![[Diagramma del circuito]](../jpg/dynopamp.jpg)
The TNT HDOA - High Dynamics Op Amp!
Due dei maggiori difetti generalmente imputati agli operazionali sono il loro alto guadagno e la relativamente povera dinamica in termini di swing di tensione d'uscita. Sono caratteristiche intrinseche e, sebbene possano essere prese misure atte a ridurre il problema, queste normalmente si risolvono in circuiterie esterne piuttosto complesse. Usando il metodo "semplice è meglio", ciò non si farà lasciando l'operazionale così com'è ma a questo punto sarà necessaria una buona selezione dei componenti.
Ancora, gli operazionali sono spesso incapaci di elargire grosse correnti talvolta necessarie per pilotare linee a bassa impedenza (bassa nel contesto audio, per esempio impedenze sotto i 10 kOhms) Normalmente i limiti assoluti sono sui 50 mA ma nella pratica si sta sempre sotto questo valore.
Riguardo la tensione d'uscita, misure relativamente semplici possono essere prese per ovviare a questo problema con ottimi risultati. Ma, prima di fare qualsiasi cosa, domandatevi - perchè usare gli operazionali, solo per avere poi problemi da risolvere?
Innanzitutto perchè gli operazionali offrono alcuni vantaggi che possono essere molto utili in progetti audio e non possono essere trascurati. Per primo, il fatto stesso che sono integrati; ciò significa che i componenti sono sullo stesso substrato, che viene garantito un buon accoppiamento tra gli stadi, così come una deriva molto uniforme - non come i circuiti discreti, che possono soffrire di problemi dovuti alle tolleranze tra i componenti e qualche volta a strane derive e/o capacità disperse.
La seconda, importantissima, ragione è che gli integrati esistono - e a prezzi molto ragionevoli - e che esibiscono figure di rumore eccellenti, che significano rapporti segnale/rumore sostenuti, così importanti in audio, e non così facili da raggiungere con circuiti discreti.
Qualche componente integrato, come ad esempio i PMI MAT 02/03 dual supermatch transistor series, offrono livelli di rumore differenziale sotto il limite teorico del rumore delle resistenze. Per quel che ne so, non ci sono altri componenti discreti che possono raggiungere livelli simili.
La terza ragione è la loro taglia compatta. Dato che sono piccoli diventa possibile costruire schede molto compatte, accorciando fortemente il percorso del segnale, e con ciò diminuendo la possibilità di instaurare capacità parassite che possono portare ad un aumento della distorsione come minimo, e ad un oscillazione nel peggiore dei casi. Il progettista deve prestare comunque attenzione, ma la probabilità di commettere errori è fortemente ridotta.
Ora, non sarebbe bello se potessimo avere un op amp con un buono swing di tensione di, diciamo 80V picco-picco e con, diciamo, 200-300 mA di corrente disponibile? E con rumore molto basso? E con una velocità di non meno di +/- 10V/uS? e non troppo costoso, grazie?
Certo lo sarebbe - e lo è. Vi presento l'HDOA - High Dynamics Op Amp.
Fondamentalmente il circuito usa un componente ben conosciuto, il Precision Monolithincs Inc. OP37 op amp. Questa è la versione decompensata dell'altrettanto famoso chip OP27; è stabile con guadagni superiori a 5 ma, di contro, invece di un tipico slew rate di solo 2.7 v/uS, offre 15 V/uS.
Dato che lo slew rate è funzione della tensione d'uscita, incrementando questa si otterrà anche un incremento dello slew rate - buone notizie per l'audio quindi, anche se 15 V/uS è già abbastanza tecnicamente parlando.
L'OP37 è stato scelto per le seguenti ragioni:
Come mostrato in figura, il circuito piloterà facilmente una linea a bassa impedenza, ma non è raccomandato per linee sotto i 50 Ohms. D'altra parte esso piloterà qualsiasi finale che io abbia mai visto o sentito fino alla sua massima potenza e oltre, fino all'autodistruzione se necessario.
Può anche essere usato come ampli per cuffia; se le vostre cuffie hanno un'impedenza sotto i 50 Ohms, riducete la tensione d'alimentazione a +/-24V (ancora ampiamente sufficiente).
Può anche essere usato come preamplificatore, ma per questo, avreste bisogno di due di questi circuiti in serie per canale, con i potenziometri del volume e del balance in mezzo. Dato che ognuno è connesso come ampli invertente, due in serie produrrebbero un'uscita non invertente.
È quindi un circuito molto versatile. L'alimentazione può variare da +/-18V a +/-40V, e forse anche più alta, ma io non sono andato oltre questo limite.
La modalità d'utilizzo dello stadio d'uscita può variare dalla classe AB alla pura classe A, ma ciò comporta qulache modifica ed aggiustamento. Ma diamo un'occhiata al circuito.
L'OP37 riceve il segnale sul suo ingresso invertente, mentre l'ingresso non invertente è connesso alla massa del segnale. R1 definisce l'impedenza d'ingresso, in questo caso 33 kOhms. È alta abbastanza per non caricare troppo lo stadio precedente anche se fosse a (relativamente) alta impedenza, ed è bassa abbastanza per non avere problemi di rumore, tipo RF. Il guadagno totale è definito dal rapporto tra R2 e R1 (in questo caso circa 10:1) ed è invertente, quindi con un segno meno davanti.
Per avere più guadagno bisogna decrementare il valore di R1 - non toccate R2 se non avete sufficiente esperienza con i circuiti elettronici. Se avete bisogno di cose strane mettete due resistenze in parallelo per ottenere il valore richiesto.
R3 e R4 stabilizzano l'uscita a impedenza costante. C3 e C4 servono a stabilizzare l'uscita e sono opzionali. Con questo voglio dire che i valori riportati aiutano a rendere più stabile l'ampli con linee a 50 ohm. Se intendete pilotare solo impedenze più alte, diciamo 10 kOhm e più, entrambi i condensatori diventano un optional. Potete cambiarne i valori o eliminarli totalmente. Potreste comunque avere delle oscillazioni, quindi rimuoverli completamente non è consigliato.
Q1 e Q2 sono utilizzati come stabilizzatori di tensione per l'operazionale. Qui sono riportati i transistor BC 639/640, ma potete usare anche i BC546/556B o i BC140/160 se volete, ciò dipende da quanta corrente volete far scorrere attraverso lo stadio d'uscita.
Il diodo che segue lo zener è là per stabilizzare termicamente la tensione, e il beneficio aggiunto è che esso compensa la caduta di tensione sul transistor e quindi l'opamp avrà 15V veri, non 15 - 0,6V come dovrebbe essere senza. Un altro aspetto utile di questa circuitazione è che la tensione d'alimentazione dell'integrato è costante indipendentemente da quella che userete da +/-18 a +/-40V; qualunque essa sia, l'op amp avrà sempre +/-15V, punto.
R9 e R10 hanno due compiti. Uno è di far passare la corrente che serve all'operazionale e l'altro è di polarizzare i transistor Q3 e Q4. Cambiandone i valori permetteremo il fluire di più o meno corrente nella condizione a riposo (no segnale) attraverso Q3 e Q4.
Il tutto funziona suppergiù così: più corrente passa attraverso Q3 e Q4, maggiore è la banda passante e minore la distorsione totale, e viceversa. D'altra parte però, più corrente fluisce attraverso questi transistor, più caldi diventano, quindi bisogna raffreddarli. Maggiore è il valore di questi due resistori, maggiore è la corrente che fluisce in Q3 e Q4, e viceversa.
Come regola generale, R9 e R10 dovrebbero avere un valore compreso tra 100 e 180 Ohms. Non ha senso andare oltre in quanto non si guadagnerebbe nulla se non problemi. Ciò ci porta a una domanda chiave - quando una classe A è una vera classe A?
La risposta è abbastanza semplice - quando la corrente di riposo (la corrente utilizzata in assenza di segnale) è uguale a quella necessaria per uno swing a piena potenza sul carico. Quindi, se il vostro carico è di 10 kOhms o più, è una cosa, se è di 50 ohms è un'altra. Comunque, iniziate gli esperimenti con 100 Ohms e poi aggiusterete.
Maggiore è il valore R9/R10, maggiore sarà la corrente che attraverserà i transitor d'uscita. Dunque iniziate bassi e poi aggiustate i valori, non viceversa.
Per un carico da 10 kOhm e uno swing di +/-35V picco-picco avrete bisogno di pochissima corrente, non più di 3.5 mA, mantre su un carico di 50 Ohm saranno necessari 700 mA per rimanere in classe A. Ovviamente abbiamo molte variabili - il carico e il valore di alimentazione sono le più importanti. Più basso è il carico, maggiore sarà la corrente necessaria; più bassa è l'alimentazione, più basso sarà lo swing disponibile e, di conseguenza, la potenza dissipata.
Ovviamente anche se i transistor indicati sono i BD241/242C (100V, 40W, 3 MHz), se avete bisogno di meno corrente d'uscita potete facilemnte optare per oggetti meno potenti, tipo i BD139/140 (80V, 12.5W, 50 MHz), per applicazioni tipo line drivers e preamplificatori. Per le cuffie e le linee a bassa impedenza sono consigliati i tipi ad alta potenza solo per ragioni di sicurezza, non per altro. Se desiderate ancora maggior potenza, potrete usare i Motorola MJE 15030/15031 (120V, 8A, 50W, 50 MHz).
Come mostrato, il circuito avrà uno swing di tensione d'uscita di +/- 33V, abbastanza per pilotare qualsiasi ampli di potenza fino all'autodistruzione. Non sarà sicuramente necessario, ma avrete sempre una bella riserva di energia.
La risposta in frequenza è piatta entro -1dB oltre i 100 kHz e rimane dentro i +/- 0.2 dB da 20 a 20.000 Hz. Dovrebbe essere abbastanza piatta per chiunque, specialmente perchè questi valori vengono raggiunti a piena potenza.
Il rapporto segnale/rumore, utilizzando resistenze metalliche all'1%, dovrebbe essere migliore di -90dB sotto i 10V d'uscita (non pesato), e può essere migliorato (ci torneremo più avanti).
Lo Slew rate varierà da 15 a 40 V/uS, a seconda di diversi fattori quali la larghezza di banda in potenza del circuito e la tensione d'uscita. Ad ogni modo sono buoni valori per usi audio.
La THD è sotto lo 0.01% limite del nostro apparecchio di misura anche a 11Vrms di uscita, a quel punto il vostro ampli di potenza sarà in pieno clipping già da un bel po'.
Inutile perdere tempo per migliorare.
Bene, se lo proverete scoprirete presto che si tratta di un oggetto particolare. Paragonato a un opamp standalone che piloti una tipica linea audio con 20 kOhm di impedenza d'ingresso, la prima cosa che noterete sono i bassi: pieni, profondi e potenti. Non stupitevi, è là che va la corrente.
Potrete anche notare che l'ambienza è resa meglio, con un soundstage più profondo che con l'integrato da solo.
Ma è la gamma alta quella che realmente vi sorprenderà - assolutamente dissimile da quella di qualsiasi altro IC opamp che io abbia mai sentito finora, sebbene naturalmente non li abbia ancora sentiti tutti. Ma c'è una facilità, una sensazione di libertà che nessun integrato mi ha mai dato. E sufficiente calore da far pensare a qualche valvola nascosta da qualche parte.
Scordatevi compressione e distorsioni - non vi seccheranno più, almeno non in termini significativi. Voglio dire, 0.01% - dove dovremmo arrivare per renderlo ancora più inaudibile?
Questo circuito base può essere adattato a molti usi; diamo un'occhiata ai più comuni.
A) Preamplificatore
Se volete costruire un pre, avrete bisogno di due circuiti come questo per canale, il primo come buffer, e il secondo per fornire il guadagno reale. In questo caso, avrete bisogno di installare un potenziometro doppio per il volume e due singoli per il guadagno di canale dopo il primo circuito, quindi il secondo circuito. Per quest'utilizzo consiglierei una tensione d'alimentazione di +/-30V, non di più.
La ragione è la seguente - con 60V picco-picco, potete usare transistor a basso rumore all'uscita del primo stadio, tipo i BC 639/640, semplicemente perchè lì non serve ancora molta corrente, dato che il carico è quasi puramente resistivo (i potenziometri). Q1 potrebbe quindi essere un BC550C, Q2 un BC560C, Q3 un BC640 e Q4 un BC639. R9 e R10 dovrebbero essere 100 o 110 Ohms, e R1 dovrebbe essere 47, 51 o 56 kOhms - ma non più di 56 kOhms, dato che l'OP37 è stabile solo con guadagni superiori a 5.
Suggerirei 47 kOhm, che è alto abbastanza. Ma, se il buffer ha un guadagno di 6, e il secondo stadio ha anch'esso un guadagno di 6, il guadagno totale sarà (6x6) 36. Assumendo per l'ampli finale una sensibilità di 1.5V, ciò significherebbe una sensibilità del sistema di (1.5:36) 42 mV! Quindi vorrei suggerire di utilizzare, per il primo stadio, un OP176 che è solo un po' più rumoroso dell'OP37, ma è più veloce ed è stabile già con guadagno unitario, quindi può lavorare con guadagni minori (2 o 3 dovrebbe andar bene).
Suggerirei anche di utilizzare un filtro passa basso con una frequenza di taglio di 100...150 kHz, anche meno.
Il secondo stadio potrebbe essere proprio come mostrato, ma utilizzando i BD 139/140 al posto dei BD241/242C. Con R9 e R10 da 100 Ohms. Installerei un passa alto dopo il secondo stadio, connettendo in parallelo 1uF polipropilene, 1uF policarbonato 2.2 uF bipolare, con 100 kOhms verso massa.
B) Ampli per cuffia
Da usare così come mostrato, possibilmente con una resistenza da 10 Ohm/2W in serie all'uscita. Provate differenti valori per R9 e R10, questi cambieranno il punto di lavoro (da classe A a classe AB) ma anche la dissipazione dei transistor d'uscita Q3 e Q4. Siate sicuri che essi siano sufficientemente alettati. Non l'ho provato per questo impiego.
C) Pilota per linee a bassa impedenza
Da usare così come mostrato, sostituendo Q1 con un BC140 con una aletta a stella e Q2 con un BC160 anche lui con la sua bella aletta. Portate R9 e R10 a valori appropriati (150...180 Ohms), è possibile, in casi estremi, sostituire Q3 con un MJE 15031 e Q4 con un MJE 15030.
La loro capacità dipenderà da cosa vorrete pilotare. Più corrente vorrete più saranno complessi. Comunque, dato che la tensione d'alimentazione per gli integrati è totalmente regolata, rimarrà costante qualsiasi cosa deciderete di fare sull'alimentatore. Ciò permette di lasciar perdere qualsiasi stabilizzatore di tensione e utilizzare alimentatori "passivi". Alcune persone pensano che essi suonino meglio di quelli stabilizzati.
Ci sono talmente tanti progetti disponibili che ho deciso di non fornirvi l'ennesimo circuito di alimentatore. Suggerisco di andare a vedere il principio di "batteria virtuale" sul sito di Andrea Ciuffoli http://www.geocities.com/ResearchTriangle/8231/. Usate tutto o solo qualcosa, se vi piace.
Gli alimentatori sono un argomento molto vasto che non può essere esaurito qui e ora; essi meritano un articolo a parte. Ricordate che il peggior posto per risparmiare soldi è sul trasformatore d'alimentazione.
Come indicato per i condensatori di bypass, per favore non cambiate i condensatori al tantalio per qualche altro tipo strano. Credetemi, se i tantalio sono buoni per gli strumenti professionali di misura lo sono anche per il vostro e il mio audio. Nessuno ha realizzato migliori condensatori di bypass finora.
Sentitevi liberi di cambiare i valori di R9 e R10. Ricordate, più grande è il valore, più alta sarà la corrente di riposo di Q3 e Q4. Iniziate con i valori più piccoli, tipo 100 Ohms, che faranno abbassare la corrente. Mettete il dito sulla parte isolata del transistor e sentite il cambiamento della sua temperatura. Se si scalda troppo velocemente, spegnete e provate con una resistenza più piccola, diciamo 91 Ohms. Se ora è stabile e la temperatura sale moderatamente per circa diciamo 15-20 minuti, quindi rimane stabile, potete lasciare così.
Se insistete sulla pura classe A+, quindi ancora più corrente che con la classe A sotto determinate circostanze, sarebbe una buona idea installare qualche aletta su Q3 e Q4. Quanto grande e di buona qualità, e quindi costosa, dipende solo da voi.
Se volete poter dire: "Velocità Warp, Mr. Sulu!", allora un normale profilato a U sarà sufficiente; ma se volete urlare: "Tora! Tora! Tora!", allora ci vuole un'aletta con un profilo ad alta efficienza.
Qualsiasi usiate ricordatevi la mica isolante e la pasta al silicone in grande quantità.
Siete liberi di fare quello che volete ovviamente. Qui ci sono alcuni suggerimenti.
Potete usare qualche altro operazionale al posto dell'OP37. Suggerisco di provare l'OP176 e l'AD825. Essi forniranno suoni molto differenti, l'OP176 è più caldo e ha una buona spazialità, l'AD825 con la sua tremenda velocità renderà gli alti brillanti, ma con un po' di freddezza, un suono un po' più distaccato che con l'OP176.
Questo è il mio giudizio, voi potete pensare e sentire differentemente. Ancora, non ci dovrebbero essere problemi ad usare altri chips di costruttori seri come Burr-Brown, Motorola, National Semiconductor, Texas Instruments, SGS-Thomson, etc.
Ricordate che ogni qualvolta avete una compensazione in frequenza per avere il massimo dal vostro chip, avrete bisogno di adattare la compensazione a quel particolare chip, sotto le vostre particolari condizioni. Non c'è modo di conoscere tutte le possibili combinazioni, il circuito mostrato lavorerà con l'OP37.
Usando un altro chip più veloce, ad esempio l'AD825, che è almeno 10 volte più veloce(!!!), avrete necessità di modificare la compensazione in frequenza se vorrete sfruttare a pieno i vantaggi della maggior velocità.
Questi due condensatori (C3 e C4) in effetti migliorano la stabilità del circuito. Altre combinazioni di opamp e transistors, che pilotino impedenze più alte (15 kOhm e più), possono rendere possibile eliminarli completamente o ridurne drasticamente i valori. Ma questo deve essere provato specificatamente per ogni configurazione dato che le variabili in gioco sono talmente tante da rendere impossibile conoscerle tutte in anticipo.
Questo è tutto. Buona costruzione.
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Traduzione: Giovanni Aste