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Amplificadores de Áudio - Parâmetros principais (junho/2003)

Postado por Redação em 07/12/2011 - 20h32

Em quase todo o Áudio eles estão presentes. Nos mega-eventos, são vistos às dezenas alimentando os sistemas de sonorização. Nos estúdios, sejam pessoais ou de grande porte, eles permitem ouvir com perfeição a música e a fala. Mesmo dentro de um reprodutor portátil, de um telefone celular, há um bem pequeno para acionar os fones.
Os amplificadores de potência são sempre o penúltimo elo do sistema de áudio. Suas qualidades - boas e más - são responsáveis diretas pelo que ouvimos. Nesta matéria, não pretendemos nos aprofundar no estudo teórico dos parâmetros dos amplificadores, mas sim conhecê-los e entender um pouco em quê cada um deles influencia o som.

Resposta de freqüências
A resposta de freqüências é a característica comum a todos os componentes de um sistema de áudio. Sempre se deseja que um sistema tenha resposta plana de 20Hz a 20kHz, ou ainda melhor. Mas o que é resposta plana? Tecnicamente, plana significa entre 0 e -3dB. Para que um sistema, com muitos estágios como uma instalação de estúdio ou de PA, atinja essa resposta global, é preciso que cada componente tenha resposta muito melhor do que 20Hz a 20kHz 0/-3dB.
Diz-se que "a corrente sempre quebra no elo mais fraco". Como no áudio os elos mais fracos são os microfones, gravadores e alto-falantes, é preciso que todo o restante seja "absolutamente" plano entre 20Hz e 20kHz. Isto, é claro, é impossível; mas uma queda de menos de 1dB em 20kHz e em 20kHz é possível em mesas, equalizadores, processadores dinâmicos e também em amplificadores.
Portanto, a resposta "ideal" de um amplificador de potência é de pelo menos 20kHz a 20kHz com menos de 1dB de variação. Para um amplificador que deve operar em toda a banda de áudio, uma excelente resposta seria de 5Hz a 80kHz 0/-3dB.
Na figura 1, vemos em vermelho a mínima resposta de freqüências aceitável para um sistema, que é de 20Hz a 20kHz 0/-3dB; e em azul, a mínima resposta "ideal" para um amplificador.

Potência de saída RMS
Medida em watts (W), é definida como a potência que o amplificador pode fornecer continuamente, sem que a distorção harmônica total (THD) seja maior que 1%. Alguns fabricantes e projetistas preferem o limite de 0,1%. Como nos amplificadores de estado sólido a THD se mantém baixa até logo abaixo da potência máxima, subindo então muito rapidamente, as potências correspondentes à THD de 0,1% e à THD de 1% são muito próximas, de modo que o critério não muda radicalmente o resultado.
Nos amplificadores a válvula, preferidos por muitos músicos e "audiófilos", a distorção sobe de maneira mais gradual.
Em projetos e especificações, deve-se sempre usar a potência RMS.
A potência de saída tem impacto óbvio sobre o som: quanto mais potência, mais volume sonoro. No entanto, a potência sozinha não determina o volume de um sistema. A eficiência eletroacústica do sistema de alto-falantes, especificada em dB / watt a 1 metro, é tão importante quanto a potência. Por exemplo: uma caixa acústica que fala 101dB/W a 1m, alimentada com modestos 10 watts, fornece mais volume sonoro que uma outra que rende 88dB/W a 1m, alimentada por 100 watts.

Potência de saída musical
A potência de saída é definida pela fonte de alimentação do amplificador. Quando ele é muito solicitado, a tensão da fonte cai um pouco (tipicamente 5%) estabelecendo a potência máxima RMS. No entanto, se o amplificador é usado a potências médias mais baixas, a tensão da fonte não sofre queda e, por períodos curtos, o amplificador consegue fornecer potência mais alta que a máxima RMS. Esta potência maior (cerca de 10%) é chamada Potência Musical (Music Power).
Acontece que a música, em sua grande maioria, possui um nível médio (o que puxa pela fonte de alimentação) bem mais baixo que o nível dos picos ocasionais, de modo que uma elevada potência musical permite uma reprodução transparente desses picos e transientes (fenômenos de curta dura-ção e grande amplitude) sem precisar dispor de toda essa potência em regime constante. Há, no mercado, amplificadores de marcas altamente respeitadas, com potências musicais muito maiores que suas potências RMS. Usando essa característica, podem-se empregar amplificadores menores que os habituais para reproduzir música: ao invés de superdimensionar a potência RMS em 6dB, por exemplo, basta utilizar amplificadores com essa proporção entre a potência musical e a RMS.

PMPO - a farsa
A "potência PMPO" é uma criação puramente desonesta, sem qualquer base científica, devendo ser ignorada em qualquer hipótese devido a sua total inutilidade.

Distorção harmônica total (THD)
É a soma RMS das tensões de todos os harmônicos do sinal senoidal original, após passar pelo amplificador, dividida pela tensão total de saída. É geralmente expressa em porcentagem.



onde vn são as tensões correspondentes aos harmônicos de ordem n.

Temos na figura 2 uma visualização de como a freqüência fundamental e seus harmônicos se somam para formar uma onda quadrada. Nesta forma de onda, composta unicamente por harmônicos ímpares, a amplitude de cada harmônico é inversamente proporcional à sua ordem:

onde 2n + 1 são os números ímpares.



Figura 2 - síntese da onda quadrada, até o 15º harmônico

Uma onda clipada, como aparece na saída de um amplificador excitado além de sua potência máxima, é formada pela freqüência fundamental e seus harmônicos ímpares, mas estes com menos amplitude que na onda quadrada. Na figura 3, vemos o aspecto de uma onda onde os harmônicos têm a metade da amplitude dos harmônicos de uma onda quadrada:




Figura 3 - síntese da onda clipada, até o 15º harmônico


Uma "baixa THD" é qualquer valor abaixo de 0,1% (praticamente inaudível). Os valores típicos de mercado são:

" Amplificadores de potência para sonorização: abaixo de 0,2%

" Amplificadores para uso doméstico comum: abaixo de 0,1%

" Amplificadores de referência para estúdio: abaixo de 0,05%

" Amplificadores "high end" para audiófilos: abaixo de 0,02%

Os amplificadores de estado sólido produzem quase apenas harmônicos ímpares (3º, 5º, 7º, 9º etc.), enquanto os valvulados são ricos em harmônicos pares (2º, 4º, 6º etc.), o que lhes dá uma característica mais "musical". Os amplificadores usados para instrumentos musicais tiram ao máximo proveito dessa característica, a qual auxilia o músico na obtenção do timbre ideal e, efetivamente, mexe com seu comportamento. Porém, os amplificadores valvulados - onde essas características são naturais - são mais caros, maiores, mais pesados, e a indústria vem empregando considerável esforço para obter a sonoridade dita "quente" com amplificadores em estado sólido.
Nas figuras 4 e 5, podemos comparar as distorções produzidas por um amplificador valvulado de saída simples classe A, e um transistorizado de saída simétrica (push-pull) classe AB.



Figura 4 - válvuta:distorção macia e musical



Figura 5 - transitor: distorção áspera

O valvulado produz distorção macia e assimétrica, rica em harmônicos pares de ordem baixa; enquanto o transistorizado produz clipamento simétrico com bordas vivas, rico em harmônicos ímpares de ordem alta.
A THD varia com a amplitude e também com a freqüência do sinal de saída. Nos amplificadores transistorizados, a THD geralmente atinge o valor mínimo logo abaixo da potência máxima; nos valvulados, a THD vai subindo gradualmente. A distorção normalmente sobe nas altas freqüências, especialmente nos amplificadores classe H.

Distorção por intermodulação (IMD)
Ocorre quando sinais de duas ou mais freqüências são aplicados ao amplificador. Os sinais se modulam mutuamente (suas amplitudes se multiplicam, além de se somarem), gerando produtos de intermodulação que são sinais com a soma e a diferença entre as freqüências aplicadas.
No tradicional método SMPTE de medida de IMD, aplicam-se ao equipamento sob teste as freqüências de 60Hz e 7kHz, mixadas na proporção de respectivamente 4:1. Os produtos de intermodulação serão 7000 - 60 = 6940Hz e 7000 + 60 = 7060Hz. Como também sempre há THD, que são os múltiplos de 60Hz, temos produtos desses harmônicos pelo sinal de 7kHz. Assim, observam-se vários produtos aos dois lados de 7kHz, isto é: 6940Hz, 6880Hz, 6820Hz, 6760Hz, etc., e 7060Hz, 7120Hz, 7180Hz, 7240Hz, etc.
Na figura 6, vemos sinais de 60Hz e 7kHz, sob efeito de distorção harmônica e de intermodulação. Podem-se ver os dois sinais originais, e seus harmônicos (respectivamente 120Hz, 180Hz, 240Hz, 300Hz... e mais 14kHz e 21kHz). Em torno de 7kHz, conforme assinalado em amarelo, aparecem os produtos de intermodulação.
Esses produtos são somados em RMS (raiz quadrada da soma dos quadrados) e o resultado é a IMD, em geral expressa também em porcentagem.
Os critérios para avaliação da IMD são os mesmos que para a THD.



Figura 6 - Intermodulação entre 60Hs e 7kHz


Slew Rate
A Slew Rate (taxa de variação de tensão) é a máxima velocidade com que o amplificador consegue fazer variar sua tensão de saída no tempo.
É medida em V/µs e se calcula pela seguinte fórmula:

Graficamente, a slew rate pode ser representada pela reta tangente à onda em seu ponto de maior inclinação. Na senóide, este é o ponto onde a onda passa pelo valor zero, como é mostrado na figura 7. Note que pode haver, num circuito, valores diferentes para a slew rate ascendente (como mostrada na figura 7) e para a descendente.

Distorções induzidas pela slew rate (SID e TIM)
Quando a slew rate é muito baixa, sinais de saída com alta amplitude e alta freqüência não conseguem ser reproduzidos, porque sua variação de tensão no tempo é maior do que o amplificador é capaz de fornecer. Ocorre então a distorção induzida pela slew rate (Slew Induced Distortion ou SID), que produz agudos ásperos ou raspando.


Figura 7 - Representação gráfica da slew rate: reta tangente

A onda fica com todo o trecho além da slew rate transformado em linha reta - algo como um triângulo com as pontas arredondadas. Quando há transientes nessa região, estes desaparecem achatados pela subida em linha reta, acarretando a distorção chamada intermodulação de transientes (Transient Intermodulation ou TIM). Um exemplo exagerado de baixa slew rate é um gravador cassete usando fita de baixa qualidade: quanto mais que se forçam os agudos, mais o gravador os distorce. Note que, neste caso, as baixas freqüências não são distorcidas.
Os critérios para avaliação da SID são os mesmos que para a THD e para a IMD.
Para que um amplificador reproduza de forma limpa sinais de qualquer amplitude e freqüência, recomenda-se que sua slew rate seja pelo menos quatro vezes maior que a slew rate do sinal de maior freqüência e amplitude a ser reproduzido. Para amplificadores de agudos ou full range, deve-se calcular a tensão produzida à potência máxima, e tomar-se a freqüência de 20kHz para o cálculo. O valor calculado é então multiplicado por 4.
Exemplo: Qual a slew rate mínima para um amplificador de 400W em 4 ohms que deva operar até 20kHz?
A potência de 400W em 4 ohms corresponde a uma tensão RMS de saída igual a 40V.

ou 7,1 V/µs.

Resposta: Multiplicando o valor acima por 4, determina-se que a slew rate deve ser de pelo menos 28,4 V/µs.

Relação sinal/ruído
A relação sinal/ruído é a razão, expressa em dB, entre a potência máxima de saída RMS e a potên-cia do ruído de fundo do amplificador. Para medir a potência do ruído, coloca-se a entrada do amplificador em curto e mede-se então a tensão na saída, fazendo o cálculo para obter a potência. É mais fácil, em geral, medir as tensões de saída e fazer o cálculo usando o quadrado da razão entre elas.
Exemplo: um amplificador fornece, a 1% THD, uma potência de saída de 1024W sobre 4 ohms. Colocando-se sua entrada em curto, a tensão RMS correspondente ao ruído é de 640µV. Qual é a relação sinal/ruído?

V máxima de saída

Relação sinal/ruído


Relações sinal/ruído acima de 80dB são satisfatórias para amplificadores de potência, e relações sinal/ruído acima de 90dB são julgadas excelentes.

Fator de amortecimento (FA)
Quando um alto-falante é colocado em curto-circuito, seu cone fica "travado", tornando-se difícil para ele vibrar livremente em sua freqüência natural de ressonância. Para que um alto-falante "obedeça" fielmente a um amplificador, este deve ter uma impedância de saída o mais baixa possível; assim, o alto-falante enxergará um curto-circuito e não poderá vibrar à sua própria vontade.
A razão entre a impedância nominal do alto-falante (ZL) e a impedância de saída do amplificador (ZO) é chamada Fator de Amortecimento (damping factor). Note que a impedância de saída do amplificador não é a impedância nominal de carga (4 ohms, 8 ohms etc.), e sim valores muito mais baixos.


Figura 8 - Impedância de saída do amplificador

Para medir o FA, aplica-se uma tensão senoidal, na freqüência desejada, à entrada do amplificador, e mede-se a tensão de saída com a carga conectada (V1) e sem carga (V0), e aplica-se a fórmula abaixo:


Exemplo: Um amplificador, sem carga, fornece 10,00V na saída. Com a carga conectada, essa tensão cai para 9,92V. Qual o fator de amortecimento?



Note que o FA depende da impedância de carga (quanto mais baixa a impedância de carga, mais baixo o FA). O FA, em geral, varia significativamente com a freqüência, e é comum baixar nas freqüências altas. Ao se medir o FA, deve-se especificar a impedância de carga, e fazer a medição para várias freqüências de interesse.
Os amplificadores de estado sólido costumam ter altos fatores de amortecimento. Valores abaixo de 100 são considerados ruins, e acima de 500 são excelentes.
Os amplificadores valvulados costumam ter fatores de amortecimento bem mais baixos que os transistorizados, sendo comuns valores em torno de 50 ou até menos. Isto faz parte do chamado "som de válvula", com graves "quentes". Atenção: um amplificador valvulado não pode ser ligado sem carga. Para medir seu amortecimento, usam-se duas resistências de carga diferentes, R1 e R2, aplicando a fórmula:



onde V1 é a tensão de saída com carga igual a R1, e V2 é a tensão de saída com carga igual a R2.
Exemplo: mediu-se a tensão de saída de um amplificador valvulado. Com carga de 8 ohms, obtive-ram-se 10V. Com carga de 16 ohms, obtiveram-se 10,25V. Qual o fator de amortecimento?




Nota: este método pode também ser usado para amplificadores de estado sólido.

Ligação em ponte
A ligação em ponte consiste em usar dois amplificadores iguais, alimentados pelo mesmo sinal com a polaridade invertida. Então, a diferença de tensão entre as saídas das duas seções é o dobro da tensão de cada uma, o que resulta em que, com a mesma tensão de alimentação, se obtém o quádruplo da potência de saída para a mesma impedância de carga. A carga é ligada entre as duas saídas.


Figura 9 - Ligação em ponte


Por exemplo, com um amplificador de dois canais de 100 watts por canal em 4 ohms, obtém-se uma potência de 200 watts em 8 ohms em ponte.

Classes de amplificação mais usadas
Existem várias classes de amplificadores. Estas classes não são qualidades e sim tipos de circuitos de amplificadores.

Classe A
Em amplificadores classe A, os dispositivos (transistores ou válvulas) de saída conduzem corrente durante todo o ciclo do sinal. O rendimento é baixo (teoricamente 25%, tipicamente menos ainda), mas a qualidade de reprodução é máxima, pois não existe transição entre dispositivos, sendo assim o sinal absolutamente ininterrupto. Pelo alto consumo e peso, esta classe é usada quase exclusivamente por audiófilos e em amplificadores de referência, ou então em valvulados de baixa a média potência (até 30W) para guitarra.

Classe B
Na classe B, os dispositivos de saída conduzem corrente durante exatamente meio ciclo de sinal cada um. Um dispositivo é responsável pelo semiciclo positivo, e o outro pelo negativo. Na passagem de um dispositivo para o outro, um deles deixa de conduzir corrente antes de o outro começar a fazê-lo, e aparece uma descontinuidade no sinal, chamada distorção de transição (crossover distortion ). Esta distorção afeta fortemente sinais de alta freqüência e baixa amplitude. Por esta razão, não se usam amplificadores classe B "pura". O rendimento teórico é de 64% aproximadamente.

Classe AB
Para sanar o problema da distorção de transição, na classe AB cada dispositivo de saída conduz corrente durante um pouco mais do que meio ciclo, de modo que quando um dispositivo assume o sinal, o outro ainda está ativo e portanto não existe a descontinuidade citada na classe B. A qualidade sonora se aproxima da classe A, mas o rendimento energético é bem maior, chegando na prática a 60%.

Classe C
Nesta classe, é usado apenas um dispositivo de saída, o qual opera apenas durante meio ciclo; o restante do sinal é completado pela ressonância de um circuito sintonizado.
Esta classe não é usada, evidentemente, em amplificadores de áudio. É utilizada em transmissores de rádio, onde apenas uma freqüência é amplificada.

Classe D
Nesta classe, os dispositivos de saída não operam diretamente amplificando o sinal de áudio. O sinal de entrada é aplicado a um conversor PWM (modulador de largura de pulso), que produz uma onda retangular de alta freqüência (muito acima de 20kHz), perfeitamente quadrada quando não há sinal de áudio na entrada. Quando existe sinal, a parte positiva da onda retangular se torna tão mais larga quanto mais alta é a tensão do sinal de áudio, estreitando-se a parte negativa de modo que a freqüência da portadora (a onda retangular) se mantém constante, mas o valor médio da tensão se torna tão mais positivo quanto o sinal de entrada. No semiciclo negativo, naturalmente a parte negativa da portadora é que se alarga, tornando negativo seu valor médio.
Na saída, fazendo-se a portadora modulada passar por um filtro sintonizado em sua freqüência, ela é removida, restando o sinal de áudio.
Em um projeto bem feito, pode-se obter alta qualidade de áudio com um rendimento energético teórico de 100%. Como isso é possível? Os dispositivos de saída, operando com uma onda retangular de amplitude constante e máxima (de um extremo a outro da tensão da fonte), estão - o tempo todo - um deles com tensão zero e corrente máxima, e o outro com tensão máxima e corrente zero. Sendo a potência igual ao produto da tensão pela corrente, fica claro que a potência dissipada nos dispositivos de saída é sempre zero, portanto toda a energia da fonte de alimentação é transferida para o alto-falante.
Na prática, os dispositivos de saída não chegam (por motivos que não cabe aqui discutir) a trabalhar com ondas perfeitamente retangulares, nem chegam à tensão zero, o que causa um certo desperdício de potência; mas mesmo assim, o rendimento é sempre mais de 90%.

Classe D em ponte
É uma variante da classe D. Para eliminar o filtro passivo na saída do amplificador, que é volumoso, pesado e ainda reduz o fator de amortecimento, usam-se dois amplificadores classe D ligados em ponte. Com isso, a portadora é cancelada (pois ela existe nas duas seções em classe D com a mesma amplitude e fase), restando o sinal puro de áudio sem a necessidade do inconveniente filtro passivo.
O amplificador classe D em ponte é chamado por alguns fabricantes de amplificador classe K.

Classe H
Nos amplificadores classe H, a tensão da fonte de alimentação varia conforme o sinal de entrada, de forma a só fornecer ao estágio de saída a tensão necessária a seu funcionamento. A tensão da fonte pode variar entre dois ou mais valores, acompanhando assim de forma aproximada o sinal de saída. Dessa maneira, a tensão sobre os dispositivos de saída se mantém, em média, muito menor do que em um amplificador classe AB. Reduz-se então a potência dissipada nestes dispositivos, consumindo então muito menos energia para a mesma potência de saída.
O estágio de saída é, na realidade, um classe AB cuja fonte varia "aos pulos" conforme a potência requerida. Em potências baixas, quando a fonte não chega a comutar, o amplificador classe H se comporta exatamente como se fosse um classe AB de baixa potência.
As vantagens do amplificador classe H são evidentes: menor consumo, menor tamanho e menor peso que o classe AB. A desvantagem é a qualidade inferior de áudio, principalmente nas freqüências mais altas, causada pela comutação da fonte, que transparece para a saída em forma de distorção de transição. Quanto maior o número de comutações de tensão de fonte, maior é o rendimento energético e pior é a qualidade sonora.
Os amplificadores classe H são os mais usados, em sistemas de sonorização, para a reprodução de subgraves e graves, onde se requerem as maiores potências e também onde os defeitos da classe H não afetam a qualidade sonora. É preciso deixar claro que os amplificadores classe H não são melhores para os graves - mas são, realmente, mais econômicos e atendem perfeitamente à necessidade.

Artigo escrito por Sólon do Valle, em junho 2003

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