¿Por qué suena mejor mi amplificador a válvulas?

En la red suelen encontrarse comentarios acerca de cuál es la razón por la que un equipo valvular de calidad suena mejor que otro de estado sólido de mejores prestaciones en laboratorio.

El más frecuente, en mis búsquedas, al menos, es: "las válvulas son menos lineales que los transistores, pero su distorsión es más agradable que la de los transistores". Probablemente se refieran a la distorsión armónica. Algunos llegan a decir que, cuando las válvulas llegan al punto de saturación, sus productos armónicos son mayoritariamente pares y esto es agradable porque completan una y dos octavas, un sonido armónico musicalmente. Generalmente no son audiófilos sino músicos. Un audiófilo jamás llegaría a escuchar una reproducción saturada; el guitarrista de rock sí. Las guitarras en el rock trabajan muy próximas a la saturación o sobre ella.

El análisis clásico de los amplificadores siempre se hizo en torno a la distorsión armónica y a la distorsión por intermodulación. Si colocamos una señal senoidal de audio de frecuencia única en la entrada del equipo, a la salida tenemos esa señal deformada. El análisis de Fourier muestra que resulta la suma de la frecuencia original más otras señales senoidales de menor amplitud inexistentes en la entrada. Estas son de frecuencias iguales al doble, triplo, cuádruplo, etc. de la señal original. En concordancia con la teoría musical, se denominan segunda armónica, tercera armónica, y así sucesivamente. En efecto, las armónicas pares suelen sonar bien, pues cada vez que se duplica una frecuencia se completa una octava; mientras que con las armónicas impares se obtienen sonidos disonantes. La sexta armónica puede ser una excepción.

La distorsión por intermodulación es bastante más molesta y consiste en un heterodinaje entre dos frecuencias senoidales presentes en la entrada en amplitudes diferentes. Esto produce dos frecuencias inexistentes en la señal, iguales a la suma y a la diferencia entre ambas notas.

Ambas distorsiones ocurren debido a que la curva de transferencia no es una recta. Si tratamos de describir esa curva matemáticamente, la aproximaremos mediante un polinomio de un cierto grado, por ejemplo: de quinto grado. Existe una correspondencia bastante estrecha entre los términos de quinto grado, cuarto grado, tercer grado, con los productos armónicos del mismo grado, de manera que se admite que estos términos son los responsables de la aparición de los productos espurios.

La distorsión por intermodulación ocurre con señales de diferentes amplitudes. En la distorsión armónica la frecuencia medida es única. Si hay varias, tienen amplitudes parecidas y trabajan sobre un mismo punto o entorno de la curva característica. En la intermodulación, en cambio, dos frecuencias tienen amplitudes muy diferentes y actúan en lugares distintos de la curva.

La diferencia de curvatura provoca el efecto. Este defecto, completamente indeseable en audio, resulta en una ventaja en los receptores de radio que la aprovechan: los receptores súperheterodinos.

Estas medidas clásicas para determinar la calidad de un amplificador son estáticas. Trabajamos con señales repetitivas de variación lenta, de frentes no abruptos y muy alejados de lo que es una señal musical real. Cuando se pudo comparar el sonido valvular de calidad (digo calidad, porque hay equipos valvulares de comportamiento desastroso) con equipos de estado sólido que tenían diez o cien veces menos distorsión armónica, era evidente que los últimos sonaban peor y nadie era capaz de explicar por qué.

Recién en la útima mitad del Siglo XX se encontró la causa: una distorsión no medida y que recibió el nombre de distorsión por intermodulación transitoria (en inglés: "Transient Intermmodulation Distortion", "TIM"). Con onda cuadrada sin modular se observaba un sobreimpulso en el frente de ataque. Si estaba modulada en amplitud con una onda senoidal, de manera que se observara la meseta de la onda cuadrada con una onda senoidal superpuesta, desaparecían los primeros ciclos de esa modulación. En el siguiente esquema se ve una onda cuadrada modulada en amplitud por una señal senoidal de 100 ó 200 KHz. Los primeros ciclos desaparecen durante un tiempo "T". La "salida real" ha sido simplificada; debería haber dibujado un trapezoide, pues el amplificador tiene slew rate finito y no podría llegar a un máximo en un instante.

Dos problemas se presentaron: El primero, cómo cuantificar lo que era fácil de ver cualitativamente, para establecer comparaciones. El segundo, encontrar la causa de esa distorsión.

Por fin se halló la causa. Por un lado, los equipos con tubos de vacío tenían una respuesta de frecuencia más o menos pareja en todas sus etapas. Es más, las etapas amplificadoras de tensión tendían a tener menor respuesta que las de potencia, especialmente en las salidas con pentodos. Era costumbre usar mayoritariamente tríodos y los tríodos suelen tener capacidades parásitas altas, limitando el espectro alto de frecuencias. Los transistores bipolares, en cambio, se comportan de manera muy distinta. Las etapas amplificadoras de tensión suelen estar formadas por transistores de pequeña o mediana señal que tienen un gran producto de ganancia por ancho de banda. Las etapas amplificadoras de corriente, especialmente la salida de potencia, usaban transistores con poca respuesta de frecuencia. El clásico y robusto 2N3055 tiene ganancia unitaria a un megahertz.

Un amplificador de salida cuasicomplementaria con estos transistores llega apenas a los 3.000 ó 4.000 Hz a -3 dB, en lazo abierto. El resto lo hace la realimentación negativa. Pero estos dispositivos funcionan por el tránsito de cargas y son lentos. Es posible extender la respuesta y bajar la distorsión en laboratorio (en régimen senoidal) aplicando grandes dosis de realimentación negativa. Sin embargo, la señal musical es ampliamente variable y de frentes abruptos, de manera que la realidad es muy lejana a lo que muestran los instrumentos. Un amplificador típico con válvulas tiene muy rara vez realimentación negativa mayor a 30 dB, mientras que con transistores es común encontrar entre 60 dB y 100 dB. Esto debido a que el transformador de salida es una pieza de respuesta compleja que obliga a los diseñadores a ser prudentes para evitar oscilaciones e inestabilidades. Los amplificadores transistorizados llegan a distorsiones menores en régimen senoidal porque están más realimentados, no porque el transistor sea más lineal que la válvula. La generalmente pobre "velocidad" de las etapas de salida bipolares hace que la realimentación llegue tarde, provocando más distorsión en ondas complejas de frentes abruptos [Ver ilustración en el artículo "La realimentación llega tarde a la cita"]. Además el altavoz es la parte que más distorsiona en un equipo de audio y en un amplificador realimentado es el responsable de picos, variaciones, rotaciones de fase, que modifican la realimentación suministrada al amplificador. El altavoz se comporta como una resistencia en torno a los 2.000 Hz. En otras frecuencias su componente reactiva hace mucho en contra si usamos realimentación. Las medidas de distorsión en régimen senoidal son una ilusión de calidad en audio; un autoengaño con base "científica" o técnica.

Quedó claro que se debería buscar que las etapas tuvieran una respuesta creciente de ancho de banda (de entrada a salida) para que los resultados pudieran ser más próximos al ideal. Además debía abandonarse todo lo posible la realimentación negativa y definitivamente el bootstrapping. Este último involucra una realimentación positiva leve, con el propósito de hacer parejo el recorte en saturación y alcanzar más potencia sin distorsión por recorte asimétrico. Aquí la solución era meramente económica; siempre fue posible hacer dos fuentes de alimentación: una de mayor tensión para las etapas amplificadores de tensión y otra para la etapa de salida. La tendencia actual es hacer un amplificador con dos fuentes partidas y diferencial desde la entrada, donde cada etapa que se suceda tenga una respuesta de frecuencia superior a la anterior.

La tecnología estuvo disponible en la última década del Siglo XX. Recién entonces los transistores estuvieron teóricamente a la altura de las válvulas en cuanto a la distorsión por intermodulación transitoria. Cualquier equipo construido con anterioridad, como los posteriores con tecnología vieja, ya superada, no pueden reproducir el sonido valvular.

Por algún motivo que desconozco los amplificadores de estado sólido suelen achatar y mezclar todos los instrumentos, mientras que las válvulas los separan nítidamente. La distorsión por intermodulación transitoria, abundante en los equipos de estado sólido, hace que instrumentos críticos como el violín y el bandoneón suenen metálicos, estridentes y sucios. Solamente el que esté acostumbrado a la escucha en vivo sin ninguna amplificación puede notar esa diferencia. La mayoría de las personas están muy acostumbradas al sonido artificial, amplificado, con todas sus distorsiones, que son muchas. Escuchar un quinteto de cuerdas en un muy buen amplificador hecho con todas las reglas del arte es una experiencia arrobadora que solamente es superada por la audición en vivo y sin micrófono. NINGÚN AMPLIFICADOR ES PERFECTO. Otro talón de Aquiles está en el órgano. Pero nunca será lo mismo oirlo en la nave de una catedral gótica que en un living de 8 x 4 x 3 metros cúbicos, por más equipo que se tenga. Aquí entran en juego leyes de la acústica y pesan las dimensiones del ambiente.

Un amplificador con tubos de vacío de alta calidad no es tan común; cuesta "sangre, sudor y lágrimas", se lo aseguro. Probablemente no lloremos ni derramemos sangre literal para lograr un excelente amplificador a válvulas, pero cuesta lo indecible depurar cada miligramo de su masa. Los equipos comerciales tienen precios: Un McInmtosh MC275 cuesta unos 9 mil euros y hay uno japonés, del que se fabrica una decena por año, que vale tanto como un Rolls Royce cero kilómetro. El que usted logre en su casa no tiene precio; si alcanzó la cresta de la ola, menos. Como no existe el amplificador perfecto esta tarea no tiene fin. Como el horizonte, la perfección se corre con cada paso que damos. ¿Para qué sirve buscarla? Galeano diría: "Para caminar".

Comentario agregado el 7 de junio de 2014:

Suele decirse que las válvulas producen distorsión armónica de segundo orden y de órdenes pares. Esto no es cierto en general. Los tríodos de potencia sí producen distorsión armónica casi totalmente de segundo orden y muy poquito de tercero. En cambio, los pentodos tienen  distorsiones de órdenes segundo, tercero, cuarto, quinto, sexto, séptimo, octavo y noveno, en amplitudes decrecientes. Los transistores también crean todas estas frecuencias inexistentes en la señal original. Esto cambia el timbre de lo que estamos escuchando.

En equipos simétricos en clase A provistos de transformador de salida se produce la cancelación teórica de todas las armónicas pares. En la práctica los componentes no son ideales ni completamente apareados, por lo que la cancelación no es total,  hay una disminución de los armónicos pares, hablando estrictamente. Esta cancelación es función exclusiva del transformador de salida. No existe en salidas sin transformador. Por eso el inmejorable sonido de los tríodos: cuidando el balance de componentes y la calidad del transformador de salida apenas queda un resto de distorsión de tercer orden y... sin realimentación negativa. Pero en clase AB o en B la cosa ya no pasa, porque las válvulas trabajan alternadamente, no en conjunto ("empuja - tira" - "push-pull") como en  clase A (en clase AB lo hacen en bajos niveles de señal). Los equipos transistorizados con transformador no son comunes. Los pocos que hay cumplen con lo mismo que las válvulas: cancelan armónicas pares.

Algunos músicos opinan que agregar sonidos "medidos" de tercer orden realza la calidad musical de la pieza. Los buenos músicos hacen esto justo antes de un pasaje de mucha melodiosidad y armonía; justamente para que la disonancia previa agudice el placer que sigue. Pero esto es algo que el músico hace voluntariamente; este mismo músico desearía que su grabación fuese reproducida sin cambios espúreos. No es cierto que un amplificador con un poco de distorsión armónica de tercer orden mejore la calidad de una pieza musical. Distorsiona siempre y en cualquier parte; agrega timbres que no estaban en la interpretación original. Arruina el trabajo del artista. El amplificador no crea en sentido artístico: apenas reproduce. Y cuando reproduce mal crea cosas que el artista no puso en su obra. Adultera.

Pero la calidad sonora que distingue a los buenos amplificadores valvulares de los de estado sólido no está en la distorsión armónica total, sino, como se escribió, en la distorsión por intermodulación transitoria y en las grandes cantidades de realimentación negativa que se usan, realimentación que produce nuevas distorsiones por llegar a destiempo. Las válvulas responden mucho más rápido que los transistores bipolares, pero no existe el amplificador con tiempo de tránsito nulo. La realimentación llega siempre tarde cuando se trata de música: es indeseable en un equipo de calidad, excepto en lugares muy estudiados y con cuentagotas. Por regla general debe evitarse.