COSTRUIRE HIFI

Siamo arrivati alla terza (e penultima) puntata riguardante la posizione del potenziometro.
Analizzeremo la topologia con il potenziometro posto all'ingresso dell'amplificatore.
Lo schema di principio e' quello di fig 1a

In particolare gli aspetti da considerare sono:

- il rumore dell'amplificatore
- il rumore termico delle resistenze
- il rumore dell'amplificatore a "causa" delle resistenze
- la resistenza di ingresso
- la distorsione a "causa" delle resistenze



--- Rumore

Lo schema equivalente del circuito di fig 1a, con in evidenza le sorgenti di rumore dell'amplificatore, e' riportato in fig 1b dove:

- Req vale R1 // R2. Nel caso di un partitore assume valore massimo con R1 = R2 (con un potenziometro il valore massimo e' a meta' corsa elettrica e vale Req = Rpot / 4)

- en e' il rumore di tensione all'ingresso dell'amplificatore

- in e' il rumore di corrente all'ingresso dell'amplificatore

All'ingresso dell'amplificatore abbiamo i seguenti rumori:

- Rumore termico della resistenza Req en_req

- Rumore en

- Rumore in

Vediamo di cal;colare i singoli rumori

--- en_req = sqrt (4 * K * T * Req * B)

dove

sqrt = radice quadrata
K= costante di Boltzmann = ~ 1.4 e-23
T= temperatura in gradi Kelvin = ~ 300
R = resitenza in Ohm
B = banda di interesse in Hz

-- en = dato del costruttore (varia in funzione della frequenza e tende ad aumentare alle basse frequenze)

per l' NE5534A vale 3.5nV / sqrt(Hz) a 1KHz

per l' OA134 vale 8 nV / sqrt(Hz) a 1KHz

-- in = dato del costruttore (varia in funzione della frequenza e tende ad aumentare alle basse frequenze)

per l' NE5534A vale 0.4pA / sqrt(Hz) a 1KHz

per l' OPA134 vale 3fA / sqrt(Hz) a 1KHz

Questa corrente interagisce con la Req dando una tensione di rumore che vale

en_r = in * req

da cui abbiamo:

per l' NE5534A en__r = 0.4e-12 * req

per l' OPA134 en__r = 3e-15 * req

Questi rumori, essendo scorrelati, si sommano quadraticamente:

en_tot = sqrt ( en_nreq^2 + en^2 + en_r^2)

Nella tabella che segue sono riportati i valori di rumore della Req, en , en_r e en_tot per i due amplificatori e per quattro valori della resistenza Req (0, 2.5 KOhm, 25 KOhm e 250KOhm corrispondenti ripettivamnete a "nessun potenziometro" e potenziometri del valore di 10 KOhm, 100 K0hm e 1MOhm) calcolati per una banda di 20 KHz.

Il calcolo e' concettualmente "scorretto" perche' presuppone che il rumore sia costante per tutte le frequenze di interesse (mentre abbiamo detto che cresce a bassa frequenza) ma per una valutazione "by inspection" puo essere sufficiente.



Come si vede dalla colonnna en_tot:

- con L'NE5534A il rumore totale in ingresso passa da 1.57uV senza potenziometro (Req=0) a 3.58uV con potenziometro da 100KOhm (il rapporto segnale rumore peggiora di circa 7dB)

- con l'OPA134 il rumore totale in ingresso passa da 3.58uV senza potenziometro (Req=0) a 4.60uV con potenziometro da 100KOhm (il rapporto segnale rumore peggiora di circa 2dB).

La differenza e' spiegata dal fatto che l'OPA134 ha in ingresso a fet e quindi la corrente di rumore e' minore rispetto ad un bipolare anche se il rumore di tensione e' maggiore ed il risultato complessivo e' peggiore.

--- Distorsione

Piercarlo ha piu' volte evidenziato la distorsione dovuta alla non linearita' della capacita' di ingresso di un circuito - capacita' che interagisce con la resistenza di uscita del circuiro che la pilota.

In fig 3 (ripresa da http://cds.linear.com/docs/Design%20Note/dn84.pdf) e' riportata la distorsione a 10KHz di vari amplificatori in funzione della resistenza di ingresso.



Come si puo' vedere la distorsione inizia salire con resistenza di ingresso di pochi KOhm

Nella prossima (e ultima) puntata cercheremo di trarre le fila di questa serie di note e vedremo come hanno risolto il problema alcuni costruttori che hanno fatto la storia dell'HiFi e valuteremo un approccio "lateral thinkig" al problema (compreso - ma non solo - quello del bilanciamento).

Riguardo alla distorsione dovuta alla resistenza di ingresso aggiungo questo grafico preso da:
Operational Amplifier Distortion
Samuel Groner, October 19, 2009

Il circuito di misura e' quello che segue (la R2 - 51 Ohm compensa la resistenza di uscita del generatore):



ed il grafico e'



Il grafico si riferisce ad uno degli operazionali considerati al top delle prestazioni AD797
La linea che ci interessa e' quella verde e, come si nota , la distorsione dovuta alla modulazione dell'impedenza di ingresso comincia prima di 1KHz

Non capisco il grafico:
le altre curve (esclusa quella verde) in che condizioni sono state prese?

Operational Amplifier Distortion
Samuel Groner, October 19, 2009

http://www.sg-acoustics.ch/analogue_aud ... ortion.pdf

Pag 10 (pag 8 del pdf) chapter 2 Measurement Procedure

Mi hai dato un bel pezzo di pane per i miei denti!

Così di primo acchito non riesco a capire bene tutti quei grafici, mi sa che mi tocca leggere tutte le ventidue pagine precedenti ..

a meno che qualcuno non abbia già la risposta!
(Spero)

Da una lettura veloce, la configurazione di test è con ampli non invertente, ed una resistenza di ingresso di 100k ...

Non è una novità che NON SI DEVONO PILOTARE GLI OPERAZIONALI da sorgenti troppo alte!

... e con livelli di segnale (+20dBu) che porterebbero al clipping anche il finale piu' sordo della storia della riproduzione musicale.

Mi sembra che le conclusioni di tutto il lavoro siano che in condizioni non estreme (cioe' a livelli dell'ordine di 0 dBu o meno e con impedenze di sorgente ragionevoli) i valori dei tre dipi di distorsione indagati di tutti (o quasi) gli opamp testati siano ampiamente al di sotto dei limiti della catena di misura - l'autore si spinge ad ipotizzare addirittura -150 dB o suppergiu'. E' magari un po' ottimistico, ma piu' che altro rende poco chiaro il senso dell'operazione e dello sforzo profuso per portarla a termine (sforzo che deve essere stato robusto assai).

Ad ogni buon conto i data sheet di alcuni opamp a FET citano la common mode distortion (da cui discende in ultima analisi la 'input impedance linearity') e spendono qualche parola su come mimimizzarla, almeno in applicazioni dove serve inseguire i -120 dBc (limitatamente agli opamp capaci di queste prestazioni) - considerati i livelli e le impedenze in gioco, non mi sentirei di preoccuparmi piu' di tanto nel caso di un pre audio.

Se si parla di strumenti di misura il discorso - ovviamente - cambia: parlando (per fare un esempio a caso ) di notch (o oscillatori) basati su SVF, la topologia piu' usata per inseguire distorsioni ultra basse mi sembra imporre l'utilizzo della topologia a 4 opamp tutti in configurazione invertente piuttosto di quella (piu' semplice) basata su soli 3 opamp, uno dei quali usato pero' in configurazione non-invertente (per fissare il Q). Qui la finezza ha un suo senso; nel caso di un pre audio ho qualche dubbio...

L.

Supponendo l'impedenza di uscita dello stadio che pilota il potenziometro pari a zero, il valore massimo di Req sarà pari a Rpot/2!! Non Rpot/4.
Pierluigi, molto probabilmente, faceva riferimento alla resistenza equivalente di un potenziometro logaritmico a metà corsa.

No: nella situazione "peggiore" per un potenziometro, cioè quella in cui le due sezioni di resistenza "divise" dal cursore assumono valori uguali, nell'ipotesi che l'impedenza di sorgente sia molto minore rispetto alla resistenza del potenziometro e che l'impedenza d'ingresso dell'amplificatore sia >> del paralello delle due sezioni uguali di resistenza del potenziometro , la resistenza che "vede" l'ingresso dell'amplificatore è quella di ogni sezione del potenziometro in parallelo e se le sezioni assumono uguale valore si ha:

Rsez = 1/2 Rpot

quindi

Rsez//Rsez = 1/2Rpot // 1/2 Rpot= 1/4 Rpot (e questo con impedenza di sorgente di valore << Rpot)

in un pot. lineare questa condizione si verifica con il cursore a metà corsa, in uno logaritmico a circa 3/4 o 4/5 della corsa, a seconda delle tolleranze di approssimazione logaritmica che i produttori sono riusciti a dargli... siamo comunque in una posizione della manopola in cui un amplificatore è spesso giunto al massimo della potenza se non è già in clipping (un margine di eccesso del guadagno totale della catena di amplificazione ci dev'essere sempre, perchè non tutti i CD sono incisi massimizzati o arrivano giusto al "pelo" del massimo picco, spesso ci si cautela rimanendo a -0.5dBv, -1dBv rispetto al limite, a volte anche a -3dBv).


la resistenza che "vede" l'amplificatore con un potenziometro logaritmico con il cursore posizionato a metà corsa è generalmente molto più bassa della Rpot, perchè il rapporto di partizione a metà corsa è ancora elevato, siamo a circa 1/10 della Rpot.


quanto al problema dell'impedenza di sorgente per gli op-amp sul datasheet dell'OP275 in effetti se ne fa menzione e danno una dritta per non vanificare la bassa thd di base.

evidentemente non è comunque un caso che l'impedenza d'ingresso standard di apparati pro e mixer sia di 10kohm (2kohm per gli ingressi bilanciati micro), a meno di ingressi dedicati o adattatori attivi esterni.
questo impone che le impedenze di sorgente siano molto basse e che le stesse sorgenti non si facciano alcun problema ad erogare segnale su impedenze così basse: un 1458 non ha problemi, quindi non ci sono scuse..

Da

viewtopic.php?f=1&t=1810&start=15

Con il pot a meta' corsa (elettrica) abbiamo due resistenze uguali R1 e R2 connesse in serie

1) Rpot = R1 + R2 con R1 = R2

2) Rpot = 2*R1 = 2*R2

3) R1 = R2 = Rpot /2

Queste due resistenze sono viste in parallelo "guardando dall'uscita" ai fini del segnale, quindi abbiamo:

4) Rout = 1/ (1/R1 + 1/R2) = R1/2 = R2/2

dalla 3) abbiamo

5) Rout = (Rpot /2)/2 = Rpot/4

Cioe' la resitenza di uscita massima di un pot (a meta' corsa elettrica) e' 1/4 del valore del potenziometro

Io credo che la common mode distortion e la 'input impedance linearity' siano due meccanismi diversi.

In particolare la seconda ('input impedance linearity') dipenda dalla non linearita' della capacita' di ingresso (ed infatti aumenta con l'aumentare della frequenza) mentre la prima (common mode distortion) e' un fenomeno che esite anche in "continua", e direi che discende dal Common Mode Rejection Ratio (CMRR).

RAP (Robert A. Pease) ha scritto un articolo su un "circuitino" per visualizzare su un oscilloscopio il CMRR di un ampli ma sforunatamente non lo ritrovo. E' pero' altrettanto interessante sul CMRR:

http://electronicdesign.com/article/pow ... 12629.aspx

e la figura associata

http://archive.electronicdesign.com/fil ... ure_01.jpg

Vogliaddio che non faccia nessun errore quando scrivo, altrimenti qui succede il finimondo !

Avevo semplicemente sbagliato a scrivere, e confermo che la resistenza equivalente vista dall'amplificatore lato sorgente è Rpot/4 (assunto che Rs<<Rpot).

Siete molto attenti, e vi ringrazio, queste cose di solito le scrivo molto tardi, e a volte sono anche troppo stanco per rileggere attentamente - e quello era proprio il caso; ho approfittato dei vostri interventi per correggere anche tutta una serie di errorucci nel testo.

Se ne trovate altri, vi prego di segnalarmeli, perché quel materiale sarà la base di un prossimo articolo, più organico.

La preparazione della puntata 3 richiede mooolto piu' tempo del previsto per cui vi propongo una puntata 3--- (la 2.5 c'era gia' stata)

Prendo spunto dalle gradite osservazioni di




Avevo gia' affrontato il problema in un post precednte ma vorrei essere piu' esauriente considerando le 4 casistiche possibili mostrate nell'immagine che segue:


- Solo potenziometro fig 1
- Buffer fig 2
- Amplificatore fig 3
- Attenuatore in ingresso + Buffer fig 4

La soluzione "Buffer fig 2" e' richiesta quando la una resistenza di uscita della sorgente e' relativamente alta

La soluzione "Attenuatore in ingresso + Buffer fig 4" e' richiesta quando la tensione in uscita della sorgente e' maggiore di quella accettata in ingresso al Buffer

Nella figura seguente e' riportata la schermata di un file excel che calcola i valori delle varie resistenze nei circuiti indicando anche quale circuito e' applicabile nelle varie situazioni di Vi, Vo e Rs.

Il file excel e' ancora in versione beta ed ha ancora alcune idiosincrasie - non appena sara' definitivo lo pubblichero' sul forum cosi' chiunque potra' inserire i valori di Vi, Vo e Rs della propria applicazione.

Le intestazioni della varie colonne spero siano abbastanza esplicative, in ogni caso guardando nel dettaglio la schermata del file excel abbiamo:

- le celle con fondino giallo sono editabili con i valori desiderati
- La cella in alto "V_in_out_Op_Amp_MAX V" e' la tensione massima accettata in ingresso e erogabile in uscita dal Buffer
- La cella "R_Att Ohm" e' la resistenza di ingresso del partitore costituito dalle resisteze R3+R4+Rs

Tutte le altre celle (su fondo bianco o celeste) sono compilate automaticamente - COMPRESO la scelta del circuito (colonna "Circuito")

Gli altri vincoli "entrocontenuti" nel file excel (e non modificabili dall'utente) sono:

- La resistenza in ingresso dei circuiti sotto tuttele condizioni e' >= 2400 Ohm
- La resistenza in uscita dei circuiti sotto tuttele condizioni e' <= 600 Ohm

Dove le celle indicano un valore negativo (resistenza negativa) significa che i vincoli Vi, Vo e Rs impostati non sono reaslizzabili da un circuito passivo (per realizzare una resistenza negativa occorre un amplificatore)

Io credo - come ho piu' volte affermato - che la poszione "corretta" del "potenziometro" sia in uscita e che vada configurato e dimensionato lo stadio precedente - anche in modo "dinamico" (sul punto "dinamico" ci torneremo) - per un corretto interfacciamneto con la sorgente, utilizzando magari il file excel mostrato.

P.S. Riporto qui, per comodita', le ipotesi di lavoro non dimostrate (e non dimostrabili) ma ragionevoli e verificabili a posteriori su cui e' basato tutto questo lavoro:

- La resistenza di uscita di un sitema audio puo' essere 600 Ohm
- Una uscita audio deve poter pilotare almeno 600 Ohm alle caratteristiche di targa

Prima di passare all'analisi di circuiti reali posto la schermata del nuovo file excel che "sceglie" la
toplogia del circuito e dei valori dei componenti.

Per le figure dei circuiti vedi il post sopra.

Le maggiori differenze dalla versione precedente sono:

1) L'utente puo' scegliere la resistenza di uscita dell'attenuatore R_Att Ohm (nel caso sia necessario
fig 4 post precedente). Nella versione precedente veniva scelta la resistenza totale. La resistenza di uscita del
partitore interagisce con la corrente di rumore del buffer e quindi va scelta in modo oculato in
funzione del buffer utilizzato (ingresso bipolare o fet)
Con l'NE5534 ingresso bipolare il contributo dell'interazione della resistenza da 2500 Ohm (scelta
nella schermata sopra) e la corrente di rumore in ingresso vale su banda 20KHz:

en_r = in * req * sqrt (20KHz) = 4e-13 * 2500 * sqrt (20000) = 0.14 uV (trascurabile rispetto a 1,6 uV del rumore dell'amplificatore)

2) La resistenza totale dell'attenuatore e' stata ottimizzata per caricare il meno possibile lo stadio precedente

Gli altri vincoli "entrocontenuti" nel file excel (e non modificabili dall'utente) sono rimasti uguali:

- La resistenza in ingresso dei circuiti sotto tutte le condizioni e' >= 2400 Ohm
- La resistenza in uscita dei circuiti sotto tutte le condizioni e' <= 600 Ohm

Se c'e qualche anima pia, desiderosa di cimentarsi con qualche prova con i dati reali del proprio
impianto audio, glielo invio via mail. (Non riesco a postarlo direttamente sul forum di CHF e non
vorrei metterlo su un sito tipo imageshack perche' ne perderei il controllo).

Il file e' stato realizzato con excel 2003 versione ienglese (dovrebbe girare anche con la versione italiana!?)

Passiamo ora all'analisi di circuiti reali:

La figura che segue e' lo storico Radford ZD50: un classico da manuale.

Tralasciando il circuito centrale (che e' il controllo di toni) si notano due blocchi e due potenziometri.

- Il primo blocco a sx TS7 e TS8 guadagna approx R33 / R34 + 1 = 3K3/1K5 + 1 = 3.2

In ingresso a questo blocco e' presente un potenziometro da 50K lineare (e singolo) che costituisce un attenuatore in ingresso ed essendo singolo (uno per canale) assolve anche alla funzione di bilanciamento

- Il secondo blocco (ultimo adx TS12 TS13) guadagna approx R54 / R55 + 1 = 4k7 / 820 + 1 = 6.7

In ingresso a questo blocco e' presente un potenziometro logaritmico doppio da 25K che costituisce il vero controllo di volume.

La filosofia di progetto e' quella di amplificare il segnale subito all'ingresso e demandare la regolazione del volume in un punto in cui il segnale e' piu' "alto".
L'attenuatore in ingresso e' un "male" necessario per adttarsi a sorgenti con livelli di uscita molto alti ed andrebbe regolato il piu' in alto possibile compatibilmente con la saturazione del primo blocco amplificatore.
Da notare che la posizione del cursore apparentemente suggerita dallo schema (a meta' corsa Vin 100mV Vout 50mV) e' la peggiore possibile per quanto riguarda il contributo del rumore del potenziometro infatti abbiamo la massima resistenza di uscita 50k/4 = 12k5 che interagisce con al corrente di rumore del primo transistor che deve essere alta assai.

D'altronde il potenziometro e' stato messo prima dello stadio finale perche' tale stadio non ha le caratteristiche per pilotare una bassa impedenza con livelli alti di tensione (richiesti se il pot fosse dirrettamente sul'uscita).

L'epoca in cui e' stato progettato non richiedeva i rapporti segnale / rumore di oggi in quanto la miglior sorgente disponibile (il vinile) aveva rapporti segnale rumore poco superiori ai 60 dB.

Segue ....