Controreazione: questa sconosciuta

Nell'immaginario collettivo degli audiofili, il termine "controreazione" è carico di significati. Il problema è che tali significati sono, nella maggior parte dei casi, completamente errati.

E quali sono questi significati? Per avere un'idea delle risposte variegate, fate la domanda in uno dei tanti forum audiofili: assisterete ad un florilegio di opinioni, più o meno fantasiose, più o meno traballanti, su cosa è, ma soprattutto su cosa fa la controreazione.

La maggior parte di coloro che esprimono un'opinione sui forum lo fa per sentito dire, basa la propria opinione su preconcetti creati ad arte dai "guru", i quali a loro volta hanno una conoscenza soltanto superficiale dell'elettronica, e talvolta non la conoscono affatto. Ma tali preconcetti sono anche un grande affare per tutti quei piccoli produttori, cantinari o meno, che vendono le proprie elettroniche a prezzi da capogiro, millantando circuitazioni che - a detta loro - evitano completamente l'utilizzo della controreazione.

Evitare la controreazione - nei circoli audio - è ormai una moda, e come tutte le mode fonda la sua ragion d'essere più sull'irrazionalità delle persone piuttosto che su una realtà oggettiva.

Anzi, il termine "senza controreazione" è quasi un abuso, perchè di fatto non può esistere un amplificatore che sia realmente senza controreazione, anche quando il progettista ha deciso che non deve esserci.

Nelle specifiche del VHF2, ad esempio, si legge: "Stadio di gain senza controreazione, ne' totale ne' locale". Questo vuol dire che non c'è davvero controreazione nello stadio di gain? No, vuol dire solo che - circuitalmente - non ne viene aggiunta dell'altra a quella già presente.

Dovrebbe essere noto¹ infatti che la buona linearità dei triodi rispetto ad altri dispositivi attivi è dovuta proprio all'esistenza di una NFB che agisce al loro interno, e che è dovuta all'interazione dei campi elettrostatici della griglia e dell'anodo.

E' per questo che un triodo non solo è lineare, ma presenta una rA (cioè una resistenza interna) più bassa di quella che dovrebbe possedere - senza NFB - un dispositivo a vuoto.

E' per questo che un triodo presenta un fattore mu (ovvero il gain massimo quando il carico è un CCS) molto basso, rispetto ad esempio a un BJT. Il gain potrebbe essere molto alto, ma viene mangiato dalla NFB interna al triodo.

E' per questo che un pentodo ha un mu molto più elevato (fino alle migliaia): perchè il campo elettrostatico della griglia è isolato da quello di placca, tramite la griglia schermo.

E' per questo che un pentodo è molto meno lineare di un triodo: ha meno NFB interna.

Quindi il progettista del VHF2 si è pavoneggiato con la scritta "senza NFB", solo perchè glielo ha permesso la NFB interna del triodo, che non si vede a livello circuitale, ma che agisce comunque, in barba a tutti i suoi stratagemmi per azzerarla.

Nel prossimo post vedremo come funziona - a grandi linee - la controreazione, e che differenza c'è tra NFB locale e NFB globale.

(¹) Ai guru.

Il concetto della NFB (Negative FeedBack, retroazione negativa) nell'elettronica nasce agli albori dell'amplificazione, negli anni '30, per risolvere un problema relativo alla trasmissione dei segnali telefonici: dal momento che il segnale doveva viaggiare per chilometri, tra una centrale e l'altra era necessario interporre diversi stadi di amplificazione (detti "ripetitori") ad intervalli prestabiliti lungo il percorso, ma così facendo la distorsione generata da ogni amplificatore si sommava a tutti gli altri, e a destinazione il segnale era talmente distorto da non poter essere gestibile. La NFB permetteva di abbattere il tasso di distorsione, e rese possibili percorsi telefonici piuttosto lunghi.

Quindi l'associazione che si fa comunemente NFB -> stato solido è del tutto errata, perchè la NFB nasce quando il transistor ancora nemmeno esisteva.

Per capire in cosa consiste, bisogna tener presente un concetto molto semplice, e cioè che due forze uguali e contrarie si annullano a vicenda. Se associamo alla forza una tensione, allora la somma di due tensioni di polarità opposta darà come risultato il valore zero.

Se abbiamo due segnali elettrici, due segnali audio ad esempio, con lo stesso valore di tensione RMS, ma uno esattamente speculare rispetto all'altro, ovvero in opposizione di fase, e li sommiamo, il risultato sarà un segnale nullo, ovvero si otterrà una cancellazione del segnale stesso.

Il concetto è quello di prendere una parte del segnale all'uscita di un amplificatore e di riportarlo all'ingresso, ma in opposizione di fase.

Questo significa che all'ingresso dell'amplificatore ci saranno due componenti, una corrispondente al segnale audio che vogliamo amplificare, e l'altra (con fase opposta) corrispondente ad una parte del segnale di uscita. Dal momento che due segnali in opposizione di fase tendono ad annullarsi reciprocamente, il risultato sarà che l'amplificatore al suo ingresso vedrà un segnale più piccolo di quello che realmente è, perchè di fatto si è in presenza di una cancellazione (parziale) del segnale. Che vantaggio può avere questo stratagemma? Il vantaggio è che, non solo il segnale audio sarà attenuato ma, in misura molto maggiore, sarà attenuata la distorsione generata dall'amplificatore.

Da un punto di vista matematico, con l'applicazione della NFB non si amplifica il segnale all'ingresso, ma la differenza tra tale segnale e quello amplificato, ovvero si ha una correzione dell'errore, dove quest'ultimo rappresenta ogni sorta di deviazione rispetto al segnale originario, qualunque sia la natura e la motivazione di tale deviazione.

Questo tipo correzione è alla base della teoria del controllo, e viene messo in pratica non solo nei macchinari costruiti dall'uomo, ma anche in tutti gli esseri viventi. La capacità della nostra mano di afferrare un oggetto è resa possibile dal controllo preciso che si può realizzare solo tramite una retroazione, cioè tramite il controllo di un feedback.

Quello di cui parliamo è feedback negativo (da cui l'acronimo negative feedback, NFB): questo perchè il segnale all'uscita viene sottratto all'ingresso. Per ottenere questo deve essere applicato in opposizione di fase (cioè sfasato di 180°).

Quando il segnale all'uscita viene sommato all'ingresso, si ha feedback positivo, e come prevedibile ha l'effetto esattamente contrario a quello della NFB, e per questo viene accuratamente evitato in campo audio.

In realtà, tra il feedback negativo e quello positivo non c'è alcuna differenza: cambia solo la fase dei segnali.

Tutto ciò è una estrema semplificazione del concetto di NFB, solo per dare un'idea di come funziona.

Nei prossimi post entreremo un po' più nel dettaglio, con l'aiuto di qualche disegno.

L'aver puntualizzato che la linearità del triodo è dovuta all'azione della NFB al suo interno, può sembrare un atto di sadismo nei confronti di chi venera questo componente. In realtà la mia intenzione è quella di neutralizzare - almeno in parte - tutte le maldicenze sul conto della controreazione. Del resto, sarebbe abbastanza sorprendente l'esistenza di un componente attivo - il triodo - che presenti tale spiccata linearità, senza l'intervento di un controllo di qualche tipo. La linearità che fa comodo a noi, quella che ci serve dentro a un amplificatore e che si può scrivere matematicamente in questo modo

y = a * x

dove y è il segnale di uscita, a è il gain e x il segnale di ingresso, in natura è molto rara. Noi siamo circondati da fenomeni di tipo esponenziale, quadratico, caotico o frattale, quasi mai di tipo lineare. Pensiamo alla forza di gravità, ad esempio, o all'attenuazione della luce o del suono che segue una legge legata al quadrato della distanza. Per non parlare dei fenomeni come risonanze, o di quelli caotici, di tipo complesso e imprevedibile che possono sorprenderci per la loro violenza. I fenomeni atmosferici sono di quest'ultimo tipo.

Se ci imbattiamo in qualcosa di lineare, quasi sempre è frutto di una regolazione precisa, sia che si tratti di esseri viventi che di macchine. E dove c'è una regolazione c'è necessariamente del feedback, il quale si basa su un confronto tra la grandezza che si vuole controllare e un riferimento, che in un amplificatore corrisponde al segnale di ingresso.

Il concetto è semplice: si confronta l'uscita con l'ingresso (si fa la differenza algebrica) e quello che rimane è ovviamente un errore. Tale errore si applica all'ingresso, con fase invertita, in modo da contrastare eventuali differenze. L'applicazione della NFB è di fatto una correzione dell'errore perchè re-inietta all'ingresso una parte del segnale di uscita, il quale contiene appunto l'errore da correggere.

Lo schema a blocchi è il seguente:



Qualunque amplificatore che faccia uso di NFB può essere ridotto a tale schema, a prescindere dalla sua complessità. Il simbolo a forma di triangolo rappresenta lo stadio di gain, cioè in sostanza lo stadio di amplificazione, mentre il blocco β rappresenta l'attenuazione del segnale che dall'uscita viene riportato all'ingresso (segnale di feedback). β è sempre inferiore o al massimo uguale a 1.

Il nodo rappresentato dal cerchietto, dove si congiungono il segnale di ingresso e quello proveniente dall'uscita, è dove i due segnali si sommano. In particolare si può vedere che, in base alle polarità indicate, il segnale di feedback viene sottratto a quello di ingresso. E' chiaro quindi che all'uscita del cerchietto avremo la differenza tra segnale di ingresso e quello di feedback. Ed è chiaro anche che lo stadio di gain vedrà solo tale differenza, e non il segnale effettivo presente all'ingresso dell'amplificatore. Questo particolare è molto importante, perchè toglie validità a una critica che si fa spesso alla NFB, basata sui tempi - ipotizzati - di propagazione del segnale di feedback.

I critici dicono sostanzialmente questo: dal momento che il segnale impiega un certo tempo per ritornare indietro, l'effetto della NFB è quello di peggiorare le prestazioni, aumentando l'errore piuttosto che correggerlo. E tale effetto, benchè non rilevabile alle misure, sarebbe particolarmente dannoso in fase di ascolto.

Quanto vale questo ritardo temporale? Parlare di ritardo temporale è fuorviante, perchè la propagazione dei segnali nei metalli avviene a velocità relativistiche: circa il 75% della velocità della luce. Quindi il ritardo del segnale tra ingresso e uscita di un amplificatore è così basso da essere trascurabile. Tale osservazione già da sola mette fuori gioco la critica "temporale", ma osservando lo schema a blocchi salta all'occhio un'altra evidenza, ancora più definitiva: lo stadio di gain vede un unico segnale, non sa assolutamente nulla del feedback, perchè tutto si è già giocato all'interno del cerchietto (il differenziale, che sottrae il feedback all'ingresso), e quello che è accaduto prima conta abbastanza poco, in quanto ad essere amplificata sarà solo la differenza operata dal nodo sommatore.

Il guadagno indicato con A_OL (A open loop, guadagno ad anello aperto) può variare moltissimo, a seconda del circuito utilizzato: può andare da poche decine di volte per un triodo a qualche migliaio di volte per un pentodo. Per uno stadio di ingresso a transistor può raggiungere le centinaia di migliaia, mentre per un operazionale può arrivare a qualche milione di volte.

Il guadagno A_OL ad anello aperto è importante per definire con precisione il guadagno dell'intero stadio quando l'anello verrà chiuso con il feedback. Maggiore è A_OL, migliori saranno le caratteristiche dell'amplificatore.

Nel prossimo post faremo due conti e vedremo perchè è importante che A_OL sia molto alto.