Distorsione nei preamplificatori valvolari

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 da sole armoniche dispari. Queste sono grosse bugie che si stanno raccontando da anni solamente per poter 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.
Visto che mi rendo conto che non è semplice per molti leggere dei dati e tradurli in termini comprensibili, ho deciso di visualizzare i dati 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.

La barra verde è la nostra fondamentale, 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 ad un segnale d'ingresso, rappresentato nella figura precedente dal generatore 'TR', quando applichiamo una tensione di 1Vpp avente frequenza di 220 hz. In questo caso il LA 440 hz (2° armonica) ha un livello di 0,36 Vp molto basso che insieme alle altre armoniche porta ad 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 del segnale amplificandolo in maniera piuttosto fedele. Ora andiamo ad osservare il nostro analizzatore di spettro virtuale per verificarne la quantità e il tipo d’armoniche generate.

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 ulteriori 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 precedentemente, mentre è diminuita leggermente la fondamentale per effetto della compressione.

Portando il segnale in ingresso a 10 Vpp la forma d'onda risulta 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.

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 a cui corrisponde una tosatura del segnale e la corrispondente caduta dell'armoniche pari. E' proprio la diversa miscela tra armoniche pari e dispari che ci fa apprezzare più un suono valvolare rispetto ad un altro.
Chi volesse approfondire l’argomento può trovare nelle risorse 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. La prossima volta vorrei spiegarvi invece le armoniche generate da un pentodo di potenza in classe A. Un saluto a tutti.