PRINCÍPIOS DE SÍNTESE MUSICAL
A arte de criar e ouvir música é uma das mais antigas formas de expressão cultural do homem. Somente o homem é capaz de criar e controlar sons que simultaneamente detém todos os parâmetros que  caracterizam uma música.
Durante a evolução da história da música e dos instrumentos musicais, vários tipos de materiais brutos como varetas, troncos de árvores e chifres de animais foram utilizados para produzir sons. Com a evolução da humanidade, estes materiais foram modificados e aperfeiçoados de modo a produzir uma maior variedade de sons. Com o advento dos primeiros instrumentos musicais com uma escala de tons totalmente definida, a música passou a ser executada somente em instrumentos artificiais.
Historicamente, os fabricantes de instrumentos musicais sempre mostraram uma tendência a utilizar a tecnologia e os materiais mais recentes de que dispunham. A utilização de uma nova tecnologia de uma maneira experimental em música é bastante razoável, uma vez que a conseqüência de uma falha não é nada mais do que um incentivo para se tentar novamente. Além disto, para um músico, o resultado que não foi desejado por alguns, pode ser apreciado por outros.
Não é de surpreender, então, que os fabricantes de instrumentos musicais do século XX tenham rapidamente se aventurado na engenharia eletrônica moderna, uma vez que essa tecnologia proporciona a construção de instrumentos compactos, precisos e com uma enorme variedade de timbres sonoros.
Provavelmente, o maior objetivo do músico que se dedica à pratica de instrumentos musicais eletrônicos é ampliar as suas opções de sons para a composição musical. Todos os instrumentos tradicionais são limitados com relação à freqüência, à potência sonora e ao conteúdo harmônico que podem produzir. Embora teoricamente seja possível conseguir qualquer tipo de som combinando os instrumentos de uma orquestra, esta é uma prática que se mostra inviável, devido a fatores como tempo e custo.
Outro fator que pesa a favor dos instrumentos eletrônicos é o controle preciso de todos os parâmetros sonoros. Embora a precisão levada ao extremo não soe necessariamente musical, variações de afinação e andamento causadas por uma execução deficiente, além de alguns tipos de distorção, causam desagradáveis sensações aos ouvintes mais treinados.
Muitos sons naturais são extremamente complexos quando descritos em termos dos parâmetros sonoros fundamentais. Uma área de interesse de vários pesquisadores é a análise precisa de sons naturais, muitos dos quais são difíceis de ser imitados. Com a informação vinda destas análises, novos sons podem ser sintetizados eletronicamente de modo a se parecer com os originais, ou até enfatizando uma ou mais de suas características.
Em conclusão, o músico que trabalha com instrumentos musicais eletrônicos está limitado apenas pela sua própria imaginação.
 
5    5         OS PARÂMETROS FUNDAMENTAIS DO SOM
A música é um conjunto de sons ordenados. Na síntese musical, um certo conhecimento da física do som é necessário para se entender, construir e experimentar sons com um adequado grau de controle, principalmente quando lidamos com instrumentos musicais eletrônicos.
Uma maneira de se visualizar um determinado som é através da sua forma de onda, ou seja, a forma em que a pressão de ar varia no tempo. Hoje em dia é possível visualizar formas de onda na tela de um osciloscópio ou de um computador, através de uma placa de aquisição de dados. Para tanto, os sons devem ser convertidos em tensão elétrica, quando já não se encontram nessa grandeza.
Toda forma de onda pode ser descrita através de seus parâmetros fundamentais. Assim, uma onda senoidal pode ser descrita por dois parâmetros: a amplitude e o período, como na equação 1:
 ,     (1)
onde Vp é a amplitude máxima e T é o período (Figura 1).
 
Fig. 1.- Representação gráfica de uma forma de onda senoidal.
5.1    5.1      FREQÜÊNCIA
O recíproco do período (T) é chamado de freqüência (f=1/T), que é o termo comumente usado. Sua unidade é o hertz (Hz). Altos valores de freqüência são medidos em kilohertz (kHz). O ouvido humano é capaz de perceber sons com freqüências entre 16 Hz e 16 kHz, embora esses valores sejam um tanto arbitrários, por variarem de pessoa para pessoa, além de ser influenciado pela idade destes.
A freqüência de uma onda sonora está relacionada com a sua altura. A altura é um parâmetro subjetivo que existe apenas no cérebro do ouvinte, enquanto a freqüência é um parâmetro físico. Assim, um incremento na freqüência corresponde a um incremento na altura de um som, sendo que a relação entre estas duas grandezas não é linear, e sim exponencial. Um incremento de 100 Hz numa onda cuja freqüência é também de 100 Hz resulta num grande aumento em sua altura, enquanto o mesmo incremento numa onda sonora de 5 kHz é praticamente imperceptível. Para causar o mesmo efeito de percepção, é necessário dobrar a freqüência, isto é, partir de 5 kHz para 10 kHz.
A escala de tons musicais têm seu próprio sistema de medida. Ao contrário da freqüência, as unidades são relativas ao invés de absolutas. A unidade fundamental é a oitava. Se um tom B é uma oitava acima de um tom A, então a sua freqüência é exatamente o dobro da segunda. Outra unidade é o semitom, que é 1/12 de uma oitava, ou uma razão de 1,05946. Um semitom é a diferença de altura entre duas notas diretamente adjacentes em um instrumento musical afinado convencionalmente.
Uma vez que as unidades de afinação são puramente relativas, uma nota padrão deve ser definida afim de se obter as freqüências correspondentes de todas as outras notas musicais, aplicando-se a elas uma razão apropriada. Esta nota é o Lá (A4) acima do Dó (C4) médio, e sua freqüência é de 440 Hz.

Tabela 1. Sistemas de afinação


 

A Tabela 1 mostra dois sistemas de afinação bastante utilizados [1]. O mais popular deles é a escala temperada, que é baseada simplesmente na razão de 1,05946 entre dois semitons adjacentes (e.g.: A4®A#4). O outro sistema mostrado é a escala justa, que é mais musical e agradável aos ouvidos, particularmente quando são tocados acordes. A distância entre duas notas é baseada na razão de dois números inteiros de baixo valor. Por exemplo, um intervalo de quinta (sete semitons) é idealmente uma razão de 3:2, e uma terça (quatro semitons) é uma razão de 5:4. A desvantagem deste sistema é que nem todos os semitons estão igualmente espaçados; a transposição de um tom para outro é prejudicada, uma vez que todas as notas da escala são afinadas para responder a uma razão relacionada a um tom fundamental. A escala mostrada na Tabela 1, por exemplo, corresponde ao tom Lá Maior. Tal situação é claramente impraticável em todos os instrumentos de afinação fixa, como pianos, órgão, violões, etc.
5.2    5.2      AMPLITUDE
O outro parâmetro que descreve uma forma de onda, ou um determinado som, é a amplitude. Em acústica, a amplitude representa a magnitude da variação da pressão do ar, enquanto que em eletrônica a amplitude é relacionada com a magnitude da tensão ou da corrente num circuito.
A maneira mais óbvia de se especificar a amplitude de uma onda de tensão senoidal é determinando a mínima e a máxima tensão num período e expressando a amplitude como a diferença entre os dois extremos. Esta é chamada a amplitude pico-a-pico. É comum também especificar o valor médio da amplitude da onda num período de tempo. Outro método relaciona a quantidade de calor produzida em uma carga resistiva ligada a uma fonte de tensão senoidal, com a quantidade de calor produzida na mesma carga ligada à uma fonte de tensão contínua. A tensão contínua necessária para produzir a mesma quantidade de calor é chamada de tensão efetiva, ou rms (root-mean-square).
Devido a vários fatores como, por exemplo, a enorme faixa dinâmica do ouvido humano, a amplitude é usualmente expressa em decibéis, que é uma unidade adimensional que relaciona logaritmicamente a razão entre duas grandezas. Assim,
 ,    (2)
onde A é a amplitude original, Aref é uma amplitude de referência e AdB é a amplitude em decibéis.
5.3    5.3      CONTEÚDO HARMÔNICO
Talvez o parâmetro mais interessante num sinal sonoro seja o seu conteúdo harmônico. É ele quem define o timbre, ou característica tonal de um som.
Em meados do século XVII, o matemático francês J. Fourier provou matematicamente que qualquer forma de onda, independente da sua origem, é um somatório de ondas senoidais de diferentes freqüências, amplitudes e fases. Ele mostrou que se a forma de onda se repete periodicamente, então as freqüências das componentes senoidais são restritas a valores múltiplos da freqüência de repetição da forma de onda.
A Figura 2 mostra uma tentativa de composição de uma onda quadrada. O primeiro gráfico é a freqüência fundamental, ou o primeiro harmônico. À medida em que harmônicos de ordem superior vão sendo somados, a forma de onda vai se aproximando da onda quadrada. No segundo gráfico é mostrado a soma de três harmônicos, e no terceiro gráfico é mostrado a soma de seis harmônicos. Note que os sinais são representados tanto no domínio do tempo (à esquerda na figura) quanto no domínio da freqüência (à direita).
A forma de onda quadrada, segundo Fourier, pode ser expressa da seguinte maneira:
 ,    (3)
para todo i ímpar.
 
Fig. 2.- Representação de formas de onda no domínio do tempo e no domínio da freqüência .


 
6    6         VARIAÇÃO NOS PARÂMETROS
Todos os sons em estado estacionário podem ser descritos por três parâmetros fundamentais: a freqüência, a amplitude e o conteúdo harmônico. Os equivalentes audíveis para esses parâmetros são a altura, a intensidade e o timbre.
Contudo, a maioria dos sons reais variam alguns de seus parâmetros no decorrer de um intervalo de tempo. O período enquanto os parâmetros de um sinal sonoro variam, levando-o de um estado estacionário para outro é denominado transitório.
De todos os parâmetros, talvez a freqüência seja o que causa o maior efeito quando é variado dinamicamente. Uma simples melodia a uma voz é na verdade uma série de relativamente longos estados estacionários com curtas transições de freqüência entre eles. Se a transição de freqüência é igualmente longa, o efeito audível é um deslizamento de uma nota para uma outra.
Numa execução musical, uma pequena mas intencional modulação na freqüência é adicionada a extensos estados estacionários. Esta modulação é chamada de vibrato, e pode assumir infinitas freqüências, amplitudes e formas de onda. Normalmente o vibrato é algo próximo a uma onda senoidal com 6Hz e uma amplitude de 1% da onda original (Figura 3).
 
Fig. 3.- Modulação em freqüência.
Variações na amplitude também são de extrema importância na caracterização de um som. Tomando uma melodia a uma voz como exemplo novamente, são as variações na amplitude que separam uma nota da outra, particularmente quando as duas notas consecutivas são da mesma freqüência. Uma variação de amplitude delineando uma nota ou um som qualquer é freqüentemente chamado envelope de amplitude, ou simplesmente envelope. A forma e a duração do envelope tem profundo efeito na percepção do timbre de uma nota, tão importante quanto o próprio conteúdo harmônico.
 
 
Fig. 4.- Forma de onda de um envelope de amplitude


A Figura 4 mostra uma representação generalizada e simplificada de um envelope de amplitude. O estado estacionário inicial é o silêncio ou zero. O estado estacionário intermediário é chamado sustentação. A transição entre o zero e a sustentação é chamado ataque.  A duração do ataque é a sua característica principal, embora a forma também seja importante, particularmente se o ataque é longo. O decaimento inicial é uma transição entre o ataque e a sustentação, e é causado pela diferença de amplitude entre o ponto máximo do ataque e o nível da sustentação. Novamente temos a sua duração como o parâmetro principal. A transição entre a sustentação e o zero é o decaimento final. Alguns instrumentos como o piano não têm sustentação e começam a decair imediatamente após o ataque. Nos órgãos a nota é sustentada enquanto a respectiva tecla estiver acionada. Já nos instrumentos de sopro ou de corda com arco, o músico determina com grande precisão a duração e a forma de todos os estados do envelope.
Finalmente, variações dinâmicas no espectro de um som são as mais interessantes e também as mais difíceis de sintetizar. A razão para tal complexidade está na multidimensionalidade de um espectro de freqüências. Enquanto a amplitude e a freqüência são representadas unidimensionalmente, cada harmônico de um sinal sonoro necessita de uma variável independente para ser representado.
Uma maneira óbvia de se controlar e variar o espectro é controlar individualmente a amplitude de cada harmônico que compõe o sinal. Trata-se de uma técnica geral e é aplicável a qualquer tipo de som. Os problemas que acompanham esta abordagem são dois. O primeiro diz respeito à quantidade de parâmetros a serem controlados – dezenas de amplitudes de harmônicos. Somente utilizando computadores ou microprocessadores podemos tornar esta tarefa um pouco razoável. O segundo problema é justamente como as amplitudes dos harmônicos devem variar para se obter o efeito desejado. Existem métodos de análise de sons naturais que resultam em formulações matemáticas que solucionam tal problema. Uma outra alternativa consiste em escolher aleatoriamente contornos para cada harmônico e julgar subjetivamente os resultados que soam bem em determinadas circunstâncias. Em todos os casos, entretanto, um computador deve estar envolvido para gerar e documentar os dados.
 
7    7         SINTETIZADORES MUSICAIS ELETRÔNICOS
A síntese musical eletrônica consiste em desenvolver por meio de circuitos eletrônicos sons que sejam úteis na composição musical. Estes sons devem possuir freqüência, amplitude e conteúdo harmônico bem definidos e controláveis.
Existem várias técnicas de síntese musical. Uma das mais simples é a síntese aditiva. Consiste na implementação eletrônica do teorema de Fourier, ou seja, os sinais de vários osciladores senoidais com freqüência e amplitude controladas independentemente são adicionados para se obter a forma de onda desejada.
Outro tipo de síntese que é a recíproca da aditiva é a síntese subtrativa. Sinais ricos em conteúdo harmônico (e.g.: onda retangular) são filtrados convenientemente afim de se obter uma forma de onda com as características espectrais desejadas.
Tanto a síntese aditiva quanto a subtrativa apresentam limitações que dizem respeito à própria implementação eletrônica e também à complexidade no uso destes tipos de sintetizadores.
Técnicas mais sofisticadas demandam o uso de um microcomputador, como no caso do software Csound. Todos os parâmetros sonoros são definidos num programa escrito pelo músico, compilados e executados pelo computador.
 
8    8         SINTETIZADORES CONTROLADOS POR TENSÃO
Os sintetizadores controlados por tensão utilizam a síntese subtrativa para gerar sons. O seu desenvolvimento foi possibilitado pela evolução dos dispositivos eletrônicos na década de 60. Esta técnica está baseada no conceito de sistemas modulares para a síntese musical, utilizando tensões de controle como uma base conceptual para a organização e padronização de todo o sistema musical. Cada módulo tem uma função distinta que normalmente corresponde ao parâmetro fundamental do som ali tratado. Tais módulos são facilmente interconectados, possibilitando infinitas configurações que podem ser alteradas em segundos simplesmente conectando e desconectando os cabos de ligação. O sistema pode ser tocado através de um teclado similar ao dos órgãos.
Os sinais em um sintetizador controlado por tensão são conceptualmente divididos em sinais de áudio que representam sons, e sinais de controle que representam parâmetros. Um módulo amplificador (VCA), por exemplo, tem uma entrada de sinal de áudio, uma entrada de controle e um sinal de áudio como saída. Variando a tensão CC na entrada de controle o ganho do amplificador é alterado. Podemos considerar, então, que o amplificador altera a amplitude do som passando por ele de acordo com a tensão na entrada de controle. Da mesma maneira, um filtro (VCF) altera o timbre do som de acordo com uma ou duas entradas de controle. Embora um módulo oscilador (VCO) não tenha entradas de sinal, as entradas de controle determinam a freqüência e em alguns casos a própria forma de onda da saída.
Uma vantagem do conceito de módulos controlados por tensão é que os sinais de controle podem ser processados como sinais de áudio, possibilitando o cascateamento de módulos para se obter múltiplas operações no mesmo ou em diferentes parâmetros.
Diferentemente das outras técnicas de síntese, a interação pessoal do músico com o instrumento, além da facilidade no uso, encorajam a experimentação e a improvisação. A familiaridade com os efeitos audíveis dos diversos módulos é adquirida em poucas horas.
A Figura 5 mostra um conjunto de módulos que interagem num sintetizador controlado por tensão na conformação de um sinal sonoro. As setas verticais representam sinais de controle, enquanto que as setas horizontais representam sinais de áudio. Um sintetizador para uso profissional demanda uma topologia mais complexa com vários osciladores, filtros e amplificadores. A intenção deste trabalho é descrever o funcionamento, o estudo e a implementação de cada um destes módulos.
 
 
Fig. 5.- Diagrama de blocos de um sintetizador controlado por tensão.
 
8.1    8.1      OSCILADORES CONTROLADOS POR TENSÃO
O oscilador controlado por tensão - VCO (Voltage-Controlled Oscillator) é o módulo principal do sistema sintetizador. Normalmente vários destes circuitos são encontrados num sintetizador comercial. A sua função é gerar formas de onda ricas em conteúdo harmônico que serão posteriormente filtradas adequadamente de acordo com o timbre que se deseja. Tipicamente três formas de onda são geradas pelo circuito do VCO: retangular, triangular e dente de serra. Estas formas estão disponíveis simultaneamente na saída do circuito e todas na mesma freqüência e fase.
A onda dente de serra apresenta harmônicos pares e ímpares, cujas amplitudes decaem com o inverso do número do harmônico, ou 6 dB/oct. Seu timbre é envolvente e brilhante.
A onda triangular tem o espectro diferente, apenas os harmônicos ímpares estão presentes e suas amplitudes decaem com o quadrado do número do harmônico, ou 12 dB/oct. Seu timbre é tênue e suave. Esta suavidade é decorrente dos fracos harmônicos de ordem superior.
As características espectrais exatas da onda retangular dependem exclusivamente da simetria entre os pulsos positivos e negativos. Quando são iguais, a onda é chamada quadrada e apresenta somente harmônicos ímpares que decaem 6 dB/oct. Seu timbre é brilhante e tênue. Se os pulsos não são simétricos, o espectro esperado é algo muito rico em harmônicos pares e ímpares. Geralmente os VCOs incluem um controle de largura de pulso para a onda retangular.
Não há necessidade de sintetizar uma forma de onda senoidal, basta aplicar qualquer uma das ondas citadas anteriormente a um filtro passa baixas com a freqüência de corte fixada no valor da própria freqüência do oscilador. Quanto maior a ordem deste filtro, menor a distorção da onda senoidal.
Além de ser o módulo mais importante num sintetizador, o VCO também é o mais crítico em termos de projeto e construção. Sua exatidão no que diz respeito à freqüência deve ser levada ao extremo. Um erro da ordem de 0,1% em freqüências elevadas comprometem muito a qualidade do sistema por ser facilmente perceptível pelo ouvido humano. A forma de onda básica gerada pelo circuito do VCO, geralmente a dente de serra, deve ser prontamente convertida em outras formas de onda como triangular e retangular através de circuitos independentes.
A Figura 6 mostra a topologia básica de um oscilador. A corrente Ictrl é integrada pelo amplificador operacional AO1 e uma tensão crescente aparece em sua saída. Quando esta tensão ultrapassa um valor pré-determinado (Vref), a saída do comparador formado por AO2 muda de estado, polarizando a base do transistor e permitindo a descarga do capacitor. A tensão Vout cai rapidamente até o comparador voltar ao estado inicial e o capacitor ser carregado novamente. Note que o comparador não volta imediatamente ao estado inicial por causa de R e C2, que determinam um pulso de largura constante na saída de AO2. O tempo de duração deste pulso deve ser longo o bastante para garantir a total descarga de C1.
 
Fig. 6.- Topologia básica de um oscilador.
A Figura 7 mostra as formas de onda de saída do circuito da Figura 6.
 
Fig. 7.- Formas de onda do oscilador.
Um dos primeiros circuitos de osciladores controlados por tensão aplicados à síntese sonora utilizava topologias muito similares à supracitada. Entretanto, os amplificadores operacionais eram implementados à base de transistores bipolares em “pares casados”. Tal fato contribuía com o aumento do preço e do volume físico do circuito, além de comprometer fatores como a estabilidade e a exatidão.
Hoje em dia existe uma grande variedade de amplificadores operacionais, alguns extremamente dedicados a operações específicas como comparadores de tensão, buffers, etc., apresentando excelente desempenho.
A freqüência de oscilação deste circuito é descrita pela equação 4:
     (4)
Para freqüências na faixa de áudio, 16 Hz a 16 kHz, e correntes de controle entre 0,25mA e 0,25mA, o valor de C1 é aproximadamente 2,5nF. O valor comercial mais próximo é 2,7nF.
A saída do integrador é uma onda dente de serra cuja amplitude varia entre 0V e a tensão de referência Vref, normalmente 5V. A Figura 8 mostra os circuitos utilizados para padronizar a amplitude desta forma de onda e gerar, a partir dela, as outras três formas de onda necessárias no sintetizador.
 
Fig. 8.- Conversão da forma de onda básica (dente de serra) em onda retangular e triangular.
No amplificador AO3 a onda é somada a uma tensão contínua negativa para eliminar a tensão de offset, amplificada para 20V pico a pico e invertida. Neste ponto a forma de onda dente de serra é descendente. Com o amplificador AO4 invertemos novamente para conseguir a dente de serra ascendente. O amplificador AO5 implementa a onda triangular a partir da retificação das duas dente de serra obtidas anteriormente. Uma tensão contínua também é somada por este amplificador, para corrigir qualquer tensão de offset que possa aparecer proveniente da retificação. Aplicando a forma de onda dente de serra a um comparador (AO6) obtemos a onda retangular. A tensão de comparação determina a largura do pulso positivo, variando de 10% a 90%. Um divisor resistivo seguido por um buffer (AO7) atenua o sinal na saída do comparador para os 20V pico a pico definidos como padrão.
As quatro formas de onda implementadas neste circuito são somadas ponderadamente de acordo com os quatro potenciômetros e invertidas pelo amplificador AO8. Note que este amplificador tem o ganho de aproximadamente 0,5 V/V afim de evitar a saturação quando mais de uma forma de onda é aplicada simultaneamente na entrada.
Um circuito idêntico ao VCO é o oscilador de baixas freqüências - LFO (Low Frequency Oscillator). A única diferença é a faixa de freqüências de oscilação: 0,05 Hz a 25 Hz. O objetivo deste oscilador é fornecer um sinal de controle modulante para qualquer um dos módulos do sintetizador. É geralmente utilizado em efeitos como vibrato (modulação em freqüência), tremolo (modulação em amplitude), ou wha-wha (modulação em timbre).
 
8.2    8.2      RELAÇÃO EXPONENCIAL ENTRE FREQÜÊNCIA E TENSÃO DE CONTROLE
De todos os parâmetros fundamentais do som, certamente a freqüência é o mais importante. O ouvido humano é muito mais sensível a pequenas variações de freqüência do que de qualquer outro parâmetro. Obviamente, a questão da relação entre a tensão de controle de freqüência e a freqüência do sinal de áudio deve ser cuidadosamente tratada.
A faixa de sons perceptíveis pelo ouvido humano é da ordem de 10 oitavas, ou 210, ou 1024:1, ou 16 a 16kHz. Com uma extensão dessas, um erro de 1% chega a ser algo aceitável em baixas freqüências, mas nas altas freqüências o problema se torna um tanto crítico. Por exemplo, em 20Hz este erro é igual a 20/100, ou 0,2Hz. Já em 20kHz, este mesmo erro resulta num desvio de freqüência igual a 200Hz! Nos circuitos eletrônicos analógicos, erros desta ordem de grandeza são sempre esperados, provenientes de ruídos eletromagnéticos, ruídos térmicos, ou até mesmo da baixa precisão de alguns dispositivos envolvidos.
Esta é uma das razões pelas quais não é indicado utilizar uma relação linear entre a freqüência e a tensão de controle. Uma relação exponencial foi definida como padrão e a razão escolhida foi a de 1V/oitava. De fato, na escala musical temperada, a relação é mesmo exponencial, pois um aumento de uma oitava resulta no dobro da freqüência. Assim sendo, se a base do oscilador for fixada em 20Hz, com uma faixa de tensão de 0 a 10V todo o espectro sonoro é coberto. Mais ainda, um erro de 1% corresponde a uma variação de tensão de 14,5mV, independente da freqüência.
Voltando à escala temperada, um intervalo de meio tom corresponde a uma variação de 1/12 na freqüência, o que em tensão eqüivale a 83mV. Isso é uma grande vantagem, uma vez que é possível transpor entre dois tons toda a freqüência de oscilação do sintetizador a partir da soma de uma tensão fixa.
Outra vantagem é no caso do vibrato. Considerando que o vibrato demanda uma variação de freqüência da ordem de 1%, num sistema de relação linear o vibrato seria excessivo em altas freqüências e imperceptível nas baixas. Com a relação exponencial, uma variação de 15mV na tensão de controle resulta na mesma variação relativa de freqüência em qualquer parte do espectro.
Na prática, entretanto, os osciladores são lineares e o parâmetro de controle da freqüência é uma corrente de entrada. É necessário, então, um circuito que faça a conversão exponencial de uma tensão de controle para uma corrente de controle. Para tanto, é aproveitada a relação exponencial entre a tensão base emissor e a corrente de coletor num transistor. A equação é a seguinte [6]:
 ,    (5)
onde ic é a corrente de coletor, Is é a corrente de saturação, Vbe é a tensão entre a base e o emissor e Vt é a tensão térmica, dada pela expressão:
 ,    (6)
onde:
        k = constante de Boltzmann = 1,38 x 10-23 joule/kelvin
        T = temperatura absoluta em kelvin
        q = carga do elétron = 1,6 x 10-19 coulomb
Para minimizar a forte dependência com a temperatura, é utilizado o circuito de compensação que é mostrado na Figura 9.
 
Fig. 9.- Circuito para compensação de temperatura.
O amplificador operacional funciona como uma fonte de corrente, garantindo a corrente Iref independentemente da corrente Iout. A tensão de controle é aplicada nas bases dos transistores e referenciada ao terra. A compensação de temperatura se dá no fato de que a mesma variação de temperatura é sentida pelos dois transistores. É importante observar que os transistores devem ser idênticos. Existem arranjos de transistores encapsulados num único chip, como o CA3046, com cinco transistores NPN idênticos.
O circuito mostrado na Figura 10 incorpora um somador inversor à entrada de controle e uma realimentação da corrente de controle na entrada da tensão de controle. A razão para tal realimentação é compensar os erros do oscilador em altas freqüências (correntes de controle de maior magnitude) que fazem com que as altas freqüências sejam menores do que deveriam. Este efeito indesejável é causado pelo tempo limitado da descarga do capacitor C1 do oscilador mostrado na Figura 6. Em altas freqüências, a conseqüência é o aumento do período da onda, ou a diminuição da freqüência de oscilação.
 
Fig.10.- Circuito completo do conversor exponencial tensão-corrente.
 
Temos, então, dois sinais de controle na saída deste circuito. O primeiro é ICTRL, a corrente de controle que determina a freqüência do VCO. O segundo é VFc, uma tensão de controle que varia na mesma proporção que ICTRL e serve de referência para o filtro controlado por tensão - VCF (Voltage-Controlled Filter).
As entradas do circuito são as tensões de controle VCTRL, que vem do circuito do teclado, VLFO, que é uma entrada para modulação em freqüência proveniente do oscilador de baixas freqüências - LFO (Low Frequency Oscillator) e um ajuste da freqüência zero, ou seja, a freqüência do oscilador na ausência das outras duas entradas. Este último sinal de controle também funciona como a referência para a afinação do sintetizador.
Dois ajustes são necessários para o correto funcionamento deste conversor exponencial. O primeiro diz respeito ao ajuste de oitavas por volt. Ele determina o ponto de operação dos transistores. O segundo ajuste é a quantidade de realimentação no circuito compensador para altas freqüências.
 
8.3    8.3      AMPLIFICADORES CONTROLADOS POR TENSÃO
Um amplificador controlado por tensão - VCA (Voltage Controlled Amplifier), é um amplificador de sinais de áudio cujo ganho é proporcional a uma tensão de referência, que pode vir de um controle acionado pelo usuário ou de algum outro módulo do sintetizador.
O princípio de funcionamento do VCA está baseado na multiplicação do sinal de áudio pelo sinal de controle, o que resulta numa modulação em amplitude. Uma multiplicação nos quatro quadrantes seria o mais indicado, porque a saída seria o verdadeiro produto algébrico dos sinais. Na prática, isso significa a possibilidade de se controlar o ganho do amplificador com tensões positivas e negativas. Entretanto, circuitos que realizam a multiplicação em apenas dois quadrantes são muito mais fáceis de serem implementados, e a única restrição é o fato de a tensão de controle ser limitada a valores positivos, o que é aceitável.
No passado, qualquer circuito que variasse eletricamente o ganho de um amplificador poderia ser considerado um VCA. Células fotorresistivas iluminadas por lâmpadas e potenciômetros acionados por servo motores são exemplos mais antigos. Técnicas mais recentes utilizam transistores FET como resistências variáveis, ou ainda a dependência do ganho de um amplificador transistorizado pela corrente de polarização.
Dois padrões de avaliação inicialmente utilizados foram a distorção do sinal e o isolamento do sinal de controle. A velocidade de resposta do sistema também mostrou-se um padrão importante, o que leva à rejeição de técnicas que utilizam células fotorresistivas, graças à sua alta constante de tempo, na ordem de milissegundos. A resposta dos FETs é extremamente rápida, entretanto sua resposta ao controle é algo não linear, apesar de ser facilmente previsível. A variação da corrente de polarização de um amplificador transistorizado, que é o pior método sob o ponto de vista do isolamento, é o mais usado na construção de VCAs.
A Figura 11 mostra a topologia de um amplificador diferencial cujo ganho é determinado pela corrente de polarização Ic. Como a entrada é a diferença entre as tensões E1 e E2 nas bases dos transistores, e a saída é a diferença entre as correntes I1 e I2 nos coletores, a relação entre a entrada e a saída é corretamente denominado de transcondutância.
 
 
Fig. 11.- Amplificador diferencial.
Os transistores devem ser idênticos, ou seja, devem ter o mesmo ganho de corrente (b). Além disso, a soma de I1 e I2 é constante e igual à corrente de polarização IC. Portanto, uma pequena variação na diferença das tensões nas bases dos transistores, resultará numa variação proporcional na diferença das correntes dos coletores. Adicionando resistores idênticos (R) nos coletores, a saída pode ser também uma diferença entre tensões [6]:
     (7)
Apesar de ser um circuito simples, sua implementação torna-se um pouco complicada por dois fatores: 1) é necessário uma fonte de corrente controlada por tensão para controlar a polarização dos transistores através de um sinal de tensão; 2) para o perfeito isolamento entre os sinais de controle e o sinal de áudio, é necessário um amplificador com elevada taxa de rejeição às tensões de modo comum na saída diferencial.
Todos os blocos que compõe um VCA estão disponíveis em um circuito integrado, a um preço acessível. O amplificador operacional de transcondutância variável, CA3080, possui a célula amplificadora diferencial, um amplificador diferencial de saída e uma fonte de corrente controlada por corrente para a polarização, tudo em um encapsulamento dual-in-line de oito pinos. Pode ser alimentado com até ±15V e possui alta impedância de entrada e de saída. A saída é um sinal de corrente que, à temperatura ambiente, obedece à expressão:
     (8)
onde Iout é a corrente de saída, Ic é a corrente de controle e (E1-E2) é o sinal diferencial de entrada.
O comportamento linear deste circuito integrado está limitado a tensões de entrada com amplitudes menores que 10mV de pico. A corrente de controle pode variar numa faixa entre 0,5mA até 0,5mA.
O circuito de um VCA é apresentado na Figura 12. O ganho do circuito foi projetado para ser igual a A=VIN/10, onde VIN é a tensão de controle. Assim, o ganho é unitário para uma tensão de controle igual a 10V, e nulo para tensão de controle igual a 0V.
Na entrada do CA3080 (AO2) um divisor de tensão formado por R4 e R5 atenua o sinal de áudio 1000 vezes, possibilitando a amplitude do sinal de entrada a atingir valores entre ±10V pico a pico. Assim as tensões nas entradas diferenciais do CA3080 são mantidas dentro dos 10mV de pico especificados anteriormente.
A corrente de controle do CA3080 é gerada pelo amplificador AO1 em conjunto com o transistor Q1. Se o ganho de corrente de Q1 é alto, então a corrente de emissor IE é quase igual à corrente de coletor IC. A corrente IE é determinada pelo resistor R3, gerando a tensão VE , que é realimentada para a entrada inversora do amplificador AO1 via o resistor R2. Em operação normal, o amplificador AO1 vai ajustar sua tensão de saída fazendo VE = -VIN. Na verdade, o resistor R3 está em paralelo com o resistor R2, (a entrada inversora está em terra virtual), o que faz a corrente de saída ser aproximadamente igual a 0,5mA quando a tensão de controle VIN for igual a 10V.
A corrente de saída do CA3080, que é o sinal de áudio, é convertida em tensão pelo amplificador AO3. Com a corrente de controle IC ajustada para 0,5mA e um sinal de áudio de entrada de 10V de pico, a amplitude da corrente de saída será aproximadamente 0,1mA de pico. Com o resistor R6 igual a 100kW o sinal de áudio de saída terá amplitude igual a 10V de pico, ou seja, o VCA apresenta ganho unitário quando a tensão de controle do ganho é máxima (10V).
Um dos pontos críticos deste circuito é a relação sinal ruído, comprometida pela necessidade de sinais com baixos valores de amplitude na entrada do CA3080. Com 10mV de pico na entrada este amplificador apresenta uma relação sinal ruído de 66dB e 1,3% de taxa de distorção harmônica. Melhores resultados podem ser obtidos utilizando blindagem apropriada do circuito.
 
Fig. 12.- Circuito completo do VCA.
A Figura 13 mostra o circuito implementado na prática, que possui duas entradas de controle. O primeiro sinal de controle é vindo do gerador de envelope (ADSR) e o segundo é proveniente do oscilador de baixas freqüências (LFO), responsável por modulações na amplitude que recebem o nome de tremolo.
 
Fig. 13.- Circuito de entrada de controle do VCA.
 
8.4    8.4      FILTROS CONTROLADOS POR TENSÃO
As formas de onda geradas no oscilador possuem um conteúdo harmônico rico, porém estes harmônicos são distribuídos de maneira uniforme ao longo do espectro. Estas formas de onda são aplicadas então a filtros, cuja resposta em freqüência modifica a relação de amplitude entre seus harmônicos, resultando numa alteração no timbre do som a ser sintetizado.
Uma vez que o filtro é o principal elemento no controle do timbre de um sinal, é desejável que ele apresente diversos tipos de respostas em freqüência, e também que seus parâmetros possam ser rapidamente variados através de controles de tensão, isto é, que o timbre do som possa variar dinamicamente.
A maioria dos instrumentos musicais convencionais produzem som aplicando formas de onda simples em ressonadores [2], que reforçam uma certa região do espectro da forma de onda. Ressonadores típicos são cornetas, tubos ou tambores. Portanto, é desejável também que o filtro de um sintetizador possua a resposta em freqüência de um ressonador, ou seja, do tipo passa faixa de 1ª ordem (6dB/oct) e o fator de ressonância (Q) variável numa ampla faixa de valores.
Circuitos típicos de filtros apresentam quatro saídas de sinais, cada uma correspondendo a um determinado tipo de resposta em freqüência do filtro: passa baixas, passa altas, passa banda e rejeita banda. As entradas de controle são duas: uma tensão que determina a freqüência de corte do filtro e outra que determina o fator de ressonância. A entrada de sinal de áudio é a saída do VCO. Naturalmente outras fontes de sinal de áudio podem ser conectadas à entrada do VCF.
É importante notar que a freqüência de corte do VCF deve acompanhar a freqüência de oscilação para que todas as notas do sintetizador tenham o mesmo conteúdo harmônico. Esta é a função do sinal VFc, fornecido pelo conversor exponencial. É uma tensão de controle que acompanha exatamente as variações na corrente de controle que determina a freqüência de oscilação do VCO.
A Figura 14 mostra um filtro controlado por tensão baseado no princípio de variáveis de estado [2]. As funções de transferência implementadas pelo filtro são:
 ,         passa baixas    (9)
 ,        passa altas    (10)
 ,         passa banda    (11)
Note que K refere-se ao ganho dos amplificadores AO2 e AO4 (CA3080), que devem ser idênticos. Para tanto, ambos recebem a mesma corrente de controle IFc . O ganho da malha de realimentação é b (formada pelo amplificador AO6 que é controlado por IQ). Este ganho determina o fator de ressonância do filtro.
 
Fig. 14.- Circuito completo do VCF.
As Figuras 15 e 16 mostram os circuitos responsáveis pelo fornecimento de corrente aos amplificadores operacionais CA3080. O primeiro circuito fornece a corrente IFc, que determina a freqüência de corte do VCF. As entradas de controle são os sinais vindo do LFO, do gerador ADRS, um sinal Fc que determina a freqüência central e o sinal VFc que é relativo à freqüência do oscilador.
O segundo circuito é idêntico ao primeiro, entretanto só apresenta uma entrada de controle que é um sinal de tensão que determina o fator de ressonância (Q) do VCF. Os valores de Q variam desde 0,5 até 500, quando o filtro entra na região instável, começando a oscilar.
 
 
Fig. 15.- Circuito conversor tensão-corrente do VCF para o controle da freqüência de corte.
 
Fig. 16.- Circuito conversor tensão-corrente do VCF para o controle do fator de ressonância (Q).
 
8.5    8.5      O TECLADO
Para a execução do sintetizador por um músico, é necessário uma interface que seja ao mesmo tempo familiar para o usuário e funcional para o circuito. Um teclado similar ao dos órgãos é uma boa escolha, já que o sinal de controle a ser gerado é uma tensão (VCTRL) que pode ser conseguida a partir de um divisor resistivo alimentado por uma fonte de corrente, como na Figura 17. Assim, cada tecla do teclado determina uma tensão correspondente, que obedece ao padrão 1V/oitava. Se não há nenhuma tecla apertada, uma tensão de aproximadamente -0,5V surge no barramento devido ao resistor R1 conectado a -Vcc e ao diodo D1 que limita esta tensão.
É importante frisar que a precisão do oscilador depende deste circuito, portanto, o divisor resistivo deve ser formado por resistores de precisão (1%).
Uma mudança na tensão de controle do teclado acarreta uma mudança da tensão na saída do buffer (AO1) que o precede. A saída do buffer é aplicada a um comparador (AO4) e é obtido o sinal gate (porta), um degrau de amplitude determinada que se mantém num valor de tensão positivo durante o tempo em que alguma tecla estiver acionada.
A mudança no nível de tensão de controle faz o diferenciador formado pelo capacitor C2 gerar um pulso que será invertido e amplificado pelo amplificador operacional AO2 com ganho de tensão igual a –10 V/V.
 
 
Fig. 17.- Circuito completo do teclado.
Para que o monoastável (555) seja disparado, sua entrada (pino 2) deve estar em nível alto e receber um pulso de nível baixo (amplitude menor que 1/3 da tensão de alimentação). Sendo assim, o pulso da saída do diferenciador é somado à uma tensão contínua igual a Vcc/2. Note que o amplificador somador tem ganho igual a 2 V/V.
Dessa forma o monoastável é disparado somente quando alguma tecla é acionada, nunca quando solta, e gera na sua saída o sinal trigger, que é um pulso com largura determinada pela a equação 12 [8]:
 ,    (12)
onde t é a largura do pulso em segundos, R e C correspondem ao resistor R10 e ao capacitor C4, respectivamente.
A largura do pulso do trigger é um parâmetro importante do circuito pois limita o tempo mínimo entre disparo consecutivos do gerador de envelope. Portanto, deve ser mais breve do que a nota mais rápida que um músico é capaz de executar. O valor escolhido é algo em torno de 1ms.
Como será visto no módulo gerador de envelope, a tensão de controle VCTRL deve permanecer no valor da última tecla acionada. Para isso, é necessário um circuito sample and hold, implementado com um transistor FET (Q1), um capacitor (C5) e um buffer (AO5). O FET age como chave estática, sendo disparado pelo sinal trigger. No momento do disparo, o capacitor C5 é carregado com a tensão de controle VCTRL. Após isso, o FET passa a apresentar uma resistência de algumas centenas de megaohms, que junto com o buffer AO5 não permite que o capacitor C5 se descarregue.
O circuito slide, também chamado portamento, permite que haja um deslizamento de freqüência entre as notas, ou seja, quando o VCO mudar de uma freqüência para outra não o faz bruscamente, passando antes por todas as freqüências intermediárias. Este circuito é implementado pelo buffer AO7, pelo capacitor C6 e pelo potenciômetro P2. O capacitor C6 se carrega a uma taxa que depende da resistência ajustada em P2.
 
8.6    8.6      GERADOR DE ENVELOPE - ADSR
Uma característica que diferencia um instrumento musical de outro é a variação de sua intensidade sonora em função do tempo, o que está diretamente relacionado com suas características físicas e com a execução. Numa simplificação razoável o tempo de duração de uma nota pode ser dividido em quatro partes: ataque, decaimento inicial, sustentação  e decaimento final ou relaxamento (Figura 4). Num sintetizador, essa forma de onda é gerada pelos geradores de envelope, ou geradores ADSR, onde os tempos de ataque e decaimento e o nível de sustentação são controlados. A saída do gerador é um sinal de tensão que varia de acordo com o formato do envelope gerado.
O circuito do gerador (Figura 18) é composto de duas partes: um gerador AD (ataque-decaimento inicial) adicionado a um gerador AR (ataque-relaxamento).
 
Fig. 18.- Gerador de envelope - ADSR.
Os sinais de trigger e gate iniciam o tempo de ataque. No entanto apenas o sinal gate fornece a duração do período de sustentação e inicia o período de relaxação, logo após este sinal retornar a zero. O pulso do trigger é enviado à entrada set de um flip-flop CD4013. Este por sua vez fornece em sua saída Q uma tensão positiva na base de transistor Q2, que entra em saturação. O ânodo do diodo D3 é elevado, então, a um potencial positivo, carregando o capacitor de C2 através do potenciômetro P1-b. O buffer AO2 monitora a tensão no capacitor C2 fornecendo o sinal à entrada do comparador AO4. Este compara a tensão crescente do capacitor C2 com a tensão de referência (10V), de tal  forma que quando suas tensões se igualam, sua saída passa rapidamente a um valor positivo. Este pulso é diferenciado pelo capacitor C3 e pelo resistor R9, retificado pelo diodo D5 e aplicado à entrada reset do flip-flop 4013 que volta ao seu estado inicial. O transistor Q2 entra então em corte e o capacitor C2 se descarrega através do potenciômetro P3 e dor resistor R8, devido ao diodo D4. O circuito AR funciona da mesma forma, só que ao invés do flip-flop, é o próprio sinal gate que satura ou corta o transistor Q1. Os sinais AD e AR são somados ponderadamente pelo potenciômetro P4, gerando então a forma de onda ADSR.
É importante lembrar que os tempos de ataque dos geradores AD e AR devem ser idênticos. Este tempo é controlado por um potenciômetro duplo, P1, através da carga dos capacitores C1 e C2. Os tempos de decaimento inicial e relaxamento são controlados pelos potenciômetros P2 e P3 através da descarga daqueles capacitores.
São necessários dois geradores ADSR para o sintetizador: um para modular o VCA e outro para modular o VCF. Ambos aproveitam os mesmos sinais gate e trigger originados pelo circuito do teclado. Enquanto que no VCA o gerador ADSR é o único sinal de controle, no VCF o sinal do gerador é somado ponderadamente na sua entrada de controle, juntamente com os outros sinais. Não é interessante modular a freqüência do VCO com um gerador ADSR, embora alguns sintetizadores comerciais apresentem este recurso.
 
9    9         RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Como o objetivo não era apenas construir um sintetizador, mas sim estudar o comportamento de cada circuito em cada módulo, a montagem foi desenvolvida em pront-o-boards, pela facilidade e possibilidade de experimentação proporcionada. Todos os circuitos descritos neste relatório foram implementados.
O bom funcionamento deste sintetizador depende da qualidade dos dispositivos eletrônicos utilizados, isto é, alto slew rate, alta impedância de entrada, alto CMRR .
Os circuitos foram alimentados com fonte de tensão simétrica de 15V. Todos os amplificadores operacionais são do tipo TL084, que possuem entrada FET de altíssima impedância. O teclado de quatro oitavas utilizado fornecia tensões entre 2V e 6V, alimentado por uma fonte de tensão de 6V.
As figuras 19 e 20 mostram as quatro formas de onda geradas pelo circuito do VCO: retangular, dente de serra ascendente e descendente e triangular.
 
Figura 19. Sinais do VCO: formas de onda quadrada e dente de serra ascendente.
 
Figura 20. Sinais do VCO: formas de onda dente de serra descendente e triangular.
A figura 21 mostra o sinal de saída do circuito VCF quando é aplicado à sua entrada uma onda retangular. A freqüência de corte do VCF foi ajustada para ser a mesma do VCO. O complexo conteúdo harmônico da onda retangular é filtrado, restando à saída do VCF apenas o primeiro harmônico (fundamental).
 
Figura 21. Sinais de entrada (onda retangular) e de saída do VCF com freqüência de corte igual à freqüência do VCO.
A figura 22 mostra a entrada e a saída do VCF quando o fator de ressonância é ajustado em seu valor máximo.
 
Figura 22. Sinais de entrada (onda retangular) e de saída do VCF com fator de ressonância máximo.
O sinal de controle à saída do gerador ADSR é mostrado na figura 23. Neste caso este sinal é usado para modular a amplitude do sinal de áudio através do circuito VCA.
 
Figura 23. Sinal de áudio com amplitude modulada pelo sinal de controle do gerador ADSR.
As figuras 24, 25 e 26 mostram os sinais de controle gerador pelo circuito LFO - ondas triangular, dente de serra e retangular. Estes sinais foram utilizados para modular em amplitude o sinal de áudio. Na figura 27 o sinal do LFO (onda triangular) foi utilizada para modular em freqüência o sinal de áudio.
 
Figura 24. Sinal de áudio com amplitude modulada pelo sinal de controle do LFO (onda triangular).
 
Figura 25. Sinal de áudio com amplitude modulada pelo sinal de controle do LFO (onda dente de serra ascendente).
 
Figura 26. Sinal de áudio com amplitude modulada pelo sinal de controle do LFO (onda retangular).
 
Figura 27. Sinal de áudio com freqüência modulada pelo sinal de controle do LFO (onda triangular).
 
10    10    CONCLUSÃO
A Eletrônica vem sofrendo um acentuado desenvolvimento tecnológico nas últimas décadas. Com a disponibilidade de novos dispositivos utilizando modernas tecnologias de construção e também de circuitos integrados dedicados, houve um ganho considerável por parte dos projetistas no que diz respeito à precisão e estabilidade dos circuitos eletrônicos. Já é possível fazer releituras de circuitos projetados há algumas décadas valendo-se desta nova tecnologia. Os resultados são projetos mais confiáveis, mais baratos e de menores dimensões físicas.
Obviamente, este desenvolvimento contínuo e acelerado obriga os projetistas a estarem sempre atualizados. Não somente o entendimento dos conceitos básicos, mas a constante busca por novas informações fazem parte da plena formação do Engenheiro Eletrônico.
Este Projeto Orientado aproveitou-se desta filosofia para o projeto e a implementação dos módulos que compõe um sintetizador musical analógico controlado por tensão. Embora os conceitos sejam os mesmos que orientaram a construção dos primeiros sintetizadores na década de setenta, nesta releitura foram utilizadas técnicas modernas e dispositivos de última geração.
Dentre os vários resultados obtidos, o mais importante foi a maturidade conseguida na elaboração de um projeto técnico-científico deste tipo. Foi grande o aprendizado na área da Engenharia Eletrônica, principalmente no ramo específico do Áudio. Aprendizado este que veio a complementar o conhecimento obtido nas cadeiras cursadas anteriormente, tanto na parte teórica quanto na prática.
É importante frisar que o alvo principal era um sistema que satisfizesse principalmente no que tange à musicalidade, ou seja, a parâmetros subjetivos. Questões puramente técnicas como a freqüência de oscilação são essenciais, contudo, outros parâmetros como, por exemplo, tensões de controle do amplificador, não têm muita relevância para quem ouve o instrumento. Por isso, em algumas questões foram levados ao limite os fatores precisão e exatidão, e noutras foi dada abertura a margens de erro.
O circuito do gerador ADSR não se mostrou completamente eficiente na prática. Um problema confrontado foi a tensão residual conseqüente da descarga incompleta dos capacitores C1 e C2 (Figura 18), responsáveis pela determinação dos tempos do gerador. Uma topologia diferente deve ser estudada, certamente alguma que utilize fontes de corrente controladas para carregar e descarregar com maior controle tais capacitores.
O VCF também é um circuito complicado. A diferença entre os dispositivos ideais e os reais é percebida e, principalmente, as conseqüências de não termos dois dispositivos exatamente iguais (CA3080). O resultado, uma tensão de offset no sinal de áudio, não é percebido auditivamente, mas compromete o bom funcionamento dos circuitos que o precedem.
O bom funcionamento do VCO deve-se principalmente aos procedimentos para sua calibração; com isto consegue-se bons resultados.
Fica a proposta para uma segunda etapa deste trabalho, na qual o objetivo principal será o projeto e a construção de um sintetizador completo. Serão confeccionadas placas de circuito impresso, serão utilizados componentes de alta qualidade e maior número de unidades de cada módulo serão montadas.
 
 
11    11    BIBLIOGRAFIA
1.    1.    CHAMBERLIN, HAL. Musical Applications of Microprocessors. 2a Edição. Indianapolis: Hayden Books, 1985.
2.    2.    COLIN, DENNIS P. Electrical design and musical applications of an unconditionally stable combination voltage controlled filter/resonator. Journal of the Audio Engineering Society, p. 923-927, dez. 1971, vol.19, nº11.
3.    3.    MOOG, ROBERT A. Voltage-controlled electronic music modules. Journal of the Audio Engineering Society, p. 200-206, jul. 1965, vol.13, nº3.
4.    4.    MITSUHASHI, YASUHIRO. Waveshape parameter modulation in producing complex audio spectra. Journal of the Audio Engineering Society, p. 879-895, dez. 1980, vol.28, nº12.
5.    5.    BAXANDALL, PETER J. A low-distortion acoustic-measurement oscillator using semiconductor junctions as variable-tuning elements. Journal of the Audio Engineering Society, p. 874-878, dez. 1980, vol.28, nº12.
6.    6.    A. S. SEDRA & K. C. SMITH;  Microelectronic Circuits, Oxford Series in Electrical Engineering, Edição de 1998;
7.    7.    ROSSI, VALDIR CÁSSIO. A música eletrônica.  Nova Eletrônica, São Paulo, p. 33-37, dez. 1982; p. 42-47, jan. 1983; p. 50-55, fev. 1983; p. 39-41, mar. 1983
8.    8.    Manual: Linear applications; National Semiconductors, 1986.
9.    9.    Manual: Audio Handbook, National Semiconductors, 1987.
 
A1.    A1.         CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS À SÍNTESE MUSICAL
Duas empresas de eletrônica lançaram na década de 80 linhas de circuitos integrados dedicados à síntese musical analógica: a Curtis Electromusic Specialties e a SSM Audio Products. Seus dispositivos não acrescentaram inovações na tecnologia da síntese, apenas facilitaram a vida dos projetistas de sintetizadores pela conveniência de se trabalhar com circuitos integrados ao invés de componentes discretos. É verdade que alguns destes C.I.’s se tornaram “clássicos”, sendo incorporados pelos maiores fabricantes de sintetizadores em seus projetos, como, por exemplo, o VCF de quatro pólos SSM-2044. É apresentada aqui uma breve análise do funcionamento de alguns destes circuitos integrados. Em anexo, os datasheets são disponibilizados.
GERADORES ADSR CONTROLADOS POR TENSÃO
Os circuitos integrados CEM 3310 e CEM 3312 são geradores de envelope controlados por tensão completos. Os tempos de ataque, decaimento inicial e decaimento final são exponencialmente controláveis numa ampla faixa de valores de tensão. O nível de sustentação é linearmente controlado por tensão numa faixa entre 0 e 100% do valor de pico da tensão.
O modelo CEM 3312 apresenta como diferencial uma entrada de tensão na qual é possível controlar o valor de pico do envelope sem se alterar os tempos de ataque e decaimento. Em ambos os integrados estes tempos são determinados por um circuito RC externo. A alimentação pode vir de uma fonte simétrica ou simples de até 15V. O fabricante especifica os valores de R e C em 24kW e 0,039mF respectivamente. Assim, os tempos de ataque e decaimento podem variar entre 2mS e 20s. Além das tensões de controle dos parâmetros do envelope, são necessários os sinais de gate e trigger, fornecidos pelo circuito do teclado.
O circuito é composto de uma fonte de corrente controlada por tensão para cada entrada de controle. Através de circuitos lógicos controlados pelos sinais de gate e trigger, as fontes de corrente são chaveadas para carregar ou descarregar o capacitor do circuito RC.
AMPLIFICADORES CONTROLADOS POR TENSÃO
Existem vários circuitos integrados que implementam um VCA, como por exemplo, os CEM 3330/35, CEM 3360, SSM 2013, SSM 2014 e o SSM 2024. Alguns deles são duplos, outros quádruplos VCAs completos num único chip. O princípio de funcionamento não difere da implementação convencional, são todos amplificadores de transcondutância variável, ou seja, a entrada é um sinal de tensão e a saída um sinal de corrente.
A relação sinal ruído é maior que 80 dB em todos os modelos, a relação sinal de áudio / sinal de controle maior que 40 dB, e a THD menor que 0,3 %. O que diferencia um modelo do outro são características como: o tipo de amplificação (A, AB ou B); o número de VCAs por chip; controle linear ou exponencial do ganho.
OSCILADORES CONTROLADOS POR TENSÃO
Um oscilador controlado por tensão típico é o modelo CEM 3340. Seu princípio de funcionamento é idêntico ao VCO analisado neste trabalho, ou seja, baseia-se na carga e descarga controladas de um capacitor. As formas de onda geradas são as mesmas: dente de serra, triangular e quadrada, esta última com controle da largura do pulso. O oscilador possui entradas exponenciais e lineares para determinar a freqüência de operação.
A vantagem defendida pelo fabricante é a compensação de temperatura interna, extremamente estável, além da precisa conversão exponencial, no estágio de entrada.
FILTROS CONTROLADOS POR TENSÃO
O circuito integrado SSM2044 é um VCF passa baixas de 4ª ordem completo. Seu princípio de funcionamento está baseado em quatro integradores conectados em cascata e uma realimentação da saída com a entrada do circuito. Variando o ganho do integradores a freqüência de corte é variada. A quantidade de realimentação determina o fator de ressonância (Q). As entradas e saídas deste circuito são diferenciais, o que aumenta a relação sinal ruído.