Um amplificador de potência de áudio (ou amplificador de potência) amplifica sinais de áudio eletrônicos de baixa potência, como o sinal de um receptor de rádio ou do captador de uma guitarra elétrica, para um nível que seja alto o suficiente para alimentar alto-falantes ou fones de ouvido. Os amplificadores de potência de áudio são encontrados em todos os tipos de sistemas de som, incluindo reforço de som, sonorização pública (PA), sistemas de áudio residencial e amplificadores de instrumentos musicais, como amplificadores de guitarra. É o estágio eletrônico final em uma cadeia de sinal típica de reprodução de áudio antes que o sinal seja enviado para os alto-falantes. Os estágios anteriores em tal cadeia são amplificadores de áudio de baixa potência, que realizam tarefas como pré-amplificação do sinal, equalização e mistura de diferentes sinais de entrada (mixagem). As entradas também podem vir de qualquer número de fontes de áudio, como toca-discos, reprodutores de CD, reprodutores de áudio digital e reprodutores de cassete. A maioria dos amplificadores de potência de áudio requer essas entradas de nível baixo, que são de nível de linha. Embora o sinal de entrada para um amplificador de potência de áudio, como o sinal de uma guitarra elétrica, possa medir apenas algumas centenas de microwatts, sua saída pode ser de alguns watts para pequenos dispositivos eletrônicos de consumo, como rádio-relógios, dezenas ou centenas de watts para um sistema estéreo residencial, vários milhares de watts para o sistema de som de uma casa noturna ou dezenas de milhares de watts para um grande sistema de reforço de som de um show de rock. Embora os amplificadores de potência estejam disponíveis em unidades autônomas, normalmente voltadas para o mercado audiófilo de alta fidelidade (um mercado de nicho) de entusiastas de áudio e profissionais de sistemas de reforço de som, muitos produtos eletrônicos de consumo de áudio, como um amplificador integrado, um receiver, rádio-relógios, boomboxes e televisores, têm um pré-amplificador e um amplificador de potência contidos em um único chassi.
História
O amplificador de áudio foi inventado por volta de 1912 por Lee de Forest. Isso foi possível graças à sua invenção do primeiro componente elétrico amplificador prático, a válvula triodo em 1907. O triodo era um dispositivo de três terminais com uma grade de controle que podia modular o fluxo de elétrons do filamento para a placa. O amplificador de válvula triodo foi usado para fazer o primeiro Rádio AM. Os primeiros amplificadores de potência de áudio baseavam-se em válvulas térmicas e alguns deles alcançaram uma qualidade de áudio notavelmente alta (por exemplo, o amplificador Williamson de 1947–1949).
Os amplificadores de potência de áudio baseados em transistores tornaram-se práticos com a ampla disponibilidade de transistores de baixo custo no final da década de 1960. Desde a década de 1970, a maioria dos amplificadores de áudio modernos é baseada em transistores de estado sólido, especialmente o transistor de junção bipolar (BJT) e o transistor de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor (MOSFET). Os amplificadores baseados em transistores são mais leves, mais confiáveis e requerem menos manutenção do que os amplificadores valvulados. O MOSFET foi inventado no Bell Labs entre 1955 e 1960 e foi adaptado em um MOSFET de potência para áudio por Jun-ichi Nishizawa na Universidade de Tohoku em 1974. Os MOSFETs de potência logo foram fabricados pela Yamaha para os seus amplificadores de áudio hi-fi. JVC, Pioneer Corporation, Sony e Toshiba também começaram a fabricar amplificadores com MOSFETs de potência em 1974. Em 1977, a Hitachi introduziu o LDMOS (MOS de difusão lateral), um tipo de MOSFET de potência. A Hitachi foi a única fabricante de LDMOS entre 1977 e 1983, período no qual o LDMOS foi usado em amplificadores de potência de áudio de fabricantes como HH Electronics (série V) e Ashly Audio, sendo utilizados para música e sistemas de sonorização pública. Os amplificadores de classe D tornaram-se bem-sucedidos em meados da década de 1980, quando MOSFETs de comutação rápida e baixo custo tornaram-se disponíveis. Muitos amplificadores transistorizados usam dispositivos MOSFET em suas seções de potência, porque sua curva de distorção é mais semelhante à do som valvulado. Na década de 2010, ainda existem entusiastas do áudio, músicos (particularmente guitarristas elétricos, baixistas elétricos, tocadores de Órgão Hammond e de Piano elétrico Fender Rhodes, entre outros), engenheiros de som e produtores musicais que preferem amplificadores baseados em válvulas e o que é percebido como um "som mais quente".
Parâmetros de projeto
Os principais parâmetros de projeto para amplificadores de potência de áudio são a resposta em frequência, o ganho, o ruído e a distorção. Estes são interdependentes; aumentar o ganho muitas vezes leva a aumentos indesejados de ruído e distorção. Embora a retroalimentação negativa reduza o ganho, ela também reduz a distorção. A maioria dos amplificadores de áudio são amplificadores lineares operando na classe AB. Até a década de 1970, a maioria dos amplificadores usava válvulas térmicas. Durante a década de 1970, os amplificadores valvulados foram cada vez mais substituídos por amplificadores baseados em transistores, que eram mais leves, mais confiáveis e exigiam menos manutenção. No entanto, os pré-amplificadores valvulados ainda são vendidos em mercados de nicho, como entre entusiastas de hi-fi residencial, engenheiros de som e produtores musicais (que usam pré-amplificadores valvulados em gravações de estúdio para "aquecer" os sinais dos microfones) e guitarristas elétricos, baixistas elétricos e tocadores de órgão Hammond, dos quais uma minoria continua a usar pré-amplificadores, amplificadores de potência e unidades de efeitos valvulados. Enquanto os entusiastas de hi-fi e engenheiros de som que fazem som ao vivo ou monitoramento de faixas no estúdio normalmente buscam amplificadores com a menor distorção, os músicos de instrumentos elétricos em gêneros como Blues, música rock e Heavy metal, entre outros, usam amplificadores valvulados porque gostam da saturação (overdrive) natural que as válvulas produzem quando levadas ao limite. O amplificador classe D, que é muito mais eficiente do que os amplificadores de classe AB, é agora amplamente utilizado em produtos de áudio eletrônicos de consumo, amplificadores de contrabaixo e equipamentos de sistemas de reforço de som, já que os amplificadores classe D são muito mais leves e produzem muito menos calor, embora possam introduzir algum ruído.
Filtros e pré-amplificadores Como os dispositivos digitais modernos, incluindo reprodutores de CD e DVD, receptores de rádio e decks de fita, já fornecem um sinal plano em nível de linha, o pré-amplificador não é necessário, exceto como controle de volume e seletor de fonte. Uma alternativa a um pré-amplificador separado é simplesmente usar controles passivos de volume e comutação, às vezes integrados a um amplificador de potência para formar um amplificador integrado.
Estágios de saída de potência
O estágio final de amplificação, após os pré-amplificadores, é o estágio de saída, onde as maiores exigências são feitas aos transistores ou válvulas. Por esta razão, as escolhas de projeto feitas em torno do dispositivo de saída (para estágios de saída de terminação única, como em amplificadores de triodo de terminação única) ou dispositivos (para estágios de saída push-pull), como a classe de operação dos dispositivos de saída, são frequentemente tomadas como a descrição de todo o amplificador de potência. Por exemplo, um amplificador classe B provavelmente terá apenas os dispositivos de saída de alta potência operando em corte durante metade de cada ciclo, enquanto os outros dispositivos (como o amplificador diferencial, o amplificador de tensão e possivelmente até os transistores drivers) operam na classe A. Em um estágio de saída sem transformador (OTL), os dispositivos estão essencialmente em série com a fonte de alimentação e a carga de saída (como um alto-falante), possivelmente através de algum capacitor grande e/ou pequenas resistências.
Desenvolvimentos adicionais
Distorção por intermodulação transiente Por alguns anos após a introdução dos amplificadores de estado sólido, seu som percebido não tinha a excelente qualidade de áudio dos melhores amplificadores de áudio valvulados. Isso levou os audiófilos a acreditar que o som valvulado tinha uma qualidade intrínseca devido à própria tecnologia das válvulas. Em 1970, Matti Otala publicou um artigo sobre distorção transiente. A distorção transiente mais tarde ficou conhecida como distorção por intermodulação transiente (TIM). Dois anos depois, em um artigo de 1972, Matti Otala relatou que a TIM ocorria durante aumentos muito rápidos na tensão de saída do amplificador. Na época, alguns pensavam que a TIM era uma forma de distorção anteriormente não observada, apenas para ser revelado por outros autores em artigos posteriores que a TIM não era única ou inédita, já que as técnicas de medição disponíveis revelavam que a TIM era, na realidade, distorção por taxa de subida (slew rate), que por sua vez sempre se revelava como a tradicionalmente medida distorção harmônica aumentando nas frequências mais altas, bem como pela tradicionalmente medida distorção por intermodulação. Artigos posteriores também revelaram que a distorção TIM era desencadeada não apenas por transientes, mas também por medições de tons senoidais em estado estacionário. A afirmação no artigo de 1970 de Otala de que um grande ganho em malha aberta (criando um alto nível de retroalimentação negativa) era uma causa de distorção transiente foi posteriormente atualizada quando Cordell concluiu exatamente o oposto, determinando que uma largura de banda pequena em malha aberta combinada com um grande ganho em malha aberta não causa TIM. Publicações adicionais de Otala e outros autores encontraram a solução para a distorção TIM, incluindo o aumento do slew rate, a diminuição da largura de banda de frequência do pré-amplificador e a inserção de um circuito de compensação de atraso no estágio de entrada do amplificador de forma a tornar o estágio de entrada mais linear.
Teorema de Baxandall O próximo passo no projeto avançado foi o Teorema de Baxandall, criado por Peter Baxandall na Inglaterra. Este teorema introduziu o conceito de comparar a razão entre a distorção de entrada e a distorção de saída de um amplificador. Essa nova ideia ajudou os engenheiros de projeto de áudio a avaliar melhor os processos de distorção dentro de um amplificador.
Efeito Baxandall Ao aplicar retroalimentação negativa, o Efeito Baxandall pode entrar em ação, onde, à medida que o nível de retroalimentação negativa é aumentado em uma faixa limitada, o produto da distorção harmônica de segunda ordem é reduzido conforme o esperado, mas, ao mesmo tempo, os produtos da distorção harmônica de ordem superior aumentam. Isso levou ao mito de que altos níveis de retroalimentação negativa são prejudiciais. No entanto, conforme o nível de retroalimentação negativa é aumentado além de aproximadamente 20 dB, todos os produtos de distorção são reduzidos ainda mais, demonstrando que níveis mais altos de retroalimentação negativa não possuem desvantagens.
Aplicações
Aplicações importantes incluem sistemas de sonorização pública (PA), sistemas de reforço de som teatrais e de concertos, e sistemas domésticos, como um sistema estéreo ou de home theater. Amplificadores de instrumentos, incluindo amplificadores de guitarra e amplificadores de teclado eletrônico, também usam amplificadores de potência de áudio. Em alguns casos, o amplificador de potência para um amplificador de instrumento é integrado em um único "cabeçote" de amplificador que contém um pré-amplificador, controles de tom e efeitos eletrônicos. Esses componentes podem ser montados em uma caixa acústica de madeira para criar um "amplificador combo". Músicos com necessidades exclusivas de desempenho e/ou necessidade de amplificação muito potente podem criar uma configuração personalizada com pré-amplificadores independentes montados em rack, equalizadores e um amplificador de potência instalado em um case de transporte de 19 polegadas. Os amplificadores de potência estão disponíveis em unidades autônomas, que são usadas por entusiastas de áudio hi-fi e projetistas de sistemas de sonorização pública (sistemas de PA) e sistemas de reforço de som. Um usuário de hi-fi de amplificadores de potência pode ter um amplificador de potência estéreo para alimentar os alto-falantes esquerdo e direito e um amplificador de potência de canal único (mono) para alimentar um subwoofer. O número de amplificadores de potência usados em uma configuração de reforço de som depende do tamanho do local. Uma pequena cafeteria pode ter um único amplificador de potência alimentando duas caixas de PA. Uma casa noturna pode ter vários amplificadores de potência para os alto-falantes principais, um ou mais amplificadores de potência para os alto-falantes de retorno (apontados para a banda) e um amplificador de potência adicional para o subwoofer. Um show em um estádio pode ter um grande número de amplificadores de potência montados em racks. A maioria dos produtos de som eletrônicos de consumo, como TVs, boomboxes, sistemas de som de home theater, teclados eletrônicos Casio e Yamaha, amplificadores de guitarra "combo" e som automotivo, possuem amplificadores de potência integrados dentro do chassi do produto principal.
Ver também Amplificador FET Amplificador de instrumento musical Amplificador de radiofrequência Amplificador OCL
Referências