O Pré-amplificador

O pré-amplificador, conforme o nome sugere, é um estágio de processamento do sinal do instrumento que ocorre antes da amplificação de potência. Três funções básicas são normalmente realizadas neste estágio: a amplificação da voltagem do sinal, o controle do timbre usando um equalizador, e a interligação com quaisquer dispositivos externos (loop de efeitos ou reverberador, por exemplo).

Amplificador de Voltagem

O amplificador ideal deveria receber um sinal de entrada e produzir na saída uma cópia com maior potência do sinal original. Neste cenário idealizado poderíamos simplesmente alimentar válvulas de potência com o sinal proveniente de uma guitarra, por exemplo – seria esse o timbre valvulado puro! Infelizmente, devido às suas características elétricas, válvulas de potência são incapazes de trabalhar com o minúsculo sinal proveniente dos instrumentos baseados em captadores magnéticos ou piezoelétricos. Portanto, devemos amplificar a voltagem do sinal proveniente do instrumento antes de enviá-lo ao estágio de potência.

A amplificação de voltagem é, normalmente, efetuada por meio de válvulas miniatura como EF86, 6922, 12AT7, 12AU7 e as mais populares 12AX7. Essas pequenas válvulas são também as mais utilizadas em pedais de efeitos valvulados, os quais, por sua vez, são pré-amplificadores individuais, separados do amplificador principal. As válvulas de pré-amplificação, ou apenas “válvulas de pré”, apresentam alto ganho de tensão e baixo ganho de corrente. A 12AX7, por exemplo, é capaz de multiplicar a voltagem de entrada por 100x (+40 dB) em cada triodo interno, dos quais possui dois. Se fosse possível efetuar multiplicação do ganho dos dois triodos da 12AX7 em série, essa pequena válvula seria capaz de produzir uma voltagem 10.000x maior que a voltagem de entrada. No entanto, o ganho é limitado pela tensão da fonte, por ruído excessivo e por limites físicos da própria válvula, parte do assunto que estudaremos adiante, ao falarmos de clipagem.

O sinal proveniente de uma guitarra Fender Stratocaster varia entre alguns poucos milivolts até cerca de 350 milivolts AC RMS (captadores de indutor simples ou single-coil). A saída do amplificador de voltagem de um amplificador clássico, como o Bassman, costuma variar entre 3 volts AC e picos instantâneos de cerca de 30 volts. Comparando um pico de 30 volts AC com a tensão de 300 milivolts proveniente da guitarra Fender, verificamos que um amplificador de voltagem tradicional apresenta um ganho de aproximadamente 100 vezes (+40 dB). Alguns pré-amplificadores atuais, que em grande maioria utilizam circuitos integrados, trabalham com ganhos exponencialmente maiores, quando grande quantidade de distorção é desejada. No entanto, em valvulados para guitarra, ganhos de voltagem da ordem de 30 a 40 dB usando válvulas 12AX7 são a configuração mais comum.

Equalizador

Outra função do pré-amplificador é a equalização do sinal. O equalizador é composto por um ou mais filtros de frequências, podendo amplificar ou atenuar faixas de frequências. Equalizadores que possibilitam a amplificação de certas frequências (mais comuns para violão e contrabaixo) são chamados de equalizadores ativos. Aqueles que são capazes apenas de atenuar certas frequências (tradicionais nos amplificadores para guitarra) são chamados de equalizadores passivos.No painel do amplificador é possível controlar parâmetros dos filtros que compõem o equalizador usando os controles de graves, médios e agudos.

Na terminologia norte-americana, o equalizador de um amplificador de guitarra é chamado “pilha do timbre” ou “tone stack”. A ilustração do equalizador do Bassman nesta página explica a origem do termo : três capacitores são “empilhados”, sendo que aquele ao topo forma o filtro de agudos e costuma ter apenas de algumas dezenas de picoFarads a 250 ou 500 pF. O capacitor no meio da pilha modela os timbres mais graves em conjunto com aquele na parte inferior da pilha. A alteração do valor dos resistores entre esses capacitores altera os parâmetros dos filtros RC ali formados, modificando assim o timbre do amplificador. Potenciômetros permitem que esses resistores sejam manipulados pelo músico.

Inversão de Sinal

O circuito inversor de sinal é necessário quando o amplificador de potência funciona em modo push-pull. Neste sistema cada válvula dos pares de válvulas de potência deve receber o sinal pré-amplificado em fase oposta ao seu par complementar. Para tanto, o último estágio do pré-amplificador produz duas saídas: uma estará em fase com o sinal proveniente do instrumento, e outra terá sua fase invertida.

A inversão pode ser efetuada usando diversos tipos de circuitos, porém os mais comuns são a inversora de Schmitt, o inversor de concertina, o inversor de para-fase e o menos comum (em amplificadores para guitarra) sendo o uso de transformadores.

Inversora de Concertina

A inversora de concertina exige apenas um triodo para seu funcionamento e o sinal de entrada alimenta a grade de controle deste. Resistores de valores idênticos são instalados como carga de anodo e de catodo. Nos triodos, a corrente de anodo e aquela de catodo é apenas uma – é um canal único (não há grade de screen) – portanto as tensões que surgem nestes terminais são idênticas em amplitude (desde que os resistores de carga sejam idênticos), porém com sinais opostos. Como resultado, a saída nos dois terminais reflete o mesmo sinal, em fase oposta.

A inversora de concertina seria um circuito ideal, não fosse limitada pela amplitude máxima do sinal que é capaz de produzir. Tome-se, por exemplo, um triodo de uma válvula 12AX7 empregado nessa função. A corrente máxima que pode fluir através de um triodo desse tipo é de aproximadamente 1 mA. Utilizando-se dois resistores de 56K perfeitamente casados, de modo a obtermos algo entre 100K e 120K de carga total, aplicamos a lei de Ohm, encontramos a tensão DC máxima, igual para anodo e catodo:

V = R * I

V = 56K * 0.001A = 56 VDC

Ou seja, com limite de 56 V DC, o sinal AC pico-a-pico de saída é limitado a 56 V tanto no anodo quanto no catodo – supondo, para fins dessa explicação, que a válvula fosse capaz de controlar a tensão do zero a +B (que não ocorre na prática, o que limita ainda mais sua atuação).

A saída RMS máxima é dada por (VPP / 2) * .707, logo 56 VAC de pico a pico = 19.8 VAC RMS. Válvulas como as 6L6, por exemplo, costumam trabalhar com tensão de bias na faixa de -40 a -55 V DC. Assim vemos que a saída máxima, idealizada, de uma inversora de concertina seria incapaz de “encher” um estágio de saída baseado na válvula 6L6 e trabalhando em classe AB.

O leitor poderia questionar: e se aumentássemos o valor dos resistores? Isso, certamente é possível, porém o aumento na resistência é sinônimo de aumento na impedância de saída da inversora, o que também a impede de excitar válvulas mais potentes. As várias limitações das inversoras de concertina foram mais elegantemente corrigidas usando o circuito de Schmitt, o qual veremos posteriormente.

Portanto, as inversoras de concertina são limitadas a válvulas de saída com alta transcondutância (baixa tensão de bias e muita variação de corrente de placa com pouca variação de tensão na grade) ou a pequenas válvulas como as EL84, 6V6, 6Y6 e menores. A inversora de concertina usa apenas um triodo, o qua torna econômica.

Exemplo de amplificador com inversora de concertina: Fender Champ II de 1982.

Inversora de Para-fase

A inversora de para-fase utiliza dois triodos. Sabe-se que a saída de placa das válvulas possui fase invertida em 180 graus em relação ao sinal aplicado à grade de controle. Isto ocorre devido à ação do resistor de carga da placa. Se obtivermos a saída de um triodo e a aplicarmos à entrada de outro triodo, a segunda saída estará em fase oposta à saída do primeiro. É exatamente isto que ocorre na inversora de para-fase.

A saída do primeiro triodo é usada para alimentar o segundo de alguma maneira. A saída do primeiro triodo alimenta diretamente metade das válvulas de potência, e o outro segmento têm o sinal atenuado em cerca de -20 dB (100 vezes) e posteriormente amplificado por um segundo triodo de ganho aproximado a 20 dB (igualmente 100 vezes maior). O sinal resultante do segundo triodo deve ter amplitude aproximada à saída de sinal do primeiro, no entanto terá fase invertida em 180 graus – essa saída é enviada às válvulas de potência complementares.

Este tipo de circuito é de difícil calibragem, tendo em vista que a maioria dos resistores e válvulas utilizadas em amplificadores para guitarra costumam ter variações de 5% a 20% entre peças do mesmo lote. Raramente encontramos componentes de precisão em amplificadores para instrumentos musicais.

Caso os dois sinais de fase invertida não tenham amplitudes muito aproximadas, o estágio de potência funcionará desbalanceado, acarretando em diversos problemas como desgaste prematuro de algumas das válvulas de potência e distorção de fase, uma forma de distorção muito desagradável aos ouvidos. Algum desbalanceamento é tolerável, porém, conforme comentado no parágrafo sobre as inversoras de concertina, o circuito de Schmitt corrige também esse problema. Amplificadores que usam inversora de para-fase incluem os Fender Bassman modelos 5B6, 5D6 e 5E6.

Inversora de Schmitt

Ilustrada no início deste capítulo, a inversora de Schmitt é a mais utilizada em amplificadores valvulados de mais de 10 Watts produzidos de 1956 em diante. O funcionamento da inversora de Schmitt é mais sofisticado que o das demais inversoras aqui descritas.

Os dois catodos dos triodos da inversora são interligados e alimentados por meio de uma fonte comum de corrente limitada (idealmente constante). Como os catodos só possuem uma fonte limitada, quando um dos triodos requer corrente, o outro triodo é subraído na mesma quantidade. Assim, enquanto um dos triodos conduz, o outro tende a diminuir a condução na mesma proporção. Buscando uma analogia mecânica, a inversora de Schmitt funciona como um pequeno motor em V, enquanto um pistom encontra-se em compressão, outro complementar encontra-se em fase oposta.

Nos amplificadores estilo Fender, “a fonte de corrente limitada” costuma ser um resistor de alto valor (>= 10K OHMs). O resistor é uma fonte de corrente extremamente primitiva e suscetível à variação na resistência interna da própria válvula, porém faz parte da “receita” de Leo Fender. Drenos de corrente mais elaborados, utilizando JFETs ou BJT’s são possíveis, porém é mais um exemplo onde uma deficiência de engenharia dá aos amplificadores Fender timbre muito especial. A inversora de Schmitt encontrada nos amplificadores para guitarra é, ao pé da letra, “mal construída” e permite alguma condução, ou vazamento, entre os dois triodos. Pequenas diferenças são corrigidas por meio dos resistores de placa da inversora, como vemos na grande maioria de amplificadores, os resistores costumam ser de 100K OHMs para um dos triodos e 82K para o outro. Assim Leo Fender compensou a pequena discrepância que havia entre os dois triodos e esse é um dos circuitos mais copiados até a atualidade.

A retroalimentação, ou “feedback negativo”, normalmente proveniente do secundário do transformador de saída (maioria dos modelos Fender e Marshall por exemplo) costuma ser conectada ao catodo comum da inversora de Schmitt. O pequeno sinal, ali injetado limita a ação da inversora, auxilia no balanceamento dos dois triodos e forma um “loop” fechado em todo o amplificador de potência, da inversora ao transformador de saída. Amplificadores que não possuem retroalimentação são chamados “de loop aberto” ou “de livre funcionamento”, em contrapartida àqueles de “loop fechado”.

Inversão de Fase via Transformador

O inversor via transformador foi um dos primeiros sistemas a serem empregados e exige apenas um triodo. De fato, o triodo utilizado sequer participa da inversão de fase, apenas alimenta o transformador. A alimentação do transformador pode ser proveniente diretamente de um estágio de ganho anterior, economizando, assim, um triodo. Nesse sistema, o sinal da última válvula do pré-amplificador é acoplado ao próximo estágio por meio de um transformador em configuração simples (“single-ended”).

No primário do transformador encontramos então o sinal proveniente do pré-amplificador. No secundário, o center-tap é conectado à tensão de polarização negativa, quando utilizado sistema de bias fixo ou, ao terra AC (zero volts AC) quando se usa o sistema de bias de catodo.

As duas extremidades do secundário são, então, conectadas às grades das válvulas complementares no estágio de potência. A indutância mútua do primário para o secundário, e o estabelecimento do centro do indutor secundário como tensão de referência gera, automaticamente, um sinal invertido entre as duas extremidades do secundário.

Esse tipo de inversora possui os defeitos inerentes ao acoplamento indutivo: perda de altas frequências devido à reatância indutiva e alguma defasagem de fase (defasagem que também ocorre, em sentido inverso no angulo entre V x I, com o acoplamento via capacitores). Os principais motivos para a não utilização de transformadores são o custo elevado e espaço físico exigido para eles quando inversoras utilizando apenas capacitores e resistores são perfeitamente viáveis.