Preamplificatore per
microfono - due canali

Questo progetto è nato molto tempo fa, poi dopo il collaudo è rimasto per più di un anno sotto forma di prototipo nella “scatola da scarpe”, un contenitore generico che uso per provare e mettere a punto i circuiti.
La forma definitiva: rack 2U e due canali, ha preso forma all'inizio di quest'anno e si è conclusa in un tempo tutto sommato ragionevole, in Fig. 1.

Fig. 1:  il preamplificatore completo

L'obiettivo era un preamplificatore per microfoni a due canali, adatto a microfoni dinamici e a condensatore, quindi dotato di alimentazione phantom, con un guadagno attorno ai 65 dB (quindi non adatto a microfoni a nastro), adatto principalmente alla registrazione di strumenti acustici, con tutta la dotazione di un preamplificatore da studio, quindi inversione di fase, selezione fra due impedenze di ingresso, filtro passa alto a 3 frequenze, regolazione separata del guadagno e del livello di uscita.

Un preamplificatore adatto alla registrazione di strumenti acustici deve essere al massimo lineare, può non essere il più adatto alla registrazione della voce, dove un po' di “carattere” non guasta.

A valvole non serve spiegare il perché, circuito totalmente differenziale e senza controreazione (perché è una mia fisima), ingresso e uscita a trasformatore, perché solo un trasformatore (di qualità impeccabile) garantisce la massima reiezione del rumore di modo comune.

Capacità di pilotare (quasi) qualsiasi carico, in modo da poter posizionare il preamplificatore vicino ai microfoni e usare una linea di lunghezza qualsiasi per arrivare alla sala di regia: il preamplificatore deve poter pilotare senza problemi anche una cuffia.

Filosofia di progetto

A dire il vero “filosofia” è un termine impegnativo; mi sono attenuto ai criteri che uso regolarmente per i progetti da cui mi aspetto la massima qualità, che a mio parere non è rivelata solo da ottime misure strumentali.
Le misure strumentali devono essere buone perché mi dicono a priori se c'è qualche cosa che non va, ma il suono comincia dove le misure finiscono (a mio parere dipende dal fatto che spesso le misure sono insufficienti, o misuriamo ciò che sappiamo misurare e non ciò che serve veramente).

Tutti gli stadi sono differenziali, in quanto il differenziale garantisce la cancellazione (teorica, ovviamente) delle armoniche pari, e le valvole che si debbono utilizzare sono caratterizzate da bassissima emissione di armoniche dispari.

La scelta delle valvole è il primo passo, che decide, assieme alla scelta dei trasformatori, la struttura generale dell'apparecchiatura.

Ho scelto la JJ ECC99 per lo stadio di uscita e la 12AY7 per gli stadi iniziali, un rapido calcolo dice che saranno necessari due stadi con 12AY7 per ottenere il guadagno richiesto.

La progettazione, definiti i criteri generali, è partita dalla simulazione con MicroCap degli stadi, per definire i punti di lavoro e lo schema di dettaglio dei circuiti.
In Fig. 2, 3 e 4 la simulazione del primo stadio: circuito, distorsione e risposta.

Fig. 2: la simulazione del primo stadio con Microcap

Fig. 3: risultati della simulazione, ampiezza e distorsione

Fig. 4: risultati della simulazione, risposta in frequenza

Fig. 5 lo schema del gruppo di amplificazione.

Il preamplificatore

Stadio finale
Lo schema è semplice, un differenziale di ECC99, una valvola potente nata per pilotaggi difficili (ad esempio la 300B) con trasformatore Lundahl LL1660, un solido trasformatore per interstadio o uscita di linea, configurabile in modi diversi; nella configurazione scelta consente una risposta in frequenza da 16 Hz a 30 kHz entro 1 dB con tensione di uscita superiore a 100 V rms.
In parallelo all'uscita una rete RC per compensare la risonanza del trasformatore e linearizzare la risposta.


Secondo stadio
Il secondo stadio utilizza una 12AY7, valvola a guadagno medio ed estremamente lineare.
Fanno parte del secondo stadio il Filtro Passa Alto e il controllo generale del livello di uscita, realizzato con un potenziometro Alps a scatti, doppio logaritmico, una sezione per ogni ramo del differenziale.
Il filtro passa alto è a bassa pendenza, 6 dB/ottava, realizzato commutando i condensatori di accoppiamento al potenziometro del livello.
Le griglie sono portate a circa 24 V collegando il comune dei due potenziometri non a massa ma al partitore sull'anodica (punto B).

Primo stadio
Anche il primo stadio utilizza la 12AY7, con una configurazione che permette di modificare il guadagno modificando l'accoppiamento fra i due rami del differenziale.

Prima della valvola il circuito di ingresso (Fig. 6) che comprende il filtro per la radiofrequenza, la gestione dell'alimentazione phantom, il trasformatore con il suo commutatore di ingresso, l'inversione di fase.

Fig. 6: dettaglio dello stadio di ingresso, filtro RF, Phantom power, commutazione impedenza, controllo fase

Filtro anti-RF
Il filtro per la radiofrequenza è montato sui piedini del connettore di ingresso, con collegamenti cortissimi; i componenti (due induttori – in Fig. 7 - e due condensatori ceramici) saldati direttamente sui piedini dell'XLR; il piedino 1 è collegato al telaio con un collegamento il più corto possibile, il telaio è collegato alla massa al punto stella.

Fig. 7: induttori di ferrite del filtro RF

È l'unico modo per avere un filtraggio efficace, collegamenti lunghi farebbero da antenna (raccomandazione AES 48-2005;r2010;r2015: Standards and Information Documents, Grounding and EMC practices).

Alimentazione phantom

I microfoni a condensatore richiedono una alimentazione esterna di 48 V cc, i 48 V alimentano entrambi i conduttori della linea bilanciata, cosicché fra i due conduttori (caldo e freddo) si ha tensione nulla, ma al microfono si ha a disposizione fra i due conduttori e la massa la tensione di 48 V necessaria ad alimentare l'elettronica del microfono.

Questo vale per i microfoni con elettronica a stato solido, i microfoni a condensatore valvolari (ad esempio il classico AKG C12) richiedono una tensione molto più alta, che viene fornita da un alimentatore dedicato collegato al microfono con un cavo speciale multipolare, e il segnale viene ricavato dall'alimentatore con una linea bilanciata che non necessita di alimentazione phantom (su google cercate AKG C12, Brauner VMX, Neumann M147 solo per citare i più blasonati: nelle immagini vedrete che tutti sono associati ad un alimentatore dedicato; a titolo di curiosità, nello schema del C12 vedete la valvola 6072 che non è altro che la 12AY7).

In realtà 48 V non sono sufficienti per polarizzare il condensatore della capsula microfonica, i microfoni a condensatore non valvolari hanno nell'elettronica uno stadio elevatore di tensione, che per altro richiede pochi µA, come si vede nello schema del AKG C414 (altro sempreverde), scheda di alimentazione, in Fig. 8.

Fig. 8: schema della scheda di alimentazione del microfono AKG C414 (una delle varie versioni)

Secondo gli standard il microfono deve richiedere non più di 7 mA all'alimentazione phantom, in genere è minore, ma questa alimentazione deve essere escludibile (nel caso di utilizzo di microfoni dinamici) e soprattutto deve essere stabile ed esente da rumore; nel caso di sistemi multicanale, come questo preamplificatore, i canali non devono interferire quindi l'alimentazione phantom deve essere stabilizzata.
La stabilizzazione è ottenuta con un moltiplicatore capacitivo basato su un BDX33C, un darlington di potenza per tensioni c-e di 100 V; il riferimento a 48 V è dato da due zener da 24 V e due 1N4007 per compensare la tensione b-e del darlington.

Trasformatore di ingresso

Il trasformatore di ingresso è un trasformatore microfonico Lundahl LL1538  che tramite un commutatore è configurato per un rapporto 1:5 oppure 1:2,5, Lo scopo non è di attenuare l'ingresso, l'accettazione di uno stadio a valvole è comunque sufficiente in quasi qualsiasi situazione, e nel caso si riduce il guadagno, ma di variare l'impedenza di ingresso del preamplificatore: parecchi microfoni, sia dinamici che anche a condensatore, hanno un timbro diverso a seconda dell'impedenza di carico.

All'uscita del trasformatore di ingresso il commutatore per l'inversione di fase.


L'alimentazione

Sono richieste tre sorgenti di alimentazione: l'anodica a 180 V, l'alimentazione phantom a 48 V e i filamenti a 12,6 V.

L'anodica è ottenuta da un moltiplicatore di tensione  x6 a partire da un trasformatore toroidale con secondari a 24+24 V  0,75 A, quindi filtrata con un induttore 10 H e un elettrolitico 200 µF; gli amplificatori differenziali hanno un PSRR molto elevato e l'assorbimento di corrente di ogni stadio è rigorosamente costante, quindi non è necessario stabilizzare l'alimentazione anodica.

Dal punto a 70 V del moltiplicatore (primo stadio di moltiplicazione) è ricavato l'ingresso per lo stabilizzatore dell'alimentazione phantom.
Lo stabilizzatore è un semplice ma efficace moltiplicatore di capacità basato sul guadagno elevato del BDX33C, non fa uso di controreazione.

L'alimentazione per i filamenti è ottenuta da un alimentatore switching a 12 V, dotato di trimmer di regolazione opportunamente regolato per  12,6 V CC.
Lo zero dell'uscita CC è posizionato a + 24 V tramite il partitore di tensione dall'anodica (punto B), per mantenere i filamenti “sollevati” rispetto alla massa.

Fig. 9: lo schema dell'alimentazione; non comprende il modulo switching per i filamenti.

La realizzazione

È utilizzato un Rack 2U con fondo e coperchio ventilati, in Fig. 10.

Fig. 10: il preamplificatore montato sul rack

I due canali sono montati fianco a fianco, le valvole sono montate orizzontali (la ECC99 con zoccolo e collegamenti richiederebbe un rack 3U se montata verticale), i telai su cui sono montate le valvole sono fissati al telaio principale con gommini antivibrazioni.

I componenti dell'alimentatore sono montati sulla fiancata destra del telaio, in Fig. 11.

Fig. 11: i circuiti di alimentazione, montati sulla fiancata del rack

Fra la presa di corrente (con filtro RF) e l'induttore di filtro la basetta con i capicorda che costituisce il punto stella sul quale confluiscono tutti i collegamenti a massa dei singoli stadi e la terra della rete con il telaio.

I circuiti di amplificazione (stadi a valvole) sono montati punto a punto sulle classiche basette con torrette, i due trasformatori di ingresso con i commutatori e lo stabilizzatore dell'alimentazione phantom sono montati su basette millefori passo 2,54 mm (1/10”).
Tutti i resistori all'ingresso sono a film metallico a basso rumore, i resistori da 6,8 kohm dell'alimentazione phantom sono a film metallico all' 1% ulteriormente selezionati per il massimo accoppiamento; dai resistori sugli anodi della prima 12AY7 all'uscita sono normali resistori a film di carbone da 2 W.



Il collaudo e il test

Il prototipo è stato montato, come ho detto all'inizio, nella “scatola da scarpe”, un contenitore generico che uso per le prove e la messa a punto dei circuiti.
La messa a punto ha comportato la modifica di qualche particolare rispetto al modello di simulazione, come si vede dai valori di alcuni resistori: la simulazione è sempre il punto di partenza di un progetto, non il punto di arrivo.
In Fig. 12 una fase del test tecnico.

Fig. 12: una fase del test tecnico, messa a punto all'onda quadra della rete di compensazione del trasformatore di uscita

Alla fine della messa a punto il test con un segnale da 1 kHz, Guadagno a 0 dB e Livello al massimo ha dato, con 4,8 V RMS in uscita su carico di 2200 ohm, l'analisi spettrale di Fig. 13.

Fig. 13: analisi spettrale con guadagno a 0 dB e Liv Max

In condizioni di uso “normali” (guadagno + 4 dB, V out   1,36 V RMS) l'analisi spettrale di Fig. 14.

Fig. 14: analisi spettrale con guadagno a +4 dB e Liv uscita 1,36 V RMS

Finito il collaudo tecnico sono passato al collaudo vero, quello fatto con microfoni e uno strumento acustico.

Il collaudo è stato effettuato presso lo studio di registrazione Skill Media, di Albignasego (PD), con la preziosa collaborazione di Cristiano Zatta, master of production.

SkillMedia è uno studio utilizzato per la sua acustica speciale per gli strumenti acustici (è costruito in una vecchia chiesetta sconsacrata) anche dall'etichetta Velut Luna, una dinamica etichetta che propone artisti di valore sia nel Classico che nel Jazz, e che si ascolta spesso nella rubrica delle novità di Radio3; in Fig. 15 e 18 la sessione delle prove dalla sala di regia.

Fig. 15: la sala di regia durante il test, di spalle alla console Cristiano Zatta

È stata registrata una chitarra acustica di liuteria, in Fig. 16, da poco consegnata al suo proprietario che si è prestato al test.

Fig. 16: la pregiata chitarra di liuteria usata per il test

La registrazione è stata effettuata con due microfoni Neumann U87 in configurazione omnidirezionale collegati al preamplificatore sotto test.
I due U87 erano posizionati ai lati di un Neumann KM184, cardioide, collegato ad un Universal Audio 6176 con il compressore disattivato, in Fig. 17 (il doppio decimetro di fianco al preamplificatore serve a misurare la distanza fra i microfoni laterali e il centrale).

Fig. 17: i microfoni usati e il preamplificatore; il pre Universal Audio del KM184 è in sala di regia

Fig. 18: la sessione di registrazione vista dalla sala di regia

I preamplificatori attraverso il banco erano collegati ad un ADC Digidesign 96k, le tre tracce sono state registrate a 96 kHz 24 bit.

Nel corso della sessione sono state effettuate riprese con i microfoni in diverse posizioni.

Risultato finale più che soddisfacente, registrazione dei microfoni laterali definita “aperta, ariosa e presente” dai partecipanti al test.

Qui potete scaricare un brevissimo sample del test: sono tre tracce che potete caricare in qualsiasi sequencer (Logic, Pro-tools, Reaper, Cu-base ecc); sono sincronizzate, si possono ascoltare assieme oppure una per volta per confronto.