Design ed utilizzo dei preamplificatori microfonici - 1 parte

di Michele Viola

La seguente discussione proviene da un interessante tutorial sull’argomento tenuto dal signor John LaGrou alla convention AES di Barcellona alla fine dello scorso maggio. John LaGrou, per chi non lo sapesse, è il fondatore di Millennia Media, rinomata casa produttrice di preamplificatori microfonici di elevata qualità.

A proposito delle ragioni che lo hanno portato a condividere parte della sua più che trentennale esperienza, mister LaGrou ha spiegato: “Il progetto del preamplificatore Millennia HV-3 ha richiesto quasi due anni di sperimentazione, durante i quali ho ascoltato attentamente diversi preamplificatori microfonici costruiti secondo paradigmi di progettazione differenti. Il mio obiettivo era quello di trovare un signal path uniforme dal punto di vista dinamico, per utilizzarlo nella registrazione audio di un’orchestra sinfonica; questo era quello che stavo facendo. Se analizzaste l’esperienza di 100 progettisti diversi, probabilmente avreste la possibilità di ascoltare 100 opinioni diverse. Ci sono molte scelte possibili, e ciascuna di esse può essere supportata da molte ragioni; quella che segue è la mia opinione. Per comparare i miei circuiti ho prima di tutto costruito un metodo di confronto cieco, tipo A/B, totalmente analogico. Test ripetibili includevano diversi segnali, compresa la mia voce. I test hanno coinvolto diversi modelli di preamplificatori a componenti discreti, IC e ibridi. Nei test iniziali non ho incluso modelli a valvole, dato che questi hanno un carattere molto distintivo e il confronto diretto non avrebbe avuto tanto senso. In quel momento volevo testare configurazioni allo stato solido”.

Nel seguito ho cercato di tradurre il discorso di mister LaGrou cercando di coglierne il senso e lo stile. Per motivi di spazio, sarà necessario dividere l’articolo in due parti.

Preamplificatori microfonici

I microfoni sono trasduttori in grado di fornire in uscita un segnale molto basso, sia in termini di tensione che in termini di corrente. La maggior parte dei microfoni richiede quindi un qualche tipo di pre-amplificazione perché il segnale possa raggiungere un livello agevole da elaborare per gli stadi successivi (ad esempio un equalizzatore o un controllo di dinamica o anche un convertitore A/D).

Non lasciatevi confondere dalla parola “pre”: un amplificatore è un amplificatore. Alcuni amplificatori sono ottimizzati per aumentare il livello di tensione, altri per fornire un maggior valore di corrente, altri ancora per entrambi i compiti. Si può parlare di pre-amplificatore, di amplificatore finale, di amplificatore d’ingresso... o simili, in riferimento a ciò che un amplificatore deve fare. Un preamplificatore microfonico è un amplificatore richiesto da un dato microfono per raggiungere un adatto livello di lavoro.

I primi microfoni a carbone, negli anni ’20, fornivano normalmente un livello di tensione intorno ai 10 mV, cioè 0,01 V, mentre i normali sistemi di registrazione richiedevano un ingresso nominale di circa 10 V. Questo significa che era richiesta un’amplificazione di tensione di 1000 volte, ovvero di 60 dB.

I moderni preamplificatori microfonici sono essenzialmente amplificatori di tensione e sono normalmente capaci di fornire un guadagno di oltre 1000:1; inoltre possono essere visti anche come amplificatori di corrente, anche se il termine corretto per questa funzione sarebbe “buffer di corrente”. Un tipico microfono a condensatore può erogare una corrente di circa 5 mA; un preamplificatore microfonico di qualità può erogare da cinque a dieci volte questo valore, o anche di più. Così i moderni preamplificatori microfonici sono prima di tutto amplificatori di tensione e solo secondariamente possono essere considerati buffer di corrente.

Perché un pre esterno?

Il mio mixer ha diversi preamplificatori microfonici già belli e pronti; perché dovrei acquistare dei preamplificatori esterni?

Ci sono diverse ragioni valide, ma io credo che le più importanti siano: 1) la qualità del percorso del segnale e 2) le sonorità che si possono ottenere con un preamplificatore esterno.

Per quanto riguarda la qualità, in un mixer occorre fare diverse scelte progettuali che coinvolgono il costo totale dell’oggetto e, molto spesso, una delle prime parti che rischiano di soffrire per alcune di queste scelte sono proprio i preamplificatori microfonici. I pre microfonici dedicati possono facilmente raggiungere una qualità molto superiore a quella offerta dai preamplificatori integrati nella maggior parte dei mixer, anche se, naturalmente, ci sono eccezioni.

Un altro buon motivo riguarda la ricerca di sonorità particolari: i preamplificatori generalmente danno al suono una personalità e, essendo sostanzialmente tutti uguali, tutti i preamplificatori microfonici in una console danno lo stesso tipo di suono. Questa può essere una forte limitazione per il fonico o per il produttore, che devono lavorare ad un processo creativo: tutti desiderano avere a disposizione uno spettro di colori sonori più ampio possibile per fare il proprio lavoro. Il preamplificatore microfonico, che può arrivare ad amplificare di 100'000 volte (cioè di 80 dB) il segnale che lo attraversa, è abbastanza facilmente il componente che più di tutti contribuisce alla colorazione sonora del segnale.

In definitiva, molti ingegneri del suono ritengono desiderabile o persino necessario sostituire i preamplificatori microfonici integrati nella loro console con dei pre esterni. Negli ultimi due o tre anni abbiamo potuto assistere ad una vera e propria esplosione di costruttori che si sono voluti cimentare nella costruzione di preamplificatori microfonici. Per altro ci sono centinaia di nuovi costruttori di console, così come centinaia di costruttori di convertitori A/D. Una ragione è che ci sono veramente tanti modi di ottenere un colore da un preamplificatore microfonico; per quanti colori sia possibile ottenere, ci sono tanti preamplificatori ciascuno con una personalità distinta dalle altre. E se serve proprio quel dato colore, tra le centinaia di preamplificatori disponibili ci sarà la possibilità di trovare ciò che cerchi.

Il design e le applicazioni

La prima distinzione che si può fare tra le tipologie di preamplificatori riguarda l’elemento attivo. Fondamentalmente, questi elementi attivi si dividono in tre categorie:

- tubi a vuoto (valvole)

- componenti discreti (transistor)

- circuiti integrati (IC)

Ci possono essere anche architetture ibride, che sono semplicemente delle combinazioni di questi tre. Ci sono anche delle sotto-categorie; ad esempio i componenti discreti possono essere FET (Field Effect Transistor) oppure BJT (Bipolar Junction Transistor), modelli con IC dedicati a particolari funzioni, le valvole possono essere triodi o pentodi...

Qualunque sia l’architettura adottata, gli stadi attivi principali sono sostanzialmente due: il circuito d’ingresso ed il circuito d’uscita. Intorno a questi due circuiti di base ci possono essere altri circuiti atti a fornire diverse caratteristiche addizionali, come varie protezioni dal sovraccarico o dall’influenza delle radiofrequenze, phantom power, la possibilità di invertire la polarità del segnale, l’attenuazione in ingresso, l’accoppiamento tra i vari stadi, il disaccoppiamento in uscita (output buffering).

Indipendentemente dall’architettura utilizzata, una scelta di progetto fondamentale riguarda l’accoppiamento in ingresso, tra i vari stadi ed in uscita. Nei preamplificatori microfonici si usano tre diverse modalità di accoppiamento: a trasformatore, capacitivo o in diretta (DC). Tutti i preamplificatori presentano qualcuno di questi tre metodi e molti offrono una qualche combinazione dei tre, a seconda di quale parte di circuito stiamo considerando. Il motivo di queste scelte direi che va al di là degli scopi di questo articolo. In ogni caso, ciascuno di questi approcci si comporta meglio in alcune applicazioni definite nell’audio professionale e lo scopo è quello di mettere a disposizione degli ingegneri del suono soluzioni oggettivamente e soggettivamente valide nei diversi contesti di uno studio di registrazione o di un impianto di amplificazione.

La maggior parte dei preamplificatori microfonici offre l’alimentazione phantom commutabile sull’ingresso microfonico e un certo controllo sul guadagno. Altre funzioni spesso presenti sui pre stand-alone sono: ingressi D.I. (Direct Input); indicatori di sovraccarico, VU meter, guadagni di ingresso e d’uscita separati, controllo di guadagno remoto; commutatore bilanciato/sbilanciato e molto altro.

L’alimentazione phantom è solitamente fornita da un alimentatore a 48 V molto stabile attraverso due resistori, tipicamente da 6,81 kΩ, accuratamente selezionati (devono avere lo stesso valore con un minimo scarto). Queste resistenze sono a volte modificate per l’uso con un tipo particolare di microfono, in altre parole alcuni microfoni richiedono più corrente per cui vanno usate resistenze di minor valore.

Per quanto riguarda il controllo di guadagno, ci sono tipicamente due modalità: per passi finiti, attraverso un commutatore, oppure una regolazione variabile con continuità, o ancora una combinazione delle due. La regolazione continua, che utilizza un potenziometro, offre una maggior precisione in quanto il guadagno è regolabile più finemente. D’altra parte, la regolazione per passi permette una migliore ripetibilità, ovvero una migliore corrispondenza tra diversi canali. La scelta migliore dipende dall’applicazione: se serve una regolazione molto fine può essere meglio un potenziometro; per lavori su un segnale stereo o su un segnale surround, dove la corrispondenza tra i canali è importante (e i microfoni sono dello stesso tipo), allora la regolazione per passi è la scelta migliore. A proposito dei potenziometri, spesso si tratta di componenti custom costruiti secondo un processo molto accurato, sia per quanto riguarda l’accoppiamento tra i due canali sia per quanto riguarda l’andamento della curva di resistenza al variare della posizione del cursore. I potenziometri commerciali, infatti, sono tipicamente componenti costruiti con tolleranze piuttosto approssimative rispetto a quello che servirebbe in un preamplificatore di qualità, soprattutto dal punto di vista della corrispondenza tra i due canali. Inoltre potrebbe succedere, a seconda di come è costruito il preamplificatore, che l’andamento del guadagno non sia abbastanza comodo, ad esempio troppo ripido in un breve tratto o cose del genere. Tra l’altro i potenziometri sono componenti piuttosto soggetti ad invecchiamento, nel senso che le caratteristiche dello strato resistivo e del contatto strisciante possono variare nel tempo in maniera significativa e spesso piuttosto aleatoria.

Per ora ci fermiamo qui. Proseguiremo nel prossimo numero con una comparazione diretta delle varie tipologie ed architetture.

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