Em busca do som valvulado — Análise e medições do xDuoo TA-20

Fala galera! Hoje eu quero falar de uma das idéias mais sedutoras — e mais imprecisas — do hobby de áudio: o tal som valvulado. Se você acompanha o assunto há algum tempo, provavelmente já ouviu alguém descrever um amplificador como quente, macio, musical, orgânico ou até mesmo “analógico”.

Afinal, o que seria esse som? É mais grave? Menos agudo? É uma distorção agradável? Vem da válvula em si ou do circuito construído ao redor dela? E, talvez a pergunta mais importante: um amplificador valvulado tem sempre o mesmo som, independentemente do fone conectado?

Para explorar essas perguntas, medi o xDuoo TA-20, um amplificador híbrido que usa duas válvulas 12AU7 na etapa de pré-amplificação e transistores na saída. Em vez de procurar apenas um número de THD para dizer se o aparelho é “bom” ou “ruim”, vamos observar o que forma essa distorção, como ela cresce e como muda de acordo com a carga.

O resultado é mais interessante do que a velha oposição entre válvulas “musicais” e transistores “transparentes”. Preparado? Bora lá!

Apresentação — o xDuoo TA-20

O TA-20 é um amplificador de mesa sem DAC integrado. A xDuoo o apresenta como um amplificador valvulado balanceado de alto desempenho, com entradas e saídas RCA e XLR, duas válvulas 12AU7 e uma etapa de expansão transistorizada em classe A. A potência divulgada para o modelo é de 2 W em 32 ohms.

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Esse detalhe da topologia é importante: o TA-20 não é um amplificador valvulado tradicional e tampouco um OTL. Ele é o que chamamos de valvulado híbrido. As válvulas são utilizadas numa etapa de pre-amplificação, colorindo o sinal de áudio, enquanto a etapa transistorizada é responsável por entregar potência aos fones.

Em teoria, essa combinação - muito utilizada nos anos 90 e 2000 em amplificadores de guitarra - oferece um pouco dos dois mundos: a assinatura não linear das válvulas e uma saída mais capaz de lidar com cargas difíceis. Na prática, ela também cria a pergunta central deste artigo: quando ouvimos o TA-20, quanto do resultado vem das válvulas e quanto vem do estágio transistorizado?

Mas antes das medidas: o que é “som valvulado”?

Um amplificador ideal entregaria na saída uma cópia maior do sinal de entrada. Se aplicarmos um tom de 1 kHz, receberíamos apenas o mesmo tom de 1 kHz, amplificado.

No entanto, amplificadores reais entregam - no próprio processo de amplificação - mais do que apenas o sinal de entrada. São contribuições ao som que não existiam no sinal original - chamadas não-linearidades - e que são representadas por frequencias múltiplas do sinal original. Ou seja, se aplicarmos um tom de 1kHz, vamos obter um sinal com esta frequencia amplificada, mas também com presença da segunda harmônica em 2 kHz, a terceira em 3 kHz, a quarta em 4 kHz e assim por diante.

A medida tradicional para avaliar a distorção introduzida pelo amplificador é a THD - Total Harmonic Distortion, definida pela formula:

Você não precisa ser Engenheiro ou Matemático para entender - a THD soma todas as contribuições indesejadas e compara elas com o sinal amplificado, retornando um único número que representa a porcentagem dessas contribuições indesejadas. Quanto menor este número, menor é a distorção introduzida pelo amplificador.

O problema é que duas medidas de THD podem ter valores iguais, mas composições completamente diferentes. Uma pode ser quase toda composta pela segunda harmônica; outra pode misturar segunda, terceira e ordens superiores. O número é parecido, mas o fenômeno elétrico associado é diferente - e potencialmente sua percepção acústica também é.

E é aqui que surge parte da fama das válvulas.

A lenda conta que um amplificador valvulado gera um perfil de distorção dominado por harmônicas pares, especialmente a segunda harmônica - H2. Como a segunda harmônica está uma oitava acima da fundamental, ela costuma ser descrita como menos agressiva do que componentes ímpares e de ordem mais alta. Ainda segundo a crença popular, circuitos a transitor produzem harmônicas ímpares - que seriam desagradáveis por não estarem diretamente associadas musicalmente à nota original tocada de 1kHz.

No entanto, esta percepção não é uma regra: Não existe uma lei dizendo que toda válvula produz apenas H2, nem que todo circuito transistorizado produz H3. Topologia, ponto de operação, realimentação, nível do sinal, impedância da carga e proximidade do clipping mudam a assinatura do aparelho.

Também não há uma receita de bolo que diga que harmonicos pares ou ímpares sejam automaticamente agradáveis ou desagráveis. Não há hoje uma relação clara entre a presença de um certo tipo de harmonicos e a qualidade de um amplificador. Exatamente por isto a THD e suas medidas relacionadas ainda dominam como o padrão para medição de qualidade de um amplificador.

Certa vez conversei com o Augusto Pedrone, notório fabricante de amplificadores valvulados para o mercado Brasileiro. Você pode conferir o podcast com ele no link abaixo. Ele fala brevemente sobre o que discutimos acima.

Então, para este artigo, o que faremos é uma investigação elétrica e sonora do xDuoo TA-20, medindo e ouvindo o que ele adiciona no sinal por meio das suas válvulas. De posse dos resultados e percepções, vamos ver se podemos corroborar a crença popular sobre os valvulados ou temos que buscar uma definição melhor.

Medições do TA-20

Metodologia

Primeiramente, vamos falar dos dispositivos usados na medição. Empreguei o FiiO M11S como fonte, conectado ao PC como USB DAC - ele gerará os sinais limpos para o TA-20 amplificar. Para fazer a aquisição de dados, o dipsositivo depende da medida a ser realizada: o E1DA Cosmos ADC com o REW para a análise de distorção e meu osciloscópio Rohde & Schwarz RTB2004 para confirmar tensão e observar clipping. Obviamente usamos o Pinguelômetro, variando as impedâncias conforme o necessário. As medições principais deste artigo foram registradas no canal esquerdo da saída single-ended, com tom próximo de 1 kHz. Mas verifiquei que ambos os canais possuem o mesmo comportamento.

Antes de medir a distorção

Vamos agora para os testes de distorção. Sempre que meço e divulgo distorção, uso duas cargas - que representam cenários relevantes dentro do áudio:

• 33 ohms: próximo de muitos planares e fones modernos de baixa impedância, exigindo mais corrente;

• 330 ohms: próximo de dinâmicos de alta impedância, exigindo mais tensão.

Antes de colocar o TA-20 na cadeia, medi a resposta do M11S sozinho - aberto, ou seja, sem nada conectado. A medida foi tomada colocando o M11S no modo Phone Out, para evitarmos um sinal de 60Hz que ele introduz no modo Line Out. Depois calibramos para dar 2VRMS de saída, um bom nível para os testes. O resultado é a linha de base de distorção que podemos ver na figura que se segue.

Em aproximadamente 2 VRMS, o M11S apresentou:

• 0,00041% de THD; e

• 0,00070% de THD+N.

Antes de colocar o TA-20 no circuito, decidi entender como funcionava sua calibração de volume, o que me permitiria realizar ajustes sem mexer na fonte e áudio - controlando o amplificador. Para isto medi a saída a cada 10 passos de volume e calculei o incremento em dB. Entre as posições 10 e 94, cada unidade do display alterou o nível em aproximadamente 1dB. Na posição 80, a saída ficou em 2,012 Vrms para uma entrada de referência de 2 Vrms — praticamente ganho unitário. Isso tornou o volume 80 um ponto muito conveniente para comparar a cadeia com e sem o amplificador.

Distorção - O TA-20 não está buscando a transparência

De posse das informações anteriores, medi o TA-20 em circuito aberto e ganho unitário, para ver a influência básica do amplificador. E esta influência não foi pequena:

Saltamos ai cerca de 3 ordens de grandeza para 0.4%! Este amplificador certamente não está tentando desaparecer - isto porque não conectamos carga alguma. Com a carga, temos resultados similares do que em circuito aberto. Primeiramente, vou deixar a tabela com os dados - para dar um maior suspense ;).

Cadeia	Carga	Saída	THD	THD+N
FiiO M11S	aberto	2.00VRMS	0.00041%	0.00070%
M11S + TA-20	aberto	2.00 VRMS	0.40%	0.41%
M11S + TA-20	33 Ω	1.89 Vrms	0.56%	0.56%
M11S + TA-20	330 Ω	2.09 Vrms	0.40%	0.40%

Composição da distorção - O mesmo amplificador, duas assinaturas

Feito o devido suspense, vamos analisar a composição das THDs nos diferentes casos. Primeiramente em 330 ohms, bastante alinhado ao tipo de fone que se pareia com o TA-20.

Em 330 ohms e aproximadamente 2 VRMS, os 0.40% de THD eram quase inteiramente formados pela segunda harmônica**:

• H2: 0.40%;

• H3: 0.0063%;

• relação H2/H3: aproximadamente 63 vezes, ou 36 dB.

Esse é o cenário que mais se aproxima da imagem clássica do “som valvulado”: uma distorção de baixa ordem amplamente dominada por H2.

Agora vamos ver o que acontece quando usamos um fone de impedância mais baixa. Abaixo a distribuição com 33R.

Em 33 ohms, apesar de a THD total continuar na mesma ordem de grandeza, a composição mudou radicalmente:

• H2: 0,41%;

• H3: 0,36%;

• relação H2/H3: aproximadamente 1.1 vez.

A segunda e a terceira harmônica ficaram praticamente lado a lado. Perceba a armadilha de olhar apenas a THD: 0.40% e 0.56% parecem resultados relativamente próximos. O espectro mostra que são dois regimes de funcionamento muito diferentes. Em alta impedância, o TA-20 apresenta H2 dominante. Em baixa impedância, H3 cresce cedo e passa a dividir o palco. Veja abaixo a comparação entre ambos os casos.

Isso é compatível com uma distorção dependente da carga. A 33 ohms, o estágio de saída precisa fornecer muito mais corrente e sua não linearidade entra na fotografia. Como o TA-20 é híbrido, o que chamamos de seu “som valvulado” não vem apenas das válvulas: ele é o resultado da interação entre a etapa valvulada, a etapa transistorizada de saída e a impedância do fone.

O volume também muda a história

Este resultado fica muito claro quando vemos a distorção harmonica plotada em função do sinal de entrada. Quanto maior o sinal de entrada, maior é a saída resultante do amplificador, até o limite de corrente do estágio de saída. Veja a diferença lado a lado para 33R e 330R, mostrando claramente que - quando o TA-20 é exigido - a composição da distorção muda drasticamente.

Em 330 ohms, a THD foi de aproximadamente 0.014% no volume 50, 0.13% no volume 70, 0.40% no volume 80 e 1.25% no volume 90. Em 33 ohms, os valores equivalentes foram 0.014%, 0.15%, 0.53% e 1.30%.

Nos níveis muito baixos, o ruído representa uma parcela maior do THD+N. Conforme o sinal sobe, a distorção harmônica passa a dominar. E, novamente, a carga determina quais harmônicas aparecem: a H3 se torna relevante muito antes em 33 ohms do que em 330 ohms.

Portanto, duas pessoas podem usar o mesmo TA-20 e relatar experiências diferentes sem que uma delas esteja necessariamente imaginando coisas. Se uma usa um fone de 300 ohms em nível moderado e a outra um planar de 32 ohms com equalização e volume elevado, elas não estão exigindo o mesmo comportamento do amplificador.

Potência por impedância - onde termina a tensão e começa a corrente

A curva de potência ajuda a explicar a mudança de comportamento do TA-20. Vamos primeiro ao gráfico e ai fazemos as considerações.

Na saída single-ended, o TA-20 atingiu o pico de aproximadamente 2.04 W em 33.7 ohms, praticamente confirmando a potência de 2 W divulgada pelo fabricante. Em cargas menores, a corrente ficou limitada perto de 0,27 a 0,28 Arms. Em cargas maiores, a tensão se aproximou do teto de 9.9 Vrms.

Isso cria três regiões notáveis de operação, para a porta single-ended:

• Em baixa impedância, o amplificador é limitado principalmente por corrente;

• Na região intermediária, o amplificador atinge sua potência máxima entre 30 e 34 ohms;

• Em alta impedância, passa a ser limitado principalmente por tensão.

Na saída balanceada, o teto em circuito aberto subiu para aproximadamente 17 Vrms e o pico medido chegou a 3.73 W em 61 ohms. Curiosamente, em cargas muito baixas a saída balanceada não entregou vantagem: até aproximadamente 30 ohms, ambas esbarram em um limite de corrente semelhante. A vantagem balanceada aparece conforme a carga permite explorar sua maior excursão de tensão.

Utilizansdo as medidas, calculei a impedância de saída single-ended em aproximadamente 4.4 ohms. É alta comparada à de amplificadores transistorizados modernos, mas seu efeito na resposta dependerá da curva de impedância do fone. Em 33 ohms, o fator de amortecimento fica perto de 7.5; em 330 ohms, perto de 75. Fones com impedância muito variável ao longo da frequência podem interagir mais com a saída do TA-20 do que modelos de impedância quase plana.

Minha suspeita observando o comportamento de potência é que, no caso das baixas impedâncias, a saturação de H3 observada tem a ver com distorções causadas pelo estágio de saída e não pelas válvulas, o que casa com a topologia esperada do TA-20.

Influência nos fones - O TA-20 esquenta o som?

Se “som valvulado” significasse simplesmente reforçar os graves e suavizar os agudos, deveríamos enxergar isso com facilidade na resposta em frequência do fone. Para medir isto, resolvi realizar medições de resposta em frequencia de dois fones: o Moondrop LAN e o Truthear Zero RED. Ambos possuem comportamentos de impedância diferentes e devem nos ajudar a entender se há coloração.

A metodologia foi simples: fiz o mesmo setup que uso para medir fones utilizando o Qudelix-5K. Mas em um dos casos coloquei o TA-20 para medir. Igualei os volumes entre as medidas e tentei não perturbar o sistema entre as medidas - o que é bastante dificil quando se tem de trocar o cabo de fone de uma fonte para outra.

Vamos primeiro ao resultado do Moondrop LAN. As curvas medidas somente pelo Qudelix-5K e com o TA-20 ficaram praticamente sobrepostas. A diferença máxima foi de apenas 0,20 dB entre 20 Hz e 20 kHz. Ou seja: neste casamento, o TA-20 não transformou o fone por meio de uma equalização escondida.

Com o Truthear Zero:RED apareceu uma diferença de aproximadamente 1 dB nos graves. No entanto, eu considero ela pequena e compatível com uma variação de assentamento ou reposicionamento do IEM no acoplador entre as capturas. Sem repetir o ensaio com controle mecânico maior, não é correto atribuí-la ao amplificador. No entanto, o Zero RED é um fone com impedância bastante variável, pode se tratar de uma diferença pequena, que careceria de um setup mecânico melhor para medir.

No presente momento eu não possuo sistemas de medição para fones over. Então não consigo analisar influência do TA-20 em fones tipo Sennheiser HD, que é considerado um pareamento interessante com esse tipo de amplificador.

Experiência pessoal - Hora de morder a lingua

Todas as minhas impressões pessoais foram tomadas ANTES de medir o TA-20, compartilhando muito publicamente com meu grupo de apoiadores.

Usei o amp no meu setup com o FiiO M11S, este inicialmente como DAP e depois como DAC para o PC. A cadeia foi sempre single-ended: saída de 3.5 mm do M11S para RCA no TA-20 e saída de 6.35 mm para os fones. Também testei o M11S em Line Out e Phone Out; a segunda opção eliminou uma interferência de 60 Hz observada na bancada, então foi a escolhida para a maior parte do uso.

Os fones foram Moondrop LAN, Unique Melody MEST MK2, Sennheiser HD800 e Hifiman HE400SE - meu quarteto fantástico para testes. O TA-20 causou uma boa primeira impressão como objeto: é pesado, bem acabado, tem presença de equipamento de mesa e as válvulas fazem parte da experiência. Ele esquenta bastante, como esperado, e o clique do relé depois de ligado passa uma boa sensação de proteção.

Nem tudo foi perfeito. O controle de volume eletrônico da minha unidade parecia perder passos quando girado rápido; para um ajuste preciso, era melhor operá-lo com calma. Com IEMs sensíveis, também era possível ouvir os degraus do volume enquanto o knob era movimentado. Não houve desequilíbrio entre canais nem hiss alto e desagradável, mas o LAN deixava o ruído de fundo mais perceptível que o MEST MK2.

Sonoramente, a primeira impressão foi de que o TA-20 “acordava” um pouco os fones. Não senti mais subgrave, nem uma mudança clara de palco, separação, imagem, resolução ou microdetalhe. A diferença, quando aparecia, parecia estar nos médios: guitarras, ataque e presença entre aproximadamente 2 e 3 kHz.

O HD800 foi o caso mais favorável. Nele, percebi mais vida nessa região e não faltou potência — o volume normal ficou perto de 60, enquanto acima de 70 os agudos já se tornavam desconfortáveis. Com o HE400SE, o TA-20 tocou sem dificuldade perceptível, mas não trouxe uma melhora sonora clara. Nos IEMs, também não encontrei um ganho subjetivo importante.

Foi justamente aí que a história ficou interessante. Minha hipótese inicial era que essa diferença discreta no HD800 pudesse vir de uma assinatura harmônica de válvula. Para avaliar melhor, deixei o HD800 plugado e tirei uma reposta a 1kHz no volume que eu estava ouvindo.

A THD medida no volume 60 foi de 0.041%, com a segunda harmônica praticamente 70dB abaixo da fundamental, ou seja, muito baixa para ser audível. Ainda que eu considerasse o volume 70, que pra mim era desconfortavel, o cenário não mudaria muito.

Aqui ha um aumento expressivo, com a THD indo para 0.11%, mas a segunda harmônica segue muito abaixo - próximo de 60dB - da fundamental. Eu acho que neste nível de distorção, esta relação não é grande o suficiente para justificar uma mudança sonora.

Aceito que minha impressão pode ter sido real, mas não encontro evidências claras em minhas medições que justiquem o que acho que ouvi. É o clássico caso de que os dados não corroboram com a experiência. No entanto, considero que minha experiência não foi forte o suficiente para bancar que deva existir um dado não medido que a deva explicar. Sou humano e, provavelmente, devo ter me entusiasmado com um bom valvulado na minha mesa.

Mas então, o TA-20 tem som valvulado?

Se por som valvulado entendemos apenas um aparelho com médios mágicos, graves redondos e agudos doces, a pergunta não tem uma resposta técnica — essas palavras dependem da audição, do fone, da música e até da expectativa do ouvinte. Creio que seja um fenômeno psicológico, mais do que acústico.

Mas, se entendemos som valvulado como uma assinatura não linear mensurável, o TA-20 certamente não é neutro. Em alta impedância, ele acrescenta uma quantidade relevante de segunda harmônica e mantém a terceira muito abaixo. É o comportamento que melhor corresponde ao estereótipo técnico de uma coloração valvulada.

Em baixa impedância, porém, essa identidade muda. A terceira harmônica cresce, a demanda de corrente expõe a participação do estágio de saída e o TA-20 deixa de ser um simples “gerador de H2”. Ele continua colorindo o sinal, mas com outra paleta.

O casamento mais coerente para explorar a assinatura clássica com H2 parece ser um fone dinâmico de alta impedância, como o Sennheiser HD. Um planar de aproximadamente 32 ohms, como o HE400SE, aproxima o aparelho de um regime bastante exigente, com prevalência de uma resposta que não parece ser a mais correta para o produto. Ao menos nesse ponto as medidas corroboram a sabedoria popular de que esse tipo de amplificador tende a ser uma escolha mais acertada para um certo tipo de fone.

Isto não significa que um casamento seja universalmente melhor. Significa que comprar um amplificador valvulado sem considerar o fone que você vai usar é ignorar metade do sistema.

Conclusão: uma busca, não uma resposta pronta

O TA-20 é um ótimo estudo de caso justamente por não oferecer uma resposta simples.

Ele confirmou os 2 W anunciados na saída single-ended perto de 32 ohms, oferece uma reserva de tensão considerável para fones de alta impedância e entrega ainda mais potência balanceada em cargas intermediárias. Ao mesmo tempo, sua impedância de saída e seu perfil de distorção mostram que ele não pretende ser apenas um fio com ganho.

O resultado mais importante, porém, não é um número de potência ou de THD. É perceber que “o som do amplificador” não existe isolado da carga. Com 330 ohms, o TA-20 apresentou uma assinatura fortemente dominada por H2. Com 33 ohms, H2 e H3 ficaram quase no mesmo nível. Mesmo aparelho, mesmo ponto aproximado de tensão, duas personalidades harmônicas.

Minha leitura é que a busca do som valvulado fica muito mais interessante quando deixamos de procurar uma caricatura tonal e passamos a observar o sistema completo. Válvulas podem adicionar distorção. Essa distorção pode ser predominantemente de baixa ordem. Mas sua quantidade, sua composição e sua possível audibilidade dependem do circuito, do volume e do fone conectado.

No fim, o TA-20 não me entregou uma prova simples de que válvulas sempre soam de um jeito específico. Ele é bonito, bem construído, potente e o HD800 foi o fone que mais me fez acreditar nessa “pitada de válvula”. Mas, quanto mais eu medi, menos confortável fiquei em chamar essa impressão de uma assinatura valvulada óbvia e universal.

Talvez a pergunta não seja “qual é o som das válvulas?”. A pergunta mais honesta é:

Que som este circuito valvulado produz, com este fone, neste volume?

No TA-20, finalmente temos alguns números para começar a responder. A busca continua e o melhor jeito de entender isso é medindo mais valvulados para entender qual é este tempero que seduz e cativa tantas pessoas no hobby do áudio.

É isto aí, pessoal! Até o próximo artigo!