THD – Como a distorção é medida em Amplificadores de Áudio

Quando falamos sobre amplificadores de áudio de alta qualidade, um dos aspectos mais críticos a ser analisado é a distorção produzida pelo amplificador. Esse parâmetro é fundamental para garantir que o sinal amplificado seja fiel ao original, sem que o próprio amplificador altere a informação do som e comprometa a qualidade da experiência sonora. Uma figura de mérito utilizada para medir o quanto de distorção um amplificador produz é a THD (Taxa de Distorção Harmônica Total). Neste post, vamos explicar o que é a THD, como ela é medida, e por que sua minimização é crucial no projeto de amplificadores.

O que é THD e por que ela é importante?

Em um amplificador ideal, o sinal de saída deve ser uma cópia ampliada do sinal de entrada. No entanto, na prática, circuitos eletrônicos alteram a forma de onda do sinal, ou seja, eles distorcem a informação recebida. Existem diferentes formas de distorção, porém a principal delas é a distorção provocada pela não linearidade dos amplificadores, ou seja, uma relação de ganho entre entrada e saída que não é constante em todas as condições.

Uma forma de entender como essas não linearidades impactam o funcionamento do amplificador é usar um sinal de teste formado por uma única senoide. Em um amplificador ideal, na saída, o sinal senoidal amplificado, não apresenta nenhuma outra componente de frequência além da senoide original. No entanto, as não linearidades do amplificador introduzem no espectro do sinal componentes harmônicas, ou seja, sinais cuja frequência são múltiplos inteiros do sinal de teste. Chamamos isso de distorção harmônica. A THD, ou Taxa de Distorção Harmônica Total, buscar medir essa distorção avaliando a energia dos harmônicos contra a energia do sinal fundamental (de teste). Quanto menor esse parâmetro, melhor a qualidade do amplificador.

Medindo a THD

Para medirmos a THD de um sinal, utilizamos um sinal de teste senoidal, que serve como entrada do amplificador. Após a amplificação do sinal, calculamos a THD por meio da seguinte fórmula:

$ latex THD(\%) = \frac{\sqrt{\sum_{h=2}^{\infty} X_h^2}}{X_1} \times 100\%$

Nesta equação, Xh​ é o valor eficaz do h-ésimo harmônico gerado pelo amplificador, e X1​ é o valor eficaz do sinal fundamental. Esse cálculo revela quanta energia está presente nos harmônicos em comparação ao sinal original.

THD+N: Uma métrica alternativa, mas poderosa

Embora a THD seja uma métrica capaz de avaliar a distorção harmônica com precisão. O seu cálculo pode ser computacionalmente complexo, uma vez que é necessário identificar o sinal fundamental de teste e então separar cada harmônico para computar a distorção. Assim, muitos instrumentos e equipamentos de medição lançam mão de uma medida mais simplificada: a THD+N (Taxa de Distorção Harmônica Total mais Ruído). A THD+N inclui tanto a distorção harmônica quanto o ruído residual no sinal de saída, oferecendo uma medida mais prática do desempenho do amplificador. Quanto menor for o valor de THD+N, maior será a clareza do som reproduzido. Por outro lado, como em sistemas de sonorização o ruído do sistema também compromete a qualidade do sinal sonoro, essa métrica traz informações valiosas.

A Figura 1 mostra como medir a THD+N de um sinal. Primeiramente utiliza-se um filtro Notch sintonizável para extrair do sinal a sua onda fundamental. Em seguida, a banda do sinal é limitada e por meio de um medidor TRUE RMS extraímos o valor eficaz do sinal residual (Xr), o qual contém todos os harmônicos e ruídos do sinal de áudio, exceto o sinal fundamental. Em seguida, dividimos Xr pelo valor eficaz do sinal completo, ou seja:

Como representar a THD de um amplificador

A distorção harmônica de um amplificador naturalmente varia de magnitude conforme as condições de operação, sendo influenciada por diversos fatores. Entre os principais estão as não idealidades dos componentes que compõem o circuito do amplificador, a amplitude dos sinais processados e a frequência de operação. Esses fatores afetam o desempenho do amplificador, tornando a distorção harmônica mais ou menos pronunciada em diferentes situações. Normalmente, a informação sobre a THD de um amplificador é apresentada em gráficos que mostram sua variação em função da potência de saída e da frequência do sinal de entrada. Esses gráficos são fundamentais para avaliar a performance do amplificador em diferentes faixas de operação e condições de uso, permitindo assim identificar pontos de saturação e distorção que podem comprometer a qualidade do áudio produzido. Uma boa métrica de desempenho para amplificadores de alta fidelidade é um THD+N inferior a 0,02% em toda faixa de áudio e inferior a 0,005% para baixas e médias frequências (<1kHz).

Exemplos de representação da THD em amplificadores

A Figura 2 apresenta o comportamento da THD+N de um amplificador de 40 W em função da potência de saída. O gráfico considera um sinal de 1 kHz e cargas de 8 Ω e 4 Ω. Primeiramente, observa-se que, à medida que a potência de saída aumenta, a THD+N sofre uma redução quase linear. Esse comportamento está relacionado ao ruído do circuito e ao fundo de escala do sistema de medição. Como o aumento de potência, em uma carga resistiva, eleva a amplitude da tensão de saída, portanto, a queda na THD+N é uma consequência direta da melhoria da relação sinal-ruído do amplificador. Nessa fase, os harmônicos gerados pelo sinal senoidal de teste permanecem com amplitude inferior ao ruído de fundo, tornando a variação da distorção harmônica praticamente imperceptível.

A partir de 35 W para 8 Ω e 50 W para 4 Ω, no entanto, há um aumento abrupto da THD+N. Esse comportamento indica que os harmônicos do sinal começaram a se destacar, ultrapassando o nível do ruído de fundo, e, assim, a distorção harmônica passa a ser detectável nas medições. Como esse aumento de THD ocorre muito próximo à potência nominal do amplificador, pode-se inferir que a distorção é causada pela clipagem do sinal, resultante da saturação do amplificador. Contudo, em toda a faixa linear de operação, a distorção harmônica permanece abaixo de 0,004% para 8 Ω e 0,005% para 4 Ω, evidenciando um bom desempenho até próximo dos limites de potência.

Como otimizar amplificadores para minimizar a THD?

Projetar amplificadores com baixa THD exige atenção em todas as fases do desenvolvimento. Usar componentes de alta qualidade e projetar circuitos com cuidado para evitar saturação e captura de ruído são práticas essenciais. Além disso, o projeto de amplificadores deve envolver o uso inteligente da realimentação negativa, seja local, seja global. A realimentação negativa permite reduzir a não linearidade de um circuito, e consequentemente a distorção harmônica. Contudo, o seu efeito é maior quando o ganho de malha aberta do circuito é mais alto. Desta forma, projetar amplificadores que ao mesmo tempo sejam estáveis e apresentem ganhos elevados, é uma forma de atingir bons resultados de distorção.

Conclusão

Para engenheiros de áudio, entender a THD é essencial para garantir que os amplificadores ofereçam uma experiência sonora de alta qualidade. Uma baixa taxa de distorção harmônica não apenas melhora a fidelidade do áudio, como também garante que o amplificador reproduza sinais com clareza e precisão, seja em gravações de estúdio ou em sistemas de som profissional.