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Rumore nelle Valvole Termoioniche

Il rumore come un fattore limitante nella sensibilità dei dispositivi elettronici.

Tutti i dispositivi elettronici sono dei generatori di rumore, quindi all'uscita di un amplificatore avremo una copia del segnale che abbiamo applicato all'ingresso addizionato con del rumore.
Le valvole come tutti i componenti elettronici non fanno eccezione a questa regola.
Amplificatori che fanno uso di triodi e pentodi sono in grado di fornire amplificazioni estremamente elevate di potenza e tensione.
In realtà si possono ottenere amplificazioni di qualsiasi ordine di grandezza mediante l'uso di tubi a vuoto.
Questo potrebbe voler dire che possiamo amplificare segnali di qualsivoglia ampiezza, anche molto piccola.
In verità il limite è determinato dal rumore, che è a grandi linee generato dal movimento casuale di elettroni, e viene raffigurato come una tensione in ingresso al circuito che si sovrappone al segnale da amplificare.
Qualsiasi segnale il cui livello è sensibilmente inferiore al rumore, sarà mascherato da esso.
L'ordine di grandezza della tensione di rumore è estremamente piccolo, dell'ordine di frazioni di microVolt, ma molti amplificatori hanno un sensibilità tale da portare questo segnale parassita fino ad un livello rilevabile.
Il rumore viene generato tanto dalle valvole termoioniche quanto da altri dispositivi, come ad esempio i resistori che hanno un loro rumore dovuto all'agitazione termica degli atomi che li compongono.

Rumore nelle resistenze (resistori)

Il rumore nei resistori è dovuto al moto casuale degli elettroni dentro questi.
L'energia del rumore è proporzionale al valore della resistenza, alla temperatura (riferita allo zero assoluto) e alla larghezza di banda (frequenza massima-frequenza minima) nella quale il rumore viene misurato.

Il risultato della formula a sinistra è la radice quadrata della tensione (e-2) di rumore rilevabile ai capi di un resistore, dove: k=costante di Boltzmann pari a 1,3805 x 10-23 watt-Secondo x grado Kelvin. Tr=temperatura del resistore a cui viene fatta la misura in °K o °C+273) R=valore della resistenza del resistore in Ω B=estensione della banda a in cui viene misurata la tensione in Hertz. A destra il circuito equivalente per il rumore di un resistore, il generatore simboleggia la tensione di rumore che si ottiene (valore efficace) con la formula a fianco.

Ad esempio un resistore di 1000Ω alla temperatura di 17°C in una banda larga 10MHz ha un rumore efficace di 12,6 microVolt, quindi si tratta di un valore abbastanza basso, anche considerato che la banda presa in esame è 10MHz mentre quella audio è 20KHz.

Gli effetti del rumore termico possono essere considerati in fase di progettazione mettendo nel circuito in serie al resistore un generatore di tensione avente l'ampiezza del rumore e considerando il resistore privo di rumore.

Cause del Rumore nelle Valvole Termoioniche

Le cause del rumore nelle valvole termoioniche sono le seguenti:
1) Shot Effect
2) Reduced shot effect
3) Flicker effect (effetto tremolio)
4) Ionizzazione per collisione
5) Divisione di corrente casuale fra elettrodi
6) Rumore in alta frequenza indotto (VHF)
7) Difetti di costruzione (Ronzio, Scarso Isolamento, Vibrazioni)

Rumore Shot e Reduced Shot nei tubi a vuoto

Nei tubi a vuoto il rumore Shot è dovuto all'emissione casuale e alla fluttuazione della carica spaziale che limita l'emissione da parte del catodo. I fattori che limitano l'emissione di elettroni emessi dal catodo sono spiegati di seguito.

a) Carica spaziale, ovvero la nuvola di elettroni attorno al catodo che forma un potenziale negativo, che respinge parte degli elettroni che potrebbero fuoriuscire e che, quindi limita l'emissione da parte del catodo.
La nube si forma quando il potenziale dell'anodo è abbastanza basso da non attrarre tutti gli elettroni emessi dal catodo o il potenziale della griglia troppo alto (troppo negativo rispetto al catodo).

b) Temperatura del catodo. Tutti gli elettroni emessi vengono catturati dall'anodo, quindi non vi è carica spaziale e l'unico modo per aumentare la circolazione di elettroni è aumentare la temperatura del catodo, che quindi ne emetterebbe di più.

Questi due fattori hanno un impatto anche sulla generazione del rumore shot da parte dei tubi a vuoto.
Nel caso a) il tubo emette un tipo di rumore detto "shot noise" descritto per primo da W. Schottky nel 1918, nel caso b) il rumore emesso è diverso come valore assoluto (più basso) e viene chiamato "reduced shot noise".
Quindi per ridurre il rumore occorre limitare il più possibile la carica spaziale nell'intorno del catodo.
Il Rumore Shot ha una disposizione spettrale particolare, è presente solo per le frequenze basse in altre parole il valore di detto rumore è proporzionale a 1/f (dove f è la frequenza).

Ionizzazione per collisione

Quando è presente del gas all'interno di un tubo a vuoto per un difetto costruttivo, un problema con il getter o semplicemente perché è impossibile togliere tutto il gas, le molecole di gas possono venir colpite da un elettrone, in questo caso vi sono tre possibilità:
a) L'elettrone viene assorbito dall'atomo che diventa uno ione negativo e migra verso l'anodo
b) l'energia dell'elettrone è alta e riesce a strappare un altro elettrone dall'atomo che diventa uno ione positivo che migra verso il catodo e due elettroni liberi che migrano verso l'anodo (al posto di uno),
c) L'elettrone urta l'atomo, viene assorbito e ne libera un altro, l'atomo rimane neutro e il numero degli elettroni non cambia.

In tutte e tre i casi vi è generazione di rumore, nel primo caso dovuto ad una diminuzione temporanea di corrente, nel secondo ad un aumento e nel terzo per la perturbazione nel moto dell'elettrone che arriverà con un certo ritardo sull'anodo.

Divisione casuale della corrente fra elettrodi concorrenti

Questo è il tipico problema del pentodo, in cui la griglia schermo e l'anodo si dividono gli elettroni che giungono dal catodo.
Questa divisione avviene su base statistica e genera un rumore.
Per questo motivo il rumore emesso da un pentodo è circa il triplo di quello emesso da un triodo e ne limita l'impiego qualora il segnale da amplificare abbia una ampiezza molto bassa.

Distribuzione spettrale del Rumore nei dispositivi elettronici

Ora analizzeremo i vari tipi di rumore in funzione della disposizione spettrale, ovvero come appaiono guardandoli con un analizzatore di spettro.
Tipologie di rumore in funzione della disposizione spettrale dello stesso:
1) Rumore Termico (Rumore Bianco)
2) Rumore Rosa (Rumore 1/f)
3) Rumore Browniano (1/f²)

1) Rumore termico (Johnson-Nyquist). Il rumore termico è causato dal moto termico casuale dei portatori di carica nel conduttore e dipende dalla temperatura. E' stato osservato sperimentalmente nel 1927 da J.B. Johnson (Bell Telephone Laboratories) misurando il rumore termico su resistori. H. Nyquist nel 1928 fornisce l’analisi teorica del fenomeno in base ai principi della termodinamica e della meccanica statistica. Per questa ragione il rumore termico viene spesso denominato rumore Johnson oppure rumore Nyquist. Per quello che riguarda le frequenze audio ha una distribuzione spettrale assolutamente uniforme. 2) Rumore Rosa (1/f) è predominante alle basse frequenze e sovrasta il rumore bianco. 3) Rumore Browniano (1/f2), sovrasta il rumore rosa alle frequenze più basse. La risultante spettrale vede una predominanza di rumore 2) e 3) nelle basse frequenze, mentre da un certo punto in poi predomina il rumore bianco 1) che è costante per f->infinito.

Misura del rumore prodotto da un apparato

Nel caso di un amplificatore o preamplificatore basta mettere a massa l'ingresso ed eseguire la misura del valore della tensione in uscita.
In questo modo non potremo distinguere fra i vari tipi di rumore ma avremo un valore totale, somma del rumore generato dalla (o dalle) valvola e dalle resistenze, il rumore captato per via magnetica od elettrostatica e quello residuo dell'alimentazione, che ci fornisce informazioni sull'amplificatore nel suo complesso.

Tabella tratta dal testo Spangenberg - Vacuum tubes 1948.
Si può notare che nel pentodo in linea di massima il rumore è molto più alto, inoltre si può notare che il rumore aumenta al diminuire della transconduttanza, in relazione a basse correnti di placca, in quanto siamo nel caso in cui la limitazione della conduzione aumenta la carica spaziale attorno al catodo (Shot Noise).

Considerazioni di massima sul rumore prodotto in relazione ad altri dispositivi

In questo paragrafo metteremo a confronto con le valvole vari tipi di dispositivi amplificatori, come transistor e amplificatori operazionali tenendo conto dei vari tipi di utilizzo in campo audio compreso l'impiego in amplificatori ed effetti per chitarra elettrica solid body e basso elettrico.
Partiamo da alcune semplici considerazioni:

• Per logica un dispositivo semplice come un triodo, un mosfet o un transistor produce meno rumore di un amplificatore operazionale nel quale ci sono centinaia di componenti. La differenza nel rumore prodotto fra un triodo e un amplificatore operazionale è di un ordine di grandezza, considerando un operazionale a basso rumore.

• L'amplificazione che dobbiamo ottenere in tutta la catena di amplificazione è funzione della elongazione del segnale che dobbiamo ottenere nell'ultimo stadio, nell'amplificatore di potenza che pilota i diffusori. Questo determina il numero di stadi che dovremo introdurre per ottenere detta amplificazione. Questo penalizza sicuramente le valvole in quanto prima del trasformatore adattatore di impedenza avremo un segnale elettrico con una elongazione anche di centinaia di volt. In altre parole in qualche caso genera meno rumore un amplificatore operazionale collegato ad un finale a mosfet che una catenaria di valvole preamplificatrici e finali.

• In un distorsore per chitarra elettrica dove si sfrutta il fenomeno del clipping la valvola deve arrivare ad una elongazione del segnale in uscita di poco inferiore alla tensione di alimentazione. Tenendo conto che in genere una valvola ha una tensione di alimentazione dell'ordine delle centinaia di volt per ottenere il clipping dovremo avere una grande amplificazione del segnale con diversi stadi il che ovviamente aggiunge più rumore che non nel caso di un transistor che va in clipping con una tensione di alimentazione di pochi volt.