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Open Journal di Federico Pappalardo

Piccola storia di invertiti, invertitori e pentiti

Parliamo di uno degli aspetti più importanti nella progettazione di un amplificatore: l'inversione di fase del segnale, necessaria in uno stadio push-pull. Un post tratto da un lungo thread di approfondimento tecnico sulle tecnologie dell'inversione di fase negli amplificatori di BF
Piccola storia di invertiti, invertitori e pentiti

Sansui AU777

Nascita dello “spingi-tira”
Quando verso la metà degli anni ‘30 si pensò ad uno stadio spingi-tira (orribile traduzione letterale di push-pull) l'inversione veniva fatta sistematicamente mediante l'uso di trasformatori-invertitori, posti tra la sezione amplificatrice di tensione e lo stadio finale. Il primario di questi trasformatori tipicamente costituiva il carico della valvola pilota, che quindi lavorava in classe A, mentre i due secondari venivano usati per pilotare direttamente le griglie delle valvole finali, spesso triodi, ma a partire dal 1935 anche tetrodi a fascio. Le griglie venivano pilotate da due segnali in controfase tra loro, e gli stessi avvolgimenti del secondario svolgevano la funzione di portare in griglia la tensione di bias, necessaria per fissare il punto di lavoro delle finali. In questa configurazione i catodi erano connessi direttamente a massa e la polarizzazione si diceva "con negativa di griglia".
Non passò molto tempo e ci si accorse che si poteva rendere la griglia controllo negativa rispetto al catodo anche rendendo il catodo più positivo della griglia, semplicemente "alzando" il catodo rispetto a massa, con una resistenza di opportuno valore, che fissasse la corrente circolante al valore voluto. Tale polarizzazione venne chiamata "automatica" o “autopolarizzazione” e ancora oggi viene chiamata così. Si tratta della classica polarizzazione usata in tutti i preamplificatori a tubi. Se c'è una resistenza sotto il catodo allora quella attua la polarizzazione automatica.
Sui testi di elettronica non tardò però, verso l'inizio degli anni ‘40 ad essere presente l'accoppiamento di stadio cosiddetto "a resistenza e capacità", laddove con questa definizione si voleva distinguere la situazione da quella classica utilizzante trasformatori. Oggi l’uso di trasformatori è ben visto dagli audiofili, anche perché gira roba di qualità, ma in un tempo non cosi remoto, venivano visti come il diavolo vede l’acqua santa. Le rotazioni di fase introdotte dai trasformatori rendevano instabili gli amplificatori e non consentivano l’applicazione indiscriminata di forti tassi di controreazione, i cui sottoprodotti negativi dal punto di vista sonico non erano ancora ben noti. D’altro canto oggi sappiamo che l’utilizzo di un buon trasformatore non solo solleva dalla necessità di usare delle capacità interstadio, ma se ben progettato attua dei benefici adattamenti di impedenza, con ottime conseguenze sul suono.
Si è parlato sin qui di trasformatori interstadio, ma i problemi riguardavano anche ovviamente i trasformatori di uscita che per loro natura imponevano dei limiti ben precisi sul tasso di controreazione, poiché le rotazioni di fase che introducevano, in presenza di controreazione superiore alla consentita, rendevano instabili gli amplificatori. Non essendo ancora trasformatori di qualità, l’attenuazione sulle alte, unitamente al ritardo in fase relativo, faceva sì che alle alte frequenze la controreazione riportasse in ingresso una porzione di segnale pericolosamente vicina ad essere in fase con quello entrante in ingresso, con l’effetto di trasformare gli amplificatori in una sorta di oscillatori di potenza dalla vocazione marcatamente autodistruttiva. Nyquist e Bode furono in grado di dare forma grafica ai fenomeni descritti, e da quando l’elettronica è elettronica tutti i progettisti di amplificazione hanno dovuto fare i conti con quei diagrammi di stabilità.
Ma prima dell’uscita dell’amplificatore di Williamson, non era noto nel mondo come si potesse costruire un trasformatore con banda passante amplissima e capace di piccolissime rotazioni di fase.
L’amplificatore di Williamson ebbe il merito indiscusso di insegnare al mondo come si costruisce un buon trasformatore di uscita. Naturalmente David Williamson, grazie al trasformatore che gli costò anni di fatiche e chilometri di filo di rame bruciati in prototipi, potè applicare un notevole tasso di controreazione al suo amplificatore, con il risultato di ottenere un tasso di distorsione armonica rivoluzionariamente basso, tale da poter definire la data di nascita del Williamson’s amplifier quella della stessa alta fedeltà.

Arriva Williamson

The Williamson AmplifierDopo questa digressione sui trasformatori, e visto che stiamo sorvolando l’amplificatore di Williamson, coglierò l’occasione per andare subito all’argomento per cui ho voluto scrivere questo post, ovvero l’invertitore di fase. Schema alla mano possiamo osservare come l’inversione di fase nell’ampli W (per brevità lo chiamerò W invece che Williamson) veniva attuata con uno stadio a triodo seguito poi da due (uno per ramo) stadi di amplificazione aventi il catodo comune e carico anodico identico. Tale configurazione, perfetta da un punto di vista formale ed esatta da quello elettronico, venne nel tempo abbandonata, lasciando agli stadi precedenti l’invertitore di fase la mansione di amplificazione di tensione. Ma le due L63 (arcaico triodo a medio mu, simile alla “moderna” ECC82) non servivano soltanto all’amplificazione di tensione: attuavano anche un benefico e simmetrico adattamento di impedenza e come si vede facilmente dallo schema W le due resistenze di carico sono identiche, da 39 Kohm. Il W è un capolavoro di simmetria.
Il tipo di invertitore usato nel W è ciò che su certi testi si vede chiamato “invertitore Catodyna”.
Sfrutta la presenza di un segnale sfasato di 180 gradi presente sull’anodo, rispetto a quello presente sul catodo. Usando due resistenze (rispettivamente anodica e catodica) identiche, si ottiene il desiderato stadio invertitore a guadagno unitario, senza dover ricorrere a trasformatori (Williamson non poteva concepire rotazioni di fase aggiuntive dovute a trasformatori interstadio, visto che stava rincorrendo il suo sogno di alta controreazione, in grado di ottenere tassi di distorsione ancora mai visti sul pianeta).
Una tale configurazione ha, come sempre, pregi e difetti ed è stata usata in un numero incalcolabile di amplificatori, anche in tempi recenti. Per inciso non è l’unico modo di ottenere una inversione di fase: sono stati spesi fiumi di inchiostro in articoli specifici per descrivere ogni tipo di invertitore.
Linko qui un sito che in modo sintetico e preciso dà una panoramica: dategli un'occhiata.
http://www.bonavolta.ch/hobby/en/audio/split.htm
Le discussioni sulla bontà sonora dei vari sistemi di inversione sono state moltissime per vari anni.
Non ci interessa ora qui continuarle: vi rimando a tutti gli articoli sulle riviste che sicuramente avrete già letto. Arriviamo quindi al motivo (l’ho preso alla larga, ma volevo essere sicuro di trasmettere la percezione del parallelismo tra tubi e stato solido) di questo post: l’inversione di fase in ambiente “solido”.

L’inversione di fase in ambiente “solido”

Phase Linear 700BCome è noto, gli amplificatori a transistor hanno dato ben poco da scrivere sull’inversione di fase.
Ma perché nello schema di un qualunque amplificatore a transistor moderno non troviamo lo stadio invertitore di fase? Semplice: perché cerchiamo nel posto sbagliato!
Il problema dell’inversione di fase nella progettazione di ampli a transistor è mai esistito? Oggi anche i sassi sanno che la tecnologia produttiva dei substrati di silicio ha consentito la produzione di transistor NPN e PNP. Variando forma e composizione di tali strati si ottenne, già verso i primi anni ‘50, a livello sperimentale e nel campo del germanio, dei transistor PNP ed NPN, i quali hanno la caratteristica di trattare il segnale in modo invertito di fase, consentendo quindi facilmente di poter progettare amplificatori intrinsecamente scevri dalla necessità di un apposito stadio.
Inizialmente, diciamo verso i primi anni 60, non erano ancora disponibili, se non a prezzi furiosi, coppie di transistor di potenza complementari, ma quando nella seconda metà di quegli anni arrivarono le prime coppie complementari la storia della progettazione degli ampli a stato solido, in un certo senso, si fermò. Nel giro di pochi anni la struttura base di un amplificatore di potenza divenne nel tempo sempre più simile da costruttore a costruttore. C’erano, è vero differenze, ma la struttura di base rimaneva quella.
Ci fu un periodo iniziale in cui, non erano ancora presenti le coppie di potenza, ma solo coppie di piccola e piccolissima potenza. Tali coppie vennero usate a bizzeffe in un mare di amplificatori a simmetria quasi complementare, quali coppie di piloti invertitori di fase: erano loro ad incaricarsi di fornire alle basi dei transistor finali un segnale in opposizione di fase sul ramo superiore ed inferiore rispettivamente. Al di là della scarsa perfezione formale e dalla mancata simmetria totale, tale soluzione era ed è ben distante dall’essere criticabile se non da un punto di vista puramente di principio, poiché i risultati di distorsione e resa sonica di questa soluzione “ibrida” erano e sono molto rispettabili.
Moltissimi ampli a simmetria quasi complementare dotati di finali tutti NPN hanno saputo stupire e stupiscono ancora per qualità sonora. Esempi? Uno per tutti quello che peggio di tutti dovrebbe suonare, per la sua potenza micidiale: i Phase Linear 700 e 700B, è nota la superiorità sonica del vecchio modello B rispetto al 700 II, dotato di coppie complementari.
Ma anche Marantz 1060, Leak Stereo 70, Nad 60, vari vecchi Grundig, diversi ampli inglesi degli anni ‘80…tutti a simmetria quasi complementare, e tutti giustamente noti per suonare piuttosto bene. A fronte di questa “anomalia” nella storia dell’hifi si son ascoltati fior di amplificatori dallo schema completamente complementare, dall’ingresso all’uscita, che suonavano come trapani.
Insomma: in questo campo è vero tutto e il contrario di tutto.
Ma torniamo agli anni ‘60, quando alcuni coraggiosi costruttori si cimentarono nella progettazione dei primi ampli a stato solido. Le prime coppie complementari di piccola potenza al silicio si videro già nei primissimi anni ‘60 ma non andarono ad abitare negli amplificatori per suonare musica.
Andarono a perdersi nello spazio, nei primi satelliti artificiali, nell’elettronica di gestione delle capsule Mercury. Costavano cifre stellari, prodotte dai nomi d’oro dell’elettronica made in Usa: Fairchild, RCA, Westinghouse, Raytheon, Texas Instruments, Motorola, Bendix.
Per i progettisti di apparecchiature civili la scelta obbligata era il germanio e fra le prime coppie di piccola potenza al germanio sono da citare gli AC127-AC128. Questa coppia andò a costituire la sezione pilota-invertitrice per moltissimi ampli europei, laddove come finali venivano usati dapprima gli OC26 e poi gli AD149.
Con una tensione di alimentazione di circa 40 volt si ottenevano circa 15 watt per canale e furono i primi ampli a porre una seria ipoteca sulla sopravvivenza degli ampli a tubi sul mercato. Ma prima delle coppie complementari come si otteneva la necessaria inversione?
Certi costruttori ricorsero all’uso di trasformatori. Incredibile! Dopo che da anni era stata vinta la guerra contro i trasformatori interstadio nei valvolari, ecco che questi si riaffacciavano in quella che pretendeva essere la tecnologia del futuro!! All’epoca ero ancora dedito a succhiare il latte, o poco più, per cui non posso avere ricordi, ma sono sicuro, anzi sicurissimo, che non furono all’epoca pochi i valenti tecnici elettronici a farsi delle belle sghignazzate nel vedere riapparire negli amplificatori quelli che ormai nell’immaginario erano considerati antiche vestigia di epoca marconiana.

Maledettamente Sansui
Eppure…eppure…amplificatori oggi ancora ricercati come l’amplificatore AR facevano uso di trasformatori invertitori, anche Electrovoice ricorse alla stessa soluzione (io ho un EV1144, e posso garantire che suona in modo assai interessante). Philips usò tale soluzione per poco tempo, visto che ben presto dai suoi laboratori uscirono le coppie al germanio succitate. Certi costruttori addirittura ricorsero ad amplificazioni in classe A monotransistor per le sezioni di potenza dei loro registratori in quei primi eroici anni ‘60…questo per dire che le prime fasi di vita dello stato solido furono spesso concitate, e talvolta dominate da un certo tasso di oscurità di ingegno.
Ma tra i trasformatori e le coppie NPN e PNP non vi fu nulla in mezzo? In molti, moltissimi, risponderebbero un secco “NO”. E invece……
Invece ci fu chi, spinto da non si sa cosa, utilizzò uno stadio invertitore vero e proprio. L’equivalente esatto dell’invertitore Cathodyne di buona memoria trasferito pari pari in ambiente solido. Non credo sia stato l’unico marchio, ma personalmente non ne ho visti altri: si chiamava Sansui.
Il primo amplificatore Sansui a stato solido progettato nel 1966 per essere posto in vendita nel 1967, fa uso di UN transistor NPN, posto tra le basi dei piloti, ambedue NPN, che a loro volta pilotano le basi dei finali, anch’essi NPN. Le resistenze di collettore ed emettitore sono identiche, il guadagno è unitario, e il segnale presente sul collettore, sfasato di 180 gradi rispetto a quello presente sull’emettitore viene usato per alimentare i piloti: tutto ciò è MALEDETTAMENTE VALVOLARE. Pensate: un ampli Japan tutto al silicio che FUNZIONA e non vede al suo interno nemmeno un transistor PNP!! Nella seconda versione dell’AU777 (questo fu il primo ampli solid Sansui e uno dei primissimi, se non il primo Japan-made), ovvero l’AU777A, venne aggiunto un controllo dei medi, qualche modifica qua e là, ma lo stadio invertitore “emitter-dyna” rimase dove stava. Nessun altro ampli Sansui vedrà usata questa soluzione: i modelli AU222, AU555 come anche l’AU666 avrebbero poi fatto uso di una coppia di piloti NPN-PNP. Ebbene, la domanda che viene naturale è la solita: come suona? Sì! Suona bene! Anzi: suona proprio bene.
Poco tempo fa, non ricordo chi, nel forum diceva che l’unico ampli Sansui che gli piace è l’AU777.
Forse la posizione è un filo estrema, ma la rispetto volentieri, perché è ben vero che questi vecchi dinosauri suonano in modo maledettamente piacevole. L’AU777 forse ha un filo di più dettaglio in alto, mentre l’AU777A è più corposo e sanguigno sulle medie, le basse godono di ottima articolazione e scendono tranquille senza farsi inquinare dalla gommosa (tipica in tantissimi solid state) invadenza delle medio basse. Merito dell’invertitore “rara avis”? Impossibile dirlo, senza andare a modificare e condurre sessioni di ascolto comparativo. Non lo farò per rispetto a questi antichi guerrieri giapponesi.

Memoria
Chiedo scusa per questo lungo post, che spero qualcuno abbia letto con piacere, e magari per qualcuno abbia fatto luce su alcuni contesti che nel tempo andato sono stati pane quotidiano per i progettisti, e oggi sì e no esiste memoria di questo.
Ecco: memoria! Questo lo scopo di questo post: tenere viva la memoria e le luci su certe storie e certe cose, prima che l’ineluttabile cortina di oblio ritorni a coprire il tutto… come nel Medioevo accadde per la civiltà imperiale… e forse oggi quest’opera di ripescaggio altro non è che l’equivalente concettuale dell’attività dell’”archeologo” medioevale che andò a usare le pietruzze dei mosaici del quarto secolo per rivestire il cortile della sua porcilaia.