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Audio Power Amplifier Design Handbook

designed so that a minimum idling current can be separately set up in each
output device. However, to the best of my knowledge this approach has not
yet achieved commercial exploitation.

Geometric mean Class-AB

The classical explanations of Class-B operation assume that there is a fairly
sharp  transfer  of  control  of  the  output  voltage  between  the  two  output
devices, stemming from an equally abrupt switch in conduction from one
to the other. In practical audio amplifier stages this is indeed the case, but
it  is  not  an  inescapable  result of the basic principle. Figure  2.5 shows a
conventional  output  stage,  with  emitter  resistors  Re1,  Re2  included  to
increase quiescent-current stability and allow current-sensing for overload
protection; it is these emitter resistances that to a large extent make classical
Class-B what it is.

However, if the emitter resistors are omitted, and the stage biased with two
matched  diode  junctions,  then  the  diode  and  transistor  junctions  form  a
translinear loop

[21]

around which the junction voltages sum to zero. This

links  the  two  output  transistor  currents  I

p

,  I

n

in  the  relationship  I

n

*I

p

=

constant, which in op-amp practice is known as Geometric-Mean Class AB
operation. This gives smoother changes in device current at the crossover
point, but this does not necessarily mean lower THD. Such techniques are
not very practical for discrete power amplifiers; firstly, in the absence of the
very tight thermal coupling between the four junctions that exists in an IC,
the quiescent-current stability will be atrocious, with thermal runaway and
spontaneous combustion a near-certainty. Secondly, the output device bulk
emitter resistance will probably give enough voltage drop to turn the other
device  off  anyway,  when  current  flows.  The  need  for  drivers,  with  their
extra junction-drops, also complicates things.

40

Figure 2.5

A conventional double
emitter-follower output
stage with emitter
resistors Re shown

History, architecture and negative feedback

A new extension of this technique is to redesign the translinear loop so that
1/I

n

+ 1/I

p

= constant,  this  being  known  as  Harmonic-Mean  AB  opera-

tion

[22]

. It is too early to say whether this technique (assuming it can be

made to work outside an IC) will be of use in reducing crossover distortion
and thus improving amplifier performance.

Nested differentiating feedback loops

This  is  a  most  ingenious,  but  conceptually  complex  technique  for
significantly  increasing  the  amount  of  NFB  that  can  be  applied  to  an
amplifier. See Cherry

[23]

.

AC and DC coupled amplifiers

All power amplifiers are either AC-coupled or DC-coupled. The first kind
have a single supply rail, with the output biased to be halfway between this
rail and ground to give the maximum symmetrical voltage swing; a large
DC-blocking  capacitor  is  therefore  used  in  series  with  the  output.  The
second  kind  have  positive  and  negative  supply  rails,  and  the  output  is
biased to be at zero volts, so no output DC-blocking is required in normal
operation.

The advantages of AC-coupling

1 The  output  DC  offset  is  always  zero  (unless  the  output  capacitor  is

leaky).

2 It is very simple to prevent turn-on thump by purely electronic means. The

amplifier output must rise up to half the supply voltage at turn-on, but
providing this occurs slowly there is no audible transient. Note that in
many designs, this is not simply a matter of making the input bias voltage
rise slowly, as it also takes time for the DC feedback to establish itself, and
it tends to do this with a snap-action when a threshold is reached.

3 No  protection  against  DC  faults  is  required,  providing  the  output

capacitor is voltage-rated to withstand the full supply rail. A DC-coupled
amplifier requires an expensive and possibly unreliable output relay for
dependable speaker protection.

4 The amplifier should be more easy to make short-circuit proof, as the

output  capacitor  limits  the  amount  of  electric  charge  that  can  be
transferred each cycle, no matter how low the load impedance. This is
speculative; I have no data as to how much it really helps in practice.

5 AC-coupled  amplifiers  do  not  in  general  appear  to  require  output

inductors  for  stability.  Large  electrolytics  have  significant  equivalent
series resistance (ESR) and a little series inductance. For typical amplifier
output sizes the ESR will be of the order of 100 m!; this resistance is
probably  the  reason  why  AC-coupled  amplifiers  rarely  had  output
inductors, as it is enough resistance to provide isolation from capacita-

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tive loading and so gives stability. Capacitor series inductance is very low
and  probably  irrelevant,  being  quoted  by  one  manufacturer  as  ‘A  few
tens of nanoHenrys’. The output capacitor was often condemned in the
past  for  reducing  the  low-frequency  damping  factor  (DF),  for  its  ESR
alone is usually enough to limit the DF to 80 or so. As explained above,
this is not a technical problem because ‘damping factor’ means virtually
nothing.

The advantages of DC-coupling

1 No large and expensive DC-blocking capacitor is required. On the other

hand  the  dual  supply  will  need  at  least  one  more  equally  expensive
reservoir capacitor, and a few extra components such as fuses.

2 In principle there should be no turn-on thump, as the symmetrical supply

rails mean the output voltage does not have to move through half the
supply  voltage  to  reach  its  bias  point  –  it  can  just  stay  where  it  is.  In
practice  the  various  filtering  time-constants  used  to  keep  the  bias
voltages  free  from  ripple  are  likely  to  make  various  sections  of  the
amplifier  turn  on  at  different  times,  and  the  resulting  thump  can  be
substantial.  This  can  be  dealt  with  almost  for  free,  when  a  protection
relay is fitted, by delaying the relay pull-in until any transients are over.
The delay required is usually less than a second.

3 Audio is a field where almost any technical eccentricity is permissible, so

it is remarkable that AC-coupling appears to be the one technique that is
widely  regarded  as  unfashionable  and  unacceptable.  DC-coupling
avoids any marketing difficulties.

4 Some potential customers will be convinced that DC-coupled amplifiers

give better speaker damping due to the absence of the output capacitor
impedance.  They  will  be  wrong,  as  explained  on  page  25,  but  this
misconception has lasted at least forty years and shows no sign of fading
away.

5 Distortion generated by an output capacitor is avoided. This is a serious

problem, as it is not confined to low frequencies, as is the case in small-
signal  circuitry.  See  page  173.  For  a  6800 µF  output  capacitor  driving
40 W  into  an  8 ! load,  there  is  significant  mid-band  third  harmonic
distortion at .0025%, as shown in Figure 2.6. This is at least five times
more than the amplifier generates in this part of the frequency range. In
addition, the THD rise at the LF end is much steeper than in the small-
signal case, for reasons that are not yet clear. There are two cures for
output  capacitor  distortion.  The  straightforward  approach  uses  a  huge
output  capacitor,  far  larger  in  value  than  required  for  a  good  low-
frequency response. A 100,000 µF/40 V Aerovox from BHC eliminated
all distortion, as shown in Figure 2.7. An allegedly ‘audiophile’ capacitor
gives some interesting results; a Cerafine Supercap of only moderate size
(4700 µF/63 V) gave Figure 2.8, where the mid-band distortion is gone,
but  the  LF  distortion  rise  remains.  What  special  audio  properties  this

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History, architecture and negative feedback

component  is  supposed  to  have  are  unknown;  as  far  as  I  know
electrolytics are never advertised as ‘low mid-band THD’, but that seems
to be the case here. The volume of the capacitor case is about twice as
great as conventional electrolytics of the same value, so it is possible the
crucial difference may be a thicker dielectric film than is usual for this
voltage rating.

Either of these special capacitors costs more than the rest of the amplifier
electronics  put  together.  Their  physical  size  is  large.  A  DC-coupled
amplifier with protective output relay will be a more economical option.

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Figure 2.6

The extra distortion
generated by an
6800 µF electrolytic
delivering 40 W into
8 !. Distortion rises
as frequency falls, as
for the small-signal
case, but at this
current level there is
also added distortion
in the mid-band

Figure 2.7

Distortion with and
without a very large
output capacitor, the
BHC Aerovox
100,000 µF/40 V
(40 watts/8!).
Capacitor distortion is
eliminated

Audio Power Amplifier Design Handbook

A  little-known  complication  with  output  capacitors  is  that  their  series
reactance  increases  the  power  dissipation  in  the  output  stage  at  low
frequencies.  This  is  counter-intuitive  as  it  would  seem  that  any
impedance added in series must reduce the current drawn and hence the
power  dissipation.  In  fact  it  is  the  load  phase  shift  that  increases  the
amplifier dissipation.

6 The supply currents can be kept out of the ground system. A single-rail

AC amplifier has half-wave Class-B currents flowing in the 0 V rail, and
these  can  have  a  serious  effect  on  distortion  and  crosstalk
performance.

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Figure 2.8

Distortion with and
without an
‘audiophile’ Cerafine
4700 uF/63 V
capacitor. Mid-band
distortion is eliminated
but LF rise is much the
same as the standard
electrolytic

Negative feedback in power amplifiers

It is not the role of this book to step through elementary theory which can
be easily found in any number of textbooks. However, correspondence in
audio and technical journals shows that considerable confusion exists on
negative  feedback  as  applied  to  power  amplifiers;  perhaps  there  is
something  inherently  mysterious  in  a  process  that  improves  almost  all
performance parameters simply by feeding part of the output back to the
input, but inflicts dire instability problems if used to excess. I therefore deal
with  a  few  of  the  less  obvious  points  here;  much  more  information  is
provided in Chapter 7.

The main use of NFB in amplifiers is the reduction of harmonic distortion,
the  reduction  of  output  impedance,  and  the  enhancement  of  supply-rail
rejection. There are analogous improvements in frequency response and
gain  stability,  and  reductions  in  DC  drift,  but  these  are  usually  less
important in audio applications.