Capítulo 8

Bio-engenharia
Aplicada aos DCH
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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 préamplificador 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
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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.
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Figura 8.1 - Ocorrência do clipping na amplificação de um sinal
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 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.
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20
73
dB
10
Banda Passante
Banda Cortante
00
-3
-10
-20
-30
-40
-50
20
50
100
500
1k
2k
3k
5k
10k
20k
freq
10k
20k
freq
Figura 8.2. – Filtro passa-baixos.
20
10
dB
Banda
Cortante
Banda Passante
00
-3
-10
-20
-30
-40
-50
20
50
100
500
1k
2k
Figura 8.3. – Filtro passa-altos.
3k
5k
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20
dB
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Banda Cortante
10
00
-3
-10
-20
Banda
Passante
Banda
Passante
-30
-40
-50
20
50
100
500
1k
2k
3k
5k
10k
20k
freq
Figura 8.4. – Filtro corta-banda.
20
dB
Banda Cortante
10
Banda
Cortante
00
-3
-10
Banda
Passante
-20
-30
-40
-50
20
50
100
500
1k
2k
Figura 8.5. – Filtro passa-banda.
4. – Equalizadores
3k
5k
10k
20k
freq
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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 préamplificador, 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
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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:
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 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 passabaixos 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.
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Figura 8.11 - Equalizador paramétrico
Figura 8.12 - Equalizador paramétrico
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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
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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.
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DHT
2º Harmônico 3º Harmônico
Até 25 %
Até 5 %
Até 3 %
Até 2 %
Até 1 %
---Menos que 1 % Menos que 1 %
Freqüência
Abaixo de 100 Hz
Abaixo de 200 Hz
Abaixo de 400 Hz
Acima de 400 Hz
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
Tolerável
Contestável
0,7 %
1,3 a 1,8 %
2,0 a 2,5 %
2%
2%
8%


