Bio-engenharia Aplicada aos dch



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Bio-engenharia

Aplicada aos DCH









Capítulo 8

Amplificadores, Filtros e Equalizadores


1. – Pré-amplificadores


O pré-amplificador é o primeiro estágio ativo (incorpora energia ao sinal) e o primeiro circuito eletrônico que processa um sinal de áudio. Assim, toda a corrente elétrica advinda de uma fonte de sinal (microfone, cabeça reprodutora de um gravador, sinal de uma célula fotoelétrica de um reprodutor de CD, etc.), encontra como primeiro circuito o pré-amplificador.

O pré-amplificador é um circuito eletrônico (ou um equipamento que contém este circuito) que amplia um fraco sinal de áudio para níveis satisfatórios ao seu processamento. Em termos numéricos, um pré-amplificador tem os seguintes valores:



O pré-amplificador recebe sinais da ordem de –70 ou –50 dBu, que são típicos valores de saída de microfones, pickups de toca-discos ou CD, ou cabeças de gravadores. Amplificados, estes sinais chegam entre -20 e +4 dBu, o que corresponde a tensões entre 0,1 e 2 volts. A potência envolvida nesta amplificação vai de 0,00001 a 0,002 Watts.

Lembrar que 0 dBu é sempre 0,775 volts

1.1 – Relação Sinal/Ruído
Ao amplificar um sinal, o pré-amplificador incorpora ao sinal amplificado um ruído, nomalmente, proporcional ao seu ganho. A relação Sinal/Ruído (S/N) na sáida do pré-amplificador é um importante parâmetro da qualidade do equipamento. Bons circuitos apresentam S/N maior que 90 dB.

2. – Amplificadores


O amplificador de potência é um componente que tem como função ampliar a potência do sinal de áudio. Em sistemas eletroacústicos, o amplificador é sempre o último componente ativo no processamento do sinal, se localizando antes dos alto-falantes. Normalmente, em equipamentos domésticos, os amplificadores de potência e os pré-amplificadores são construídos dentro de uma caixa única, formando um único equipamento.


O Amplificador de Potência dá energia ao sinal elétrico para excitar o alto-falante, que é um transdutor de baixa impedância (4 ou 8 ohms). Esta potência se dá em forma de corrente elétrica.

2.1 – O Efeito Clipping


Quando é solicitada uma potência do amplificador maior da que ele foi projetado, ocorre o clipping. A Figura 8.1 ilustra a ocorrência do clipping na amplificação de um sinal senoidal.

No caso ‘A’ vemos a amplificação sem o clipping, ou seja, o sinal senoidal é idêntico ao da entrada do amplificador (sem distorções). Em ‘B’ a amplificação do sinal de entrada excedeu a potência do amplificador, acontecendo o corte (clipping) do sinal de saída. Se nós continuamos aumentando o sinal de entrada, o sinal de saída não cresce, mas deforma mais a onda.

O clipping tem dois efeitos básicos: o primeiro é um enorme aumento na distorção do sinal, as vezes o tornando irreconhecível. O segundo é a geração de grande quantidade de harmônicos de alta freqüência, sobrecarregando os trandutores (tweeters).

2.2 – Relação entre Potência e NPS (SPL)


O fator que relaciona a potência do amplificador e o Nível de Pressão Sonora gerado por um alto-falante é a sensitividade do alto-falante. Devemos lembrar que a sensitividade é dada em NPS/Watt, normalmente medido a um metro de distância no eixo do alto-falante, usando-se o ruído rosa (pink noise) como sinal.

Se considerarmos uma potência de 100 Watts em um alto-falante (ou caixa acústica) com sensitividade de 93 dB/W teremos:

NPS = 10 . log (P1/Pr)

NPS = 10 . log (100 W/1 W)

NPS = 10 . log 100

NPS = 10 . 2



NPS = 20 dB
Ou seja, a potência de 100 W proporcionará um NPS de 20 dB acima do Nível de Pressão Sonora para 1 W. Portanto os 100 W gerarão um NPS de 93 + 20 dB, ou NPS = 113 dB.

2.3 – Valores Comerciais de Potência


Para designar as potência de alto-falantes e caixas acústicas, podemos encontrar várias designações para potências.
Potência Contínua – Designa o nível médio de potência que um alto-falante pode trabalhar. É a máxima potência em sinal senoidal de 1kHz que um alto-falante consegue suportar durante várias horas sem apresentar superaquecimento.



Figura 8.1 - Ocorrência do clipping na amplificação de um sinal

Potência de Programa – É a máxima potência suportada por um alto-falante, testado com um sinal próprio de teste, semelhante a um sinal musical. Normalmente, a Potência de Programa é o dobro da Potência Contínua.


Potência de Pico – Se refere à máxima potência instantânea que um alto-falante pode suportar. O tempo de atuação desta potência é menor que um décimo de segundo). O valor da Potência de Pico é mais que o dobro da potência de Programa.
PMPO – Sigla criada por empresas fabricantes de equipamentos eletroacústicos (Peak Maximum Power Output) para designar a potência. Não tem qualquer norma de medição, sendo que seus valores oscilam entre 8 a 10 vezes a Potência Contínua.
3. – Filtros de Freqüência
Filtros de freqüência são circuitos eletrônicos (ativos ou passivos) que bloqueiam ou permitem a passagem de sinais em função de suas freqüências. Dois parâmetros são importantes para definir um filtro:
Freqüência de Corte – também chamada de ponto de corte, é a freqüência que divide a banda passante e a banda cortante do filtro, onde o sinal está atenuado 3 dB.
Taxa de atenuação – É a intensidade da atenuação da freqüência na banda cortante. Valores comuns desta taxa são de 6, 12, 18 ou 24 dB/oitava.
Existem dois tipos básicos de filtros de freqüência:
Filtros Passa-baixos – Permitem a passagem de sinais de baixas freqüências, bloqueando os sinais de altas freqüências. A Figura 8.2 mostra um filtro passa-baixos com freqüência de corte de 1000 Hz e taxa de atenuação de 24 dB/Oitava.
Filtros Passa-altos – Permitem a passagem de sinais de altas freqüências, bloqueando os sinais de baixas freqüências. A Figura 8.3 mostra um filtro passa-altos com freqüência de corte de 100 Hz e taxa de atenuação de 12 dB/Oitava.
A combinação destes dois filtros pode gerar :
 Filtros passa-banda – o uso de um filtro passa-altos com um filtro passa-baixos produz um filtro passa-banda. Este filtro permite a passagem de sinais dentro de uma banda específica de freqüências, bloqueando as demais freqüências superiores e inferiores à banda. Necessita de duas freqüências de corte (superior e inferior) e uma taxa de corte. A Figura 8.4 apresenta um filtro passa-banda, com banda passante entre 100 e 1kHz e taxa de atenuação de 24 dB/Oitava.
 Filtros corta-banda – o uso de um filtro passa-baixos com um filtro passa-altos produz um filtro corta-banda. Este filtro bloqueia os sinais dentro de uma banda específica de freqüências, permitindo a passagem as demais freqüências superiores e inferiores. A Figura 8.5 apresenta um filtro corta-banda, com banda cortante entre 1 kHz e 5 kHz e taxa de atenuação de 12 dB/Oitava.

dB


20

10


Banda Cortante

Banda Passante


00




-3

-10



-20



-30



-40



-50




20

freq

20k

10k

5k

1k

500

100

50

2k

3k

Figura 8.2. – Filtro passa-baixos.



dB


20

10


Banda Cortante


Banda Passante

00



-3

-10



-20



-30



-40



-50




20

freq

20k

10k

5k

1k

500

100

50

2k

3k

Figura 8.3. – Filtro passa-altos.


dB


20

Banda Cortante

10


00


-3

-10



Banda Passante

Banda Passante

-20


-30


-40



-50




20

freq

20k

10k

5k

1k

500

100

50

2k

3k

Figura 8.4. – Filtro corta-banda.



dB


20

Banda Cortante

10


Banda Cortante


00




-3

-10



Banda Passante

-20


-30


-40



-50




20

freq

20k

10k

5k

1k

500

100

50

2k

3k

Figura 8.5. – Filtro passa-banda.


4. – Equalizadores


Equalizadores são circuitos ou equipamentos compostos por vários filtros de freqüências que permitem modificar o espectro de um sinal de áudio. Estes filtros, por conterem um pré-amplificador, permitem não apenas cortar determinadas bandas de freqüências, mas também amplificá-las. Os equalizadores mais comuns, o ganho é entre  12 a  15 dB.

O tipo mais simples de equalizador é o controle de tonalidade (graves e agudos) contido nos pré-amplificadores; na verdade estes controles se caracterizam como um equalizador de duas bandas: a banda de sons graves, controlada por um filtro passa-baixos, e a banda de agudos, controlada por um filtro passa-altos. A banda de sons médios não é controlada. A Figura 8.6 e 8.7 mostram os diagramas dos controles de tonalidade.



Figura 8.6 - Diagramas dos controles de tonalidade.


Figura 8.7 - Diagramas dos controles de tonalidade.

4.1. – Equalizadores Multi-bandas
Os Equalizadores multi-bandas se caracterizam por possuírem um grande número de filtros de freqüências, possibilitando uma análise (ou alteração) detalhada do espectro do sinal sonoro. A Figura 8.8 apresenta um equalizador de 3 bandas (baixa, média e alta freqüências) e a Figura 8.9 mostra um equalizador de 4 bandas.

Figura 8.8 - Equalizador de 3 bandas (baixa, média e alta freqüências)




Figura 8.9- Equalizador de 4 bandas

Quanto ao tipo de equalizadores, estes se dividem em dois grandes grupos:


 Equalizadores Gráficos – que se caracterizam por terem as freqüências de corte dos filtros fixas, como nas figuras anteriores. A Figura 8.10 mostra um equalizador gráfico de um terço (1/3) de oitava. Este equalizador divide cada oitava da banda audível em 3 partes, gerando portanto 30 bandas, que são controladas por 28 filtros passa-banda, um filtro passa-baixos e um filtro passa-altos.



Figura 8.10 - Equalizador gráfico de um terço (1/3) de oitava.


 Equalizadores Paramétricos – São aqueles que possibilitam a alteração da freqüências de corte dos filtros de cada banda. A Figura 8.11 mostra o esquema de um equalizador paramétrico de 3 bandas; notar que é possível alterar o ganho ( 12) dos 3 filtros e a freqüência de corte do filtro passa-baixos entre 50 Hz e 1kHz, do filtro passa-banda de média freqüências entre 0,2 kHz e 5 kHz, e do filtro passa-altos de 3 kHz a 16 kHz.


A Figura 8.12 mostra um equalizador paramétrico reduzindo a microfonia (feedback) em um local que usa equipamento de amplificação sonora para microfones.


Figura 8.11 - Equalizador paramétrico



Figura 8.12 - Equalizador paramétrico

5. – Distorção
Distorção é qualquer forma de alteração indesejável que ocorre num sinal de áudio. Qualquer circuito ou equipamento eletrônico pode distorcer um sinal. A distorção pode alterar a amplitude ou fase do sinal e, até mesmo criar falsas freqüências que não estavam presentes no sinal de entrada.

5.1. – Distorção Harmônica


Distorção Harmônica compreende o aparecimento de harmônicos indesejáveis no sinal original, normalmente (freqüências) múltiplos inteiros do sinal. Por exemplo, se um tom puro (senoidal) de 100 Hz é aplicado na entrada de um circuito, a saída poderá conter não apenas o sinal de 100 Hz, mas também sinais de 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz e 500 Hz, que nós chamamos de 2º, 3º, 4º e 5º harmônicos. Estes harmônicos são distorção, pois não faziam parte do sinal de entrada. A Figura 8.13 ilustra estes harmônicos.



Figura 8.13 – Distorção Harmônica : 2º, 3º, 4º, 5º 6º e 7º harmônicos.




O ouvido humano reconhece mais facilmente os harmônicos de ordem ímpar (3º, 5º, 7º, etc.) do que os harmônicos de ordem par (2º, 4º, 6º, etc.). Os harmônicos de maior ordem (6º ou 7º) são mais identificados que os de menor ordem (2º ou 3º).

O valor da distorção é medida por comparação do nível de cada componente em relação ao nível de saída do sinal primário. Em termos numéricos a distorção pode ser especificada em nível (o valor em dB abaixo do sinal) ou em porcentagem (porcentagem em relação ao sinal), como na Figura 8.13.

A Distorção Harmônica pode ser especificada para cada harmônico, ou como a soma de todos os harmônicos, neste caso sendo chamada de Distorção Harmônica Total (DHT ou THD).

A principal causa de DHT é o cliping.

5.2. – Distorção por Intermodulação
A Distorção por Intermodulação (em inglês IM ou IMD; em português DI) ocorre pela interação das freqüências de sinais de entrada num circuito, criando freqüências desarmônicas na saída.

Por exemplo, se ligarmos na entrada de um amplificador dois sinais de freqüências f1 = 60 Hz e f2 = 6000 Hz, deve aparecer na saída outras freqüências além destas. Devemos esperar na saída :


F1 = 60 Hz

F2 = 6000 Hz

F1  F2 = 6060 e 5940 Hz

F2  2.F1 = 5880 e 6120 Hz

2. F2  F1 = 12060 e 11940 etc.

É o que chamamos de intermodulação entre as duas freqüências. São freqüências não harmônicas em relação às duas fundamentais, por isso o som reproduzido vai parecer dissonante, devido a presença dos sons não-harmônicos.


Para mesmos valores, a distorção por intermodulação é mais perceptível que a distorção harmônica.

5.3. – Valores Aceitáveis de Distorção


Para alguns ensaios com vários grupos de pessoas, obteve-se os limiares de percepção da Distorção Harmônica Total. Estes dados estão na Tabela 8.1.

Tabela 8.1 – Limiares de percepção da DHT.




Freqüência

DHT

2º Harmônico

3º Harmônico

Abaixo de 100 Hz

Até 25 %

Até 5 %

Abaixo de 200 Hz

Até 3 %

Até 2 %

Abaixo de 400 Hz

Até 1 %

----

Acima de 400 Hz

Menos que 1 %

Menos que 1 %

Para equipamentos de som comerciais de alta-fidelidade, pode-se trabalhar com os valores da Tabela 8.2, considerando-se toda a banda audível.


Tabela 8.2 – Valores de Distorção.


Distorção

DHT

DI

Perceptível

0,7 %

2 %

Tolerável

1,3 a 1,8 %

2 %

Contestável

2,0 a 2,5 %

8 %


  

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