hanno questa tipologia di problemi, una volta che il segnale è in dominio digitale è possibile inviarlo ad un qualsiasi altro dispositivo con ingresso digitale senza l’aggiunta di fenomeni distorsivi come quelli visti, saranno invece altri i problemi, che vedremo quando parleremo di audio digitale. In uscita dal convertitore D/A viene spesso data una leggera amplificazione ( soprattutto nelle uscite servobilanciate attive ), per consentire al sistema di avere una più ampia dinamica di uscita, ma introducendo un più alto rumore di fondo e distorsione THD%.

Per comparazione uno standard digitale a più alto livello di tensione come quello SMPTE a+ 24 dBu rispetto ad esempio a quello europeo a + 18 dBu, consente di sfruttare di più la possibile dinamica del convertitore D/A ma a scapito di un livello di distorsione maggiore in quanto si avvicina di più al possibile limite prima del clip, pregio invece di un livello di segnale più basso come quello EBU.

Per quanto riguarda l’ingresso di linea analogico, pre-amplificatori dedicati sono sicuramente la scelta migliore, ma se possibile per un ingresso di pre-amplificazione optare sempre per il segnale bilanciato a livello microfonico ( quindi bilanciando un segnale sbilanciato con D.I.Box ), ( con D.I. Box di alta qualità, altrimenti optare per l’ingresso diretto a livello di linea ). Il livello microfonico bilanciato è migliore dal punto di vista dei più bassi valori di rumore di fondo generati durante la fase di amplificazione, non chè un valore CMRR decisamente inferiore, questo perchè un segnale a livello di linea incontra una più alta resistenza di ingresso cosi da poter abbassare ed operare meglio sul segnale negli stadi successivi, resistenza che crea un suo rumore intrinseco aggiunto e che più difficilmente permette di gestire e controllare le controreazioni. L’unico pro del livello di linea è la più bassa distorsione generata in quanto che un più alto livello di tensione consente di avere un rapporto segnale rumore mediamente più elevato, grazie anche alla conseguente minore amplificazione necessaria per un segnale di livello operativo.

Il tutto da non confondere con i convertitori A/D di linea, i quali non presentano pre-amplificatore microfonico, se non uno di linea da supporto, ma quanto più un controllo sul guadagno di ingresso, i quali riescono ad ottenere grazie al lavoro a più alta tensione, parametri ancora superiori ai convertitori A/D microfonici.

Il convertitore di linea D/A sempre per il motivo di lavorare a più alti valori di tensione permette specifiche migliori rispetto a quello A/D microfonico, in applicazioni reali dipende però dal tipo di circuito e qualità del convertitore utilizzato.

Sincroni SRC e Asincroni ASRC

Anche i pre-amplificatori audio digitali come le stage box, patchbay e qualsiasi attrezzatura digitale possono essere sincroni o asincroni.

Quelli sincroni permettono l’eventuale cambio e quindi scelta della frequenza di campionamento per multipli interi, quelli asincroni invece permettono la scelta del campionamento in modo più minuzioso e preciso ma sono meno qualitativi, anche se ad oggi la qualità audio di un sistema asincrono si avvicina molto a quella degli sincroni.

Alcuni approfondimenti sui pre-amplificatori microfonici:

APPROFONDIMENTI

Alcuni produttori di pre-amplificatori microfonici professionali:

Alcuni produttori di distributori e stabilizzatori di corrente professionali :

Altro su Pre-Amplificatori Audio:

Pre-Amplificatori Audio – I ( Principi di funzionamento, Pre-Amplificatori Microfonici Analogici )

Pre-Amplificatori Audio – II ( Inboard ed Outboard )

Pre-Amplificatori Audio – III ( Controlli di Pre-Amplificazione )

Pre-Amplificatori Audio – IV ( Utilizzo Pre-Amplificatori, Pre-Amplificatori Microfonici Digitali )

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