... i preamplificatori fungono da "adattatori di impedenza"?

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(per i cavi c'è una sezione dedicata)
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Interference
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... i preamplificatori fungono da "adattatori di impedenza"?

#1 Messaggio da Interference »

Spesso si legge che tra i compiti del preamplificatore c'è quello di "adattare l'impedenza".

Ma è proprio così?

Il concetto di "adattamento di impedenza" (impedance matching) si trova applicato per lo più in due ambiti: la radiofrequenza e l'elettrotecnica.

Nelle linee di trasmissione (radiofrequenza, RF) l'impedenza del generatore, quella caratteristica della linea e quella del carico (che sia un'antenna o un resistore di terminazione) devono essere uguali. Se l'impedenza cambia lungo il circuito, parte del segnale (onda) viene riflessa e torna verso il generatore innescando un regime di onde stazionarie. Finché si tratta di segnali il fenomeno è innocuo (salvo la perdita di segnale trasmesso). Se in gioco c'è la trasmissione di potenza, la potenza riflessa va a dissiparsi sul generatore potenzialmente causando il sovraccarico degli stadi finali. Chi ha giocato anche solo con le radio CB saprà cos'è il ROS (rapporto di onde stazionarie). Questo è anche il motivo per cui le linee a radiofrequenza vanno "terminate", cioè chiuse con una resistenza pari all'impedenza caratteristica della linea (chi ha usato a scuola un generatore di funzioni e un oscilloscopio si ricorderà dei "cappucci" a 50 ohm).


In elettrotecnica esiste un teorema (massimo trasferimento di potenza) secondo il quale, il massimo trasferimento di potenza da un generatore con data tensione Vg resistenza interna R_g a un carico R_l si realizza quando R_l = R_g. In corrente continua questo è molto facile da dimostrare. In corrente alternata le cose sono un po' più complicate e, in particolare, si dimostra che la condizione richiesta è che l'impedenza del carico Z_l sia la complessa coniugata di quella Z_g del generatore (vale a dire che le componenti resistive sono uguali, mentre l'effetto capacitivo dell'uno compensa quello induttivo dell'altro). Da notare che sotto queste condizioni metà della potenza viene dissipata nel generatore e che, come è evidente, il massimo trasferimento di potenza non corrisponde al massimo rendimento (che si ha quando il generatore ha una resistenza interna il più piccola possibile).

In ambito audio (bassa frequenza, BF), nessuno dei due concetti sopra esposti è in generale applicabile o applicato.

L'impedenza non è "adattata" ma, al contrario, deve essere la più alta possibile in ingresso e la più bassa possibile in uscita. Come regola generale, deve esserci un fattore 10 tra l'impedenza di uscita dello stadio pilota e quella di ingresso del "carico" (che può essere l'ingresso di un altro stadio). Nel caso degli amplificatori di potenza questo rapporto prende il nome di fattore di smorzamento (damping factor).

Negli stadi di preamplificazione (linea), l'impedenza di uscita va dalle decine alle centinaia di Ohm, mentre quella di ingresso è nell'ordine delle decine di kOhm.

Capsule microfoniche e fonorivelatori (o pick up) richiedono preamplificazioni dedicate perché la loro impedenza interna non è trascurabile e in genere non è resistiva.

Le cuffie hanno impedenze che vanno dalle decine di Ohm ai 600 ohm (un vecchio standard professionale). Gli amplificatori per cuffie migliori hanno impedenze di uscita inferiori a 1 Ohm. Alcuni economici o integrati hanno impedenze di uscita nell'ordine dei 10 Ohm. Se si accoppia un amplificatore con 10 Ohm in uscita ad una cuffia con impedenza nominale 35 Ohm ci si può aspettare alterazioni della risposta in frequenza.

I diffusori hanno impedenze che vanno dai 2 ai 16 Ohm, più tipicamente tra i 4 e gli 8 Ohm. Un fattore di smorzamento superiore a 10 implica impedenze di uscita inferiori alla frazione di Ohm.

In conclusione, non esiste in pratica alcuna situazione in audio in cui l'impedenza sia adattata (matched), cioè in cui l'impedenza interna del generatore sia uguale a quella del carico. Il ruolo assunto dai preamplificatori, cioè di garantire un'impedenza di ingresso elevata e un'impedenza di uscita bassa, non è in senso stretto un "adattamento di impedenza".

A mio parere, parlare di "adattamento di impedenza" in campo audio è fuorviante e andrebbe evitato, ma se siete di diversa opinione sono curioso :)
mario061
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Re: ... i preamplificatori fungono da "adattatori di impedenza"?

#2 Messaggio da mario061 »

Interference ha scritto: 29/04/2025, 11:17 .......
In ambito audio (bassa frequenza, BF), nessuno dei due concetti sopra esposti è in generale applicabile o applicato.

L'impedenza non è "adattata" ma, al contrario, deve essere la più alta possibile in ingresso e la più bassa possibile in uscita.
.........
Domanda, ma se l'impedenza dell'appartecchio a valle è troppo alta, non c'è il rischio che possa captare qualche disturbo? Daccordo che con l'apparecchio a monte collegato il circuito equivalente dovrebbe avere l'impedenza dello stadio di uscita a monte, quindi molto più bassa, ma se il cavo di collegamento capta qualcosa dall'esterno non c'è il rischio che si introduca comunque più facilmente qualche disturbo?
Non sono esperto in elettronica, quindi porta pazienza se ho scritto cose non corrette, chiedo appunto perchè non ho le idee chiare.
Grazie.
Interference
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Re: ... i preamplificatori fungono da "adattatori di impedenza"?

#3 Messaggio da Interference »

mario061 ha scritto: 29/04/2025, 12:53 Domanda, ma se l'impedenza dell'appartecchio a valle è troppo alta, non c'è il rischio che possa captare qualche disturbo? Daccordo che con l'apparecchio a monte collegato il circuito equivalente dovrebbe avere l'impedenza dello stadio di uscita a monte, quindi molto più bassa, ma se il cavo di collegamento capta qualcosa dall'esterno non c'è il rischio che si introduca comunque più facilmente qualche disturbo?
Non sono esperto in elettronica, quindi porta pazienza se ho scritto cose non corrette, chiedo appunto perchè non ho le idee chiare.
Grazie.
Ciao. Nemmeno io sono troppo esperto (e per la verità tutta la disciplina del rumore nei sistemi elettronici è molto complessa) ma direi che la tua intuizione è giusta, il rumore si "cortoricuita" sull'impedenza dello stadio pilota. Questo dovrebbe valere sia per disturbi indotti che per l'eventuale rumore termico ai capi dell'ingresso.

Nell'ambito degli strumenti di misura non è raro avere impedenze di ingresso nell'ordine di 1 MOhm o addirittura 10 MOhm come nel caso degli oscilloscopi con sonda.
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MarioBon
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Re: ... i preamplificatori fungono da "adattatori di impedenza"?

#4 Messaggio da MarioBon »

Ripeto quanto detto da Interference per mettere in evidenza alcuni aspetti acustici.

Le linee possono essere corte o lunghe.
Una linea è corta se la sua lunghezza è molto minore della lunghezza d'onda cella frequenza d'onda che la percorre.
Per esempio supponiamo che la volocità di propagazione lungo una linea sia la metà della velocità della luce (il che significa una linea con velocità di propagazione bassa). All'interno di questa linea la lunghezza d'onda di 20kHz è di sette chilometri e mezzo. Ne segue che anche una cavo lungo dieci metri è "molto corto" rispetto a 7.5 km.
Quando una linea è corta la sua impedenza è rappresentata da un quadripolo dove appaiono l'induttanza e la capacitò parassite e le due resistenza di perdita (in serie ed in parallelo).
In prima approssimazione l'impedemza di una linea corta è pari alla sua componente resistiva in serie.
Tutti i cavi collegati ai nostri impianti stereo sono corti o molto corti.
Quando la linea è molto lunga o la frequenza molto alta (nell'ordine dei milioni di Hertz o MHz) allora l'impedenza della linea assume un valore Z (per esempio 50, 75, 110 Ohm). Questo avviene per il cavo dell'antenna della televisione e per le trasmissioni a radio frequenza (RF).

Quando un segnale incontra una variazione di impedenza (per esempio uno spezzone di cavo da 50 Ohm collegato ad uno spezzone da 110 Ohm) subisce una riflessione. Una parte del segnale supera la discontinuità e una parte torna indietro. Se la parte che torna indietro viene ancora riflessa si forma un'onda stazionaria che non esce dal cavo e lo scalda.

Una linea si dice adattata quando è chiusa su una impedenza pari alla sua impedenza caratteristica.
Per esempio un cavo coassiale RG58 ha impedenza caratteristica di 50 Ohm e deve essere chiuso su una resistenza da 50 Ohm. Quando la linea è adattata non ci sono riflessioni o onde stazionarie.

Il problema dell'adattamento esiste per i segnali elettrici lungo un cvo e per le variazioni di pressione lungo un tubo. Un tubo e un cavo sono regolati dalla stessa matematica con la differenza che la velocità del suono è di soli 344 metri al secondo e la lunghezza d'onda a 20kHz è di soli 1.72 centimetri. Ne segue che qualsiasi condotto è lungo e dovrebbe essere adattato. Ma con cosa? con l'impedenza dell'aria. Se un tubo presenta una brusca variazione di diametro l'onda di pressione si riflette esattamente come all'interno di un cavo.
L'impedenza (acustica) caratteristica di un condotto tende a Z = ro c SD dove ro è la densità dell'aria, c la velocità del suono e SD l'area della sezione. Come si vede L'impedenza caratteristica di un condotto molto lungo e costante come l'impedenza di un cavo molto lungo.
Lungo e corto sono concetti relativi che dipendono dalla effettiva lughezza, dalla velocità di propagazione e dalla frequenza. Data una linea di lunghezza L esiste una frequenza abbastanza bassa da rendenrla "corta" ed una frequenza abbastanza alta da renderla "lunga".

L'adattamento si ottene in tre modi:
- scegliendo la resistenza di carico (per esempio R=50 Ohm a chidere un cavo RG58)
- usando un trasformatore (ampli a valvole)
- usando una linea a un quarto di lunghezza d'onda.
https://it.wikipedia.org/wiki/Trasforma ... o_d%27onda

La tromba è un dispositivo (una linea di trasmissione a sezione variabile) impiegato per adattare una sorgente (driver) al carico (aria). In pratica l'adattamento viene sono migliorato. Una tromba (una linea) non è l'analogo di un trasformatore. L'analogo del trasformatore è la leva (quella di Archimede).
Per rendersene conto basta confrontare
- le relazioni ingresso/uscita del trasformatore e della leva
- l'impedenza di ingresso di un cavo, di un condotto e di una tromba.
Mario Bon http://www.mariobon.com
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mario061
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Re: ... i preamplificatori fungono da "adattatori di impedenza"?

#5 Messaggio da mario061 »

Interference ha scritto: 29/04/2025, 13:27 ...

Nell'ambito degli strumenti di misura non è raro avere impedenze di ingresso nell'ordine di 1 MOhm o addirittura 10 MOhm come nel caso degli oscilloscopi con sonda.
Si è vero, non ci aveo pensato. E non avevo pensato nemmeno al fatto che la l'onda del segnale in banda audio è molto più lunga del cavo, cosa che in RF spesso non succede.
Interference
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Re: ... i preamplificatori fungono da "adattatori di impedenza"?

#6 Messaggio da Interference »

Poscritto: lo strano caso dei 600 Ohm (e del dBm)
Esiste in effetti un caso particolare in cui può essere utile lavorare con impedenze "matched", anche in bassa frequenze e con piccoli segnali.

Se ho un generatore con impedenza di uscita non trascurabile, questo produce ai capi del carico un segnale la cui ampiezza dipende dall'impedenza del carico stesso.

Se il generatore ha 500 Ohm in uscita e il carico ha 2 kOhm in ingresso, si avrà un'ampiezza diversa rispetto ad un carico che presenti un'impedenza 50 kOhm (basta calcolare il partitore resistivo).

Ma quando è importante?

Esempio 1: poniamo io abbia un apparecchio con un ingresso che satura a 2 V (rms)... mi basta sapere che l'uscita dello stadio pilota raggiunge la medesima tensione, per sfruttare tutta la gamma dinamica? Non proprio. Se l'impedenza di uscita non è molto bassa e quella di ingresso non è molto alta... si avrà una caduta di tensione e non si arriva mai a saturare l'ingresso.

Esempio 2: poniamo che io debba costruire una cuffia e voglia essere sicuro del livello di pressione sonora (SPL) erogato per una data tensione di pilotaggio, e della sua risposta in frequenza. Se non conosco l'impedenza del generatore, non posso prevederlo con accuratezza. Se la cuffia deve essere usata su un aereo... beh, certi dettagli diventano importanti.

Se ci mettiamo d'accordo e stabiliamo che tutte le uscite hanno la stessa impedenza così come tutti gli ingressi, e talvolta pure i trasduttori (come nel caso delle cuffie), allora sappiamo che ai capi del carico abbiamo sempre la metà della tensione a vuoto del generatore e gli accoppiamenti diventano più prevedibili.

In ambito studio e broadcast per molto tempo si è adottata un'impedenza standard di 600 Ohm. La si trova indicata spesso sui microfoni, sui mixer e sulle cuffie.

Esiste un'unità di misura dei livelli di segnale, il dBm, che è il decibel riferito alla potenza di 1 mW. Stranamente, lo si usa anche per indicare segnali in tensione, e per fare questo ci si riferisce ad un'ipotetica impedenza di 600 ohm.

L'origine dei 600 ohm origina ai tempi in cuile prime linee telefoniche passavano sui cavi telegrafici. D'altronde se un "cavo" è lungo kilometri, diventa una linea di trasmissione anche per i segnali audio.

Per qualche motivo lo "standard" dei 600 ohm si è propagato agli studi broadcast e all'audio professionale, specialmente all'epoca delle eletroniche a tubi. In piccola parte, i 600 ohm sopravvivono anche oggi (basti guardare i cataloghi di cuffie pro).
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