TNT Preamplificatore phono inDiscreto

Prodotto: Preamplificatore phono TNT InDiscreto
Produttore: non in vendita, progetto fai da te gratuito di TNT-Audio
Costo appross.: 50-75 $/Euro (dei soli componenti)
Autore: Giorgio Pozzoli - TNT Italia
Pubblicato: Marzo, 2003

Posso quasi sentire le vostre voci: "un altro stadio phono! e questo è il terzo! Non se ne sentiva proprio la necessità!"

Forse avete ragione. Ma d'altra parte Lucio mi aveva richiesto uno stadio phono economico. Inoltre desideravo qualcosa che potesse restituire maggiori informazioni dai miei vinili. E in ultimo volevo un progetto migliore dei precedenti, dal carattere mite e delicato e non stratosferico...

Lo stadio phono

E questo è stato il risultato: uno stadio phono a stato solido piuttosto semplice, ma sicuramente particolare, con due differenti opzioni di alimentazione: a batteria (con caricatore) o normale.

Nessuna rivoluzione ad ogni modo: tutte le tecniche applicate sono ben conosciute, anche se raramente usate.

Lo schema è abbastanza semplice: il primo stadio è un semplice amplificatore differenziale a transistor, con un po' di retroazione locale; dopo di questo è presente una classica rete RIAA passiva, seguita da un altro amplificatore differenziale con una leggera retroazione locale ed un inseguitore di emettitore per ridurre l'impedenza di uscita.

Nient'altro, esclusa una piccola percentuale di retroazione dall'uscita all'ingresso del secondo ampli differenziale. Terribile, direte voi - un feedback ingresso/uscita dove non è necessario, ma è peggio di quanto pensiate: questa è retroazione positiva, non negativa!!!

Va bene, adesso starete pensando che io abbia progettato il primo oscillatore phono della storia. Non è così, in effetti sono convinto di non essere il primo. Molti anni fa della retroazione positiva era stata applicata ad un altro stadio phono - era chiamata Pulltech. Se non ne avete mai sentito parlare fareste meglio a fare qualche ricerca, poiché il mito che la Pulltech non fosse un buon progetto è appunto, soltanto un mito. Era particolarmente conosciuta per la sua alta dinamica... potrebbero esserci altri che hanno realizzato la stessa cosa, ma al momento non ne conosco. Quello che so è che il circuito Pulltech è considerato abbastanza complicato da mettere a punto...

Tornando allo schema, in un primo momento ho ridotto la quantità di feedback alle alte frequenze tramite un filtro passa basso, tanto per evitare qualsiasi problema di stabilità. Ed in verità, non ho mai avuto nessun problema, per cui ho eliminato il filtro.

L'effetto di questa piccola retroazione positiva è quello di fornire al suono un eccezionale impatto: diventa veramente molto più naturale e potente. La prima volta che ho aggiunto la retroazione positiva al prototipo ho chiesto a mia moglie di venire a sentire se trovava qualcosa di diverso nel suono e lei mi ha immediatamente risposto che era più naturale, anche senza prestare particolare attenzione al suono!

Questo potrebbe essere visto come un approccio non ortodosso alla riproduzione del suono e all'alta fedeltà, come l'utilizzo di un expander. Ma questo approccio è completamente sbagliato: da un punto di vista tecnico le cose sono totalmente differenti.

Proverò a spiegarmi in modo molto semplice.

Un amplificatore ideale è un circuito lineare: questo significa che raddoppiando il livello d'ingresso ad una determinata frequenza, il livello di uscita raddoppia. Notate che questo non garantisce che il segnale di uscita abbia la stessa forma d'onda di quello d'ingresso, in quanto non è richiesta una risposta in frequenza piatta: un filtro passa basso è un circuito lineare, ad esempio, e se in ingresso mettete un'onda quadra la sua forma d'onda verrà arrotondata in uscita. La retroazione idealmente è anch'essa un'operazione lineare.

Un expander invece non è un circuito lineare: per incrementare la dinamica, se raddoppiate l'ingresso, l'uscita aumenterà più del doppio.

Il nostro circuito è lineare, per cui non va confuso con un expander. Ma allora qual'è l'effetto del feedback positivo?

Bene, ogni circuito lineare presenta il suo cosiddetto margine di stabilità caratteristico: come suggerito dal nome, questo parametro indica quanto "dista" il circuito dall'oscillazione.

Se progettate un circuito con il miglior margine di stabilità, spesso questo comporta un suono lento, ed in alcuni casi il modo migliore per renderlo più veloce è quello di ridurre proprio il margine di stabilità. Questo è quello che è stato fatto nel nostro stadio phono.

Se il margine di stabilità è insufficiente, ovviamente il circuito diventa un oscillatore (forse leggermente intermittente, per cui neanche tanto buono...). Ma nel nostro caso questo non accade: non ho mai riscontrato nessun tipo di auto oscillazione, e dalla simulazione la riduzione del margine di stabilità sembra minimo.

Per cui quello che abbiamo ottenuto è un amplificatore molto veloce e musicale con una buona stabilità ed un ottimo impatto. Qualche problema in tutto ciò?

Il guadagno totale è molto alto, ed il rumore di fondo molto basso. Lo ho provato sia con normali testine MM sia con testine MC con uscita da 2mV ottenendo risultati molto positivi. Questo può essere usato anche con testine MC ad uscita medio bassa (0.3mV), ma a questi livelli il rumore di fondo può essere percepito durante i pianissimo nelle buone registrazioni di musica classica, anche se questo non crea reali problemi di ascolto.

Infine, notate che alcuni componenti di valore non standard presenti nello schema sono ottenuti mettendo in parallelo due componenti di valore standard:

Si consiglia di NON connettere le basi dei transistor Q2 e Q4 al piano di massa, ma alle linee di massa dei due canali vicino a C1 ed R10 rispettivamente

Il circuito di alimentazione

Lo stadio phono era stato progettato originariamente per essere alimentato a batteria, per cui un presupposto era il basso consumo di corrente. In verità, la corrente assorbita è di circa 7mA, che è un valore piuttosto basso (a proposito, state pensando che il risultato sia un suono lento e debole, vista la bassa corrente in gioco? Io pensavo la stessa cosa, prima di ascoltarlo...).

Questa particolarità ha consentito di adottare un alimentatore abbastanza semplice, anche se con caratteristiche molto particolari.

Come prima caratteristica, il circuito richiede un generatore di tensione duale asimmetrico. Onde evitare il costo di due diversi trasformatori di alimentazione, o la difficoltà di reperire un trasformatore di bassa potenza con un secondario duale da 30V (non è così facile, non trovate?), ho deciso di utilizzare un circuito rettificatore duplicatore di tensione per la tensione di alimentazione positiva (la più elevata) ed uno normale per quella negativa.

Tanto per dare ad entrambe... le stesse opportunità di introdurre livelli di ripple accettabili, tutti e due i circuiti sono ridotti al minimo: in tutto tre diodi rettificatori (a ripristino rapido). Anche se i condensatori di filtro non sono enormi, il ripple è ridotto grazie alla bassa corrente richiesta.

Ad ogni modo, i pochi decimi di millivot del ripple provenienti dai condensatori vengono eliminati dai due regolatori di tensione messi in cascata su ogni linea di alimentazione.

Il primo regolatore è un semplice moltiplicatore di capacità realizzato a MOSFET. la tensione sul gate del MOSFET è mantenuta praticamente fissa da un filtro RC (C6-C7-R3 e C8-C9-R7) con una costante di tempo molto elevata (rispettivamente 220sec e 470sec: impiega 20 e 40 minuti per raggiungere il 95% della tensione finale...). La tensione di uscita è determinata dal divisore di tensione (R1-R2 e R5-R6).

Sono stati utilizzati i mosfet di potenza IRF630 e IRF9630 a canale N e a canale P - ma quasi tutti i mosfet di potenza dello stesso tipo di canale sono adatti. Notate R4 e R8: rappresentano dei "gate stoppers", sono resistenze da collegare il più vicino possibile al gate al fine di eliminare qualsiasi possibile auto oscillazione. Nel caso in cui doveste sentire un rumore di fondo, spostate le resistenze verso il piedino del gate e/o aumentate il valore delle stesse.

Il secondo regolatore è basato su un comune (almeno in campo audio) circuito integrato "shunt regulator", il TL431. Le sue caratteristiche sono molto simili, così come il simbolo utilizzato, ad uno zener di precisione programmabile; la sua impedenza dinamica è dell'ordine dei 0.2ohm!

Il circuito integrato funziona in modo tale che la tensione tra l'anodo (il terminale più in basso nello schema) ed il riferimento (la connessione centrale che presenta un'impedenza molto alta) non possa essere maggiore di 2.5V. La corrente nella resistenza (R12 e R14) messa tra questi due punti è quindi fissa , ed è possibile programmare la "tensione di zener" semplicemente inserendo un'ulteriore resistenza (R11 e R13) tra il riferimento ed il catodo: la formula per il calcolo della tensione Vreg è la seguente:

Vreg = ( 1 + R11 / R12 ) * 2.5v

È necessaria un'ulteriore resistenza (R9 e R10) per creare una differenza tra la tensione d'ingresso e quella regolata; prestate attenzione al fine di essere sicuri che la corrente che scorre nel circuito integrato sia sufficiente senza però superare il valore limite della dissipazione di potenza.

Con una doppia regolazione siffatta non si corre il rischio che i ripple provenienti dall'alimentazione arrivino allo stadio phono!

Il carica batterie

Bene, come scritto in precedenza, questo pre ampli può essere alimentato a batterie. Le batterie ed il relativo caricatore sostituiscono completamente la descrizione dell'alimentazione descritta in precedenza.

L'idea originale era quella di utilizzare batterie a basso costo, per cui erano state scelte quella da 9V al NiCd. Adesso non le sto più utilizzando: un gruppo di quattro batterie non è alla fine così economico. Un grande vantaggio delle batterie al piombo sta nelle loro dimensioni: le batterie da 9V possono entrare in quasi tutti i contenitori ed occupano molto meno spazio rispetto alle equivalenti Nichel Cadmio.

Un'ulteriore considerazione. L'apparecchio deve rimanere sempre acceso, secondo me, e questo comporta più di un ciclo di ricarica al giorno. Il carica batterie è stato progettato in modo che lo stadio phono possa funzionare mentre le batterie sono in ricarica, altrimenti ci si sarebbe potuti trovare con l'apparecchio non disponibile quando necessario. Per cui alla fine la vita delle batterie è molto inferiore rispetto a quella prevista, le batterie non costano poi poco, e quel che è peggio i loro benefici non sono stati così evidenti!

Avvertimento: il carica batterie è destinato a chiunque voglia sperimentare uno stadio phono alimentato a batterie. Per tutti gli altri, si raccomanda l'alimentazione in alternata. Chiaro?

Faccio fatica ad avvertire differenze con il carica batterie in funzione o meno (soltanto un leggero aumento di hum se avvicino la testa al diffusore e con il volume al massimo della corsa, un livello impossibile da adottare in pratica). Ad ogni modo, sul carica batterie, è a disposizione uno switch (SW1) che le elimina completamente. C'è inoltre un altro switch (SW2, un pulsante normalmente aperto o un dispositivo equivalente) per far ripartire il ciclo di carica in qualsiasi momento.

La ragione dell'alta immunità allo hum è sicuramente la presenza delle batterie in parallelo alla tensione di alimentazione, e probabilmente anche il fatto che questa è una tensione di alimentazione a corrente costante, ed alta impedenza.

Notate che l'alimentazione e l'unità di ricarica sono flottanti rispetto alla massa, e sono collegate a massa solo tramite le batterie; ad ogni modo è molto semplice analizzare il circuito del carica batterie usando come riferimento il picco negativo dell'alimentazione.

Il rettificatore ed la regolazione sono veramente semplici: a causa della presenza della batteria questi potrebbero avere scarsa importanza sul suono. VR1 imposta la tensione di regolazione (almeno a 44-45V). Il consumo, quando la batteria è in ricarica è dell'ordine di 25-30mA.

Guardando il tutto dal punto di vista dell'alimentazione, la batteria è collegata al terminale positivo dell'alimentazione e presenta una sorgente di corrente costante controllata in tensione collegata tra il suo polo negativo e quello del terminale negativo dell'alimentazione.

A carica completata la sorgente di corrente è spenta. L'amplificatore operazionale d'ingresso a FET, U2, confronta la tensione del polo negativo della batteria con un valore che può essere preselezionato mediante il trimmer VR2. Quando la tensione sul polo negativo della batteria aumenta troppo rispetto al terminale negativo di alimentazione (il che equivale a dire che la tensione della batteria diminuisce troppo se la batteria inizia a scaricarsi), la sorgente di corrente costante si attiva. Come op-amp ho utilizzato uno LF356, un componente molto vecchio che mi ritrovavo in uno dei miei cassetti; qualsiasi altro ampli a FET funzionerebbe, ma date uno sguardo alla nota su D2 che segue.

Il sistema di confronto presenta una isteresi intrinseca (notate la retroazione positiva su U2 di R2): se la sorgente di corrente è attiva (l'uscita dell'op amp è molto positiva), il livello della batteria richiesto per disattivare la sorgente di corrente è molto maggiore rispetto a quello richiesto per attivarla quando è spenta. In questo modo la batteria è soggetta a continui cicli di scarica, come richiesto.

VR3 controlla la corrente di carica della batteria: notate che parte della corrente che la attraversa in nessun modo arriva alla batteria, e che parte della corrente defluisce anche nel circuito del pre-amp: la soluzione migliore per determinare precisamente il valore della corrente a quello richiesto è quello di staccare il polo positivo della batteria e misurare la corrente corrispondente. La corrente totale richiesta nel mio caso si attestava intorno ai 25mA.

Notate anche D2 e D3.

D2 crea un'alimentazione regolata con una tensione accettabile tranquillamente per qualsiasi amplificatore operazionale standard: il picco positivo della tensione è al limite per gli op-amp da +-22V, per cui D2 riduce i 43.5 volts a circe 36.5V, con un ampio margine; se utilizzate un op-amp con una tensione di alimentazione massima di +-18V, diventa necessario aumentare la tensione dello zener D2 a 10V.

D3 invece sposta la tensione del polo negativo della batteria ad un intervallo di tensioni maggiore che può essere facilmente gestito dall'ingresso dell'op-amp. In effetti questa soluzione è obbligatoria, in quanto molti degli op-amp non sono in grado di confrontare correttamente tensioni prossime ai limiti della tensione di alimentazione.

Per impostare la corretta tensione di soglia di fine carica dovreste impostare tutte le altre regolazioni come descritto in precedenza e quindi spostare VR2 completamente verso il limite negativo e ripartire con il ciclo di carica. In questo modo la ricarica continuerà indefinitamente. Dopo il tempo necessario richiesto dalle vostre batterie, potreste variare lentamente VR2 e farla tornare in una posizione centrale, fermando nel più breve tempo il processo di carica. Controllate nuovamente che tutto sia corretto ricominciando il ciclo di carica: poiché la batteria è completamente carica, il ciclo dovrebbe terminare automaticamente in pochi minuti se non secondi.

Una soluzione molto più semplice, ma molto meno pratica, sarebbe ovviamente quella di utilizzare un ricarica batterie esterno. Tenete conto che una carica completa in teoria comporta qualche ora, come potrete scoprire presto. In effetti, la batteria in questione non rappresenta molto di più di un lusso, un condensatore extra-large, fornendo un po' di autonomia dalle rumorose alimentazioni esterne.

I condensatori di bypass dell'alimentazione nello stadio phono potrebbero sembrare superflui. Infatti li ho aggiunti tanto per sicurezza, ma successivamente quando ho trovato un umore di fondo molto diverso tra i due canali, sono rimasto moto sorpreso nell'accorgermi che il rumore elevato era dovuto ad uno dei due condensatori che era stato collegato male. Per cui secondo me è effettivamente obbligatorio inserirli.

Costruzione

I prototipi sono alloggiati in due contenitori, con un cavo schermato che li collega. Il cavo è saldato ad entrambe le estremità alle schede.

La versione con l'alimentazione più curata ha lo stadio phono in un contenitore e l'alimentatore in un altro.

La versione alimentata a batteria ha lo stadio phono in un contenitore e il caricatore delle batterie nell'altro, ma le batterie si trovano all'interno del contenitore che ospita lo stadio phono.

In entrambi i casi il cavo schermato è collegato alla massa soltanto dal lato dell'ampli. Deve anche esserci un morsetto per accettare il collegamento a massa dal giradischi: questo deve essere collegato al circuito di terra e al contenitore; tutti i pin RCA di ingresso e di uscita devono essere isolati dal contenitore.

Il circuito phono è stato realizzato su una scheda a singola faccia, il suo lato rame è utilizzato solo come piano di massa, mentre l'alimentazione è realizzata su una scheda predrilled. Tutte i collegamenti sono quasi "in aria".

Alcuni di voi mi hanno scritto per avere ulteriori istruzioni riguardanti questa tecnica: vi consiglio di dare uno sguardo alle istruzioni di montaggio per maggiori informazioni.

Grazie al nostro lettore Diego Pozzoli, siamo in grado di offrirvi gli schemi per realizzare i circuiti stampati necessari alla costruzione dell'InDiscreto. Il file PDF contiene, oltre alle immagini, anche una chiara spiegazione passo-passo su come realizzare i circuiti stampati che può tornare utile in altre situazioni.

Conclusioni

Quando Lucio, un paio di anni fa, mi ha chiesto di progettare uno stadio phono dal costo contenuto, sono stato molto entusiasta dell'idea. La mia intenzione era quella di costruire qualcosa di veramente buono ad un costo effettivamente basso.

Il prototipo è forse non in linea con l'idea originale, in quanto alla fine sono stati utilizzati alcuni componenti di alta qualità - questo si è reso necessario per confrontare il circuito in modo adeguato ad altri stadi phono di qualità elevata.

Ad ogni modo, non è necessario utilizzare componenti costosi per realizzarlo. Se volete, potete per esempio usare condensatori al poliestere economici al posto di quelli al polipropilene, e pin RCA normali al posto di quelli placcati oro. La scelta dei due contenitori permette l'uso di normali trasformatori al posto dei toroidali. Il suono ne risentirà, ma il costo complessivo potrà essere molto basso (50-75 USD/Euro).

Circa il suono? Bene, questo è l'apparecchio di cui Lucio parla nella recensione del BlackCube + PWX. Quello era solo un prototipo preliminare, non la versione finale - infatti il circuito è diventato più semplice durante il passare del tempo, mentre il suono è andato migliorando.

Elenco componenti

Preamplificatore Phono (quantità per 1 canale)

Alimentazione (una per entrambi i canali)

Carica batterie (uno per entrambi i canali)
Nota: sono necessari o l'alimentatore o il carica batterie)

File PDF per la realizzazione dei circuiti stampati by Diego Pozzoli (diegopozzoli@virgilio.it)

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