Cosa si intende per schema di guadagno?

06.09.2011..

Lo schema di guadagno è un concetto di cui si parla molto in ambito audio professionale, ma di cui la maggior parte degli audiofili non ha mai sentito parlare. Capire lo schema di guadagno può aiutarvi a ottenere dal vostro impianto un segnale il più pulito possibile evitando al contempo alcuni effetti negativi. Ad esempio rumori e clipping che potrebbero suonare fighi in un amplificatore per chitarra, ma non in un impianto hi-fi!

 

Ma cos’è il guadagno? In pratica è l’amplificazione del segnale. Quando aumentiamo il livello di voltaggio del segnale, ecco che otteniamo il guadagno. Il guadagno di corrente può essere altresì importante, ma qui ci limiteremo a parlare del guadagno di voltaggio. La “struttura” di un schema di guadagno è data dai vari livelli di voltaggio che compongono il vostro impianto audio e il guadagno necessario a raggiungere quei livelli.

 

Come viene espresso il guadagno? Normalmente sia come fattore di amplificazione (numero di volte o X) che in decibel (dB). Ne consegue che, con un volt in ingresso e due in uscita, il guadagno è di 2X o 6dB. Il dB è una funzione logaritmica contrapposta a una funzione lineare e si vede spesso sui VU meter e in altri strumenti di misure audio. Date un’occhiata all’articolo di Jan Didden uscito su diyAudio (N.d.R. solo in inglese) per maggiori informazioni sui decibel.

 

Qual è il guadagno complessivo di un tipico impianto audio domestico? Iniziamo con l’esempio dello schema 1, un caso estremo: supponiamo che voi siate amanti del vinile e usiate una testina MM. I vostri diffusori sono poco efficienti e richiedono molta potenza, così utilizzate un finale da 300 watt. Di quanto guadagno di voltaggio complessivo avete bisogno per ottenere che quell’esile segnale esca dalla testina phono e raggiunga i 300 watt (50 volt) che escono dal vostro amplificatore spacca timpani? Tantissimo! Un guadagno che si avvicina almeno a 13.000X o 82dB, e talvolta li supera. Immaginate un microscopio con un simile ingrandimento, e tutte quelle minuscole particelle e batteri che potete vedere offuscando l’immagine. Analogamente immaginate tutto il rumore che il vostro impianto può raccogliere durante il percorso con tutto quel guadagno. Se avete una testina MC è ancora peggio!

 

Gli amanti degli amplificatori a triodi Single Ended possono gongolare, considerato che potrebbero disporre di un guadagno complessivo di soli 2.000X. Se stanno utilizzando un CD player con un amplificatore a bassa potenza, questo potrebbe significare un guadagno di soli 4X. Ma, dato che gli utilizzatori di ampli a bassa potenza probabilmente usano dei diffusori più sensibili, anche loro possono incappare in problemi di rumore e clipping.

 

Dove entra in gioco il concetto di “schema” di guadagno? Si tratta di vedere quanto guadagno (o perdita) ha ogni sezione dell’impianto. Il preamplificatore phono ha parecchio guadagno perché deve innalzare il flebile segnale che proviene dalla testina. Il preamplificatore o lo stadio linea ne aggiunge un po’ e anche il finale avrà un certo guadagno. Mantenere dei livelli ragionevoli attraverso l’intera catena dell’impianto ci darà un buono schema di guadagno.

 

Sommando la quantità di guadagno di ogni sezione otteniamo il guadagno complessivo del sistema. Ora esaminiamo il vostro preamplificatore o ampli integrato e quella grande manopola del volume “posizionata a ore undici”. Ciò che state guardando è il fratello gemello del guadagno osservato da un universo parallelo: l’attenuazione. Ciò che fa la manopola del volume nello schema 2 è attenuare il segnale a monte suddividendolo e riducendone il voltaggio. Solitamente il controllo del volume posizionato a ore 12 attenua di 20dB, tagliando il segnale a 1/10 rispetto a quello in ingresso. Ma così facendo, solo dividendo (attenuando) il percorso del segnale in un certo punto, non si è cambiato il guadagno di ciascuna sezione.

 

Adesso conosciamo i due aspetti dello schema, il guadagno e l’attenuazione. Entrambi sono importanti. La maggior parte dei normali impianti audio domestici ha solamente un punto lungo il percorso del segnale per controllare il guadagno, il controllo principale del volume, che opera solo tramite l’attenuazione. Il guadagno di ciascuna sezione non cambia, avete solo diviso e attenuato il segnale in un certo punto. In questo modo, quegli impianti “estremi” con un guadagno complessivo di 13.000X avranno ancora un guadagno complessivo di 13.000X, solo che, da qualche parte lungo il percorso si è usato un partitore di voltaggio (il vostro controllo volume) per attenuare il segnale. E le sezioni a valle del controllo volume andranno ad amplificare qualunque cosa come hanno sempre fatto. Ma ora stanno amplificando un segnale più piccolo, il segnale che voi avete attenuato tramite il controllo volume.

 

Che ne dite di un esempio pratico? Supponete di voler trascorrere una serata con quella Donna Speciale che avete in mente. Avete versato del vino, acceso le candele ed è finalmente arrivato il momento di ascoltare quell’altrettanto famoso CD di Barry White. “Mmmmm, mmm. Facciamo l’amore, baby.” Dato che siete dei grandi esperti audio, sapete benissimo che Mr. White esprime la sua massima sensualità nel vostro ambiente d’ascolto, trasformato per l’occasione in un “nido d’amore”, a una potenza media di 2 watt sui vostri diffusori. Allora di che livelli di voltaggio, guadagni e attenuazioni avete bisogno per tirar fuori il meglio da Barry? Per adesso non ci badate, ma, hey! Tornate alla realtà e guardate il grafico sexy dello schema 3, che rappresenta i tipici livelli di voltaggio e guadagno.

 

La voce di Barry viene registrata sul CD a mediamente circa 16dB al di sotto del massimo livello possibile. Quello è il livello standard di masterizzazione. Se il vostro lettore CD o DAC sono standard, significa un’uscita misurata alle connessioni RCA dal livello medio di circa 0,32 volt. Quegli 0,32 volt verranno poi amplificati 3X dal vostro preamplificatore e 30X dal vostro finale. Ma ciò significa 29 volt che escono dal vostro finale – oltre 100 watt! Non certo il massimo per creare la giusta atmosfera. E infatti la vostra ospite se ne sarà già andata in fretta e furia!

 

Questo è il motivo per cui abbiamo il controllo di volume: per ridurre il segnale a un livello ragionevole. Potete dunque notare che l’impianto ha troppo guadagno per le vostre seratine, ma va bene, basta solo che abbassiate il volume. Ora Barry sta cantando da crooner, non sta urlando. Si getta via una parte di segnale a metà della catena per far sì che alla fine non risulti troppo forte. In questo caso il controllo volume ha diviso il livello di voltaggio per 7, (0,14X) o -17dB. Così se domani avete intenzione di ascoltare il rock degli AC/DC alla fine di una serata che si è conclusa degnamente, basta solo alzare il volume e scatenare la potenza. Fin qui tutto bene.

Ma se torniamo all’impianto, è chiaro che nella maggior parte delle situazioni abbiamo più guadagno di quanto abbiamo bisogno. Probabilmente un guadagno da 15 a 20dB (10X) superiore a quello che ci serve effettivamente. E questo può generare del rumore.
Perché? Perché ogni rumore che passa il controllo di volume non viene attenuato ma amplificato. Abbiamo abbassato il segnale dal lettore CD di 17dB, così ora è 17dB più vicino al rumore in ogni circuito successivo. Ogni rumore proveniente dal pre, dai cavi, da cattive connessioni o altro, sarà parimenti amplificato 30X da parte del finale. Abbiamo preso un segnale di livello medio di 320 mV (0,32 volt) e l’abbiamo diviso fino a 44mV così ora è più vicino nel livello a tutti i rumori di fondo del circuito.

 

Troppo guadagno o un cattivo schema di guadagno non solo ci provocano dei problemi in termini di rumore e distorsione da clipping, ma hanno delle conseguenze negative anche a livello pratico. Ricordo un vecchio e grosso integrato Pioneer degli anni ’80, davvero massiccio e pesante. Un grande trasformatore, i VU meter, i led per segnalare il clipping, manopole e interruttori di dimensioni importanti. Probabilmente forniva 75 onesti watt su 8 Ohm. Potevi collegarci qualsiasi sorgente standard come CD, radio, registratore, phono, e dovevi appena toccare la manopola del volume per avere un’esplosione di musica. “Accidenti, questa cosa ha potenza, devi a malapena sfiorare il volume!” Ma davvero aveva tonnellate di potenza? No, aveva solo troppo guadagno. La manopola del volume non arrivava a ore 9 senza che l’ampli andasse in clipping, così l’intervallo di utilizzazione andava dal “niente” di ore 7 al “clipping” di ore 9. Ciò richiedeva un aggiustamento del volume molto delicato. Un progetto stupido, un guadagno di gran lunga eccessivo. Nonostante gli altri aspetti positivi dell’amplificatore, il principale elemento da utilizzare, la manopola del volume, era una spina nel fianco.

 

Torniamo al percorso del segnale per vedere dove le cose possono essere fatte meglio, o dove spesso sono fatte male. Generalmente vogliamo far funzionare ampli e pre a livelli notevolmente alti. Ciò significa che il segnale (la musica) sarà a un voltaggio molto più alto rispetto al rumore, così da ottenere un valore più alto nel rapporto segnale/rumore, S/N. Questa è una buona cosa. Ma quanto deve essere alto questo segnale di voltaggio? Solitamente vogliamo i picchi dei segnali più alti intorno a 3dB-6dB sotto il livello massimo che l’apparecchio può erogare senza distorsione per il miglior rapporto S/N. Tutto ciò è difficile da determinare a meno che non abbiate progettato, costruito o misurato l’amplificatore. Gli amplificatori di potenza possono fornirvi degli indizi nelle loro specifiche dichiarate, ma i preamplificatori e gli stadi phono solitamente non lo fanno. Quanto segnale serve in ingresso per portare l’apparecchio al clipping? Saperlo vi dirà dove deve essere posto guadagno attraverso il percorso di tutta la catena audio.

 

Non esistono standard prestabiliti per determinare come debba essere il segnale d’ingresso per un preamplificatore o per un finale, per raggiungere il suo livello massimo, ma ci sono delle convenzioni. I livelli d’ingresso che pilotano un apparecchio a pieno regime possono andare da 0.77 volt a 2 o 3 volt per quanto riguarda il mercato consumer e persino oltre nell’audio professionale. Così ci può essere un preamplificatore che produce la massima uscita quando raggiunge 0,7V di segnale d’ingresso (schema 4). E questo potrebbe essere un problema con i lettori CD standard che escono al massimo a 2V, ma il pre ha un controllo di volume, il partitore di voltaggio (tensione) di cui parlavamo prima, che attenua il segnale in ingresso. Questo attenuatore è spesso la prima cosa che si trova dopo il selettore d’ingresso. Talvolta si trova un buffer prima del volume, ma questo è più comune negli apparecchi professionali che in quelli consumer. Il nostro segnale da 2 volt proveniente dal CD player potrebbe aver bisogno di essere attenuato prima di arrivare ai circuiti del preamplificatore o lo manderà in saturazione. Un comune preamplificatore amplificherà il segnale di 2 o 3X dopo il controllo volume. Questo segnale viene poi passato al finale.

 

Il finale si comporterà molto similarmente al pre, ha una certa quantità di guadagno (30X è quello normale) e richiederà un certo voltaggio in ingresso per pilotare l’ampli alla sua massima potenza. Quanto voltaggio? Di nuovo, non possiamo saperlo. Potete trovarlo nelle specifiche dell’amplificatore oppure lo sapete perché l’avete progettato o misurato. In entrambi i casi, a un certo livello di voltaggio in ingresso, l’ampli raggiungerà la massima potenza. Qui è dove di solito troviamo una differenza tra i finali consumer e gli amplificatori professionali. Questi ultimi hanno un livello di aggiustamento in ingresso, quelli consumer solitamente no. Negli impianti più semplici non ne hanno nemmeno bisogno, ma in mancanza di un livello di controllo in ingresso applicheranno il massimo guadagno a qualsiasi cosa entra. Il risultato? Dovete abbassare il volume del pre per evitare che il finale suoni troppo forte. Abbassare il volume del pre significa attenuare il segnale vicino al punto iniziale dei circuiti del preamplificatore, permettendo a tutti i rumori dei circuiti successivi di essere pienamente amplificati dal finale di potenza.

 

Poiché abbiamo attenuato il segnale musicale all’ingresso del pre, esso è ora più vicino in voltaggio al rumore del flusso complessivo del sistema. Abbiamo distrutto il nostro buon rapporto S/N.

 

Una buona sorgente digitale come un CD player, un DAC o una scheda audio di ottima qualità avranno un rapporto segnale/rumore di 90dB o migliore. Ma tale rapporto è il massimo segnale al di sopra del rumore. La musica non viene registrata a livello massimo, il suo livello mediamente può essere al di sotto di 16, 18 o 22db, almeno nei CD ben masterizzati. Ma il rumore di fondo dell’apparecchio non cambia, così esiste effettivamente un rapporto “Musica/Rumore” di soli 74dB o inferiore. In altre parole, il rumore proveniente dai diffusori sarà di 74dB al di sotto del livello musicale medio. Questo dato è ancora molto buono e la maggior parte di noi può conviverci e non sentirlo mai, ma il problema rimane in sottofondo…

 

Guardate lo schema 5, dove sono rappresentati due impianti. In alto c’è il nostro impianto con un guadagno complessivo di 90X. In basso un impianto con un guadagno più basso, 20X complessivi. A entrambi viene applicato un segnale musicale in ingresso che ha lo stesso voltaggio di 0.32 volt ed entrambi raggiungono il diffusore con 2 watt (4 volt). Ma lungo il percorso del segnale vediamo delle grosse differenze nel segnale di voltaggio applicato in punti corrispondenti. L’impianto col guadagno pari a 90X deve ridurre di molto l’uscita del CD, altrimenti andrà a saturare finale e diffusori. L’impianto da 20X utilizza solo un’attenuazione moderata del segnale perché il guadagno successivo è di molto inferiore.

 

Ora immaginate di raccogliere 1mV di rumore appena dopo il controllo volume. Nell’impianto da 90X ciò ridurrà il rapporto Musica/Rumore a 33dB. Non è un bene. Nel sistema da 20X 1mV di rumore nello stesso punto ridurrebbe il rapporto a 46dB, un vantaggio nei confronti del rumore di 13dB ottenuto dall’impianto a basso guadagno.

 

Raccogliere 1mV di rumore in un punto meno sensibile del percorso del segnale, come ad esempio agli ingressi del finale di potenza, significherebbe un rapporto di 42dB per il 90X e di 52dB per quello da 20X, ossia una differenza di 10dB. L’esempio di cui sopra è approssimato, per renderlo più comprensibile. Nella realtà il rumore sarebbe raccolto lungo tutto il percorso del segnale e sarebbe amplificato in gradi diversi, ma uscire con un segnale dal voltaggio più alto aiuta nondimeno in tutti i punti lungo il percorso.

 

Le cose possono peggiorare. Per esempio, se utilizzate un apparecchio professionale come il crossover digitale Behringer ULTRA-DRIVE PRO DCX2496, concepito per i più alti livelli di segnale del mondo professionale. Per pilotarlo al massimo abbiamo bisogno di 7 volt RMS! Accetterà livelli più bassi, ovviamente, ma ricordate che quei livelli d’ingresso più bassi sono più vicini al rumore di fondo del DCX. Il nostro lettore CD non lo piloterà abbastanza in alto considerata la sua uscita di 2V RMS massimi. Il nostro pre potrebbe avvicinarsi un po’. Ha un guadagno di 3X così che con il volume a manetta fornirà 6V al DCX. Questo basta per farci felici e mantenere il segnale scevro da rumori, ma poi cosa succede? Il crossover professionale ora esce parimenti a 6 volt. Quel livello è così bollente da pilotare il nostro prezioso finale verso un inesorabile clipping. Sei volt nel nostro finale con un guadagno di 30X significa 180 volt che escono dalle terminazioni per i diffusori. Non accadrà a meno che non si tratti di un ampli da 4 kilowatt! Ancora una volta, troppo guadagno. Se il finale raggiunge la sua massima uscita con un ingresso di 1V, non abbiamo altra scelta che quella di attenuare il segnale del preamplificatore. Così attenuiamo la sua uscita fino a che non arriva a 132mV come abbiamo visto nell’impianto da 90X. Se il crossover ha un rapporto S/N ottimisticamente buono, diciamo di 95 dB, ciò significa ancora 0.2mV di rumore aggiunto al segnale, così da avere un rapporto S/N di soli 56dB provenienti dal crossover. Che fare allora?


Per risolvere questo problema di guadagno nello schema 6 mettiamo un attenuatore sugli ingressi dei finali per ridurre il segnale a 6 volt a livelli accettabili, oppure costruiamo amplificatori a basso guadagno. Entrambe le cose, preferibilmente. Possiamo anche trovare un crossover che lavori in un intervallo di segnale più vicino a quelli forniti dal CD player e dal pre.

 

Ovviamente più il sistema è complesso più dobbiamo preoccuparci dello schema di guadagno.
Utilizzando un impianto semplice con solo un CD player e un amplificatore integrato, possiamo solo mettere su il dischetto di Barry White, aggiustare il volume e tornare alle nostre occupazioni. Ma con un sistema più complesso Barry può perdersi nella nebbia dei rumori prima che voi veniate al dunque. E questo vi rovinerebbe la serata.

 

 

Questo articolo è comparso in prima edizione il 29 marzo 2011 su diyAudio

 
di Michael Mardis
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