mercoledì 8 febbraio 2012

Marshall 5010 - Preamplificatore

L'aver dovuto riportare in vita il vecchio amplificatore per chitarra mi ha fornito l'occasione per dare un'occhiata, seppur al prim'ordine, allo schema. Un po' per curiosità, un po' per interesse, ne ho poi approfondito il funzionamento, e lo descrivo nel seguito; l'idea è di mantenere la spiegazione ad un livello comprensibile a chi (studenti e non) abbia una minima familiarità con i circuiti elettronici e le funzioni di trasferimento, facendo vedere come funziona un oggetto semplice, ma "reale". Questo primo post è dedicato allo stadio di ingesso e preamplificazione; inserirò poi qualcosa sullo stadio di controllo-toni e - con calma - su quello finale di potenza.
Fig.1: schema del preamplificatore
La versione di amplificatore Marshall 5010 in mio possesso è anteriore e presenta solo lievissime differenze (tutte concentrate nel preamplificatore) rispetto allo schema che si trova su internet, ma tutti i nomi (o etichette) dei componenti sono diversi, sì da sconsigliare ogni operazione sull'amplificatore che sia basata su tale schema. Lo schema "corretto" del preamp. è indicato in Fig.1. Esso è costituito da due stadi realizzati con amplificatori operazionali (AO) in configurazione non-invertente. Si può notare il potenziometro VR1 inserito nell’anello di reazione di AO1, che regola il guadagno del primo stadio; il secondo stadio è invece a guadagno fisso. I valori dei componenti sono:
  • C1 = 47 nF, C2 = C3 = 2.2 μF, C4 = 2.2 nF, C5 = 100 pF, C6 = 2.2 μF
  • R1 = 1 MΩ, R2 = R3 = 68 kΩ, R4 = 10 kΩ, R5 = 100 Ω, R6 = 22 kΩ, R7 = 10 kΩ, R8 = = 470 Ω
  • VR1 = 22 kΩ
  • AO = CA1458E (obsoleto e sostituibile con MC1458)
Ingresso
Iniziamo ad osservare la rete di ingresso con i due deviatori corrispondenti agli ingressi HIGH (su R3) e LOW (su R2). Quando si utilizza l’ingresso HIGH il generatore vede una partizione tra 34 kΩ parallelo delle due resistenze di 68 kΩ) e 1 MΩ, e si ritrova praticamente inalterato all'ingresso non-invertente di AO1; se si utilizza l’ingresso LOW si ha invece un’attenuazione di un fattore 2. Naturalmente questa differenza esiste solo se si utilizza un ingresso per volta; se si suona in due gli interruttori sono aperti ed entrambi gli ingressi sono attenuati (pensate alla sovrapposizione degli effetti, per quanto poi dovremmo discutere del'impedenza della sorgente). Un altro commento che si può fare su questo semplice stadio è la possibilità di usare l’ingresso LOW come uscita per porre in cascata più amplificatori.

1° stadio
Veniamo ora ad AO1. Se indichiamo con x1 la frazione di VR1 connessa tra il morsetto centrale (a massa) e il terminale alla sua destra nello schematico, ovvero l’ingresso di AO2, e chiamiamo per semplicità Z1 la quantità R5 + (1 - x1) VR1 si ottiene immediatamente il guadagno ideale del primo stadio di amplificazione:
Fig.2: Trasferimento del 1° stadio di preamplificazione
Fig.3: Guadagno del 1° stadio
La funzione di trasferimento è riportata in Fig.2 e ha due poli e due zeri, le cui posizioni sono:
p1 = 1/(2πC3Z1);            p2 = 1/(2πC4R6)
z1 ≈ 1/(2πC3(Z1 + R6));  z2 ≈ 1/(2πC4(Z1//R6))
Il primo zero è sempre a frequenze dell’ordine di 1-2 Hz e non compare sul grafico; si noti però che il trasferimento in continua è unitario e non nullo; questo serve ad evitare problemi di saturazione dello stadio legati ad offset e bias dell’operazionale. Il limite superiore alla banda-passante, p2, è indipendente da x1 ed è posizionato a circa 3.3 kHz, mentre il guadagno a centro-banda
G1 = 1 + R6/Z1 = 1 + R6/(R5 + (1 - x1)VR1)
varia da 2 a 220 al variare di x1 (Fig.3; forse un potenziometro logaritmico avrebbe potuto attenuare in parte la non-linearità, ma tenete presente che gli alti guadagni servono per distorcere il segnale). Si noti che il prodotto guadagno-banda degli operazionali utilizzati è di circa 1 MHz, che darebbe una banda passante di circa 5 kHz nel caso G1 = 200; la soluzione adottata garantisce una banda indipendente dall'amplificazione, demandando l’elaborazione del segnale alla sezione di controllo-toni (nel caso di x1 = 1 il trasferimento reale è lievemente modificato per via del ridotto guadagno d’anello, ma evitiamo di riportare qui i calcoli). Ciò detto, la banda passante sembrerebbe effettivamente pochina: anche se la frequenza principale di una chitarra elettrica non supera gli 1.1 kHz, si devono considerare le armoniche, particolarmente importanti quando interviene la distorsione. Forse un aumento, anche solo di un fattore 2, sarebbe interessante da “sentire”, ma immagino che Jim Marshall ne sapesse assai più di me su queste cose.
Altro aspetto da notare è la deformazione della risposta in frequenza ad altissimi guadagni: per G1 = 220 il primo polo si sposta ad una frequenza di circa 720 Hz, avvicinandosi al secondo e determinando la forma che si vede in figura. È però vero che questo si verifica solo con il Preamp volume a totale saturazione: già per x1 = 0.95, ad esempio, G1 scende a 20, p1 si posiziona a 60 Hz (il mi basso è a circa 82 Hz) e la distorsione è già più che sensibile. Se utilizzate il primo stadio in saturazione, quindi, usate adeguatamente il controllo-toni per compensare la risposta in frequenza (ma ve ne accorgerete anche “ad orecchio” che c’è una compressione dei toni alti e bassi).

Equalizzazione
Tra i due amplificatori operazionali è posta una rete (che chiamiamo di "equalizzazione" in mancanza di un nome migliore) composta dai condensatori C1 e C2 e dalle resistenze R4 e x1VR1. Anche in questo caso il trasferimento è elementare, ma iniziamo a valutare il polo associato a C2: la resistenza ai suoi capi è, nel caso minimo, 10 kΩ, che porrebbe il polo a circa 7 Hz. Possiamo quindi trascurarlo ed ottenere il trasferimento come
Fig.4: Trasferimento dell'ingresso del 2° stadio
ovvero un partitore che azzera il volume di uscita per x1 = 0 (dove G1 è unitario) ed una coppia zero-polo. Il trasferimento totale fino all'ingresso del 2° stadio di preamplificazione è riportato in Fig.4 (le linee tratteggiate sono le stesse della Fig.3).

2° stadio
Il secondo stadio di preamplificazione è identico al primo, con solo un diverso valore dei componenti; la funzione di trasferimento è quindi
Fig.5: Trasferimento complessivo del preamplificatore

Stavolta il guadagno a centro-banda è fisso e pari a circa 20, mentre il limite superiore alla banda passante dato da C7 R5 si trova a 160 kHz e non interviene (in pratica la banda è limitata dall’operazionale stesso a circa 50 kHz, e C7 può essere stato inserito per migliorare la stabilità). Il polo che limita inferiormente la banda, però, si trova ora a circa 154 Hz, ed introduce un taglio sulle frequenze inferiori. Il trasferimento complessivo dello stadio di preamplificazione (1 stadio, "equalizzazione", 2 stadio) è indicato in Fig.5 per diversi guadagni. Il motivo per cui il trasferimento non è piatto in frequenza è forse da ricercare in una specie di compensazione del trasferimento della rete successiva di controllo-toni, che deprime le medie frequenze rispetto a quelle basse e alte, anche se non è da escludere che si tratti semplicemente di una scelta che dà un "suono migliore".
L’ultimo commento è relativo al guadagno: il secondo stadio ha un guadagno fisso pari a 20 per permettere di ottenere la distorsione ad alti guadagni G1 e bassi volumi di uscita. Teniamo presente che l’alimentazione è di ±20 V, quindi si entra in distorsione quando l’uscita del primo stadio giunge circa a ±1 V; con il massimo guadagno di 220 ciò corrisponde a circa 4.5 mV in ingresso, valore tranquillamente raggiungibile dalle chitarre elettriche. Lo stadio che distorce, tecnicamente, è quindi il secondo. Per pignoleria si può anche verificare lo slew rate dell’operazionale, pari a circa 0.8 V/μs, che si trasforma in una banda di piena dinamica di circa 6.3 kHz, ben al di sopra del polo dell’amplificatore e della banda del segnale.

Nel prossimo post diamo un'occhiata allo schema di controllo toni.

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