Capire la “Gain Structure” (I Parte)

La “Gain structure” (AKA Gain Staging) è un concetto di cui si sente parlare in ambito pro audio, ma non molti lo conoscono . Capire la “Struttura del Gain” (gain structure) aiuta a mantenere il segnale audio il più pulito possibile, evitando spiacevoli effetti tipo rumore di fondo, distorsione e clipping, che vanno bene per un amplificatore di chitarra ma non per un impianto ad alta fedeltà di riproduzione.
Che cos’è il gain (guadagno) ? 
Fondamentalmente è l’amplificazione di un segnale, cioè quando ne aumentiamo il livello (voltaggio).
La “struttura” del circuito di guadagno è data dai vari livelli di tensione per tutto il sistema audio e il guadagno che serve per arrivare a quei livelli.

Come viene espresso il gain ? 
Tipicamente sia in fattore di amplificazione (volte o X) o in decibel (dB). Quindi, se 1 Volt entra in un amplificatore e ne escono 2 volt, questo è un guadagno di 2X o 6 dB. (Il dB è una funzione logaritmica ed è spesso usata su VU meter e altre scale audio). 

Qual è il guadagno complessivo di un sistema audio domestico tipico?
Cominciamo con un esempio estremo e supponiamo che tu sia un amante del vinile con una cartuccia a magnete mobile. Quanto guadagno complessivo di tensione è necessario per ottenere che quel piccolo segnale proveniente dalla cartuccia phono arrivi alle tue orecchie con una potenza adeguata? Un guadagno altissimo intorno a 13000X o 82dB, a volte di più. 

Dove inizia la struttura? 
Si tratta di quanto guadagno (o attenuazione) ha ciascuna sezione del sistema. Il preamplificatore phono avrà molto da recuperare da quel piccolo segnale generato dalla capsula. Lo stadio preamplificatore aggiungerà un po ‘di più, e poi l’amplificatore di potenza avrà altro gain. Mantenere livelli ragionevoli attraverso tutta la catena, ci darà una buona “struttura di gain”.
Sommando il gain di ogni sezione, avremo il guadagno totale del sistema. 
Guardiamo ora la manopola del volume del preamplificatore o dell’amplificatore. Ciò che vediamo è l’universo opposto del gain : l’attenuazione. Quello che fa una manopola del volume è attenuare il segnale in arrivo dividendolo e riducendo il voltaggio. Normalmente in posizione ore 12 il controllo di volume attenua circa 20dB, tagliando il segnale di 1/10 di quello originale. 
Non cambia il gain di ogni sezione, divide solo il segnale, (attenuandolo) in un certo punto.

Adesso conosciamo I due lati della struttura, gain (guadagno) e attenuazione. Entrambi sono importanti. Molti sistemi audio semplici hanno un solo punto lungo il segnale per controllare il gain, il controllo di volume generale, che controlla solo l’attenuazione. Il gain di ogni sezione non cambia. 
Torniamo al percorso del segnale per vedere dove le cose possono essere fatte meglio, o dove sono spesso fatte male. In generale si vuole utilizzare amplificatori e preamplificatori a un livello abbastanza alto. Ciò significa che il segnale (la musica) sarà ad una tensione molto superiore al rumore quindi abbiamo un segnale superiore al rapporto di rumore, S/N. 
Ma di quanta tensione di segnale abbiamo bisogno?
Solitamente vogliamo che i picchi dei segnali più forti siano di circa da 3dB a 6dB sotto il massimo che il dispositivo può usare senza distorcere per il miglior rapporto s/n. 
Questo potrebbe essere difficile da determinare a meno che non hai progettato, costruito o misurato l’amplificatore. Gli amplificatori di potenza di solito danno le caratteristiche tecniche nelle loro specifiche, ma preamplificatori e stadi phono di solito non lo fanno. Quanto segnale in ingresso è necessario per mandare il dispositivo in clipping? 
Non ci sono degli standard stabiliti per quanto riguarda il valore che il segnale d’ingresso dovrebbe avere per un preamplificatore o amplificatore di potenza per raggiungere il suo livello massimo, ma ci sono alcune convenzioni. I livelli di ingresso che piloteranno un dispositivo per la piena potenza può variare da 0.77 volt a 2 o 3 volt nel mercato consumer, e ancora di più in pro audio. Così si può avere un preamplificatore che ha il massimo rendimento quando riceve un segnale di ingresso 0.7V. Questo potrebbe essere un problema per i lettori CD standard, in quanto l’uscita arriva a 2V, ma il preamplificatore ha un controllo del volume, il partitore di tensione di cui abbiamo parlato prima, che attenua il segnale in ingresso. Questo attenuatore è spesso la prima cosa in linea dopo il selettore d’ingresso. A volte ci sarà un circuito buffer prima del potenziometro del volume, ma è più comune in apparecchiature pro-audio rispetto a quelle consumer. Potrebbe essere necessario che il nostro segnale di 2 Volt proveniente dal lettore CD debba essere attenuato prima che arrivi ai circuiti di preamplificazione, altrimenti andrà subito in distorsione. Un preamplificatore tipico amplifica il segnale da 2 o 3 volte dopo il controllo del volume e prima di inviarlo all’amplificatore.

L’amplificatore di potenza si comporta come il preamplificatore ed ha un certo ammontare di gain (30x è tipico) ed ha bisogno di un determinato voltaggio in ingresso per pilotare i finali alla massima potenza.
Di quanta tensione ha bisogno ? 
Anche in questo caso potremmo non saperlo non avendo specifiche tecniche a portata di mano. Ad un determinato voltaggio in ingresso corrisponderà la massima potenza in uscita. Anche qui si può notare la differenza fra apparecchi pro-audio che hanno la regolazione dei livelli di ingresso rispetto a quelli consumer (home) che non li hanno.


—fine prima parte—

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Giorgio
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