Amplificadores de Som: Classe D vs. Classe AB – Qual é o Melhor Amplificador?

Quando falamos sobre amplificadores de som, uma das discussões mais frequentes é sobre a comparação entre amplificadores Classe D e amplificadores lineares, como os Classe A e Classe AB. Há uma percepção comum de que os amplificadores Classe D são inferiores em qualidade sonora comparados aos amplificadores lineares, mas será que essa visão ainda é válida? Neste post, vamos explorar essa questão e descobrir qual é o melhor amplificador para suas necessidades.

Qualidade e Fidelidade em Amplificadores de Som

Antes de entrarmos na comparação entre amplificadores Classe D e lineares, é essencial entender as diferenças entre “qualidade” e “fidelidade” em amplificadores de som.

• Qualidade: Este é um conceito subjetivo. Um amplificador pode ser considerado de alta qualidade se produz um som que agrada ao ouvinte, mesmo que esse som não seja uma reprodução exata do sinal original. Amplificadores valvulados, por exemplo, tem uma qualidade sonora rica e calorosa, porém, possuem uma distorção de saída muito elevada em comparação aos amplificadores transistorizados. Logo, eles podem ser percebidos como de alta qualidade, mas a fidelidade sonora entregue não é tão alta.
• Fidelidade: Refere-se à precisão com que um amplificador reproduz o sinal original, sem, entretanto, adicionar, ou retirar informação a ele. A fidelidade é uma medida objetiva e é frequentemente avaliada através de métricas como a Taxa de Distorção Harmônica Total mais Ruído (THD+N – Total Harmonic Distortion + Noise).

Neste artigo, vamos considerar conversar sobre a Fidelidade de amplificadores!

Amplificadores Classe D: Estrutura e Desempenho

Os amplificadores Classe D têm se tornado populares devido à sua alta eficiência energética. Em sua maioria, eles operam usando a modulação por largura de pulso (PWM – Pulse Width Modulation) para converter o sinal de áudio em um trem de pulsos e comandar transistores como chaves. Como os transistores apresentam baixas perdas, quando operados como chaves eletrônicas, os amplificadores Classe D conseguem entregar eficiências elevadíssimas, na ordem de 90%.

Esses amplificadores passaram por um intenso período de desenvolvimento tecnológico nos últimos 20 anos, levando a uma considerável melhora de desempenho dos projetos atuais. Contudo, como todo amplificador, existem imperfeições na sua estrutura que produzem distorções no sinal de áudio reproduzido. A Figura 1 ilustra as principais fontes de distorção em um amplificador Classe D.

As fontes de distorção que a Figura 1 apresenta, constituem três grupos de imperfeições:

a) Erros de geração do sinal PWM

O PWM é um modulação pulsada que converter a amplitude de um sinal em uma variação de tempo. Assim, a informação do sinal de entrada (modulante) é transmitida pela largura de pulso do sinal PWM em um período. Qualquer elemento que perturbe ou altere essa relação irá provocar perda de informação, ou seja, distorção no sinal de áudio amplificado. As fontes que geram erros de PWM são:

• Não-linearidade da portadora – Caso a onda portadora triangular não seja perfeitamente linear, haverá erros na conversão de sinal.
• Erro de propagação de sinal e Slew Rate – Os atrasos de propagação e o Slew Rate do modulador PWM, do gerador de tempo morto e do Gate Driver irão produzir erros de na forma de onda do sinal PWM, também produzindo distorção no sinal de saída do amplificador;
• Tempo Morto – O Tempo morto é um atraso intencional adicionado ao comando PWM para evitar um curto-circuito no braço de transistores, dado que os tempos de ligamento e desligamento desses dispositivos são diferentes. Esse é uma das principais fontes de distorção em amplificadores classe D. A Figura 2 ilustra o efeito do tempo morto no sinal de saída de um amplificador Classe D.

b) Baixo PSRR – Rejeição de Ruído de Fonte de Alimentação – do Amplificador

O ganho de um amplificador classe D é a razão entre a tensão de alimentação e a tensão de pico da portadora triangular. Com isso, havendo ruído na tensão de alimentação, esse ruído corrompe o sinal de áudio amplificado. Assim, gera-se um tipo de distorção denominada Distorção de Intermodulação (IMD – Intermodulation Distortion).

c) Imperfeições dos componentes

São distorções causadas pelo comportamento da resistência de ligamento (RDSon) dos MOSFET e da indutância do filtro, que variam de valor com dados como temperatura, ponto de operação, etc. Essa variação irá produzir pequenas distorções no sinal amplificado.

Amplificadores Lineares: Estrutura e Desempenho

Os amplificadores lineares, como os Classe A e Classe AB, são conhecidos por sua qualidade sonora superior. No entanto, eles também têm suas próprias fontes de distorção, como ilustra a Figura 3.

Dentre essas fontes, as principais são:

• Não linearidade do estágio de saída – O estágio de saída lida com grandes amplitudes de tensão e corrente, portanto, sua não linearidade é mais importante na definição da THD+N do que as dos demais estágios. Os principais fenômenos causadores de distorção nesse estágio são o Crossover, na passagem por zero do sinal de saída, e/ou o gm-doubling, ou seja, a variação do ganho do estágio provocada pela compensação do crossover!
• Ruído na fonte de alimentação – Apesar de melhor em desempenho do que o classe D, neste quesito, os amplificadores lineares também geram IMD por causa do ruído de alimentação. Se mau tratados, esses ruídos serão percebidos na saída do amplificador.

Qual amplificador de som apresenta pior fidelidade?

Como vimos, ambos amplificadores possuem diversas fontes de distorção em sua estrutura. Contudo, o amplificador linear permite que essas fontes sejam tratadas de forma mais simples, em cada estágio do amplificador, do que em amplificadores Classe D. Assim, os amplificadores lineares apresentam uma distorção naturalmente mais baixa do que os chaveados. Mas isso, não significa que amplificadores Classe D não podem apresentar alto desempenho.

Outro fator crucial na fidelidade de um amplificador é a sua REALIMENTAÇÂO NEGATIVA. Com base nos conhecimentos de eletrônica, sabemos que a realimentação atua:

• para reduzir a sensibilidade do ganho do amplificador à imperfeições e variações de componentes;
• para aumentar a impedância de entrada e reduzir a impedância de saída de um amplificador;
• aumentar a banda passante;
• rejeitar ruídos de fonte e na saída do amplificador;
• melhorar a linearidade do amplificador (reduzir distorção).

A intensidade com que a realimentação afeta esses parâmetros depende do ganho de malha, que é o múltiplo do ganho do amplificador em malha aberta (sem realimentação) e o próprio ganho de realimentação. Quanto maior esse valor, melhor o desempenho do amplificador (contudo, ganhos MUITO altos podem gerar instabilidade no circuito…é bom não exagerar).

Como a realimentação afeta os amplificadores de som?

Os amplificadores lineares possuem ganhos de malha muito elevados, o que ajuda a reduzir a distorção ainda mais. Com isso, a realimentação desses amplificadores pode ser bem simples, e o desempenho final ainda será bom.

Já os amplificadores Classe D possuem ganhos de malha bem mais baixos (na ordem de mil vezes mais baixo). Assim, há necessidade de utilizar controladores para elevar o ganho de malha e fazer com que o amplificador tenha um desempenho adequado. O problema aqui é que o projeto desses controladores e o seu ajuste não é uma tarefa trivial e demanda profissionais de alta qualificação para conseguir entregar amplificadores com alta fidelidade. Por isso, é mais difícil encontrar amplificadores classe D de alto desempenho do mercado, enquanto, bons amplificadores Classe AB estão mais prontamente disponíveis.

Avanços Recentes e Tecnologia dos Amplificadores de Som

A tecnologia de amplificadores de som Classe D evoluiu significativamente nos últimos anos. Empresas como a ICE Power têm investido fortemente em pesquisa e desenvolvimento para reduzir distorções e melhorar a qualidade sonora. Com um design refinado, tecnologia de controle robusta e componentes de alta qualidade, alguns amplificadores Classe D oferecem desempenho comparável ao de amplificadores Classe AB de alta fidelidade.

No entanto, um amplificador Classe D, construído com circuitos integrados básicos, pode não igualar o desempenho de um amplificador Classe AB de boa fidelidade ou um amplificador Classe D premium. Assim, como a maioria dos projetos disponíveis ao grande público usa esses integrados e projetos simplificados, é comum atribuir baixa qualidade os amplificadores chaveados. Infelizmente, essa fama permeia o imaginário das pessoas, contudo, o estado da arte atual conta uma diferente história. A diferença de qualidade frequentemente se resume ao design do amplificador, a qualidade da arquitetura de controle e ao uso de MOSFETs de maior qualidade, o que hoje gera produtos tão bons quanto os amplificadores lineares existentes no mercado.

Resultados Amplificador de Som Classe D básico (Amazon, Aliexpress…)

Como exemplo, a Figura 4 mostra as curvas de THD+N de um amplificador Classe D baseado no circuito integrado TPA3116D2 da Texas Instruments. Esse circuito pode ser encontrado em vários projetos disponíveis na Amazon, como este aqui, e na Aliexpress. Ademais, para fins de comparação com os demais amplificadores, marcamos a maior distorção em 1 kHz antes da saturação do amplificador. Neste caso, vemos que temos uma THD+N de no máximo 0,15% nesta faixa, enquanto, há um máximo 0,3% para sinais de 6 kHz. Essa última frequência é interessante, pois é a maior frequência em que os três primeiros harmônicos ainda podem ser ouvidos.

Essa não é uma THD+N alta, contudo, como veremos mais a frente, ainda é muito superior ao que os amplificadores Classe AB hi-fi nos entregam atuamente.

Amplificador de Som Classe D premium – ICEPOWER

A Figura 5 mostra o desempenho de um amplificador ICEpower 400A2, que é um amplificador Classe D de alto desempenho de 400 W produzida pela fabricante Dinamarquesa ICEpower. Observamos que para a curva de 1 kHz, a máxima distorção antes da saturação é de 0,003%, porém, para a frequência de 6,67 kHz a máxima distorção é de 0,08%. Em comparação ao amplificador chaveado anterior, as figuras de mérito desse projeto são 50 vezes melhor em 1 kHz e quase 4 vezes melhor em 6 kHz.

Resultados Amplificador de Som Linear

A Figura 6 mostra o resultado de THD+N para um amplificador Classe AB Musical Fidelity M6x 250.7. O report do ensaio pode ser encontrado aqui. Novamente olhando para a máxima THD em 1 kHz e 4 ohms de carga, encontramos uma THD+N máxima de 0,004%, ou seja, em comparação com o amplificador Classe D premium, há compatibilidade de desempenho.

Qual é o Melhor Amplificador?

A resposta dessa pergunta infelizmente não é tão direta. Olhando o lado lógico, ambos amplificadores de som: Classe AB e Classe D, quando feitos com o devido esmero, possuem desempenho semelhante e podem, portanto, ocupar a classe dos amplificadores Hi-fi. No entanto, amplificadores Classe AB naturalmente vão ter melhor desempenho no quesito de fidelidade e resposta em frequência, o que faz com que encontrar excelentes projetos no mercado, mesmo a um preço acessível, seja mais fácil. Já os amplificadores Classe D, por outro lado, para terem desempenho Hi-Fi, precisam ter projetos otimizados. Assim, chegam ao mercado para competir com produtos premium, ou seja, um Classe D baratinho, provavelmente não será tão bom!

Em resumo, qual o melhor? Depende das suas necessidades, 🙂

Conclusão

Ao escolher um amplificador de som, considere a aplicação e as características que mais importam para você. Com o avanço da tecnologia, os amplificadores Classe D têm o potencial de oferecer um desempenho muito próximo ao dos amplificadores lineares, com o ganho de eficiência e compactação, tornando-os uma escolha válida para muitos entusiastas e profissionais do áudio.

Para mais informações sobre amplificadores de som e para encontrar o melhor amplificador para suas necessidades, continue acompanhando nosso blog e descubra as últimas tendências e análises de produtos.

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