MW Pre 01 - Preamplificatore di linea a valvole con ingresso phono MM

I Progetti di Termoionica Applicata

MW Pre 01 - pre a valvole con ingresso phono MM

Implementazione inusuale di uno schema classico

Un sofisticato nipote del Simpre

Parte 3 [English version]

Alimentazione delle valvole

Attualmente, mentre sto testando lo stadio phono con l'alimentazione del SIMPRE ho scoperto che non ci sono disturbi di alimentazione udibili, così l'alimentazione dei filamenti rimane al suo posto.
I filamenti richiedono circa 1.5 A (più precisamente da 1.2 a 1.46 A a seconda dei tubi usati) a 6.3 V.

HT power supply

E' stato impiegato un raddrizzatore PSU con un doppio filtro LC. In questo modo il raddrizzamento ottenuto risulta essere più morbido, produce meno disturbi residui e presenta una relativamente bassa impedenza di uscita e una buona efficienza. Il filtro ha un valore molto basso di capacità di ingresso allo scopo di raggiungere un alto livello di uscita delle capacità del filtro di ingresso, mentre riduce la corrente di picco nei raddrizzatori al minimo.
Per ciò che posso ricordare (ho iniziato a progettare il PSU circa 10 mesi fa) il valore di capacità è così basso da permettere di alimentare il pre con una rettificatrice, senza causare correnti di picco eccessive rispetto a quella che è la capacità dei raddrizzatori.
Il ripple di uscita del primo condensatore è piuttosto alto, ma il doppio filtro LC posto a valle lo attenua notevolmente, (circa 20 mV). L'intera unità PSU lavora a metà strada tra una L di ingresso e una C di ingresso del filtro PSU.
Tutti i condensatori del PSU sono componenti elettrolitici di qualità piuttosto elevata (Philips e Keindeil K-05); per quanto possibile è meglio scegliere componenti per uso automobilistico, con campi di temperatura fino a 105 C. Essi verrano messi, probabilmente, in prossimità dei raddrizzatori.
Allo scopo di ottenere una regolazione ancora migliore dell'alimentazione, e una più bassa impedenza del PSU, un ulterire set di bypass PSU sono stati posti il più vicino possibile ad ogni stadio di linea.
E' da notare che nello stadio di linea non esiste resistenza tra i nodi PSU e i condensatori (l'unica impedenza è quella dei cavi di collegamento), e che la massima cura è stata posta nel selezionare dei condensatori di elevata qualità (ROE).
Lo stadio phono possiede il suo filtro RC vicino a ciascun triodo con un alto valore di resistenza e capacità; la ragione principale è dovuta al fatto che, allo scopo di ridurre i disturbi provocati dalle valvole, è necessario utilizzare basse tensioni di alimentazione. Come effetto complementare, ogni ripple PSU a 50 Hz viene ridotto di 43 dB (circa 0.2 uV...).

Stadio phono

Come sapete, uno stadio phono, non deve solo amplificare il segnale in ingresso, ma deve anche possedere una curva di risposta in frequenza particolare, chiamata RIAA (Record Industry Association of America).
Ad essere precisi, in passato, esistevano diverse curve, e ogni costruttore impiegava la sua. Per questa ragione, una volta, gli stadi phono professionali, avevano sia una risposta in frequenza passibile di correzioni, sia un circuito di de-enfasi.
Attualmente, poichè viene utilizzata un'unica curva, pochissimi preamplificatori sono dotati di questa caratteristica.
La necessità di avere una curva di de-enfasi è dovuta al processo di incisione dei dischi. Difatti, in un normale programma musicale, tutte le gamme di frequenza hanno, approssimativamente, la stessa energia di picco (questa è una grossolana approssimazione ma immaginiamo per un momento che sia così), quindi c'è la necessità di avere un segnale registrato che copra la stessa gamma dinamica, indipendente dalla sua frequenza.
Vi aspetterete che il segnale su un disco sia registrato allo stesso livello.
Sfortunatamente, l'uscita è proporzionale alla variazione di velocità della profondità di modulazione dei solchi ma non la profonidità stessa (ad essere precisi un fonorivelatore non rileva la profondità dei solchi, ogni canale, infatti, è registrato su un lato del solco diviso in due rispetto alla verticale di 45°).
Da un punto di vista matematico, il segnale di ucita del fonorivelatore è la la derivata della profondità del solco. Se confrontiamo la derivata di due segnali sinosuidali della stessa ampiezza, ma differente frequenza, supponiamo una il doppio dell'altra, noi troviamo che la derivata della frequenza più elevata è esattamente il doppio dell'altra. E questa è una regola generale.

Ma guardiamo le cose sotto un altro aspetto. Da un punto di vista pratico questo significa che per una testina, fornire lo stesso livello di uscita a due frequenze differenti, supponiamo sempre una il doppio dell'altra, la derivata (la pendenza della modulazione del solco), deve essere la stessa.
Questo può essere ottenuto solo se l'amplificazione del segnale a frequenza inferiore (la modulazione del solco), è il doppio dell'altra.

Poichè l'orecchio umano può udire suoni da 20Hz a 20KHz, allo scopo di ottenere lo stesso segnale elettrico dal fonorivelatore, l'amplificazione (la modulazione dei solchi) di un segnale a 20 HZ dovrebbe essere migliaia di volte più ampia di quella a 20KHz, e ciò è praticamente impossibile.
Si avrebbe la riduzione delle alte frequenze ad un livello che non supererebbe il rumore di fondo, e la necessità di avere larghezza e profondità dei solchi nell'ordine dei millimetri (ricordate, il segnale è inciso a 45° rispetto al piano verticale).
La soluzione usata è quella di applicare una curva di pre-enfasi durante la registrazione e una simmetrica di de-enfasi in riproduzione, in modo da avere un segnale registrato quasi indipendente dalla frequenza a parità di energia.
Attualmente ci sono solo due curve standard di riproduzione da prendere in considerazione, e differiscono tra loro solo in gamma infrasonica. Esse sono la RIAA e la RIAA/IEC. La seconda, che dovrebbe essere quella ufficiale, differisce dalla prima solo per essere definita per frequenze inferiori a 20Hz, presentandosi cioè con caratteristiche di filtro subsonico. Per le altre gamme di frequenza, sono praticamente identiche.
Dal punto di vista dell'implementazione, il progetto di uno stadio phono è molto semplice e diretto. La configurazione usata viene chiamata RIAA passiva, poichè l'azione di filtro è assicurata da un circuito passivo (nel nostro caso un RC), posto tra due stadi di guadagno a tubi.
Questo tipo di configurazione porta ad un paio di vantaggi sommati, però ad innumerevoli svantaggi. Le note positive sono che essa è normalmente considerata la migliore configurazione possibile dal punto di vista sonico, e che essa non presenta particolare problemi di messa a punto. Di seguito, sono elencati i principali problemi:

E' normalmente richiesta una circuitazione ad alto guadagno, in quanto il livello di ingresso è già molto basso, e un filtro passivo lo riduce ulteriormente
Poichè l'impedenza di ingresso carica il primo stadio, l'impedenza di ingresso RIAA dovrebbe essere più alta possibile compatibilmente con l'impedenza delle valvole
Poichè ogni resistenza introduce un rumore il cui livello è proporzionale al suo valore è necessario mantenere tali valori il più bassi possibile
Progettando uno stadio phono, scoprirete che non è facile utilizzare normali componenti presenti in commercio. Talvolta è necessario impiegare più componenti posti in serie o in parallelo per raggiungere il valore desiderato
Si richiede al filtro di riprodurre correttamente anche le frequenze più basse, di conseguenza è necessario prendere in considerazione qualunque condensatore di bypass o di accoppiamento nel sistema
Rumore di fondo

I primi tre punti rendono necessario l'utilizzo di una circuitazione ad alto guadagno, bassa impedenza delle valvole per il primo stadio ... e se guardate nelle specifiche dei costruttori di valvole, vi accorgerete che ben poche di esse presentano le caratteristiche richieste.
La ricerca porta ad un paio di valvole ben conosciute le quali presentano una impedenza interna molto bassa, e un relativamente alto guadagno, anche se è stato necessario adeguarsi a dei compromessi. Le due valvole sono:

5842/417A. Valvola molto discussa, non molto lineare, ma con diverse buone caratteristiche che la rendono adatta per impieghi di preamplificazione in stadi phono. Alcune versioni possono essere soggette a seri problemi di microfonicità, altre possono risultare rumorose. Per quanto mi risulta, non sono più in produzione, e sono reperibili solo come NOS. Presentano una vita piuttosto breve.

Famiglia delle ECC88/6922. Presentano una elevata linearità. Anch'esse soggette a problemi di microfonicità e rumorosità. E' ancora in produzione, disponibile anche in versione di elevata qualità, e con rumore contenuto. C'è ancora in commercio la serie "d'epoca", in relativamente grandi quantitativi, ed elevata qualità. La vita è piuttosto lunga e il costo non è proibitivo.

Ovviamente ho scelto la seconda, in quanto mi ha conquistato per le ragioni elencate sopra, oltre che per il suono. Il vero problema, non completamente risolto, ad ora, è stata la selezione di versioni di elevatissima qualità, normalmente disponibili ed in produzione, non pazzescamente costose, con microfonicità e rumore contenuti. Per ciò che ne posso sapere le versioni con più basso rumore, sono quelle che presentano una più elevata microfonicità.
Entrambi gli stadi phono sono stadi a catodo comune con bias automatico e resistenza di catodo non bypassata. Il bias ha lo scopo di ottenere una bassa tensione di catodo, e una elevata corrente. Questo punto di lavoro presenta una più bassa impedenza interna. Cio' riduce la dipendenza della risposta in frequanza del filtro RIAA dalle caratteristiche delle valvole. Viene, inoltre, ridotto il rumore termico delle valvole indotto dalla resistenza interna. E ancora più importante per la riduzione del rumore è la bassa tensione di alimentazione.
Il progetto prevede l'utilizzo di tre differenti punti di lavoro per i tre stadi del pre, evitando un comportamento non lineare per ciascuno dei tre stadi. Entrambi gli stadi sono piuttosto delicati e sensibili al rumore delle valvole. Difatti un segnale di ingresso di 4mV a 1kHz è amplificato fino a 100mV all' uscita del primo stadio.
Il filtro RIAA lo riduce di circa 20dB, così abbiamo 10mV all'ingresso del secondo stadio, il che mostra, grossolanamente, che il secondo stadio presenta una sensibilità di solo 8dB inferiore al primo stadio, con rumore posto a 1KHz. Infatti, ho dovuto modificare il progetto del secondo stadio dopo aver rilevato un elevato rumore, riducendo la tensione anodica.
Comunque, allo scopo di avere lo stesso livello di uscita a circa 20Hz è richiesto un ingresso nell'ordine dei 0.4mV. Se noi supponiamo una distribuzione costante del rumore del primo stadio su tutto lo spettro audio, il rapporto segnale/rumore è più basso in bassa frequenza. Da un punto di vista pratico il rumore termico dell'ingresso phono e del primo stadio si traduce in disturbi a bassa frequenza e ronzii.

Prima di parlare della precisione della curva RIAA, dobbiamo parlare dei componenti utilizzati nel circuito. Ho adottato una soluzione che, apparentemente, non è così comune come avevo pensato. Ho utilizzato condensatori in carta e olio nella sezione di equalizzazione RIAA, e, mentre questa è una pratica largamente impiegata in Italia, non lo è all'estero. Discutendone, un giorno con il nostro amico Thorsten egli rispose, contrariato, "Mai sentito parlarne prima".
Il suono che si ottiene con i componenti che ho usato è estremamente dettagliato, brillante, che sarete portati a pensare che la risposta in frequenza non sia lineare.
Questo fino a che non vi renderete conto che è semplicemente un suono di classe quello che state ascoltando.
Anche se sarà difficile da accettare, questo è un suono che ricorda poco quello del vinile. Avevo molti dubbi riguardo questa soluzione. La scorsa estate, però, ebbi la possibilità, ahimè, dopo tanto tempo, di ascoltare un concerto dal vivo. L'idea di come deve essere una corretta riproduzione di un evento sonoro, secondo gli analogisti, si associa ad un suono estremanente caldo, dolce, e smorzato.
Essi adducono queste motivazioni per mostrare la superiorità dell'analogico sul digitale, e questo, è quantomeno incorretto. Sappiate che la musica dal vivo può essere brillante, "tintinnante" e con caratteristiche di precisione ai massimi livelli, e non necessariamente dolce e smorzata. Ciò non vuol dire che il digitale sia superiore all'analogico. Significa solo che è necessario concentrare i propri sforzi per cercare di tirare fuori dal vinile il suo meglio, allo scopo di ricreare con una approssimazione il più possibile ridotta, l'evento sonoro originale.
Molto tempo fa, testando dei condensatori in carta e olio, ho realizzato che essi sono migliori di qualsiasi condensatore a film plastico. Ma devo aggiungere che ciò è dovuto, probabilmente, al mio gusto personale. Per alcuni potrebbero suonare esageratamente brillanti, e tutt'altro che caldi. Perderete, insomma, il caratteristico suono caldo delle valvole. Se lo preferite, usate pure condensatori a film plastico, io per quanto mi è possibile andrò avanti ad utilizzare condensatori in carta e olio.

A parte le considerazioni legate all'aspetto sonoro, c'è da mettere in conto il costo dei carta e olio, non propriamente contenuto (anche se quelli che ho utilizzato io non sono tra i più costosi), e la loro tolleranza che è del 5%. A fronte di un prezzo di acquisto più elevato, si ha una qualità sensibilmente migliore, con lo svantaggio di dover effettuare una selezione a causa delle tolleranze piuttosto alte.
Allo scopo di ottenere una elevata precisione della curva RIAA, ho inizialmente utilizzato un simulatore considerando tutti e tre gli stadi. Ho, infine, optato per la vecchia curva RIAA in luogo della IEC a fronte di un miglior comportamento in bassa frequenza. La ragione di questo vi sembrerà chiara se si parla di uno stadio di linea. Anche i diffusori da me utilizzati (Snell K III, molto veloci, ma non un mostro di bassi), hanno influenzato questa decisione.
E' da considerare che questa non è una curva IEC standard, di conseguenza, le incisioni più recenti potrebbero avere un rigonfiamento in gamma bassa.

Quando terminai il prototipo, trascurai, volutamente, di tarare la curva, allo scopo di verificare se all'ascolto era possibile valutarne il comportamento.
Sfortunatamente, durante i miei tests di ascolto (durati dei mesi), mi resi conto che la risposta in frequenza non era corretta. La prova strumentale non fece che confermare questa mia impressione, e dovetti lavorare sul circuito per le dovute correzioni. I valori elencati più avanti sono il risultato di tests di ascolto, peraltro in linea con la simulazione strumentale.
Se avete le apparecchiature adatte, vi renderete conto dell'accuratezza di risposta. Ad ogni modo, se lo ritenete necessario, non fatevi ploblemi a effettuare qualche aggiustamento per ottenere una curva di risposta ancora più lineare, in quanto, come gia' spiegato i condensatori che ho utilizzato presentano una tolleranza elevata. Non avevo, peraltro, tempo di effettuare tests con differenti condensatori.

C'è da considerare il fatto che è quasi impossibile progettare un tale filtro con un buon grado di aderenza ad una curva data usando esclusivamente componenti standard. Talvolta è necessario usare più componenti posti in serie o in parallelo tra di loro.
Ad ogni modo, caratteristiche come linearità di risposta, devono essere considerate di vitale importanza. Anche se dal mio punto di vista, tra rigorosa linearità e un suono piacevole e trasparente, preferisco quest'ultimo.
La strada per ottenere una elevata linearità è quella di misurare la risposta in frequenza del circuito ed effettuare gli aggiustamenti necessari, sostituendo qualche componente. (Una nota per quelli che dispongono della strumentazione adatta per effettuare le misurazioni: la strada migliore è di costruire un filtro passivo di riferimento anti-RIAA. Pilotate il segnale test del generatore di frequenza attraverso il filtro di riferimento nell'ingresso phono e misurate il livello dell'uscita del pre.
Il valore dovrebbe presentare lo stesso livello indipendentemente dalla frequenza).
Se non è così, potete semplicemente accoppiare i condensatori misurandoli. Considerate che sono necessari 10 condensatori carta e olio e che 6 di questi sono da .33uF. Non dovrebbe essere difficile ottenere 2 coppie selezionate, e, ovviamente dovrete montare tali coppie nella stessa posizione nel circuito per il canale destro e sinistro. I 2 rimasti sono da 0.1uF. Se non volete acquistarne diversi allo scopo di selezionarli, potete sempre chiedere al vostro negoziante di selezionarli per voi...
Ho utilizzato degli ICAR PR20 non più in produzione e difficili da trovare. Hanno una tolleranza del 5%. Presumo che con dei Jensen o degli Audio Note i risultati sarebbero ancora migliori... ma i costi lieviterebbero molto. Tutte le resistenze utilizzate sono della Holco.

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