Dove troviamo il bias e la classe-A?

di TidalRace - accordiano DOC #16055 | 27 giugno 2012 @ 07:30
Da quando frequento questo sito ho letto tante cose interessanti sull’amplificazione dei nostri strumenti e le relative tecnologie utilizzate, ho però l’impressione che molti lettori non sappiano ancora tutto su termini come "bias" e "classe-A", per questo vorrei aggiungere qualche informazione.
Una maggiore conoscenza del significato dei vari termini ci rende più informati e consapevoli quando andremo a trattare l’acquisto di un amplificatore.

Con il termine "bias" s’intende la corrente che scorre in un componente attivo, valvola o transistor che sia, per attivarne il funzionamento. In assenza di tale corrente, creata applicando una certa tensione e alcune resistenze di polarizzazione che ne stabiliscono il punto di funzionamento, non si avrebbe nessun segnale in uscita quando arriva un segnale in ingresso. Dal punto di funzionamento scelto avremmo una diversa risposta d’armoniche, di potenza o amplificazione e di risposta in frequenza.
La diversa risposta delle armoniche è una conseguenza della non linearità delle curve caratteristiche, dipendenti sia dall’elemento attivo utilizzato, sia dal punto di funzionamento scelto. Tale differenza è maggiore per i tubi a vuoto rispetto a elementi più lineari come i transistor o gli operazionali (IC) dove il circuito è studiato proprio per garantire la massima linearità.

La differenza di potenza o d’amplificazione, nel caso di elementi non di potenza, deriva sostanzialmente nel trovare il punto migliore per il massimo segnale d’uscita e quindi il massimo rendimento elettrico, a parità di componente utilizzato.
La risposta in frequenza dipende sia dal circuito esterno (in cui i condensatori, le induttanze e le resistenze applicate possono tagliare certe frequenze ed esaltarne altre) sia dalle capacità parassite del componente attivo stesso.
Quando si parla di bias, però, in genere s’intende la corrente a riposo delle valvole in un finale di potenza.

I sistemi più utilizzati sono essenzialmente due: l’auto-bias o cathode-bias e il self-bias o fixed-bias.
Dalle figure seguenti, volutamente semplificate, possiamo distinguere due tipi di riquadri: quelli fucsia definiscono i valori in tensione continua dei vari nodi -espressi in volt- mentre quelli blu i valori in corrente continua -espressi in mA- che scorre nel componente indicato anche dal verso della corrente.
Per convenzione, la corrente scorre dal potenziale positivo a quello negativo, mentre nella realtà gli elettroni si muovono da quello negativo al positivo. Questi valori di tensione ci devono sempre ricordare l’estrema pericolosità delle tensioni che sono all’interno di tante apparecchiature elettroniche.



Il primo tipo più semplice, chiamato auto-bias, prevede una resistenza di catodo di valore opportuno che regola la corrente di bias per il punto di funzionamento scelto, polarizzando il catodo con una tensione positiva rispetto alla griglia di controllo, dove entra il segnale d’amplificare, che invece sarà a potenziale di massa. Tale resistenza di catodo spesso è in parallelo a un condensatore elettrolitico di valore opportuno, che cortocircuiterà il segnale audio introducendo anche una controreazione locale.

Questo schema è universalmente utilizzato anche negli stadi del preamplificatore, perché di più semplice realizzazione. L’assenza del condensatore in parallelo alla resistenza catodica riduce notevolmente l’amplificazione e la linearizza nelle basse frequenze, per questo può capitare di trovare degli stadi di segnale che ne siano sprovvisti.

L’uso di una singola valvola di potenza polarizzata in questo modo è chiamato "classe-A" in "single-ended".
La classe-A è l’unica nel quale l’intera forma d’onda del segnale è amplificata da uno stesso elemento per tutto il ciclo periodico.
La stessa classe-A in auto-bias è universalmente utilizzata anche per gli stadi amplificatori di segnale, e quindi abbiamo gli stessi pregi e difetti del finale suddetto.
Uno dei pregi della classe-A è senz’altro la caratteristica di riprodurre un segnale deformato dalla seconda armonica, piacevole all’orecchio perché accordata con la nota che stiamo suonando. Ai livelli più alti del segnale d’ingresso, questo è dovuto alla non linearità delle caratteristiche del componente e vale soprattutto per i triodi, di potenza come di segnale e, in misura minore, anche per i tetrodi e i pentodi.
In un sistema a stato solido, i fet come i mos o i più anziani transistor bipolari hanno caratteristiche piuttosto lineari, ma non esenti da distorsioni d’armoniche pari.
Solamente gli operazionali, caratterizzati da un’uscita con transistor complementari, hanno questa caratteristica quasi del tutto assente e tendono a saturare improvvisamente con quasi solo armoniche dispari, quando si raggiunge il massimo segnale gestibile, dipendente dalla tensione d’alimentazione.

Un altro pregio dell’auto-bias è che non richiede alcuna regolazione da parte dell’utilizzatore anche dopo che si esegue un cambio valvole. Questo esclude la possibilità di sregolare il punto di funzionamento ottimale, ma anche di non poterlo regolare per le massime prestazioni, che dipendono anche dalle caratteristiche di ogni singolo tubo. Il circuito, più semplice, è preferito dai costruttori anche per il risparmio di componenti sui piccoli valvolari.
Tra i difetti, riscontrabili esclusivamente sui finali di potenza, vi è il rendimento del sistema che non supera normalmente la metà della potenza assorbita e l’eccessivo calore che si sviluppa. Questo perché con una valvola finale in classe-A, possiamo avere anche un assorbimento di corrente di 50 mA a riposo, contro un modesto consumo su un triodo di segnale di uno o due mA.



Con il self-bias, invece, abbiamo bisogno di una tensione negativa d’alcune decine di volt da applicare alla griglia d’ingresso della valvola, ottenuta con un circuito aggiuntivo. Questo ci permette d’eliminare la resistenza catodica e relativo elettrolitico, responsabili di una minore efficienza elettrica, valutabile anche del 10-20%.
Questa tensione negativa regola la corrente di bias, a parità di tensione d’alimentazione, con una maggiore precisione, ma una piccola variazione di questa comporta una discreta modifica di corrente, che potrebbe essere pericolosa per la salute del tubo, mentre la mancanza della stessa porterebbe alla bruciatura immediata della valvola, se non sono previsti fusibili sull’anodo.
Nel circuito d’esempio una modifica della tensione di bias di un Volt in più o in meno produce una variazione della corrente di catodo di circa il 27%.

Il self-bias prevede l’utilizzo di un trimmer per la regolazione della tensione negativa e questo può essere completamente starato da una persona che decida di spostarlo, senza la dovuta attrezzatura di misurazione, portando o a un peggioramento delle prestazioni o a un’eccessiva usura delle valvole finali. Per questo non tutti i produttori amano inserire una regolazione facilmente accessibile.
Tra i vantaggi di questo sistema c’è anche quello di richiedere una tensione d’alimentazione minore, ottenere potenze superiori in uscita, dissipando in calore minore potenza. Il sistema è spesso utilizzato nei finali di potenza con due o più valvole in classe-AB.



Nei preamplificatori, uno degli schemi più utilizzati prevede sempre l’uso di una resistenza sul catodo come nel primo esempio ma, non circolando correnti elevate, il rendimento -inteso come massima amplificazione- non ne risente.
La differenza con il primo disegno riguarda solamente la mancanza dello schermo, poiché solitamente sono utilizzati triodi invece che pentodi. In questo caso, non interessa il massimo trasferimento di potenza, ma il massimo trasferimento di tensione su un carico ad alta impedenza.
Anche con questo circuito, essendo in classe-A, potremmo avere una bella distorsione d’armoniche pari, ma anche dispari quando il segnale è abbastanza elevato.
Se poi l’uscita (OUT) fosse sul catodo, invece che sull’anodo, avremmo un cathode-follower, cioè un buffer che non ci amplifica il segnale, ma lo trasforma da alta a bassa impedenza, ideale quando occorre utilizzare cavi molto lunghi, senza introdurre rumori e perdite significative. In questo caso occorre eliminare il condensatore sul catodo, che ne precluderebbe il funzionamento e avremmo comunque una piccola perdita sull’ampiezza del segnale.


Sostituendo semplicemente il triodo con un jfet a canale N come riportato in figura, oppure con un mos sempre a canale N e adattando i valori di tensione e i componenti esterni al nuovo elemento, si assembla uno stadio preamplificatore a stato solido perfettamente soddisfacente, con una bassa e sicura tensione d’alimentazione e con una saturazione d’armoniche pari e dispari molto valida.
Come l’esempio precedente, potremmo utilizzare l’uscita Source invece che quella sul Drain per ottenere un source-follower simile al comportamento del cathode-follower.



Per ultimo ho lasciato uno stadio preamplificatore realizzato con un operazionale, molto diverso dai componenti discreti fin qui trattati.
Un operazionale, o circuito integrato, è un componente che racchiude all’interno svariati transistor, diodi e resistenze, su un supporto estremamente ridotto di dimensioni. La sua principale caratteristica è quella di avere una banda passante molto larga, un fattore d’amplificazione estremamente elevato con impedenza d’ingresso teoricamente infinita, per non caricare lo stadio precedente e quella d’uscita estremamente bassa, per pilotare bene gli stadi successivi.
Analizzando lo schema interno, troviamo molte analogie con un finale di potenza a transistor in classe-AB. È senza dubbio il più semplice da utilizzare, dato che basta polarizzare uno dei due ingressi con metà della tensione d’alimentazione per ottenere la massima ampiezza del segnale in uscita, una grande linearità di funzionamento fino al clipping, che è composto di sole armoniche dispari, tosando in contemporanea le due semionde.
Al progettista è anche affidato il compito di stabilirne il guadagno in tensione dello stadio, modificando i valori delle due resistenze della controreazione, mentre con i componenti discreti il guadagno dipende entro certi limiti dal componente stesso. Le altre differenze con i componenti discreti riguardano la possibilità di non variare la fase elettrica, ma il fatto d’avere un’uscita in classe-AB li rende così poco attraenti per le necessità musicali di un chitarrista.

In conclusione, ribadisco il concetto che un circuito in classe-A e il termine bias non sono appannaggio esclusivo dei finali di potenza, poiché li possiamo usare anche negli stadi di preamplificazione a componenti discreti, come pure sono utilizzati anche in circuitazioni a stato solido. Il bias, inoltre, lo possiamo trovare anche nei finali a transistor, per regolarne la corrente a riposo e per eliminare la distorsione d’incrocio.


Tutti i commenti

  • Molto bello ed esaustivo, complimenti ...
    di memecaster - accordiano #27954 | 27 giugno 2012 @ 12:13
  • ciao...io da povero ignorante(perche' ignoro) ...
    di donfun - accordiano #17178 | 27 giugno 2012 @ 12:53
    • Se non è presente nessun ...
      di TidalRace - accordiano DOC #16055 | 27 giugno 2012 @ 14:20
      --
      Tidal Race
      http://www.youtube.com/TidalRace
      • A proposito dei Fender... Il ...
        di Capra_Poliuretanica - accordiano #30609 | 27 giugno 2012 @ 17:01
        • Probabilmente si tratta di un ...
          di TidalRace - accordiano DOC #16055 | 28 giugno 2012 @ 20:32
          --
          Tidal Race
          http://www.youtube.com/TidalRace
          • Si, l'hai preso in pieno! ...
            di Capra_Poliuretanica - accordiano #30609 | 28 giugno 2012 @ 21:15
  • Complimenti per l'articolo! preciso e ...
    di Sbrox22 - accordiano #17931 | 27 giugno 2012 @ 13:05
    • Non conosco lo schema di ...
      di TidalRace - accordiano DOC #16055 | 27 giugno 2012 @ 14:36
      --
      Tidal Race
      http://www.youtube.com/TidalRace
  • Premesso che di valvole non ci capisco una cippa ...
    di beppeferra - accordiano #29294 | 29 giugno 2012 @ 01:56
    --
    http://fingercooking.blogspot.it/
    chitarre acustiche, musica e slow food
    • Ciao, probabilmente ti stai riferendo ...
      di TidalRace - accordiano DOC #16055 | 29 giugno 2012 @ 18:52
      --
      Tidal Race
      http://www.youtube.com/TidalRace
  • Compliments, mi hai chiarito qualche ...
    di Pinus - accordiano #2413 | 29 giugno 2012 @ 23:39
    --
    "Non suono per piacere, suono per godere!"
  • molto interessante questo me ...
    di superloco - accordiano #24204 | 03 ottobre 2012 @ 10:33
    --
    Superloco

Scrivi un commento

Accedi o crea un account per commentare.