Amplificadores lineares em condições de subtensão (starved).

• Por Merlin Blencowe
• Tradução e adaptação técnica: Edney Rossi

Merlin Blencowe é um renomado engenheiro de tube amps e principal colaborador do site ValveWizard, referência para projetistas de amplificadores valvulados em todo o mundo. Este artigo é excelente, pois aborda de forma detalhada e prática as principais dúvidas de quem pretende projetar circuitos valvulados operando em baixas tensões, de 12 V ou menos.

Pessoalmente, desenvolvi o “Banana Booster”, um booster 100% valvulado que funciona excepcionalmente bem em 12 V, produzindo um timbre valvulado encorpado e musical. A experiência prática com este circuito confirma que o artigo de Blencowe é coerente, tecnicamente minucioso e aplicável para projetistas que desejam explorar o potencial das válvulas em regimes de subtensão.

Tradicionalmente, o termo “amplificador em subtensão” (starved amplifier) foi, em tempos passados, praticamente sinônimo de um pêntodo operando com uma tensão muito baixa na grade auxiliar (g2 – screen), mas ainda utilizando uma tensão de ânodo/placa convencionalmente alta.

Verificou-se que, sob condições ideais, tais circuitos podiam fornecer um ganho extremamente elevado – ainda maior do que em tensões altas – e alguns engenheiros exploraram essa propriedade em amplificadores de instrumentação para corrente contínua (DC). Com tanto ganho bruto disponível, podia-se aplicar grande quantidade de realimentação negativa.¹

No entanto, não pretendo aqui discutir os pentodos em subtensão; já existe bastante material publicado sobre o assunto.²³

Em vez disso, examinarei o uso de triodos comuns operando em condições de subtensão severa, isto é, abaixo de 12 V. Escolhi esse valor por ser a tensão máxima que a maioria dos adaptadores de tomada regulados (as populares “fontes tipo wall wart”) fornece. Também é amplamente aceito que a amplificação linear é praticamente impossível em tais condições mas, como espero demonstrar, isso não é necessariamente verdade.

As folhas de dados (datasheet) dos fabricantes não fornecem praticamente nenhuma informação útil para operação em tensões muito baixas, e os modelos SPICE também se mostram inúteis.

De fato, a figura 1 deve dar uma ideia de quão longe do “mapa conhecido” estamos nos aventurando!

Portanto, decidi medir diretamente as características do ânodo (placa) de quatro válvulas populares, com tensões de anodo de até 10 V (porque meu osciloscópio possui exatamente dez divisões horizontais). Também medi a corrente de grade de controle (g1 – grid), cuja importância ficará clara adiante.

* A correspondência entre as duas seções de triodos dentro de um mesmo bulbo geralmente é aceitável – quase tão boa quanto se esperaria em operação normal de alta tensão. * A variação entre diferentes amostras do mesmo tipo de válvula é maior, particularmente nas ECC81 (12AT7) e ECC83 (12AX7), onde a resistência de anodo (ra) pode variar até ±50% em torno do valor médio. * Entretanto, isso não inviabiliza o uso de circuitos com polarização variável (bias ajustável).

A figura 2 mostra as características de ânodo (placa) obtidas com 10 amostras de cada tipo de válvula, posteriormente médias.

* ECC88 (6DJ8): melhor linearidade, maior transcondutância (gm), menor resistência de anodo (ra). * ECC83 (12AX7): alto fator de amplificação (μ), maior resistência de anodo. * ECC81 (12AT7): alto μ, resistência de anodo menor, semelhante à ECC82 (12AU7).

Apesar da ECC88 parecer a melhor escolha para baixas tensões, a ECC82 (12AU7) foi escolhida para a maioria dos circuitos de teste por razões que serão detalhadas.

A figura 3 mostra a corrente média de grade de controle (g1) das válvulas analisadas:

* Em geral, a corrente de grade aumenta com a transcondutância (gm). * ECC82 (12AU7): exceção, possui grade de passo mais largo e atrai menos elétrons. * ECC88 (6DJ8): consome o dobro da corrente de grade da ECC81 (12AT7), ~8 vezes mais que ECC82 ou ECC83.

A corrente de grade é determinante em amplificadores em subtensão, pois a polarização (bias) deve ser muito baixa e a corrente de grade não pode ser ignorada.⁴

A resistência de entrada da grade (inversa do gradiente da curva de corrente de grade):

• ECC82 (12AU7) e ECC83 (12AX7): ~20 kΩ a –0,25 V
• ECC81 (12AT7): ~7 kΩ
• ECC88 (6DJ8): ~3,6 kΩ

Quanto mais positiva a grade, menor a resistência de entrada.

Estas curvas aplicam-se a 12 V; abaixo disso, a corrente de grade aumenta, mas a variação é desprezível entre 3 V e 15 V na região de interesse.

* ECC82 (12AU7) possui menor corrente de grade, consistência entre amostras e é econômica. * Menor μ facilita ajuste do bias, ganhando linearidade suficiente para baixas tensões.

Correntes de grade significativas implicam tratar o triodo como um transistor, polarizando a grade diretamente. Polarização por cátodo é pouco prática.

* Excitar a grade a partir de fonte DC de baixa impedância (opamp). * Polarização tradicional por resistor de grade (grid-leak bias). * Polarização por resistor de grade com pull-up (pull-up grid-leak bias).

Figura 4: opamp excita a grade.

* Adiciona resistor de cátodo para tensão de trabalho ~3 V. * Trimpot ajusta saída DC do opamp para diferentes válvulas.

* Reduz distorção, pré-distorsionando a tensão na grade. * Valor experimental ideal: ECC82 ~4,7 kΩ; ECC81/ECC83 aceitável; valores muito altos alteram assinatura harmônica.

* Ganho ECC82: 7,5 * Saída máxima antes de distorção: 1,5 Vp-p * 4 Vp-p → THD > 3% * Impedância de saída: ~20 kΩ (buffer opcional via opamp)

Figura 5: aumenta R6 efetivo, corrente constante, ganho ≈ μ do triodo, distorção reduzida.

* Ganho: ECC82 → 15, ECC81 → 35 * THD a 4 Vp-p indetectável via FFT.

* Faixa -1 dB: 10 Hz – 100 kHz * Capacitâncias grandes permitidas devido ao baixo ganho do triodo.

Opamps permitem:

• Alta impedância de entrada
• Baixa impedância de saída
• Ganho adicional
• Comutação eletrônica sem cliques

Não fornecem a distorção graciosa das válvulas. Combinação válvula + opamp é prática para timbres harmônicos.

Polarização grid-leak tradicional: resistor entre grade e cátodo (Figura 6).

* Rg muito alto (1 MΩ) não funciona em subtensão; ex.: ECC82, Vg = –0,2 V, Ig ≈ 9 μA → Rg ≈ 22 kΩ

Polarização pull-up grid-leak: resistor da grade à alimentação positiva.

* Tensão alimentação: 12 V, Vg = –0,2 V → Rg ≈ 1,4 MΩ * Permite polarização zero ou positiva sem dano ao triodo * Figura 7: circuito básico usando pull-up grid-leak

Versão pure-tube para cargas moderadas: Figura 8

* Pode excitar carga de 10 kΩ sem problemas. * Figura 9: seguidor de cátodo substitui transistor, trimpot ajusta tensão do anodo. * Medições ECC82: Ganho 8,5; saída máxima 2 Vp-p; THD < 2%

* Carga máxima: 100 kΩ * Reduzir R5 → aumenta corrente de grade em V2 → prejudica V1 * Fonte de baixa impedância necessária

* Fonte regulada para baixo ruído/hum * Adaptadores wall-wart “regulated” * Evitar switch-mode * Corrente de anodo: < 1 mA * Corrente aquecedores: 150 mA mono / 300 mA estéreo * Adaptadores 300–500 mA comuns

Amplificação linear em baixas tensões é possível, com circuitos práticos e divertidos.

* Limitações: baixa impedância de entrada, ganho limitado, pouca margem dinâmica * Alternativa: circuitos híbridos * Plataforma confiável para experimentação futura

Sou grato a Stephen Keller pela ajuda na obtenção de material de referência.

• Volkers, W. K. (1951). Direct-Coupled Amplifier Starvation Circuits. Electronics. (March), pp. 126–129.
• Callahan, R. G. (1964). Simple High Gain DC Amplifier. Review of Scientific Instruments, 35 (6), pp. 759–760.
• Kaufer, G. E. (1955). How to Design Starved Amplifiers. Tele-Tech and Electronic Industries. (January), pp. 68–70 + 104 + 106–111.
• Bisso, R. J. (1957). Tube Design Considerations for Low-Voltage Operation in Hybrid Circuitry. The Sylvania Technologist. 10 (2), (April), pp. 38–41.
• Butler, B. (1991). Tube Overdrive Pedal Operable Using Low Voltage DC Battery Eliminator. US Patent 5022305.