O Eterno debate 2
Condensado do trabalho de Russell O. Hamm
http://milbert.com/Files/articles/TvsT/tstxt.pdf
Para se obter a representação geral das características das distorções harmônicas em amplificadores de áudio, levantamos as curves de sobrecarga para quase cinqüenta circuito diferentes. As válvulas mais usadas foram as duplo triodo 12AY7 e 12AX7 , os triodos nuvistores the 8628 e 7586 e o pentodo 5879. Estas válvulas são constantemente usadas em pré-amplificadores de gravação. Foram também escolhidos os transistores de silício NPN 2N3391A, 2N5089 e 2N3117 pelas mesmas razões. Com intuito comparativo também levamos a efeito testes com o transistor 2N5087 que é o par complementar PNP do tipo 2N5089. Amplificadores operacionais monolíticos dos tipos LM709 e LM301 e mais dois projetos híbridos usados em consoles de gravação também foram analisados.
Fig. 1. Comparação da distorção harmônica total em estágios de amplificação simples (THD). ---(Total Harmonic Distortion)
As curvas apresentadas na Fig. 1 representam a distorção geral em um único estágio nos amplificadores de áudio. Todos os elementos operam em laço aberto (sem realimentação) com uma polarização escolhida para permitir o máximo possível de sinal de saída sem distorção. Fizemos com que houvesse uma referência comum correspondente a 3% (THD), sem tomar em conta os níveis de sinal de entrada, ganhos do estágio ou níveis de saída. Uma vez que o objetivo destas comparações é detectar as variações do aclive ou declive característico das distorções inerentes a cada tipo de componente eletrônico. O eixo dos X corresponde ao nível relativo independente das considerações de impedância. Estas curvas foram escolhidas entre as muitas levantadas como as mais representativas entre as diferentes famílias: transistores de silício, triodos e pentodos. Uma observação rápida já nos leva a ver que a premissa de que válvulas se saturam mais suavemente que os transistores, não passa de um mito.
Fig. 2. Multistage amp comparison of total harmonic distortion (THD).
A Fig. 2 mostra as características de distorção de quarto pre-amplificadores comerciais diferentes que usam dois ou mais estágios de amplificação. Todos os circuitos usam realimentação, dois deles são configurados em push-pull. Cada amplificador opera em 600 ohms com um ganho de 40 dB. Neste gráfico lançamos o ponto de referência em 1% THD. Enquanto estas curvas mostram uma sensível diferença das de estágio simples, uma observação em vários amplificadores de diferentes fabricantes demonstrou que os aclives de todos os THD são praticamente os mesmos A ausência de grandes variações entre as curvas indica que o levantamento final de THD em amplificadores não são relevantes, mas as respostas mudam aos ouvidos nos testes de audibilidade.
Outra série de testes foi feita no mesmo grupo de pré-amplificadores utilizando-se um analisador espectral para a medição da amplitude de cada harmônico. Cada amplificador foi levado a uma sobrecarga de 12db, a partir do ponto de referência de 1% de distorção no terceiro harmônico. Levantamos as curvas do segundo ao sétimo harmônico. Uma vez que não há possibilidade de medir a fase relativa dos harmônicos no analisador espectral, as formas de onda obtidas na sobrecarga foram gravadas para posterior análise pelas séries de Fourier num computador digital. As curvas resultantes dividiram os amplificadores em três categorias distintas.
Fig. 3 Distorção dos harmônicos em amplificador triodo de dois estágios.
A Fig 3 mostra as distorções dos harmônicos componentes de uma onda fundamental num amplificador com 12AY7. Este projeto em particular é bem representativo dos muitos amplificadores testados com configuração single-ended de vários estágios. A mais importante característica é a dominância do segundo harmônico seguido de perto pelo tereiro. O quarto harmônico soe 3 a 4 db depois correndo paralelamente ao terceiro. O quinto o sexto e o sétimo permanecem abaixo dos 5% mesmo quando saturamos a 12 db acima do ponto de sobrecarga. Os resultados são sempre os mesmos para válvulas octal, miniatura ou nuvistor, sejam em configuração singela(single ended) ou complementar(push pull). A Fig 4 é a da forma de onda apresentada com 12db acima do limite de sobrecarga. O corte é assimétrico com desvio do centro de inflexão, o que também é característico de todos os triodos.
Fig. 4. Forma de onda de amplificador triodo da Fig 3 com 12 db de sobrecarga. Tom de 1000 Hz.
Fig. 5. Distorção dos harmônicos em amplificador pentodo de dois estágios
A figura 5 mostra as distorções dos harmônicos componentes de uma onda fundamental num amplificador com dois estágios singelos com pentodos. Aqui o terceiro harmônico é dominante e o segundo levanta 3db depois com o mesmo aclive. O quarto e o quinto são evidente enquanto o sexto e o sétimo permanecem abaixo dos 5%. A forma de onda com sobrecarga de 12db apresentada na Fig 6 , é similar a do triodo mas seu ponto de inflexão é menos deslocado. Não devemos assumir que todos os amplificadores de válvulas possam ser representados por estes dois exemplos. Contudo, a principal característica dos amplificadores de válvulas é a presnça de segundos e terceiros harmônicos fortes, algumas vezes em concertos com o quarto e quinto, mas sempre os primeiros com maior amplitude. Os harmônicos após o quinto não são significantes a menos que a sobrecarga vá muito alem dos 12db. Esta características permanecem as mesmas ainda que hajam grandes variações nos parâmetros dos circuitos. Estas propriedades são encontradas nos pentodos e triodos.
Fig. 6. Forma de onda de amplificador pentodo da Fig 5 com 12 db de sobrecarga. Tom de 1000 Hz
Fig. 7. Distorção dos harmônicos em amplificador transistorizado de múltiplos estágios com acoplamento capacitivo
As Figs. 7 e 9 mostram as características de amplificadores que utilizam dois transistores. Da mesma forma que os gráficos anteriores estas curvas são representativas de todos os amplificadores transistorizados que foram testados. A característica mais importante é o forte componente do terceiro harmônico. Todos os demais harmônicos estão presentes mas sempre em menor amplitude que o terceiro. Quando a sobrecarga atinge o ponto de corte, todos os harmônicos mais altos crescem simultaneamente. Este ponto é alcançado a apenas 3 a 6 db após o ponto 1% do terceiro harmônico. As formas de onda destes amplificadores demonstrados nas Fig 8 e 10 são sensivelmente quadradas com corte simétrico e sem desvio do ponto de inflexão. Os dois amplificadores testados têm configurações radicalmente diferentes mas apresentam entradas singelas e saídas complementares.
Fig. 8. Forma de onda de amplificador transistorizado da Fig 7 com 12 db de sobrecarga. Tom de 1000 Hz
Fig. 9. Distorção dos harmônicos em amplificador transistorizado de múltiplos estágios com acoplamento a transformador.
Fig. 10. Forma de onda de amplificador transistorizado da Fig 9 com 12 db de sobrecarga. Tom de 1000 Hz
Características dos amplificadores Operacionais.
A Fig 11 mostra o comportamento de um amplificador operacional hibrido. O terceiro harmônico se eleva rapidamente como o elemento dominante da distorção quase que de forma semelhante ao transistor. Também são muito fortes o quinto e o sétimo harmônico. Todos os harmônicos pares são completamente suprimidos. A forma de onda da Fig 12 mostra uma onda quadrada perfeita. Do ponto de vista classificatório, os amplificadores operacionais possuem as suas características uniformes sem desvio das curvas apresentadas neste exemplo.
Fig. 11. Distorção de harmônicos num Opamp monolítico com saída híbrida.
Fig. 12. Forma de onda para o Opamp da Fig 11 com sobrecarga de 12 db com sinal de 1000Hz.
Sob o ponto de vista dos transientes que naturalmente acontecem nos sinais de áudio, freqüências simples contínuas conduzem a resultados duvidosos para a análise das distorções. Sem duvida argumentos contra ondas senoidais e pulsos para testes em sistemas de áudio foram argumento para muitos estudos a respeito. Para nossos objetivos, podemos partir da premissa que instrumentos musicais não produzem pulsos rápidos. Por exemplo, uma boa simulação de tambor é usar um tom de 100Hz modulado por um envelope de ascensão de 5ms e de queda de 300ms. Uma trombeta corresponde a um rápido staccato de 12ms. Este valores jamais poderão ser considerados pulsos para amplificadores cuja banda passante se estende aos 20kHz ou mais. Para provar a correção dos resultados obtidos com sinais fixos, sintetizamos o som do tambor e os aplicamos no mesmo nível do sinal original de um microfone.
A cuidadosa observação do sinal amplificado mostrou que o envelope de corte foi absolutamente idêntico ao do sinal permanente que levava o amplificador ao corte, conforme Fig 13. Não ocorreram oscilações ou outros fenômenos de transientes rápidos no sinal de saída.
Fig. 13. (a) Envelope de Moog gerado pelo sinal de teste do tambor. (b) Envelope de corte dos sinais transientes idêntico ao sinal de mono freqüência nos níveis de corte.
Dividindo os amplificadores em três grupos segundo as de características da distorção, a etapa seguinte é determinar como os harmónicos se relacionam à audição.
Há um paralelo aqui entre a distorção eletrônica e a coloração do tom musical que é a chave do porque as válvulas e os transistores soam diferentes.
Provavelmente as maiores autoridades nesta área são os artesãos construtores de órgãos e instrumentos musicais.
Com muitos anos de cuidadosa experiência estes artesãos determinaram como os vários harmônicos se relacionam à coloração de um instrumento.
A coloração característica preliminar de um instrumento é determinada pela intensidade dos primeiros harmônicos. Cada um dos harmônicos mais baixos produz seu próprio efeito característico.
Quando é dominante pode modificar o efeito de um outro harmônico dominante mais baixo se lhe é proeminente.
Na classificação mais simples, os harmônicos mais baixos são divididos em dois grupos tonais.
Os harmônicos impares (terceiros e quintos) produzem uma "paralisação" ou "cobertura" do som.
Os harmônicos pares (segundo, quarto, e sexto) produzem um efeito de som como "coral" ou "cântico".
Os segundos e terceiros harmônicos são os mais importantes do ponto de vista dos gráficos eletrônicos quanto a distorção conforme vimos na seção precedente.
O segundo é uma oitava musical acima da fundamental e é quase inaudível; contudo adiciona o “corpo” ao som, fazendo-o mais cheio.
O terceiro é denominado têmpera ou um musical duodécimo.
Produz um som que muitos músicos referem como o "esvaziador." Uma vez que em lugar de fazer o tom mais cheio, um terceiro harmônico forte torna som mais macio.
Adicionar um quinto harmônico a um terceiro forte dá ao som uma qualidade metálica que começa a irritar a medida que sua amplitude aumenta.
Um segundo harmônico forte com um terceiro harmônico forte tende a abrir o efeito de "cobertura".
Adicionar o quarto e o quinto harmônicos, muda o som para uma característica de "trombeta".
Os harmônicos mais elevados, acima do sétimo, dão ao som "abrupto" ou "mordido". Quando esta “borda” abrupta é equivalente ao tom musical básico, ela tende a reforçar a fundamental, dando ao som uma qualidade “cortante” ao ser ouvida.
Muitos dos harmônicos de alta ordem possuem cadência musical não relacionada com a fundamental, tais como o sétimo, o nono, e o décimo primeiro. Conseqüentemente, harmônicos de alta ordem em demasia podem produzir um desagradável som “raspante”.
O ouvido parece ser muito sensível aos harmônicos de alta ordem, controlar sua amplitude é de importância primordial.
O estudo previamente mencionado do tom da trombeta mostra que o efeito dos harmônicos de alta ordem estão relacionados diretamente ao volume do som.
Tocar a mesma nota da trombeta alta ou macia faz pouca diferença na amplitude da fundamental e dos harmônicos mais baixos. Entretanto harmônicos acima do sexto aumentam ou diminuem em amplitude na proporção quase direta ao volume. Este contrapeso proporcionado pelos harmônicos de alta ordem é um sinal critico para reconhecimento do volume pelo ouvido humano.
RELACIONAMENTO DOS FATORES E DOS RESULTADOS
O fator básico na diferença do som da válvula e do transistor é o peso relativo das distorções que ocorrem nos harmônicos em cada amplificador na região da sobrecarga. Os amplificadores de transistor exibem um componente forte da distorção de terceiro harmônico quando conduzidos na sobrecarga. Este harmônico produz um som "coberto", dando à gravação uma qualidade restrita. Alternativamente um amplificador de válvula quando sobrecarregado gera um espectro inteiro dos harmônicos. Particularmente fortes são os segundos, terceiros, quartos, e quintos que dão um "corpo de bronze cheio" ao som. Quanto mais o amplificador é conduzido à saturação, maior a amplitude dos harmônicos mais elevados como o sétimo, o oitavo, o nono, etc. Estes adicionam uma característica abrupta ao som que o ouvido traduz como informação de volume. Sobrecarregar um amplificador operacional produz tal quantidade de harmônicos abruptos que se tornam desagradáveis dentro de uma escala de apenas 5-dB. Os transistores estendem esta escala da sobrecarga aproximadamente à 10-dB e as válvulas aceitam 20-dB ou mais. Usando esta análise básica, as características de psicoacústica indicadas anteriormente podem ser relacionadas às propriedades elétricas dos harmônicos de cada tipo de amplificador.
Não era intenção de este trabalho analisar amplificadores operacionais. Entretanto, os testes mostram que estes caem em uma classe distinta criada por eles mesmos. Basicamente, os amplificadores operacionais produzem o terceiro, o quinto, e o sétimo harmônicos fortes quando conduzidos a apenas poucos db de sobrecarga. O som resultante é metálico com uma borda muito áspera que o ouvido interpreta como uma distorção muito forte. O som é tão desagradável, que atua como um sinal de advertência de sobrecarga claramente audível. Conseqüentemente, os amplificadores operacionais são raramente operados em sua região saturada. Isto conduz a um som amplificado muito limpo com pouca coloração e de alcance dinâmico dentro das limitações do amplificador. O alcance dinâmico real não é necessariamente a causa determinante da boa reprodução segura, entretanto, este alcance dinâmico é muito maior do que todos os discos ou fitas presentemente disponível. Por causa de suas características os amplificadores operacionais produzem somente a extremidade superior do alcance dinâmico que contém todos os transientes, mas falta a informação do corpo que o ouvido interpreta como música.
Quando gravações de alcance dinâmico real são tocadas em um sistema de escala limitada, estes soam de maneira muito raquítica. Isto se relaciona diretamente ao que o ouvinte havia originalmente mencionado; o comentário de que os transistores gravam muito limpo, mas soam sibilantes como címbalos.
As características de transistor que notamos em nossos testes foram: o zumbido ou ruído branco e a falta de "penetração". O zumbido é naturalmente diretamente relacionado aos harmônicos de alta ordem produzidos pela sobrecarga nos transientes. A suposição que este seja ruído branco é devido ao fato de que muitos dos harmônicos de alta ordem como o sétimo e o nono não estão relacionados musicalmente à fundamental. O ouvido percebe estes tons dissonantes como um tipo do ruído que acompanha cada ataque. A falta de “penetração” é devido à presença do terceiro harmônico forte que é inaudível "esvaziando" o som. Isto é corrigível usando um amortecimento bastante generoso para impedir que todos os picos alcancem a região de saturação do amplificador. Mas do ponto de vista prático, não há nenhuma maneira de determinar isto na maioria de consoles. Adicionar indicadores auxiliares máximos na entrada dos pré-amplificadores poderia aliviar os dois problemas, e o som passaria a ser muito próximo àquele do amplificador operacional em sua região linear.
Os amplificadores à válvula diferem dos transistorizados e dos amplificadores operacionais porque podem ser operados na região da sobrecarga sem adicionar a distorção desagradável. A combinação de harmônicos de alta ordem, com aumento progressivamente lento e a estrutura aberta dos harmônicos durante a sobrecarga conferem uma forma quase ideal de um compressor da gravação de som. Dentro de uma sobrecarga ainda segura de 15 a 20-dB, a saída do amplificador a válvula aumentará somente de 2 a 4db, atuando como um limitador natural. Entretanto, a partir do fato que os harmônicos de alta ordem também aumentam na mesma escala, o volume subjetivo aparece como não comprimido ao ouvido. Este efeito faz com que os amplificadores valvulados aparentem ter um nível de saída elevado que não é indicado pelo indicador do volume (medidor do VU).
As válvulas soam mais alto e têm uma relação sinal-ruído melhor por causa deste dado extra que os amplificadores transistorizados não possuem. As válvulas adquirem penetração também pelas suas características de sobrecarga que soam naturalmente como bronze. Da mesma forma que os sinais altos podem ser gravados a níveis mais elevados, os sinais mais brandos são igualmente mais altos, não sendo assim perdidos no silvo da fita e dão eficazmente ao som da válvula muito maior claridade.
Isto ocorre também quando comparamos a gravação em fita com a gravação digital. Esta última é propositalmente gravada em níveis altos pela natureza do digital que elimina sons abaixo de um determinado nível. Para que se evite toda a perda de informação, escolhe-se um nível mínimo arbitrário que é mais amplificado que os demais (Dolby) proporcionando uma “clareza” artificial, que ouvida continuamente através de fones pode vir a causar perda de audição e até surdez, e ouvida em equipamentos convencionais causa fadiga diferencial; (ansiedade psíquica pelo fato dos sons não parecerem naturais). Na verdade até impressiona à primeira audição, o que é intencionalmente feito para atrair compradores.
Nas válvulas, a sensação uma resposta nos graves é mais realçada e é relacionada diretamente aos componentes de segundo e terceiro harmônico fortes que reforçam os graves "naturais". Chamamos este fenômeno de "graves sintéticos". No contexto de um sistema de alcance dinâmico limitado como os dos amplificadores domésticos comerciais, as gravações feitas com os pré-amplificadores de válvulas terão sempre um maior nível aparente na relação do sinal ruído quando comparados às gravações feitas com amplificadores transistorizados ou amplificadores operacionais.
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