Yamaha, Circlotron, stato solido e tubi

Nell’introduzione di questo articolo abbiamo accennato che gli stadi finali dell’A-S2100 usano la configurazione Circlotron, mentre nella prova di A-S2000 di quattro anni or sono avevamo sospeso di approfondire l’analogia tra la quel circuito e la generale configurazione del Circlotron. Ne approfittiamo quindi per farlo ora. Dato che il 2000 aveva finali bipolari, in quell’occasione avevamo fatto riferimento al primo amplificatore commerciale a noi noto che aveva implementato un Circlotron a stato solido (ed appunto con dei BJT), ovvero il Sumo “The Gold” del 1979, anche se quella casa aveva usato la stessa topologia anche in altri finali coevi. In Figura 1 riportiamo quindi di nuovo lo schema semplificato del “The Gold” ed in Figura 2 una versione ancora più semplificata, disposta in modo tale da poter riconoscere il ponte di Wheatstone in cui possiamo immaginare di ridurre questa configurazione; entrambe sono tratte dal deposito di brevetto di James W. Bongiorno negli States, numero 4229706 dell’ottobre 1980.
Figura 1. Schema semplificato dei Sumo Circlotron degli anni ‘70/’80.
Figura 2. Schema di principio del circuito di Figura 1, configurato in modo da riconoscere un ponte di Wheatstone.
Adesso andiamo a vedere quello che risulta essere il primo riferimento storico a questa connessione, che nessuno aveva ancora battezzato, ovvero alla Figura 3 che rappresenta lo schema depositato da Cecil T. Hall in Pennsylvania il 7 giugno del 1951 e che venne già riportata nel bell’articolo a firma Punzo e Passarelli sul numero 3 di AUDIOcostruzione (gennaio 2012). Qualcuno nota delle differenze sostanziali? Chi scrive non le nota, e lo stesso vale per lo schema di Figura 4 inserita nella richiesta di brevetto di Tapio Matti Köykkä del settembre 1952, oppure per la Figura 5 che è parte del brevetto depositato in Michigan da Alpha M. Wiggins nel 1954 per la Electro-Voice, quello che finalmente rese definitivo il nome “Circlotron”.
Figura 3. Schema prelevato dal brevetto depositato da Cecil T. Hall nel 1951. Il primo Circlotron storicamente accertato.
Figura 4. Schema inserito nella richiesta di brevetto di Tapio Matti Köykkä, settembre 1952.
Figura 5. Schema inserito nella richiesta di brevetto di Alpha M. Wiggins per la Electro-Voice, marzo 1954. Da questo momento il nome “Circlotron” diventa l’identificativo disambiguo dello schema.
Non ci sono differenze di sostanza perché il meccanismo di funzionamento è esattamente lo stesso in tutti i casi: due stadi driver con fasi opposte e massa comune pilotano i circuiti d’ingresso di altrettanti dispositivi finali, i cui circuiti di uscita, che includono ciascuno un alimentatore di potenza flottante rispetto alla massa del segnale di pilotaggio, includono il carico come ramo comune. Che quei dispositivi siano valvole, transistor bipolari o MosFet non fa – in prima approssimazione, e comunque in termini di configurazione – alcuna differenza, perché in tutti i casi il segnale di pilotaggio opera in modo svincolato dal segnale di uscita; anche se – va detto subito – non è poi un problema creare un partitore ad “U” del segnale applicato al carico ed usare il ramo centrale per creare eventualmente un anello di reazione, come venne fatto appunto per i Sumo.
Eppure se andiamo sul web e cerchiamo la voce “Circlotron” su Wikipedia (versione inglese, al momento in italiano non c’è) troveremo questo incipit “Circlotron valve amplifier is a type of power amplifier utilizing symmetrical cathode-coupled bridge layout of the output stage”, che preso alla lettera lascerebbe intendere che il Circlotron si può fare solo a valvole.
Ma non è il dispositivo che fa il circuito, è la struttura di rami, nodi, tensioni e correnti!
Il florilegio di depositi di brevetto che si susseguì dai primi anni ‘50 del secolo scorso fin quasi ai giorni nostri corrobora purtroppo quella consolidata convinzione dei progettisti per la quale, in elettronica, è inutile richiedere brevetti. Tanto prima o poi qualcuno metterà una resistenza in verticale anziché in orizzontale et voilà, ecco un “nuovo” ed “originale” circuito, magari da brevettare a sua volta, salvo che nessuno ne acquisterà mai i diritti e che qualcun altro quella resistenza la metterà inclinata di altri 45 gradi, iterando ad libitum la sequenza…
È ovvio che in qualche caso qualcosa di rilevante possa esserci, ad esempio la resistenza di polarizzazione verso il ramo di alimentazione comune negativo di Figura 1 permette di bloccare la corrente di polarizzazione del BJT e rende quindi molto alta la stabilità termica. Ma questo, come detto, non cambia la sostanza.
Quanto sopra per cercare di fare chiarezza. Però quel che a noi appassionati del buon suono interessa davvero sono i risultati che è possibile conseguire, e sotto questo aspetto un Circlotron ben implementato davvero non tradisce, almeno per le seguenti ragioni:
Il circuito, nella sua globalità, è realmente simmetrico, ovvero le opposte semionde del segnale audio transitano lungo percorsi esattamente identici. Ciò non avviene nei circuiti con dispositivi cosiddetti “complementari” (come gran parte dei push-pull) perché in pratica nessun transistor di potenza – BJT od ancor più MosFet – di tipo N ha mai avuto un equivalente di tipo P realmente speculare. In questo modo si abbattono tutte le distorsioni di simmetria (come peraltro nei circuiti “bridge”, che però sono necessariamente più complessi).
Con lo stato solido è possibile usare dispositivi solo di tipo N, che da sempre (eccependo il residuo di rumore) sono più prestanti, meno costosi e più affidabili di quelli di tipo P. Oggi, in termini pratici, questo vantaggio diventa enorme in termini di gestione industriale dei prodotti commercializzati, perlomeno se – come in questo caso – si usano MosFet. Le coppie complementari di MosFet (utili soprattutto in ambito audio) realmente disponibili sul medio termine sono infatti sempre meno, e c’è chi prevede che prima o poi scompaiano quasi completamente.
Con le valvole, se si desidera amplificare segnali bilanciati, il Circlotron permette di massimizzare la semplicità circuitale.
In generale il Circlotron è forse il più intrinsecamente “bilanciato” dei circuiti possibili, perché non è simmetrico solo in uscita ma anche in termini di impedenza sui due lati dell’ingresso.
Gli svantaggi sono fondamentalmente due, più uno molto marginale, e non riguardano aspetti connessi alla qualità del segnale:
Il costo. La presenza di due alimentatori floating, oltre a quello convenzionale per i circuiti driver, lo rende più costoso degli altri.
L’amplificazione di modo comune: segnali non simmetrici comportano il passaggio di corrente, ed una forte dissipazione di potenza, direttamente tra dispositivi finali. Con una struttura come quella di Figura 4 ovviamente il problema non si pone per definizione (un trasformatore annulla di per sé i segnali di modo comune), ma questa soluzione non è mai stata usata in pratica, se non ai primordi, ed oggi qualsiasi progettista preferirebbe praticare atti di autolesionismo piuttosto che montare un trasformatore al solo scopo di inserire un invertitore differenziale. Nella pratica basta un ingresso differenziale ben fatto per scongiurare ogni pericolo.
Con lo stato solido ed i circuiti push-pull, l’uscita è pilotata non solo dalla corrente erogata dai finali ma anche, seppur in quantità molto piccole, dai dispositivi driver, che di norma sono (o comunque possono essere scelti in modo da essere) molto più veloci dei finali, soprattutto usando BJT. Ciò riduce il tempo di transito, il che è vantaggioso se poi viene applicata una consistente controreazione, perché rende il circuito più intrinsecamente stabile ed alleggerisce le necessarie compensazioni in frequenza. Con il Circlotron i driver non trasferiscono alcuna corrente sul carico.
Figura 6. Schema semplificato della struttura Circlotron impiegata nello Yamaha A-S2100.
Lo Yamaha A-S2000 utilizza un Circlotron a bipolari, quello del nuovo A-S2100 è invece a MosFet e sfrutta dei Sanken MLE20 (150 volt/150 watt/20 ampère). Lo schema di principio possiamo osservarlo in Figura 6. Non abbiamo potuto disporre del service manual, ma dello schema a blocchi sì, e lo riportiamo in Figura 7. Come già nel precedente A-S2000, anziché convertire in sbilanciati i segnali bilanciati applicati ai relativi ingressi (che è quasi la norma per tutti gli amplificatori dotati di ingressi bilanciati), qui si fa esattamente il contrario, ovvero la prima operazione a cui viene sottoposto il segnale proveniente dal pre fono, o dal CD, o dal tuner è la sua duplicazione in forma simmetrica. Il passaggio dai BJT di A-S2000 ai MosFet di A-S2100 non è differenza di poco conto. Ciascun progettista, oggi, preferisce tendenzialmente lavorare con i Mos-Fet piuttosto che con i BJT. I MosFet sono infatti non solo più veloci ma anche più affidabili, dato che non soffrono di secondo breakdown e possono “chiudersi” a valori resistivi più bassi; inoltre, quel che un tempo era il maggior vantaggio dei BJT, ovvero la possibilità di raggiungere una maggiore linearità intrinseca, oggi è quasi annullato ed anche con i MosFet è possibile allestire stadi finali che presentano distorsioni di base dell’ordine di pochi punti per mille.
Figura 7. Schema a blocchi dell’integrato Yamaha A-S2100. Da notare che il fono MC è realizzato mediante un pre-pre.
Infine, una curiosità. Il nome Circlotron, così evocativo perché così simile a Cyclotron (un tipo di acceleratore di particelle), venne fatto derivare dalla Electro-Voice dalla forma in cui questa azienda rappresentò il circuito di base nel logo commerciale. Possiamo osservarlo nell’apertura del sito dedicato alla storia del Circlotron, di Robert Turnbull, al link http://circlotron.tripod.com/.
Fabrizio  Montanucci
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Fonte audioreview.it

2017-11-25T15:05:35+00:00 novembre 25th, 2017|

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