o-10

o-10: 10 W, Class T Stereo Audio Amplifier

Si tratta di un amplificatore audio stereofonico in classe T, basato su uno dei circuiti integrati prodotti da Tripath, in particolare il TA2020.

Genesi e Requisiti

L'idea iniziale nasce dall'esigenza di un secondo impianto hi-fi casalingo, dalle prestazioni sonore elevate ma di costo contenuto ai minimi termini: questi due requisiti iniziali hanno comportato:

ricorso all'autocostruzione;
progettazione dell'impianto come "sistema", ossia top-down partendo dall'ambiente di ascolto, passando per i diffusori e arrivando all'amplificatore, per ottimizzare tutta la catena audio evitando inutili sovradimensionamenti.

Più in dettaglio i requisiti definiti per l'amplificatore sono:

costo materiale (IVA esclusa) contenuto sotto i 150 Euro, contenitore compreso
utilizzo di tool di progettazione SW free (o ancora meglio Open Source)
potenza nominale disponibile non inferiore a 10 W su 8 Ohm
risposta in frequenza (-0.5 dB): 20 - 20000 Hz
Total Harmonic Distortion (T.H.D.) inferiore allo 0.1% a tutte le frequenze e alla potenza nominale
InterModulation Distortion (IM.D.) inferiore allo 0.1% a tutte le frequenze e alla potenza nominale
Total Aural Disconsonance (T.A.D.) inferiore a 500 a tutte le frequenze e alla potenza corrispondente a 90 e 95 dB di pressione sonora (a 2m).

Quest'ultimo parametro (T.A.D.), definito da Cheever nella sua tesi di MSEE (Dic. 2001), è il "numero" che meglio dovrebbe descrivere in maniera oggettiva la qualità sonora della riproduzione audio, ponendosi come un tentativo scientifico di risolvere le annose dispute sul perché certi amplificatori con caratteristiche a datasheet peggiori "suonino" in realtà meglio. Per il dettaglio si rimanda al sito di Cheever, da cui è possibile scaricare la tesi in pdf; in due parole si tratta in sostanza di una misura di distorsione "pesata" in funzione della curva di distorsione media dell'orecchio umano ...

Architettura

Sulla base dei requisiti identificati è stata definita l'architettura di base dell'amplificatore: stato solido (principalmente per il costo inferiore, sia iniziale che nel tempo), assenza o apporto estremamente limitato della retroazione negativa ingresso-uscita.

La scelta del circuito è infine caduta sulla classe T per i seguenti motivi:

le prestazioni dichiarate sono quantomeno equivalenti alla classe AB;
prodotti basati sui componenti Tripath (Belcanto EVO, Carver, T-Amp, ...) hanno ricevuto recensioni molto buone dalla stampa specializzata;
ho avuto personalmente modo di ascoltare il T-Amp, ricavandone un'ottima impressione;
l'estrema efficienza consente di ridurre significativamente le dimensioni complessive (alto WAF ...) grazie alla limitazione del peso/volume occupato dall'alimentazione da rete e dai dissipatori, con ulteriori benefici in termini di costo (ad es. in relazione ad un amplificatore in classe A di pari prestazioni ...);
si tratta in sostanza di un convertitore switching, ossia appartenente ad una classe di prodotti elettronici che hanno costituito la base della mia occupazione lavorativa professionale per quasi 9 anni ...

Unico neo: la necessità di sviluppare un circuito stampato, stante le frequenze utilizzate dai chip Tripath e le potenze in gioco.

Sviluppo del progetto

La progettazione, agevolata anche dalla completezza delle informazioni fornite dal datasheet, dalla documentazione della Evaluation Board e dalle Application Notes Tripath, ha puntato dall'inizio a:

ottimizzare il filtraggio a radio frequenza sulla parte a commutazione e il layout per ridurre la generazione e l'accoppiamento delle radiofrequenze;
integrare l'alimentazione da rete e relativa stabilizzazione;
ridurre al minimo i cablaggi e la lunghezza dei collegamenti;
ridurre al minimo le dimensioni totali, utilizzando al contempo un contenitore esteticamente gradevole;
integrare un circuito per la compensazione della diffrazione delle basse frequenze dovuta al pannello frontale dei diffusori (Baffle Edge Diffraction), agente a livello segnale e non direttamente in serie al carico (per evitare inutili "sprechi" di potenza).

Dopo accurato studio e simulazione con Spice (pacchetto SW gratuito LTSpice/SwitcherCAD III della Linear Technology) delle reti analogiche principali, e utilizzando per disegnare schema elettrico e PCB il SW Free Kicad in ambiente Linux (ma è disponibile anche per Windows), è stato sviluppato un circuito stampato a due strati, che impiega sia componenti tradizionali che a montaggio superficiale (questi ultimi consentono una effettiva riduzione della lunghezza delle piste); il risultato è visibile nelle immagini sotto riportate. Il circuito stampato è stato sviluppato anche in funzione del posizionamento dello stesso all'interno del contenitore prescelto.

L'amplificatore è stato infine ribattezzato "o-10" (o come omicron perché è piccolino, 10 come i Watt su 8 Ohm ...).

Alcuni dettagli tecnici:

l'amplificatore utilizza il TA2020 Tripath;
il fattore di guadagno impostato (13.7 volte, pari a circa 23 dB) rende superfluo l'utilizzo di un preamplificatore per segnali a livello "line" (CD, etc.)(10W su 8 Ohm con 0.7 Vrms in ingresso);
lo schema (dimensionamento del filtro di uscita) è ottimizzato per pilotare carichi a 8 Ohm, sui quali eroga fino a circa 10W con distorsione trascurabile;
l'alimentazione da rete impiega un comune trasformatore toroidale da 50 VA con secondario a 15 V, seguito da ponte raddrizzatore e regolatore lineare tarato alla massima tensione accettata dal TA2020 (14.6 V) per sfruttarne in pieno la dinamica di uscita;
la stabilizzazione dell'alimentazione è di fatto necessaria in quanto, per assenza di controreazione dell'uscita, tutte le variazioni sull'alimentazione "modulano" la tensione applicata agli altoparlanti.
il controllo di volume è ottenuto con un classico potenziometro ALPS blu (serie RK27) doppio;
il circuito di compensazione del Baffle Edge Diffraction è posto a livello di elaborazione del segnale di ingresso eseguita dal TA2020. Consiste in un semplice circuito che, inserendo "a pressione" un solo condensatore (da scegliere in funzione della larghezza del frontale delle casse), consente di compensare di circa 3 ... 4 dB l'attenuazione delle basse frequenze.
sono state applicate le tecniche relative alla progettazione dei convertitore switching ad alta frequenza prima ancora che quelle proprie dell'audio tradizionale:
- piani di massa accuratamente definiti per evitare anelli di corrente a RF (il circuito stampato è, in questi casi, uno dei "componenti" più importanti !)
- utilizzo di condensatori elettrolitici a bassissima ESR e ceramici di bypass
- induttori di filtro RF realizzati su toroidi a bassa permeabilità per evitare la saturazione del nucleo e ridurre i disturbi elettromagnetici irradiati

Galleria Fotografica

o-10: il circuito stampato

o-10: in montaggio

o-10: assiemaggio nel contenitore

o-10: vista posteriore

o-10: in servizio !

Verifica delle Prestazioni

Di seguito riporto alcune misure effettuate a banco (utilizzando per la misura della distorsione il circuito suggerito da Tripath per attenuare i disturbi RF residui sull'uscita), tutte effettuate su carico resistivo di 8 Ohm.

fig.3: sinusoide 1 kHz

fig.4: sinusoide 10 kHz

fig.5: onda quadra 1 kHz

fig.6: onda quadra 10 kHz

Riepilogando i valori effettivi misurati risultano essere:

risposta in frequenza 10 Hz (-0.5 dB) - 20 kHz (-1.5 dB)
T.H.D. (@ 7.5W su 8 Ohm): inferiore allo 0.001%
I.M.D. (@ 10W su 8 Ohm) = TBD
T.A.D. (@ 2W su 8 Ohm) = TBD

(la strumentazione attualmente a mia disposizione non consente misure di distorsione sufficientemente precise - livello di rumore intorno agli 0.5 mV ...)

Verifica del Costo

Escludendo l'esborso per fotoplottatura Gerber e attrezzature produzione C.S. (circa 150 Euro), calcolando l'acquisto dei componenti su RS o simili, si ottiene un totale (IVA esclusa) per il solo materiale di circa 165 Euro (contenitore incluso), maggiore del 10% rispetto all'obiettivo di progetto (lo "sforamento" è dovuto principalmente al costo del potenziometro ALPS e alla presa di rete filtrata). In realtà per lotti di produzioni medio-piccoli (100 pz) il costo totale del materiale si dovrebbe mantenere abbondantemente sotto i 125 Euro.

Documentazione

Schema Elettrico, (niente di originale, poco più del circuito applicativo della Tripath + stadio alimentazione da rete ...)

Impressioni di Ascolto

Premesso che:

NON sono un audiofilo praticante (10 anni con lo stesso impianto ...);
i propri figli sono sempre i più belli;
non ho avuto modo ancora di fare ascolti comparativi (se non con le apparecchiature già in mio possesso, vedi oltre ...),

mi sembra che le prestazioni all'ascolto siano estremamente soddisfacenti, sia in relazione al T-Amp che al mio impianto precedente (costituito da lettore CD Denon DCD-615, giradischi Dual CS 508, pre Cabre AS41, finale a MOSFET classe AB autocostruito eoni fa e diffusori Cizek Model 3 risalenti ai primissimi anni '80, dalla timbrica e dall'equilibrio ancora validissimi, pur se non particolarmente efficienti ...).

L'o-10 esce vincitore per KO sotto tutti gli aspetti rispetto al vecchio HW di amplificazione: dettaglio, ricostruzione spaziale della scena sonora, pulizia in gamma alta e definizione della bassa. Lo stesso dicasi rispetto al T-Amp, anche se in questo caso la vittoria è "solo" ai punti ...

Avanzi ...

Dalla produzione del Circuito Stampato (ovviamente inquadrottato) sono avanzati alcuni pezzi, eventualmente disponibili se qualche autocostruttore è interessato (possono essere forniti anche con i componenti SMD montati) previa richiesta via e-mail (vedi sotto).

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Per informazioni contattare:

ing. Francesco Campedelli
via Orsoni, 19 - San Lazzaro di Savena (BO)
posta elettronica: f.campedelli_at_tiscali.it (sostituire _at_ con la @)

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Ultimo aggiornamento: 15/05/2006