The Audio Control Unit

Finalmente il pre passivo di AUDIOreview!

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Nel numero 42 (settembre 1985) di questa rivista fu pubblicato un articolo dedicato alla realizzazione di un preamplificatore passivo da inserire direttamente tra le sorgenti ad alto livello e l’amplificatore di potenza. Ora, a otto anni di distanza, abbiamo deciso di mettere a frutto le esperienze nel frattempo acquisite, progettando un nuovo preamplificatore da presentare in kit.

Il nostro non è in realtà una semplice unità di controllo passiva in quanto facilmente espandibile mantenendo inalterata la struttura di base.

È prevista, quindi, la presentazione di schede linea per segnali ad alto livello, nonché di schede phono, per i nostalgici del vinile, con prestazioni sonore di alto
livello. La grande novità è che questi «add-on» porranno essere realizzati con tecnologie differenti a secondo dei propri gusti tecnici e musicali. Chi preferisce il calore dei tubi termoionici realizzerà le schede a valvole, chi invece preferisce le nuove tecnologie costruirà quelle a discreti o a circuiti integrati.

Possiamo anticiparvi che i prototipi sono stati già realizzati e chi ha visitato il Top Audio, ha potuto ammirare nel nostro stand, la versione a tubi, che sarà la prima ad essere presentata sulla rivista. La componentistica è stata scelta tra la migliore oggi disponibile. Con tutte queste prerogative, e dopo circa un anno di gestazione, ecco quindi a voi il The Audio Control Unit.

Il progetto

Prima di parlare del progetto del The Audio Control Unit è vantaggioso fare alcune considerazioni di carattere teorico sul funzionamento dei preamplificatori passivi.

L’idea del preamplificatore passivo nasce con l’avvento dei giradischi digitali che hanno un livello di uscita abbastanza elevato (dell’ordine di 2 V per 0 dB «full scale») tanto da poter pilotare direttamente un amplificatore finale (che hanno in genere una sensibilità pari a circa 1 V) a cui è possibile collegarli con  l’interposizione del solo controllo di volume, costituito da un semplice attenuatore.

Questo evita il passaggio del segnale attraverso un ulteriore stadio di guadagno (il preamplificatore) fonte, in teoria, di possibili degradazioni della qualità musicale.
Una di queste degradazioni è il rumore che in uno stadio preamplificatore, che in genere amplifica il segnale di dieci volte (20 dB), è presente sia sotto forma di rumore termico prodotto dai dispositivi attivi, che di ronzio.

Perché questo rumore non degradi sensibilmente il rapporto S/N dei CD, che è in genere compreso tra il 93 ed i 115 dB, il rapporto segnale rumore dello stadio di
amplificazione deve essere superiore di almeno 6 dB rispetto a quello della sorgente. Nei preamplificatori attivi un rumore così basso è difficile da ottenere, mentre i finali di potenza hanno generalmente un rapporto S/N di almeno 100 dB. Questo è uno dei motivi per cui si sceglie il pre passivo.

L’altro motivo è la mancanza delle distorsioni lineari e non lineari che in genere affliggono gli stadi attivi. La mancanza di amplificazione, però, se da un lato comporta dei vantaggi, dall’altro ha sicuramente uno svantaggio quando la fonte digitale è incisa ad un livello «prudenziale», ovvero mediamente troppo basso. Questo si verifica più spesso di quanto si creda (molti fonici registrano intorno ai -20 dB «digitali» con punte a -14 o -10) e non permette di avere un pilotaggio ideale dell’amplificatore di potenza. In questo caso una leggera amplificazione tornerebbe utile.

Quando si decide la costruzione di un pre passivo la scelta più importante è quella relativa alle impedenze di ingresso e uscita dell’attenuatore. La prima deve essere abbastanza elevata per non caricare gli stadi di uscita del lettore CD mentre la seconda deve essere abbastanza bassa per evitare cali nella risposta in frequenza dovuta ai cavi di collegamento col finale. Nella figura la riportiamo schematicamente le componenti che il segnale deve attraversare nel percorso dalla sorgente all’amplificatore finale in un pre passivo.

La maggioranza degli attuali lettori CD ha un’impedenza d’uscita che mediamente è di 200 ohm (anche se CD player come Wadia e Proceed sono caratterizzati da impedenze inferiori ad 1 ohm!!), per cui un’impedenza di ingresso di 3 kohm è più che sufficiente per non caricare l’uscita del lettore e per non avere eccessiva attenuazione del livello di ingresso.

Facendo riferimento alla figura la, con la formula che segue calcoliamo quanto vale tale attenuazione, provocata dal partitore formato da ZI e Rl, dove ZI è l’impedenza di uscita della sorgente e Rl è l’impedenza di carico:

Attenuazione = R1/(R1+Z1) (1)

sostituendo con i valori indicati precedentemente:

Attenuazione = 3000/(3000+200) = 0,94 equivalente a 0,5 dB circa.

Questo in ingresso. Vediamo che succede all’uscita dell’attenuatore.

L’impedenza di uscita di un attenuatore è data dal parallelo delle resistenze di partizione. Nella figura 1b queste resistenze sono indicate con Ra e Rb; Ra è la somma delle resistenze poste in serie tra l’ingresso e l’uscita, mentre Rb è la somma di quelle tra l’uscita e la massa, per cui la formula per il calcolo dell’impedenza di uscita è la seguente:

Z2 = (RaxRb)/(Ra+Rb) (2)

Quando le due resistenze sono uguali (nel nostro caso 1500 ohm ciascuna) si ha la massima impedenza di uscita che vale un quarto della resistenza totale.

Lo verifichiamo con la formula (2)

Z2 = (1500xl500)/(1500+1500) = 750 ohm

Calcolando il valore di attenuazione con la formula (2)

Attenuazione = 1500/(1500+1500) – 0.5  corrispondente a 6 dB

vediamo che la condizione più sfavorevole si ha quando la posizione della manopola del volume è posta a -6 dB, dove si ha la massima impedenza di uscita e di conseguenza il taglio più in basso della risposta in frequenza.

In figura 1a vediamo che gli elementi responsabili delle variazioni nella risposta in frequenza sono la Z2 ed il C2, che insieme formano un filtro passa basso, con
impendenza di 6 dB per ottava.

Figura 1a - componenti presenti nel percorso del segnale dalla sorgente all'amplificatore finale.

Figura 1a – componenti presenti nel percorso del segnale dalla sorgente all’amplificatore finale.   Figura 1b – schema di un attenuatore passivo.

La frequenza di taglio a -3 dB di un filtro passa basso è data:

F(-3 dB) = 1.000.000/2xZ2xC2 (3)

dove F è espressa in kHz, Z2 in kohm e C2 in nF.

Questa formula è valida quando si considera un filtro passa basso puro e cioè formato da una resistenza ed un condensatore. Nella pratica c’è però un altro elemento che influisce sulla risposta in frequenza ed è la resistenza di ingresso dell’utilizzatore (nel nostro caso l’amplificatore finale) che è posta in parallelo al condensatore.

La sua influenza è limitata e cresce in modo inversamente proporzionale al suo valore.

Con l’aiuto del calcolo vettoriale si può ricavare la formula che permette di ricavare esattamente il valore della frequenza di taglio considerando anche questa resistenza, indicata in figura la come R2.

F = √R2² – Z2² – 2 x Z2 x R2 / 2∏ x C2 x R2 x Z2

dove F è espresso in kHz, Z2 e R2 in kohm e C2 in F.

Fatte queste premesse vediamo quali sono state le scelte per il The Audio Control Unit.

Nel nostro progetto l’attenuatore ha una impedenza totale di 10 kohm.

Perché?

La chiave di risposta sta in ciò che è stato detto in apertura dell’articolo: il The Audio Control Unit è stato concepito soprattutto pensando a come farlo crescere in
futuro.
La versione passiva è solo la base di partenza per essere ampliata secondo le esigenze personali.

Pertanto, sulla scelta dell’impedenza 10 kohm, ha prevalso una scelta di compromesso valida sia per chi costruirà la sola versione passiva che per chi farà anche la
versione attiva.

Consigliamo, comunque, a chi intende avere solo il pre passivo, l’adozione di un attenuatore da 3 kohm che possiamo fornire in alternativa a quello base, mentre
a chi intende fin da ora realizzare la versione attiva a tubi, consigliamo un attenuatore da 50 kohm per i motivi che spiegheremo appresso. Anche questo attenuatore può essere richiesto in alternativa.

Per gli indecisi, per chi vuole realizzare prima la versione passiva e poi eventualmente espanderla, per chi realizzerà le schede a discreti o integrati, la versione da
10 kohm è la più indicata.

A parte, pubblichiamo due grafici della risposta in frequenza del preamplificatore passivo con il commutatore da 10 kohm, nelle posizioni di volume -6 dB e -12 dB
sotto due ipotesi di carico.

Dicevamo, a proposito dell’attenuatore da 50 kohm, che questo valore ha influenza solo nelle prestazioni dello stadio phono realizzato con le valvole. Questo stadio
nella versione di base ha un’impedenza di uscita di 9 kohm per cui è impensabile collegarlo ad un attenuatore da 10 kohm senza l’interposizione di un buffer che abbassi l’impedenza. Mentre è possibile collegarlo su un carico di 50 kohm senza altri stadi.

Noi, comunque, per venire incontro alle esigenze di tutti, abbiamo realizzato due stati phono a valvole, che differiscono tra di loro per la presenza o meno di una valvola in configurazione buffer di uscita.

A voi la scelta.

Lo schema elettrico semplificato del preamplificatore passivo è riportato in figura 2 mentre quello completo dell’attenuatore in figura 3.

Figura 2 - Schema elettrico semplificato del preamplificatore passivo.

Figura 2 – Schema elettrico semplificato del preamplificatore passivo.

Figura 3 - Schema completo dell'attenuatore

Figura 3 – Schema completo dell’attenuatore

«The audio control unit» prevede l’uso di tre commutatori, uno per selezionare i cinque ingressi, uno per disabilitare l’uscita tape in modo che nel normale ascolto
11 registratore non possa caricare l’uscita della sorgente ad alto livello selezionata, ed infine l’ultimo che è il controllo del volume.

La resistenza posta in serie al segnale che va all’uscita tape è indispensabile nel caso si realizzi la versione attiva mentre può essere sostituita da un ponticello in quella passiva.

La resistenza, invece, posta in serie all’uscita dell’attenuatore, del valore di 47,5 ohm ha essenzialmente la funzione di protezione per lo stadio di uscita della sorgente nel caso si verificasse accidentalmente un corto circuito all’ingresso dell’attenuatore. Senza la resistenza lo stadio di uscita della sorgente vedrebbe un cortocircuito e quindi, specie nei casi in cui l’impedenza di uscita è bassissima, potrebbe danneggiarsi, con la resistenza vede comunque un carico formato dalla resistenza stessa e non succede niente.

Per il controllo del volume la scelta è caduta sul commutatore in luogo del classico potenziometro, in quanto in commercio è molto difficile trovare potenziometri
che abbiano un accoppiamento tra le due sezioni sufficientemente preciso, mentre con un commutatore e delle resistenze calibrate, lo scarto di livello tra i due canali
è praticamente inesistente e questo in un preamplificatore senza compromessi riveste un’importanza primaria.

Per i patiti del calcolo riportiamo in un incorniciato a parte le formule per il calcolo di un partitore resistivo.

Calcolo degli attenutaori a partitore di resistenze

Calcolo degli attenutaori a partitore di resistenze

L’attenuazione scelta è di 2 dB per ogni scatto, mentre come detto prima l’impedenza di ingresso vista dalle sorgenti ad alto livello è di 10 K, questo ci garantisce
un accoppiamento senza problemi con qualsiasi apparecchio anche con i cavi di collegamento non proprio brevi. L’impedenza di uscita vale, nelle condizioni più
sfavorevoli (-6 dB), 2,5 K e quindi neanche con gli amplificatori finali esistono problemi di interfacciamento a patto di evitare tassativamente cavi troppo lunghi
o con capacità elevate. In un incorniciato a parte pubblichiamo le formule di calcolo per gli attenuatori a partitore resistivo.

Foto 1 - L'attenuatore passivo montato. Questo componente è il più difficile da realizzare.

Foto 1 – L’attenuatore passivo montato. Questo componente è il più difficile da realizzare.

Nello studiare la circuitazione e l’ingegnerizzazione dell’apparecchio si è prestata particolare attenzione ad alcuni aspetti fondamentali:

  • le scelte, sia circuitali che di componentistica;
  • la lunghezza del percorso che il segnale deve percorrere, che è stato mantenuto il più breve possibile, per scongiurare qualsiasi forma di degradazione del segnale in cui si può incorrere con percorsi troppo lunghi;
  • il collegamento delle masse che riveste, in particolar modo nei preamplificatori, molta importanza sia nei confronti del rumore che nelle prestazioni soniche. Un di scorso sulle masse sarà fatto in un prossimo articolo nel quale si chiariranno alcuni punti sui collegamenti di massa;
  • facilità di realizzazione. Infatti la costruzione non presenta, soprattutto nella versione passiva, particolari difficoltà e chiunque sia un pochino pratico di elettronica può realizzarlo in pochissimo tempo.

Per rispettare queste regole i commutatori sono montati tutti a ridosso del pannello posteriore ed è stata posta particolare cura nel disegno delle piste e nel collegamento delle masse, che sono separate per i due canali, per evitare pericolosi anelli di massa e qualsiasi forma di interazione del segnale dei due canali.

I materiali

La scelta dei materiali è stata fatta, per le motivazioni anzidette, tenendo conto di tre criteri principali: qualità, affidabilità e durata nel tempo. Tenendo bene a mente questi criteri la scelta delle resistenze per l’attenuatore è caduta sulle americane Holco. Sono resistenze a strato metallico all’1 % di tolleranza, di qualità  elevatissima, basti pensare che il collegamento tra i reofori ed il materiale resistivo è fatto con oro. Il rumore poi è tra i più bassi in assoluto così come la variazione del valore in funzione della temperatura. C’è da notare, inoltre, che i valori di resistenza scelti per l’attenuazione non sono strandard ma sono stati realizzati apposta per questa applicazione. L’attenzione dedicata a questa scelta ci garantisce uno scarto sull’attenuazione e sull’accoppiamento tra i due canali massimo di 0,2 dB!

I commutatori di ingresso sono degli esemplari da circuito stampato a sei posizioni settabili, nel senso che tramite lo spostamento di un blocco meccanico il numero delle posizioni può variare da un minimo di due ad un massimo di sei. La casa costruttrice è la svizzera Elma e hanno i contatti dorati mentre il rotore è realizzato
con un materiale plastico nobile.

Elenco componenti del kit

Elenco componenti del kit

Il commutatore del volume è sempre della Elma, ha le sezioni abbondantemente di staccate tra di loro, il rotore in ceramica e i contatti ricoperti in argento per uno
spessore di 10 micron bagnati nell’oro per uno spessore di circa un micron. Quindi doppia protezione e conducibilità eccellente! Le prese di ingresso sono anch’esse
dorate e isolate con rondelle di teflon.

Naturalmente questi materiali non si trovano nei normali negozi di elettronica, ma solo in pochi negozi veramente specializzati in componentistica hi-end. Il contenitore poi è realizzato interamente in alluminio, per non avere alcun problema dovuto alle interazioni magnetiche e anche per ottenere un ottimo schermaggio dai campi magnetici esterni. Nella foto del prototipo riportata in apertura dell’articolo i coperchi sono in lamiera perché al momento non erano ancora disponibili
quelli di alluminio.

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Grafici della risposta in frequenza del preamplificatore con la manopola del volume nella posizione -6 dB (grafico A) e -12 dB (grafico B), con carico di 50 kohm/400 pF (risposta più estesa) e 50 kohm/800 pF (risposta meno estesa).

Realizzazione pratica

Dopo la descrizione teorica del preamplificatore, passiamo ora alla sua realizzazione pratica. Iniziamo dapprima col montaggio della sceda ingressi e commutatori. All’insegna della semplicità di realizzazione è stato predisposto un circuito stampato, sul quale saldare tutti i componenti, prese pin di ingresso comprese, a doppia faccia con fori metallizzati e piste di spessore doppio stagnate. Il lay-out è stato disegnato ed ottimizzato per non aver alcun problema di diafonia tra i canali.

Foto 2 - L'interno del preamplificatore. La particolare realizzazione consente di ridurre al minimo il cablaggio.

Foto 2 – L’interno del preamplificatore. La
particolare realizzazione consente di ridurre al
minimo il cablaggio.

La prima cosa da fare, quindi, è montare i due commutatori e le due resistenze dell’uscita tape sul circuito stampato dal lato componenti. Questa operazione non presenta difficoltà in quanto i due commutatori sono uguali e le resistenze hanno il valore direttamente stampato sull’involucro per cui non c’è possibilità di errore,
poi basta seguire la serigrafia riportata sullo stampato.

Foto 3 - Collegamenti dei capicorda delle masse ingressi. Come si può vedere le masse dei due canali sono separate.

Foto 3 – Collegamenti dei capicorda delle masse ingressi. Come si può vedere le masse dei due canali sono separate.

Questo è necessario sia per il phono, se si intende inserire in seguito la scheda relativa, per separare le masse di ingresso ed uscita, che per le prese di uscita per
agevolare il collegamento dell’attenuatore di uscita. Una volta inseriti i capicorda, si serrano i dadi delle prese senza stringerli al massimo per poter permettere il centraggio del circuito stampato. Centrato il circuito stampato sulle prese bisogna rimuoverlo con delicatezza evitando di far spostare le prese, quindi si serrano i dadi di quest’ultime e si saldano i capicorda delle masse tutti insieme. Si rimette in sede, quindi, il circuito stampato e si saldano i poli caldi dei pin jack di ingresso
alle relative piazzole del circuito. Poi si piegano a 90 gradi i capicorda relativi delle prese phono e quelli delle prese CD e tape out, e si saldano sul lato inferiore del circuito stampato (come in foto 4).

Foto 4 - Saldatura dei capicorda di massa delle prese PHONO, CD e TAPE OUTal circuito stampato.

Foto 4 – Saldatura dei capicorda di massa delle prese PHONO, CD e TAPE OUTal circuito stampato.

Ora non resta che montare l’attenuatore: è il componente più difficile e quello a cui bisogna dedicare più attenzione.

Si comincia col piegare le resistenze eliminando con un tronchesino le parti di reofori eccedenti; poi seguendo le disposizioni segnate nel disegno di figura 4, si
iniziano a saldare sul commutatore. A lavoro finito il commutatore deve apparire come si vede nella foto 4. Il valore delle resistenze, come già detto, è segnato sul
l’involucro per cui non ci sono problemi per la loro identificazione. Montate tutte le resistenze bisogna saldare dei piccoli spezzoni di filo argentato ai pin di ingresso, massa ed uscita (nel kit noi abbiamo previsto del filo Van Den Hul in rame puro argentato), che andranno collegati rispettivamente al circuito stampato ed alle prese di uscita, dopodiché l’attenuatore così realizzato va montato sulla sua staffa facendo uscire i fili che vanno al circuito stampato. Fissata la staffa al pannello posteriore mediante quattro viti si collegano i fili dell’ingresso e massa sul circuito stampato e l’uscita ai pin jack relativi. Due ulteriori spezzoni di filo vanno collegati dalla piazzola di massa posta sul circuito stampato ai capicorda di massa delle prese di uscita. Fate attenzione durante tutte queste operazioni a non scambiare i collegamenti dei due canali, sia quelli di segnale che quelli relativi al percorso di massa, che comunque va tenuto separato.

Figura 4 - Schema di montaggio delle resistenze dell'attenuatore sul commutatore a 24 posizioni.

Figura 4 – Schema di montaggio delle resistenze dell’attenuatore sul commutatore a 24 posizioni.

Prima di continuare col montaggio del mobile bisogna saldare dei ponticelli fatti con filo argentato rigido tra i punti segnati con i numeri 1 e 2 sul circuito stampato, in prossimità dell’ingresso phono, che servono per poter usare questo ingresso come uno ad alto livello (passivo). Tale ponticello verrà tolto al momento dell’eventuale montaggio della scheda phono attiva. A questo punto bisogna fissare il pannello posteriore alle due fiancate laterali, inserire all’interno dei bordi superiore ed inferiore di queste fiancate due dadi per parte nelle apposite scanalature e poi fissare il pannello anteriore. Dopodiché si fissano agli alberini dei  commutatori le asticelle di prolunga tramite gli appositi adattatori, ricordandosi che la più corta è quella dell’attenuatore, si mettono i coperchi inferiore e superiore e le manopole ed il gioco è fatto.

Non considerando il tempo di montaggio dell’attenuatore, che richiede da solo almeno un’ora e mezza, il montaggio del tutto non dovrebbe superare l’ora.

Un consiglio doveroso: per le saldature usate stagno con una percentuale di argento sufficiente, ricordandovi che quest’ultimo richiede in genere una temperatura della punta del saldatore superiore a quella dello stagno normale, pertanto in questo caso è opportuno avere un saldatore con la temperatura regolabile e costante che verrà posta sui 410 gradi. Attenti, poi, alle saldature fredde o semifredde, che sono sempre in agguato e che possono compromettere il risultato fiale.

Foto 5 - Pannello posteriore. La presenza delle prese per l'alimentazione e per la terra rende più semplice la trasformazione da pre passivo ad attivo.

Foto 5 – Pannello posteriore. La presenza delle prese per l’alimentazione e per la terra rende più semplice la trasformazione da pre passivo ad attivo.

Conclusioni

Se tutto è stato realizzato senza errori il preamplificatore è pronto per essere collegato ed ascoltato. Prossimamente pubblicheremo anche delle prove tecniche complete e di ascolto fatte sugli esemplari da noi realizzati.

Buon lavoro e buon ascolto.
Claudio Perna

da AUDIOreview 132 novembre 1993

Author: Redazione

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