La Classe D non è una novità. Il primo amplificatore commerciale in Classe D per il mercato di consumo di cui ho visto la pubblicità — una scannerizzazione riprodotta, con un certo umorismo, dal sito di un negozio londinese noto per la sua predilezione per l’analogico e le valvole — risale, probabilmente, alla fine degli anni ’60. Il produttore del kit (l’amplificatore era in scatola di montaggio) era il genialoide Sir Clive Sinclair (quello benemerito dello ZX80 e dello Spectrum, e anche quello — forse un po’ meno benemerito — della tastiera di gomma e dei MicroDrive del QL), la potenza dichiarata era di una decina di watt e la pubblicità proclamava che fosse il futuro.

Trent’anni dopo — circa — e nonostante la tecnologia, molti dei problemi della classe D sono ancora, almeno parzialmente, irrisolti, almeno nelle implementazioni più diffuse. Probabilmente sarà il futuro, certo non è il presente, almeno non nel settore hi-fi propriamente detto.

Nel car comincia ad essere molto utilizzata, nell’audiovideo (almeno nei settori meno avanzati del multimedia) si appresta a diventare maggioritaria, negli stadi di amplificazione dei PC è ben presente. Nell’hi-fi vera e propria è stata, finora, guardata con un minimo di sospetto, un po’ come tutto ciò che è digitale.

Un mito da sfatare, quello: la classe D non è digitale. Devo, anzi, dire che "classe D" è un’espressione che mi risulta un pochino antipatica. Ho l’impressione che sia pure fuorviante: ho già sentito più di qualcuno dire "si chiama D come digitale". Beh, è falso pure questo. Si chiama D perché è venuta dopo la classe A, la B e la C in ordine di tempo e perché, come la B è più efficiente della A e la C è più efficiente della B, la D è più efficiente di tutte. La lettera dell’alfabeto è tecnologicamente neutra.

Nulla di digitale, scrivevo: un amplificatore in classe D (o PWM, a modulazione di larghezza di impulso) è fattibile senza mai uscire dal dominio analogico nel trattamento del segnale. I primi esperimenti risalgono agli anni ’50 ed erano fatti con le valvole.

In pratica, il normale amplificatore in Classe D si basa sul principio che è possibile ricostruire un’onda con un filtro a partire da una serie di livelli discreti. Se questi livelli discreti sono degli zero (stadio d’uscita completamente spento) e degli uno (stadio d’uscita completamente acceso), l’efficienza del sistema di amplificazione si avvicinerà al 100%. I periodi di accensione e spegnimento, i momenti in cui i transistor di uscita staranno in massima conduzione o in interdizione, dovranno essere decisi sulla base del segnale in ingresso. E’ necessario, quindi, che il segnale venga, in qualche modo, comparato un certo numero di volte per secondo e trasformato in un treno di impulsi a larghezza variabile, la cui energia media è pari a quella del segnale in ingresso, opportunamente amplificato. Servono un oscillatore (per stabilire la frequenza) e un comparatore (per decidere se il segnale, confrontato con quello dell’oscillatore, garantisce l’accensione o lo spegnimento dello stadio d’uscita) per costruire gli switch (da quelli dipende il nome familiare di "amplificatori switching" che si dà agli amplificatori PWM). Il filtro ricostruisce l’onda, smussando le transizioni e fornendo, sui morsetti, un segnale quanto più possibile uguale a quello in ingresso.

Con un’immagine, probabilmente, l’idea è più chiara:

Quindi potenza per tutti: zero calore dissipato o quasi, ingombri ridotti al massimo (chi ha più bisogno di tonnellate di alette, quando non c’è calore da dissipare?), efficienza quasi ideale (in un mondo con risorse finite non è per nulla una cattiva idea), costi ridotti.

In realtà, proprio qui cominciano i problemi.

Un oscillatore, dicevamo: un oscillatore significa, ovviamente, oscillazioni — è necessario che le oscillazioni siano di frequenza decisamente superiore a quelle della massima frequenza che si vuole riprodurre. Oscillazioni significa emissioni elettromagnetiche (anche in radiofrequenza), oltre che residui della frequenza portante (o delle frequenze portanti…) sul segnale in uscita. La soluzione alle emissioni esiste (schermature, approcci più accurati al layout), ma può essere costosa e difficile da raggiungere. Però diciamo che per risolvere il problema sono disponibili tecniche tradizionali, non occorre inventare nulla di nuovo. La soluzione al problema dei residui della frequenza portante è già necessaria al funzionamento dell’amplificatore, si chiama filtro in uscita. Basta che questo filtro tagli la frequenza portante (o le frequenze portanti) dell’oscillatore e il gioco dovrebbe essere fatto.

Dove serve inventare qualcosa di specifico, dove la soluzione deve essere dedicata, è nel caso degli altri due problemi, quello della sensibilità al carico di uscita e quello del controllo dello switching.

Per quanto riguarda la sensibilità al carico d’uscita: c’è un filtro, in uscita. Un filtro può essere ottimizzato (sintonizzato, direi quasi) intorno a una specifica impedenza. Per le altre… succederà che con carichi più bassi rispetto all’impedenza per cui il filtro è ottimizzato la risposta alle alte frequenze tenderà ad essere calante, con carichi più alti rispetto all’impedenza ottimale la risposta alle alte frequenze tenderà a salire. Diciamo che un amplificatore viene ottimizzato, ad esempio, per carichi di 8 ohm, per i quali la risposta sarà piatta: la sua risposta in frequenza sarà calante, di qualche dB o frazione di dB, su un carico di 4 ohm e crescente su uno di 16 ohm (ancor più crescente sarà su 32 ohm, su 64 ecc.). Esistono soluzioni in grado di attenuare o di rimuovere completamente il problema; non sono però implementate nella maggioranza degli amplificatori in classe D normalmente disponibili sul mercato.

Il secondo problema è quello del controllo dello switching. Dicevamo, a proposito del funzionamento di principio, che il segnale in ingresso viene trasformato, di fatto, in un treno di impulsi che decidono l’accensione e lo spegnimento di uno o più dispositivi di potenza in uscita (in genere si usano dei MosFET, che sembrano nati apposta per questo tipo di applicazioni). Però nessun dispositivo si accende e si spegne in un tempo pari a zero. I ritardi, gli sfasamenti temporali si misurano (e si sentono) subito, sotto forma di buona (?), vecchia, cara (?) distorsione. Contenerla, negli amplificatori in Classe D, richiede soluzioni piuttosto complicate. La più banale e conosciuta di queste soluzioni si chiama controreazione; un amplificatore in classe D senza controreazione ingresso/uscita (o almeno, senza controreazione fra l’ingresso del sistema di elaborazione che comprende oscillatore e comparatore e uscita dei FET o uscita del filtro ricostruttore) semplicemente sarebbe inascoltabile per eccesso di distorsione. Probabilmente nemmeno funzionerebbe. Detto tra parentesi, è controreazione analogica e tradizionale, quello che rientra è segnale, non altro; ed è influenzata dal carico, oltre che dai tempi di switching, dato che una normale rete di controreazione non è intelligente: non può distinguere segnale e tempi (sono la stessa cosa), né può capire, essendo fatta di componenti passivi, cosa di quel che ritorna è determinato dai ritardi di accensione e spegnimento e cosa dal carico. Quindi mi spiace per i teorici dell’abolizione di qualsiasi forma di controreazione: la classe D non fa per voi.

La controreazione è necessaria, dicevo, ma non è l’unica strategia utile a limitare la distorsione. Possono essere utilizzate tecniche diverse e più raffinate. E’ in questo campo (e in quello, strettamente correlato, della generazione del segnale che viene modulato dai dispositivi di uscita) che si dividono gli amplificatori in classe D in due grandi famiglie, quelli controllati nel dominio digitale (e che usano un segnale digitale per generare gli switch) e quelli controllati nel dominio analogico. Di solito i primi, gli unici che potrebbero, a buon diritto, essere considerati "amplificatori digitali", si distinguono perché sono gli unici ad avere ingressi digitali e non (o non solo) ingressi analogici. Uno dei rari amplificatori digitali commerciali è il TACT.

Anche il segnale portante (quello dell’oscillatore) è diverso da implementazione a implementazione. Tipicamente, nell’esempio da libro di testo, si tratta di un’onda triangolare a frequenza fissa; tuttavia, l’ottimizzazione degli amplificatori in classe D passa anche attraverso maniere più eleganti di generare questo segnale: si può, per esempio, nascondere parte della tecnologia atta a minimizzare la distorsione proprio nella costruzione del segnale oscillante.

Ecco, altro mito da sfatare: le vari classi fiorite in questi ultimi anni sono semplici varianti della classe D. Cioè sono, più propriamente, soluzioni proprietarie ai problemi sopra elencati, in particolare a quelli del controllo e della variazione della risposta al carico. I più tecnologici e meno commerciali fra coloro che studiano e producono moduli e amplificatori in classe D preferiscono sempre parlare di varianti di amplificatori switching; gli altri si inventano un nome — commerciale — di classe…

Un’ultima, piccola, notazione in questa introduzione: anche le alimentazioni possono essere switching. La cosa non ha relazione con la topologia degli stadi d’uscita: si sono visti amplificatori in Classe A (quelli di Audio Consulting) e in classe AB (Chord, Linn) con stadi di alimentazione switching e amplificatori in classe D con stadi di alimentazione lineari (l’Audio Research in prova su questo numero) o switching (il NuForce prossimamente in prova).

Abbiamo in prova in questo numero rappresentanti di due varianti di classe D: la Classe T di Tripath e l’IcePower di Bang&Olufsen.

La Classe T è una implementazione PWM con un oscillatore a frequenza non fissa (su questo parrebbe essere basato il principale brevetto Tripath) che usa tecnologie di modellazione del rumore e una frequenza di switch a riposo molto più alta della media (1.4 MHz). Grazie al tipo di modulazione, il sistema Tripath ha una distorsione piuttosto bassa, se misurata prima del filtro d’uscita, che è fuori dall’anello di controreazione. Proprio a causa di questo e a causa della bassa qualità del filtro in molte implementazioni commerciali (fra cui quella Sonic Impact), nella realtà le cose tendono ad essere molto peggiori.

La tecnologia IcePower di Bang & Olufsen è basata su uno stadio auto-oscillante (quindi non sul classico generatore di onde triangolari) e su un anello di controreazione che include anche il filtro d’uscita; l’amplificatore, così, ha ottime prestazioni strumentali (ad esempio minor sensibilità alla qualità dei componenti della rete d’uscita rispetto ai sistemi basati su chipset Tripath).

Nello specifico, mentre degli amplificatori Audio Research, Amphony (ambedue basati su moduli Tripath) e PS Audio (basato su un modulo IcePower) si parlerà negli articoli loro dedicati, qualcosa è il caso di aggiungere sul Sonic Impact T-Amp: oltre alla caratteristica risposta in salita alle alte frequenze, il T-Amp ha una risposta attenuata alle basse frequenze, peculiarità dovuta a un dimensionamento della rete di ingresso che ne fa un filtro passa alto (circa -3 dB a 50 Hz, circa -9 dB a 20 Hz). I componenti con cui il T-Amp è realizzato sono decisamente economici, scelta che rende anche le altre prestazioni strumentali migliorabili.

Come ultima osservazione, va notato che tutti gli amplificatori di questa tornata sono intrinsecamente a ponte, il che li rende inutilizzabili — anche quelli di potenza più bassa — come amplificatori per cuffie dinamiche tradizionali a meno di non modificare le cuffie stesse e rende impossibile metterli ulteriormente a ponte per aumentarne la potenza.