Salve a tutti, ho voluto scrivere questa serie d’articoli sul tipo di distorsione e armoniche generate dai sistemi analogici più diffusi per l’amplificazione del nostro strumento; la chitarra. Mi sono reso conto che molti chitarristi sanno tutto o quasi su legni, pick-up, corde, effetti, ma poi non sanno il perché un amplificatore ha un suono “caldo” o “freddo” o perché la saturazione che possiede è al nostro orecchio più piacevole di un altro. Il giudizio sulla saturazione di un amplificatore è qualcosa di molto soggettivo, ma analizzandolo con i dovuti sistemi si può dare una spiegazione al fenomeno. Si tende normalmente a semplificare dicendo che il suono “caldo” dei valvolari deriva dalla saturazione composta di sole armoniche pari, al contrario in un ampli al silicio, detto normalmente a transistor, il suono è “freddo” perché composto di sole armoniche dispari. Queste sono grosse bugie che si stanno raccontando da anni solamente per vendere ciò che fa guadagnare di più. In questa prima parte vorrei parlarvi della saturazione armonica di un triodo 12AX7A che ritroviamo normalmente nella parte di preamplificazione.
Per la presentazione della distorsione armonica mi sono affidato al software per PC chiamato Microcap con cui è possibile simulare il funzionamento di un qualsiasi circuito elettronico prima ancora di realizzarlo fisicamente in modo da ridurre al minimo il tempo e il costo di realizzazione.
Poiché mi rendo conto che non è semplice per molti leggere dei dati e tradurli in termini comprensibili, ho deciso di esporli con una tabella espressa in dB che è un’unità di misura pratica perché usata dai controlli di tono, dagli equalizzatori eccetera visualizzandola in stile analizzatore di spettro.
Nelle tabelle la barra verde è la nostra fondamentale e quindi la nota che stiamo suonando, mentre con le barre rosse indichiamo le ottave superiori della fondamentale e quindi armoniche pari che nel nostro caso saranno tutti LA, con le barre azzurre le armoniche dispari e infine con le barre arancioni altre armoniche pari che però sono note diverse da quella che stiamo suonando.
Il circuito rappresentato sotto è un classico stadio d'amplificazione a triodo completo della resistenza di griglia, del condensatore di disaccoppiamento e della resistenza di carico per dimostrare il funzionamento di uno stadio valvolare. Naturalmente modificando i valori di tensione d'alimentazione e dei componenti di polarizzazione della valvola si ottengono risultati diversi sia di risposta in frequenza, sia di aumento di segnale, sia di armoniche riprodotte, ma non è possibile stabilire il punto di funzionamento migliore per molte ragioni. Uno stadio di questo tipo è ampiamente utilizzato da molti costruttori d'amplificatori valvolari.
Adesso scopriamo come si comporta un circuito di questo tipo sottoposto a un segnale d'ingresso, rappresentato nella figura precedente dal generatore 'Tr', quando applichiamo una tensione di 1 Vpp (Volt picco-picco e cioè la massima escursione delle due semionde del segnale d’ingresso) avente frequenza di 220 hz. In questo caso il LA 440 hz (2° armonica) ha un livello di 0,36 Vp (Volt picco si riferisce a una semionda e quindi in assenza di distorsione è la metà di quella picco-picco) molto basso che insieme alle altre armoniche porta a una distorsione totale inferiore al 2%, appena apprezzabile a livello uditivo. Si può affermare quindi che per piccoli segnali la valvola non modifica in maniera apprezzabile il contenuto armonico dello stesso amplificandolo in maniera piuttosto fedele. Ora andiamo a osservare il nostro analizzatore di spettro virtuale per verificarne la quantità e il tipo d’armoniche generate. Essendo il dB, un’unità di misura relativa occorre fare la differenza tra il valore della fondamentale e, ad esempio, la 2° armonica che in questo caso vale ben 36 dB (33dB (f) – (-3dB(2°)) = 33 dB + 3dB) per capire quant’è il contributo in ampiezza di ogni armonica. Abbiamo quindi detto che la 2° armonica è a -36 dB dalla fondamentale mentre, ripetendo il calcolo, la 3° armonica è a -62 dB. Come si può notare la presenza delle armoniche è relativamente bassa e con andamento decrescente ma con la presenza sia d’armoniche pari sia dispari.
Aumentando ancora il segnale d'ingresso a 5 Vpp la parte superiore della nostra onda inizia a essere tagliata causa del raggiungimento della tensione d'alimentazione di 350V che produce una compressione del segnale e crea altre armoniche soprattutto d'ordine dispari. In questo caso la distorsione armonica totale raggiunge il valore di circa 21% dovuto in gran parte all'effetto della 2° armonica ma anche di quelle d'ordine superiore. Questa potremmo definirla una distorsione media. Osservando il nostro analizzatore di spettro virtuale, si può vedere come siano aumentate molto tutte le armoniche, in particolar modo le meno presenti in precedenza, mentre è diminuita leggermente la fondamentale per effetto della compressione. In questo caso la 2° armonica è a -13 dB sempre dalla fondamentale mentre la 3° armonica si trova a -24 dB. Anche in questo caso esistono sia armoniche pari sia dispari con un andamento decrescente.
Portando il segnale in ingresso a 10 Vpp la forma d'onda è tagliata in maniera asimmetrica sia nella semionda positiva a causa del raggiungimento del valore della tensione d'alimentazione, sia in quella negativa a causa del raggiungimento del potenziale di massa. Ciò crea un'amplificazione minore del segnale che si adagia a circa 26 volte invece di 44 della partenza. Raggiungendo la soglia del 40% potremmo dire che abbiamo una distorsione alta del segnale.
Osservando il nostro analizzatore di spettro virtuale, si può notare come siano aumentate, rispetto alla situazione precedente soprattutto la 4° e l’8° armonica e siano diminuite le fastidiose 3° e 5°, ed è ancora diminuita leggermente la fondamentale per effetto della compressione. In questo caso la 2° armonica è a -8 dB sempre dalla fondamentale mentre la 3° armonica si trova a -45 dB. A questo livello del segnale d’ingresso non abbiamo più una decrescita regolare delle armoniche ma possiamo notare una presenza maggiore delle armoniche pari rispetto alle dispari.
Considerazioni: l'amplificazione valvolare produce una distorsione armonica crescente con l'aumento del segnale in maniera più o meno proporzionale, la quale dipende dal tipo di valvola usata e dal suo punto di funzionamento caratterizzato sopratutto da armoniche d'ordine pari (soprattutto 2° armonica) ma anche di una dose d'armoniche dispari che rimangono in sordina a livelli medi del segnale d'ingresso ma che vengono fuori prepotentemente quando si raggiungono elevati segnali in ingresso cui corrisponde una tosatura del segnale e la corrispondente caduta delle armoniche pari. E' proprio la diversa miscela tra armoniche pari e dispari che ci fa apprezzare di più un suono valvolare rispetto a un altro.
Chi volesse approfondire l’argomento può scaricare nel collegamento l’articolo completo, compresa la simulazione di una saturazione valvolare usando un operazionale o circuito integrato LF351 polarizzato e controreazionato con un circuito di mia creazione. Un saluto a tutti.
http://www.ambrosi-amps.com/joomla/downloads/cat_view/34-documenti-pdf
http://www.ambrosi-amps.com/joomla/downloads/doc_download/1-simulazione-distorsione-parte-1