Uma breve história dos amplificadores de áudio

Desde que o Dr. Lee De Forest inventou o amplificador de áudio em 1909, a partir de sua também recém-inventada válvula triodo, os amplificadores empregaram técnicas analógicas para converter a energia proveniente da rede elétrica ou de baterias em som. Estas técnicas atingiram seu auge nos anos 1970-80 e foram capazes de obter reprodução sonora com um grau de fidelidade bastante alto, mas as custas de grandes perdas de energia, ou seja, um grande aquecimento.

O Dr. Lee De Forest - o criador do amplificador de áudio

Nos mais avançados amplificadores lineares, ou dissipativos, um rendimento global (fonte de alimentação + etapas de áudio) de apenas 40%, isso mesmo - 60% da energia perdida em calor, é considerado bom!

As fontes de alimentação, partes essenciais em qualquer amplificador de áudio, evoluíram a partir dos volumosos transformadores e retificadores a válvulas até as modernas fontes chaveadas – estas, que existem desde o século 19, tiveram o seu desenvolvimento alavancado pelo início da era espacial, com os programas americanos Gemini e Apollo, onde introduziu-se o conceito de conversão de potência de forma eficiente, com pouco desperdício de energia. (leia mais sobre esse assunto clicando aqui!)

Como uma natural consequência das fontes chaveadas, os princípios do amplificador de áudio chaveado, ou classe-D, foram citados em 1947, mas ele foi efetivamente criado nos anos 1950, pelo Dr. A. H. Reeves, o inventor do Pulse Code Modulation (PCM).

O Dr. Alec Harvey Reeves - o pai do amplificador classe-D 

Infelizmente as técnicas disponíveis bem como os dispositivos eletrônicos pré-anos 1970 limitavam muito a sua performance e acabaram tornando-o apenas uma curiosidade. Apesar de todas as dificuldades, houve tentativas de torná-lo comercial, notadamente pela Sinclair Radionics, do Reino Unido, que comercializou um modelo na forma de kit, já em 1964, o Sinclair X-10. Este pioneiro possuía 10W de potência e utilizava transistores bipolares de germânio, que eram naturalmente incapazes de lidar com as altas frequências inerentes ao processo de modulação de forma satisfatória. Como muitos antes dele, foi um produto (muito) à frente de seu tempo...

Uma publicidade de 1964 anunciando o Sinclair X-10 - fonte: Sinclair Radionics

Um kit do Sinclair X-10 preservado - o primeiro amp classe-D comercial do mundo

Com as tecnologias analógicas (classes AB, G, H, Super-A e outras inovações) em alta, não houve interesse comercial na classe-D, apesar de terem feito sucesso em círculos DIY (do-it-yourself, ou faça-você-mesmo). Porém, para fins de mercado ele permaneceu apenas como um conceito tecnológico a espera de evoluir.

Um salto fundamental nesta evolução foi o desenvolvimento dos transistores de efeito de campo de porta isolada para grandes potências, os famosos Power MOSFETs. Este esforço, em resposta a crescente demanda por fontes chaveadas, permitiu que os primeiros MOSFET´s de potência fossem introduzidos no mercado já no final dos anos 1970.

Poucos sabem, mas um dos pesquisadores que contribuiu para este desenvolvimento é brasileiro! O Prof. Dr. Gilmar Eugênio Marques. (fonte: Surface Science Journal). Anos mais tarde ele se tornaria Professor Titular na Universidade Federal de São Carlos, interior de São Paulo, do qual tive a honra de ser aluno em vários cursos de graduação e também na pós-graduação, Veja aqui!

Com a crescente disponibilidade de transistores mais adequados é claro que houve um “reavivamento” do amplificador classe-D e em meados dos anos 1990 eles atingiram um grau de fidelidade sonora bastante respeitável, já contando com dezenas de diferentes técnicas e soluções, geralmente detentoras de direitos autorais. Muitos dos avanços obtidos nesse período foram publicados pela AES e podem ser encontrados em seu acervo.

Em nosso país um dos pioneiros nesse campo é este que vos escreve, Marcelo Barros, atual Diretor de Tecnologia da Next Pro. Em 2004-2008 conduzi pesquisas específicas em conversão de potência aplicada ao áudio, culminando na publicação, em 2006, do artigo científico “O Método FCC de Correção para Amplificadores Chaveados Operando no Esquema Sigma Delta – Resultados Fundamentais” no 4º Congresso da AES Brasil, veja aqui!

O primeiro protótipo FCC, construído por Marcelo Barros, ainda em 2005 - fonte AES Brazil

Por parte desse trabalho recebi meu Mestrado em Física, pela Universidade Federal de São Carlos. Ao mesmo tempo, ainda em meu antigo emprego, liderei o projeto do primeiro amplificador digital de alta potência com fonte chaveada para uso profissional manufaturado em série no Brasil (a Série Digilite) considerado por muitos um ícone, um divisor de águas na indústria do áudio brasileiro.

A filosofia de Marcelo Barros em amplificadores digitais

A inovação mais forte agora é abordar a fonte de alimentação chaveada e o amplificador de áudio classe-D como um processo único de conversão de potência, tratando-os de maneira unificada do plug AC ao alto-falante! Faz sentido, já que todos os processos de potência ao longo dessa cadeia são chaveados e de grande similaridade. Dentro deste conceito, as etapas de áudio interagem com as etapas de alimentação e vice-versa. Essa é a essência da tecnologia de Marcelo Barros na Next Pro: a interação entre processos de conversão de alta eficiência, entre etapas de áudio e de alimentação. Para que pudesse ser plenamente implementada, tal abordagem demandou a construção de modelos matemáticos sofisticados, necessários a avaliação e otimização de sistemas com muitas variáveis dependentes. A essa abordagem unificada demos o nome de Audio Power Conversion.

O Audio Power Conversion de Marcelo Barros consiste na forte interação entre as etapas de áudio e de alimentação

Parte fundamental do amplificador de áudio, a fonte de alimentação tem um impacto enorme na qualidade final do som produzido, bem como sobre a eficiência global. Como um dos meus principais núcleos tecnológicos, nossas fontes de alimentação chaveadas utilizam técnicas e recursos avançados tais como o PFC (Power Factor Correction) e técnicas multi-ressonantes. O principal avanço dos conversores multi-ressonantes é o de operar em modulação de frequência (FM, ao invés de PWM) o que diminui drasticamente as perdas por chaveamento, com redução do calor gerado em até 16 vezes! Além de melhorar a emissão de ruídos eletromagnéticos, a estabilidade, a densidade de potência e a confiabilidade do sistema como um todo.

O FCC

O amplificador de áudio chaveado classe-D é o coração do processo Audio Power Conversion, onde a precisão matemática torna-se engenharia de ponta. O método FCC de correção para amplificadores classe-D criado por Marcelo Barros é um trabalho inédito, desenvolvido como um programa de pós-graduação em Física e proporciona aos amplificadores profissionais uma qualidade de áudio digna de audiófilos.

Ao contrário dos amps classe-D comuns do mercado, que empregam modulação em largura de pulsos (PWM), a técnica FCC emprega modulação em densidade de pulsos - PDM (sigma-delta pulse density modulation). Esta abordagem oferece inúmeras vantagens ao amplificador classe-D; como a correção das não-linearidades do estágio de saída, alto fator de amortecimento, alta rejeição das irregularidades da alimentação, distorção e ruído de fundo extremamente baixos, entre outras. Sem contar que o FCC forma com o estágio de saída um simples e único bloco, onde conversão, amplificação e correção ocorrem em um mesmo processo. Uma solução elegante, simples e robusta.

O resultado final é um som limpo, cristalino, rico em detalhes, com controle sobre os graves muito superior aos amplificadores classe AB – bem como a capacidade de se adequar a diferentes condições de uso. E tudo isso aliado a um aproveitamento sem precedentes, onde mais de 85% da energia retirada do plug AC é entregue aos alto-falantes. Esse aproveitamento global em amplificadores analógicos com fontes não-chaveadas, quando muito, atinge 35%!

E indo além, devido à difícil natureza do programa musical, cuja potência desenvolve grandes valores de curta duração mas um baixo valor médio, o calor total emitido dos amplificadores Next Pro providos da tecnologia FCC de Marcelo Barros, pode chegar a ser dez vezes menor do que o calor emitido de um típico amplificador analógico de mesma potência.