Medindo potência de DACs e Amplificadores com o Ampsight - o "Pinguelômetro"

Apresentação

Você já teve curiosidade de saber se seu DAC, AMP ou dongle USB (aka Pinguelo) de fato entrega a potência prometida? Ou se algum desses aparelhos é capaz de tocar determinado fone? Pois é, esta é uma das perguntas que mais me fazem nos grupos e nas redes sociais. Para responder isso vamos projetar um simulador de impedâncias de fones de ouvido, que usaremos para medir os dispositivos que caírem na nossas mãos. Bora conferir mais sobre esse projeto que surgiu no grupo de apoiadores da mahaudio e agora será usado para benefício de toda comunidade do hobby.

Impedância em fones de ouvido

Impedância é a grandeza que representa a oposição de um circuito à passagem de corrente elétrica. Para calcular a impedância, usamos a seguinte fórmula:

Na equação acima, V é o sinal de tensão elétrica e I o sinal de corrente resultante no circuito. Quem tem algum treinamento em eletrônica vai notar que esta equação é bastante similar à lei de Ohm, que define a resistência elétrica como:

De fato, a resistência elétrica é um caso particular da impedância para resistores. A impedância é definida como a noção geral de tensão dividida pela corrente em qualquer componente elétrico - indutores, capacitores, falantes, fones, amplificadores, etc. A resistência é uma das componentes da impedância, mas não a única - como veremos mais adiante.

Em fones de ouvido e alto falantes, a impedância normalmente é especificada na frequência de 1 kHz. Por exemplo, vamos pegar as especificações do Moondrop LAN, que já resenhamos no canal:

No eixo horizontal temos os valores de frequência do sinal de entrada, enquanto no vertical temos os valores de impedância medida em ohms. Apesar de algumas pequenas variações perto da região de 2k, a impedância se mantém próxima dos 32 ohms especificados pelo fabricante.

No entanto, em alguns fones, com múltiplos drivers e circuitos de crossover, esta situação pode mudar drasticamente. Veja nossa medição do Truthear Zero RED:

Se pegássemos o valor em 1kHz, estaríamos próximos de 17 ohms, o que casa com a especificação do fone de 17.5 ohms, com tolerância de 15% para mais ou menos. No entanto, note o crescimento da impedância para baixas frequências, resultado direto do emprego de um segundo driver, que da um efeito “subwoofer” no fone. A impedância nos sub graves chega próxima dos 100 ohms, mais de 5 vezes o que se mede na frequência de especificação.

A lição a tirar aqui é que impedância é um parâmetro definido para múltiplas frequências. Para simularmos um fone de ouvido, teremos de saber o comportamento de impedância do nosso simulador em todo o espectro e não somente em uma dada frequencia.

A impedância de fones de ouvido é derivada do tipo, construção, variedade do driver (dinâmico, armadura balanceada, planar), existência de circuitos de tuning das frequências. Isto torna muito difícil a tarefa de reproduzir exatamente o que um fone de ouvido representa eletricamente. Em nosso esforço, tentaremos focar naquilo que é relevante para a medição de amplificadores, enquanto apreciamos que o assunto é bastante amplo para aprofundar as discussões.

O efeito da impedância em um DAC ou Amplificador

A maneira como calculamos a saída dada por um DAC ou Amplificador depende da topologia do bloco de saída. Normalmente são amplificadores de tensão elétrica, que produzem como resultado nos fones de ouvido uma corrente elétrica. A potência de saída pode ser expressa, em termos da tensão e corrente, pela expressão:

Onde V expressa a tensão e I a corrente - em valores RMS. Se desejarmos achar uma relação entre impedância e a potência de saída, podemos substituir na formula acima e teremos:

Pegando o exemplo que usamos a tensão para gerar a potência de saída, para uma dada tensão quanto maior a impedância, menor é a potência necessária. Olhando por esse ângulo, tiramos aquela clássica - e normalmente enganada - conclusão de que fones de alta impedância são mais fáceis de tocar.

No entanto, se levarmos em conta a expressão baseada em uma corrente fixa, uma impedância menor causará uma redução na potência de saída. Isto ocorre porque cargas menores drenam mais corrente do amplificador de saída. Amplificadores operacionais tem inclusive especificações de corrente máxima permitida - não importa quanto você aumente a tensão, o OPAMP não fornecerá mais corrente além daquele limite. Veja abaixo a especificação de corrente de saída para o famoso OPA1612:

Na prática, a tensão de saída pode ser facilmente controlada por variáveis do circuito elétrico, mas a corrente de saída depende da implementação do componente, não conseguimos aumentar a menos que troquemos de amplificador de saída. Portanto, olhando por este ângulo, headphones de baixa impedância é o que levam os amplificadores ao limite e, portanto, são os que normalmente são os mais difíceis de tocar.

A potência de amplificadores de fones de ouvido é especificada em uma dada impedância, normalmente baixa. Veja por exemplo o caso do Douk T4 Pro Mini:

• Max output power of headphone jack: 150mW @ 32Ω

Neste caso, se ligarmos uma carga de 32 ohms, a potência máxima é de 150mWrms. Infelizmente, o fabricante não forneceu medidas para outras impedâncias. Mas vale dizer que não se pode, por exemplo, extrapolar o valor. Se fizéssemos isto para o Douk T4 Pro, teríamos os seguintes valores.

Impedância (Ω)	Potência de Saída (mW RMS)	Tensão (V RMS)	Corrente (A RMS)
32	150	2	0.0625
64	75	2	0.0313
150	32	2	0.0133
300	16	2	0.0067
600	8	2	0.0033

Veremos logo mais como estes valores não correspondem ao real desempenho do T4 Pro Mini.

Usando resistências como impedâncias para medir amplificadores

Para a medição de amplificadores, vamos fazer algumas simplificações, buscando o que é importante para aferirmos:

• Se o amplificador entrega a potência mencionada pelo fabricante;

• Se a entrega de potência ocorre sem grandes distorções no sinal de teste;

Pensando neste teste, podemos modelar um fone de ouvido por uma carga puramente resistiva. Por exemplo, caso desejemos simular um fone de ouvido cuja impedância é 32 ohms, que é um valor no qual muitos amplificadores especificam sua potência nominal, podemos utilizar um resistor de valor equivalente. Ou seja, um resistor de aproximadamente de 32 ohms pode ser conectado à saída do dispositivo de áudio que queremos medir.

Para medir amplificadores em diferentes condições, precisaremos portanto de diversos resistores com valores parecidos com impedâncias encontradas em fones de ouvido. E de alguma maneira de conecta-los e desconecta-los da saída do amplificador. Este tipo de circuito se chama Carga de Teste - ou Carga Fantasma - para Amplificadores e é muito usado em grandes amplificadores de potência. No entanto, nosso objetivo é testar o mundo dos pequenos amplificadores para fones de ouvido.

No entanto, é importante saber que a maioria dos resistores não são cargas puramente resistivas. Isto quer dizer que, apesar de um resistor de 330 ohms estar especificado para ter este valor, sua impedância total pode variar de acordo com características construtivas. A magnitude da impedância, em função das características de um circuito, pode ser expressa pela seguinte formula:

Na formula, R é a resistência, principal componente de um resistor, enquanto XL e XC são as reatâncias indutiva e capacitiva. Estas duas componentes são predominantes principalmente em Indutores e Capacitores, respectivamente e contribuem para o valor total da impedância observada pelo amplificador em frequências acima da tensão contínua.

Você deve estar se perguntando: mas por que um resistor exibiria uma característica de um Indutor ou Capacitor? Isto ocorre porque os componentes eletrônicos possuem características principais - que desejamos e projetamos para ter - e parasitárias, que não são desejadas e são consequência da construção do dispositivo.

No caso dos resistores, muitos modelos são feitos com fio enrolado, o que faz com que o resistor possua características de um indutor - outro componente feito com fio enrolado.

Esta característica pode aumentar a componente indutiva da reatância - XL - na formula acima. Isto representa um aumento da impedância com um aumento da frequência do sinal. Ou seja, se medirmos a resistência usando um multímetro (em corrente contínua), vamos medir um valor diferente do que teríamos na frequência de teste - no nosso caso, 1kHz.

Para simularmos a impedância de um fone de forma controlada na frequência que desejamos medir, normalmente 1kHz, precisamos ter a certeza do valor da impedância total nesta frequência. Em outras palavras, precisaremos nos certificar de que o resistor preserva seu valor nominal de impedância em 1kHz.

Também é importante considerar que os resistores irão dissipar potência vinda do DAC / Amplificador. Com isto, a temperatura deles deve subir, o que pode afetar o valor da resistência. Portanto, além de ser constante nas frequências do áudio, o resistor deve ter baixo coeficiente de temperatura.

Projetando o Ampsight - ou Pinguelômetro

Definição básica

O Ampsight é uma carga de teste programável para medir amplificadores, DACs e dongles USB, comumente conhecidos como pinguelos pelo pessoal do Hobby. Antecipamos que a maior parte de nossos testes serão em pinguelos do mercado que o os hobbystas querem saber se tocam ou não um determinado fone. Daí o nome carinhoso ao projeto - Pinguelômetro.

Projeto

O esquema básico do Pinguelômetro foi feito “no papel de pão” primeiro:

Na figura acima, todos os resistores estão conectados ao terminal negativo (comum), mas podem ser conectados e desconectados do terminal positivo por meio de uma chave. Com este arranjo, podemos utilizar os resistores individualmente ou conectando em paralelo, o que permite diversos valores de resistência equivalente.

A ideia inicial era utilizar um microcontrolador ESP32 e relês para fazer o chaveamento, tornando a operação automática. No entanto, queremos começar de forma simples, sem desenvolvimento de software e sem precisar ligar o Pinguelômetro na alimentação. Então vamos empregar um DIP switch para chavear os resistores. A medida dos sinais será feito por um osciloscópio ou multímetro ligados aos terminais + e -, então o projeto deve incluir alguma forma de conexão com esses instrumentos.

Como saídas vamos usar um conector P10 Stereo para Single Ended e um Pentaconn para Balanceado. O conector Pentaconn, por enquanto, é caro e não possui jumper cables facilmente encontráveis para ligar em outros amplificadores. Mas esta situação deve mudar com o tempo. Vamos usar uma chave para selecionar entre os lados direito e esquerdo.

A parte mais importante a se definir são os resistores. Optei por resistores não indutivos da Caddock, linha MP930. Estes resistores de potência tem diversos itens desejáveis para nossa aplicação:

• Potência de até 30W, mais do que suficiente para medir qualquer amplificador de fones e até alguns de caixas de som;

• Não indutivos - 10nH de impedância parasitária - o que garante o valor correto da resistência em toda a faixa de áudio;

• Baixo coeficiente de temperatura - 80ppm no pior caso - o que garante que com a dissipação de potência não tenhamos variação da resistência de saída;

Definidos os resistores, passamos para o esquema elétrico, feito no KiCad:

Teremos um conector P10 6.35mm para sinais single-ended e um jack Pentaconn 4.4mm para balanceado. Para chavear os lados, vamos usar uma única chave 3PDT, dando cabo de ambos os conectores de entrada com um único controle. Para conexão dos instrumentos, usaremos dois tipos de conectores, um SMA para ligar o Osciloscópio e dois bornes para ligação de multímetro. Os valores usados são os disponíveis na linha da Caddock para venda. A vantagem da ligação paralelo é que podemos criar diversos valores comuns para fones de ouvido combinando diversos resistores.

• 16ohms - Podemos associar dois de 30ohms, resultando em 15ohms ou dois de 75ohms com um de 30ohms, resultando em 16.67ohms

• 32ohms - Podemos usar um resistor de 30ohms, ou associar dois de 75ohms com um de 330ohms, resultando em 33.67ohms;

• 300ohms - Podemos usar diretamente o resistor de 330ohms;

Com o esquema elétrico pronto, segue-se o layout da placa de circuito impresso:

Faço questão de agradecer aos meus apoiadores em meus projetos do canal. E desta vez não foi diferente.

Com a placa pronta, geraram-se os arquivos para fabricação e passamos para a fase de construção.

Construção

A placa de circuito impresso foi feita na JLCPCB, que normalmente uso para os meus projetos. Com eles até hoje não tive erro, as placas vem muito bem acabadas e a um custo acessível. Pela foto abaixo da para ter uma idéia de como ficou.

Os componentes foram comprados no AliExpress. Fica a dica: o Ali é um ótimo local para comprar componentes como os nossos resistores - mas precisa procurar direito. Os vendedores, normalmente, retiram os componentes de produtos condenados, recondicionam para venda e enviam. Precisa ter boas referências para comprar algo que funciona.

A montagem foi bastante tranquila, já que todos os componentes são grandes. O item mais complicado fora os bornes para ligar o multímetro, que acabei comprando errado no Ali, com diâmetro muito maior do que tinha previsto na placa. Acabei comprando o tamanho certo no MercadoLivre. Abaixo a placa pronta montada.

O conector Pentaconn foi colocado posteriormente. Note os dissipadores, que permitem que operemos os resistores em sua potencia nominal de 30W. Os terminais para multímetro ficaram legais, mas o melhor é medir sempre usando o osciloscópio, para acharmos o ponto no qual o sinal começa a distorcer. Para uso geral, usaremos sempre pelo terminal SCOPE e sem os terminais de DMM, que deixam a placa inclinada.

Caracterização

Com o Pinguelômetro montado, precisamos saber agora as impedâncias reais de cada resistor, para termos a certeza de que estamos no valor correto para testar os amplificadores. Poderíamos medir a impedância em corrente contínua (CC), usando um multímetro e assumir que, como são resistores não indutivos, estes valores se preservam na frequência em que vamos testar os amplificadores - 1kHz.

No entanto, podemos fazer melhor que isto: vamos usar o medidor de impedância Dayton DATS v3, que temos especificamente para tirar impedâncias de falantes e fones de ouvido. Mediremos o Pinguelômetro como qualquer outro fone. Usando o software do DATS e fazendo uma varredura de medição de impedância, ele faz a medição no espectro audível e nos da um gráfico. Eis o que temos para, por exemplo, o resistor de 30 ohms.

Legal! Estamos estáveis em todo o espectro! Medindo-se todos os resistores, temos os seguintes valores:

Resistor	Valor Teórico	Valor Medido (1kHz)	Diferença (%)
1	30	30.02	0.07%
2	30	30.04	0.13%
3	30	30.02	0.07%
4	75	75.13	0.17%
5	75	74.89	0.15%
6	330	328.6	0.42%
7	330	328.6	0.42%

Em todos os valores estamos abaixo de 1% de erro em relação ao teórico. Com isso, podemos planejar nossos testes!

Bancada de testes e procedimento

A bancada de testes de medição de um amplificador ou DAC tem a montagem conforme a figura abaixo.

Para descobrir a potência entregue por DACs, AMPs e Pinguelos, fazemos o seguinte procedimento:

• Visualizamos a especificação de potência para uma dada impedância de um certo DAC/AMP;

• Configuramos manualmente os DIP switches do Pinguelômetro para dar a mesma impedância, ou próxima, da usada na spec do DAC/AMP;

• Ajustamos o DAC/AMP para produzir em sua saída um sinal de 1kHz máximo ajuste de volume;

• Esse procedimento é diferente para cada aparelho que vamos configurar;

• DACs normalmente produzem sua propria saída, AMPs precisam de uma fonte na entrada;

• Detalharemos para cada aparelho como fizemos para gerar o sinal;

• Devemos observar atentamente quando o sinal passa a distorcer e reduzir o volume para não ultrapassar essa margem,

• Isso pode ser feito reduzindo a entrada de um amp, ou reduzindo o controle de volume de saída;

• Medimos o valor RMS do sinal limpo senoidal;

• Fazemos a conta da equação dada no começo do artigo:

E verificamos o valor com relação ao divulgado pelo fabricante. Se o dispositivo tiver saídas diferenciais e single-ended, precisamos considerar que muitas vezes o valor máximo divulgado diz respeito as portas diferenciais. Dessa forma, precisamos ligar as saídas diferenciais em nosso Pinguelômetro.

Primeira medição - Douk T4 Pro Mini

O Douk T4 Pro Mini é um pequeno amplificador de mesa valvulado de baixa tensão.

Isto quer dizer que ele usa uma fonte de 12V e não sobe essa tensão para as centenas de volts que válvulas normalmente precisam. Ele conta com duas válvulas JAN5654 que prometem “melhorar tudo associado à sua música, como detalhe, transparência, imediatismo, riqueza, dinamica, timbre, etc”. Não estamos aqui nesse artigo para debater o som valvulado e sua influência no som. Isto fica para outro artigo ou um review deste amp. Vamos ver se ele entrega o que promete como um teste de campo para o Pinguelômetro.

As especificações de potência do T4 Pro Mini são:

• Max output power of headphone jack: 150mW @ 32Ω

Então, medindo a partir do jack de fone de ouvido do aparelho e ajustando o Pinguelômetro para uma carga mais próxima de 32ohms, devemos ver algo próximo de 150mW RMS. Acertamos a bancada para medir o Douk T4 Pro.

Foi usado um FiiO M11S como fonte de áudio. O M11S está configurado para sua máxima saida (modo Line Out), e conectado como USB DAC a um computador, que está gerando os sinais áudio usando o programa Audacity. Seguindo o procedimento, mapeamos a potência máxima medida para diversas impedâncias.

Como podemos observar, medindo da Aux In para Headphone out, a potência em 32 ohms é próxima a 110mW RMS, o que é cerca de 26% inferior ao informado. Outro ponto importante a notar é que a potência máxima da unidade acontece em 75 ohms, por volta de 250mW RMS. Isto contrasta bastante com a tabela que extrapolamos no início do artigo, que previa uma potência decrescente. Minha opinião é que falta um trabalho do fabricante em explicar as condições de teste, de forma que possamos chegar ao valor procurado.

Segunda medição - Apple Dongle (Lightning)

Um dongle bastante popular entre usuários é o da Apple, tido por muitos como um bom DAC portátil para celulares. Eu não possuo a versão USB-C, então resolvi medir a versão Lightning, que uso no meu aparelho.

Infelizmente, a Apple não divulga oficialmente as specs de seus dongles - o que não é surpreendente, ja que a maioria dos seus usuários não se importa. No entanto, observando fóruns na Internet, eu encontrei um valor de 1VRMS como sendo uma espécie de marca deste produto. Pelo que parece, o dongle garante 1VRMS para qualquer coisa acima de 32 ohms.

Para medir o dongle da Apple, conectei ele ao meu iPhone 14 Pro Max e usei o software Multi-Tone para gerar o sinal. Com isso temos as medidas da tabela abaixo:

Analisando os resultados, estamos exatamente nos 1Vrms esperado para impedâncias típicas de fones de ouvido (>= 32 ohms). Parabéns Apple!

Próximos passos

Agora que o Ampsight/Pinguelômetro está pronto e o sistema montado, a idéia é medir tudo que passar por nossas mãos. Com isto, podemos ver como os aparelhos se saem e se estão dentro das specs. Tudo será devidamente divulgado - primeiramente para nossos apoiadores e depois no Blog aqui no site. O uso sugerirá melhorias futuras ao projeto do Pinguelômetro e seu uso para medição de equipamentos de áudio.

Fiquem ligados para as medições que deverão aparecer em uma sessão interativa em nosso site - e também em nossos vídeos no YouTube! Valeu!