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Autore: Paul Hunting - TNT Regno Unito
Pubblicato: Febbraio, 2023
Traduttore: Roberto Felletti

Gli operazionali mono AD796 montati sul Marantz CD 53, ma questo operazionale è stabile?

[English version here]

Introduzione

Questo articolo propone un approccio che, auspicabilmente, permetterà in qualche modo di eseguire con successo un ricambio degli operazionali che garantisca maggiore stabilità e, così facendo, di rendersi conto delle capacità prestazionali degli operazionali stessi.

Stabilità

Insieme al miglioramento prestazionale, la stabilità degli operazionali è l'obiettivo del ricambio degli operazionali stessi. Il lettore CD, o il DAC, ricevente è progettato per l'uso con l'operazionale di fabbrica, con particolare riguardo per la polarizzazione del resistore dell'operazionale medesimo, il feedback (retroazione) e il circuito di guadagno. I problemi di stabilità, come le oscillazioni, la fase, l'overshoot (un'oscillazione indesiderata di corrente o tensione) e il ringing è più probabile che si manifestino se c'è un conflitto tra le specifiche del nuovo operazionale e la circuiteria circostante (vedere un precedente articolo qui su TNT-Audio).

Il criterio importante per scegliere un operazionale è ascoltare delle alternative. Lo scopo dei parametri prestazionali e delle specifiche di stabilità è anche aiutarvi a restringere la cerchia degli operazionali da ascoltare. I parametri prestazionali sono il rumore, la reiezione in modalità comune e dell'alimentazione e la velocità di risposta, e sono già stati trattati qui.

Specifiche di stabilità di un operazionale

La tabella 1 mostra le specifiche di stabilità di undici operazionali. L'NJM2114 e l'NJM4560, qui, sono gli operazionali di fabbrica e sono montati su un certo numero di lettori CD. Gli altri (MUSES8820, LM833N, OPA1662, NJM8068, OPA1692, AD797, OP275, OPA1602) e l'OP27G sono potenziali sostituti.

Offset e Polarizzazione

In realtà non avete bisogno di sapere che cosa fa di preciso ogni specifica per cambiare un operazionale. Ma è una buona idea avere un'infarinatura di cosa succede. La tensione di offset in ingresso è la tensione applicata ai terminali di ingresso dell'operazionale per ottenere 0 V in uscita. La corrente di polarizzazione in ingresso è la media delle correnti nei due terminali di ingresso a uno specifico livello di uscita, mentre la corrente di offset in ingresso è la differenza di corrente tra i terminali. Si verificano degli errori per minuscole differenze nelle tensioni e correnti applicate agli ingressi degli operazionali. Stadi successivi nell'operazionale possono tentare di correggere questi errori di rumore, ma una parte di errori verrà amplificata dallo stadio di guadagno e comparirà nell'uscita.

Il circuito di polarizzazione del lettore circostante all'operazionale c'è per impostare i livelli di polarizzazione corretti e ridurre al minimo gli errori, ed è progettato per l'operazionale scelto, vale a dire l'operazionale montato come standard nel lettore. Sostituire l'operazionale con un altro è un rischio. Se il nuovo operazionale è molto diverso nei suoi valori di offset e di polarizzazione rispetto all'operazionale originale, allora la sostituzione potrebbe creare problemi, aumentare il rumore dell'operazionale e ridurne le prestazioni.

Il principio del ricambio degli operazionali

Lo scopo insito nel principio del ricambio di un operazionale è migliorare, passando a operazionali con valori di offset, polarizzazione, corrente e stabilità vicini ai valori tipici dell'operazionale di fabbrica. Il lettore CD è stato progettato tenendo in considerazione l'operazionale di fabbrica standard. Montando un sostituto con valori che si avvicinano a quelli dell'operazionale di fabbrica, in qualche modo avremo la garanzia della compatibilità del nuovo operazionale con il lettore CD ricevente e la sua circuiteria.

La corrente di offset in ingresso dell'AD797 (Tabella 1) sembra un po' alta rispetto ai due operazionali NJM di fabbrica, ma i valori dell'AD797 rientrano nell'intervallo di valori dell'NJM4560 e dell'NJM2114. L'operazionale OP27G sembra basso in termini di tensione di offset in ingresso ed è fuori intervallo rispetto all'operazionale di fabbrica NJM4560.

Montare l'OP27G nel Philips CD753, che di fabbrica monta l'NJM4560, ha prodotto rumore su entrambe le uscite. L'OP27G non è compatibile (Tabella 1) relativamente alla tensione di offset in ingresso (0,03 - 0,1 mV) ed è al di sotto dell'intervallo di valori dell'NJM4560 di fabbrica (0,5 - 6 mV). Quindi, il CD753 probabilmente fornisce troppa tensione di offset a questo operazionale perché il CD753 è stato tarato per l'NJM4560, e questo potrebbe spiegare il rumore in uscita. Ma potrebbero esserci altri fattori in gioco.

Sarebbe meglio che il nuovo operazionale avesse un valore di corrente di polarizzazione simile o uguale al tipico valore di polarizzazione dell'operazionale di fabbrica. In termini di polarizzazione in ingresso, l'AD797 (250 - 900 nA), l'OPA1662 (600 - 1.200 nA), l'LM833N (500 - 1.000 nA) o l'NJM8068 (250 - 1.000 nA) forse sono sostituti più indicati per l'NJM2114 (valore tipico 500 nA), mentre l'OP275 (100 - 250 nA), l'OPA1602 (20 - 200 nA) o il MUSES8820 (100 - 500 nA) potrebbero sostituire l'NJM4560 (40 - 500 nA) riguardo alle specifiche della polarizzazione in ingresso.

I valori della corrente di polarizzazione in ingresso di solito riflettono la tensione di offset e i valori di corrente. I potenziali operazionali sostituti indicati nella Tabella 1 sono stati preselezionati, e io ho utilizzato la corrente di polarizzazione in ingresso come parte di questa procedura di preselezione senza considerare gli operazionali con un tipico valore di polarizzazione in ingresso eccedente il valore massimo di quello tipico dell'operazionale di fabbrica, o di molto inferiore. L'OP27G è passato inosservato, poiché a prima vista sembrava compatibile.

Stabilità della tensione

La tensione è specificata come un massimo e tutto quello che dovete fare è controllare che la tensione del nuovo operazionale sia all'incirca uguale o superiore a quella dell'operazionale originale. Ma la tensione dell'operazionale può essere controllata anche nel manuale di servizio del lettore CD.

L'intervallo di tensione di ingresso in modalità comune descrive le tensioni necessarie per un comportamento normale, senza problemi, dell'operazionale. Se gli operazionali superano il valore massimo dell'intervallo, i transistor degli operazionali possono diventare saturi e l'uscita non lineare. Questo accadrà anche con tensioni inferiori al valore massimo specificato dai datasheet. Le tensioni applicate all'operazionale possono essere basse e l'intervallo di tensione di ingresso in modalità comune è inferiore per tensioni inferiori. Ma se gli intervalli di tensione tra operazionali non corrispondono a 12 V, allora non corrisponderanno nemmeno a 5 V.

Guardando la Tabella 1, l'AD797 (11 - 12 V) e l'OP275 (10,5 V) hanno valori di intervallo di tensione di ingresso in modalità comune inferiori rispetto a entrambi gli operazionali di fabbrica (12 - 13 V per l'NJM2114 e 12 - 14 V per l'NJM4560). Se il lettore CD ricevente pilota tensioni superiori al valore massimo dell'AD797 o dell'OP275, e questo probabilmente è il caso del CD753, allora il risultato può essere la saturazione. Ascoltando l'OP275, nel Philips CD753, a volte c'è una leggera saturazione. Non era così male, e con certa musica la saturazione dava l'impressione di gonfiarla. Non spiacevole, ma discernibile. Con l'AD797 nel Marantz CD53 non si sentiva alcun rigonfiamento, tuttavia il valore superiore dell'intervallo di tensione dell'AD797 (12 V) corrisponde al valore inferiore dell'intervallo dell'NJM2114 (12 V). Ma potrebbero esserci altri fattori in gioco.

Corrente a riposo

Seguendo il principio del ricambio, l'assorbimento di corrente di esercizio del nuovo operazionale dovrebbe essere il più simile possibile all'assorbimento di corrente tipico dell'operazionale di fabbrica. Per gestire i cambiamenti di tensione gli operazionali hanno bisogno di corrente come specificato nei rispettivi datasheet, e se essa non viene fornita dal lettore CD, allora questo potrebbe compromettere le prestazioni degli operazionali stessi. Tuttavia i produttori possono sovrastimare la corrente. La corrente disponibile dipende da come è stato progettato e costruito il lettore CD.

Come regola generale, quando si fa una sostituzione è più sicuro restare il più vicino possibile al valore di corrente tipico dell'operazionale di fabbrica. Stando a queste specifiche, l'OP275 (4 mA), l'OPA1602 (2,6 mA) e l'OPA1692 (1,3 mA) sono sostituti per l'NJM4560 (4,3 mA), mentre l'AD797 (8,2 mA), l'LM833N (5 mA), il MUSES8820 (8 mA) o l'NJM8068 (5 mA), che assorbono più corrente, possono sostituire l'NJM2114.

Trovo difficile separare le incongruenze di corrente dai problemi del suono. In alcuni casi sembrava che le combinazioni lettore CD/operazionale fossero sensibili alle anomalie di corrente, mentre altre combinazioni lettore/operazionale sembravano esserne immuni. Forse questo avveniva perché alcuni lettori CD hanno specifiche sovrastimate quando si tratta di fornire corrente all'operazionale (conta il numero di regolatori), ma allo stesso tempo gli operazionali possono semplicemente non reagire allo stesso modo quando la corrente è insufficiente.

Guadagno

Il guadagno è il loudness del segnale in uscita e dice qualcosa sulla pienezza della musica. Il loudness, di per sé, è controllato dal volume.

Prendete il valore di Unity Gain, la frequenza alla quale il guadagno è uguale a uno, come misura approssimativa del guadagno, e usatelo per confrontare il guadagno tra operazionali. I datasheet degli operazionali su circuito integrato in genere indicano la frequenza di Unity Gain. Inoltre, questo valore di guadagno può essere letto anche dal grafico guadagno-frequenza come la frequenza alla quale il guadagno è uguale a zero. Nella Tabella 1 i valori di guadagno variano tra 3 mHz e 30 mHz. Se il valore di guadagno del nuovo operazionale è maggiore di quello dell'operazionale di fabbrica, allora il loudness, o la pienezza, del segnale può risultare debole e il suono può essere meno pieno. Il nuovo operazionale dovrebbe avere un valore di guadagno uguale o inferiore a quello dell'operazionale di fabbrica.

Guardando la Tabella 1, l'OP275 (10 mHz), il MUSES8820 (5,8 mHz) e l'OPA1692 (3 mHz) sembrano sostituti idonei dell'NJM4560 (10 mHz) in termini di guadagno.

Ho provato l'OPA1602 (30 mHz) nel CD 753, equipaggiato originariamente con l'NJM4560 (10 mHz), pensando che l'OPA1602 avesse un'instabilità di guadagno in questo lettore CD. Il suono dell'OPA1602, in questo contesto, risultava debole, come se ci fosse un problema con il guadagno; era floscio e mancava di presenza. L'OP275 (10 mHz) aveva un guadagno corrispondente ed era compatibile con la circuiteria di guadagno del CD753; con questo operazionale il suono risultava pieno e aveva presenza. Ma potrebbero esserci altri fattori in gioco.

Alcuni lettori CD includono un integratore con un circuito di controllo del guadagno. Questo significa che il lettore CD dovrebbe autoregolarsi per mantenere il medesimo guadagno, qualunque sia il guadagno dell'operazionale.

Altri problemi che influenzano la stabilità

Cercate di scegliere un operazionale progettato per l'audio e non uno progettato per gli scanner o i video. Scegliendo un operazionale progettato per l'audio, almeno il progettista dell'operazionale ha pensato alla stabilità dell'operazionale stesso in un circuito audio.

Molti operazionali audio sono voltage feedback. Se questo è il caso dell'operazionale originale, sostituitelo con un operazionale voltage feedback e non con un operazionale current feedback.

Gli operazionali usano sia transistor bipolari sia transistor FET. È buona norma sostituire operazionali bipolari con altri bipolari e FET con FET.

Se un operazionale è Unity Gain Stable significa che difficilmente l'operazionale oscillerà o causerà grossi problemi. Anche in questo caso è buona norma sostituire operazionali Unity Gain Stable con altri Unity Gain Stable.

Ci sono altri problemi con il ricambio di un operazionale. I progettisti di lettori CD possono usare operazionali in cascata per aggiungere dei filtri oppure possono inserire dei circuiti per forzare l'operazionale a funzionare in classe A (Arcam CD82) e questo può complicare la compatibilità e la stabilità del ricambio di un operazionale.

Spesso i produttori operano entro la medesima limitazione tecnologica e sviluppando le serie di operazionali, mettono a punto miglioramenti nei circuiti aggiornati. Potreste trovare un sostituto stabile cercando operazionali all'incirca dello stesso periodo o della stessa serie dell'operazionale di fabbrica.

Conclusioni

Il miglior criterio di scelta di un operazionale è ascoltare. Anche le specifiche della stabilità e i parametri prestazionali aiutano a restringere le possibili scelte di operazionali da ascoltare. Per migliorare la stabilità confrontate le specifiche tipiche della stabilità dell'operazionale di fabbrica con quelle del nuovo operazionale. Tenete conto di come il lettore CD ricevente è stato costruito e controllate, se possibile, la circuiteria e come questa può influenzare una sostituzione di probabile successo. C'è libertà d'azione con le specifiche. Scegliete una rosa di operazionali da ascoltare, alcuni molto simili a livello di specifiche di stabilità e altri soltanto approssimativamente simili.

Quali sono i problemi di stabilità di un operazionale? Oltre a quelli ovvi, come le oscillazioni, la fase, l'overshoot e il ringing, ce ne sono altri meno conosciuti, come la saturazione interna di condensatori e transistor. I problemi degli operazionali possono comprendere una leggera aggiunta di armoniche, forme sottili di compressione con lieve clipping e perdite minori di prestazioni. Alcune distorsioni possono suonare molto belle, morbide, calde e offrire un suono leggermente troppo pieno. E questi problemi possono manifestarsi soltanto dopo un lungo periodo d'ascolto e poi soltanto con alcuni generi musicali. Se il suono non è come dovrebbe essere, è probabile che ci sia un motivo.

La prossima volta che decidete di sostituire un operazionale a circuiti integrati potrebbe valere la pena confrontare le specifiche sul datasheet dell'operazionale originale con le specifiche del nuovo operazionale. E considerare la sostituzione con un operazionale che abbia migliori specifiche prestazionali e che abbia valori di corrente, polarizzazione, offset, tensione e guadagno simili a quelli dell'operazionale di fabbrica. In questo modo avete la garanzia che il sostituto sia veramente un upgrade e che abbia la possibilità di essere compatibile con la circuiteria circostante del lettore CD.

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