Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Audio Power Amplifier Design Handbook

Using model amplifiers

Distortions 1 and 2 can dominate amplifier performance and need to be
studied without the manifold complications introduced by a Class-B output
stage. This can be done by reducing the circuit to a model amplifier that
consists of the small-signal stages alone, with a very linear Class-A emitter-
follower attached to the output to allow driving the feedback network; here
small-signal refers  to  current  rather  than  voltage,  as  the  model  amplifier
should  be  capable  of  giving  a  full  power-amp  voltage  swing,  given
sufficiently high rail voltages. From Figure 3.2 it is clear that this will allow
study of Distortions 1 and 2 in isolation, and using this approach it will
prove  relatively  easy  to  design  a  small-signal  amplifier  with  negligible
distortion across the audio band, and this is the only sure foundation on
which to build a good power amplifier.

A typical plot combining Distortions 1 and 2 from a model amp is shown
in  Figure  3.6,  where  it  can  be  seen  that  the  distortion  rises  with  an
accelerating  slope,  as  the  initial  rise  at  6 dB/octave  from  the  VAS  is
contributed to and then dominated by the 12 dB/octave rise in distortion
from an unbalanced input stage.

The  model  can  be  powered  from  a  regulated  current-limited  PSU  to  cut
down  the  number  of  variables,  and  a  standard  output  level  chosen  for
comparison of different amplifier configurations; the rails and output level
used  for  the  results  in  this  work  were  +/–15 V  and  +16 dBu.  The  rail
voltages can be made comfortably lower than the average amplifier HT rail,
so that radical bits of circuitry can be tried out without the creation of a
silicon  cemetery  around  your  feet.  It  must  be  remembered  that  some
phenomena such as input-pair distortion depend on absolute output level,

70

Figure 3.6

The distortion from a
model amplifier,
produced by the input
pair and the Voltage-
Amplifier Stage – note
increasing slope as
input pair distortion
begins to add to VAS
distortion

The general principles of power amplifiers

rather than the proportion of the rail voltage used in the output swing, and
will be increased by a mathematically predictable amount when the real
voltage swings are used.

The  use  of  such  model  amplifiers  requires  some  caution,  and  gives  no
insight into BJT output stages, whose behaviour is heavily influenced by the
sloth and low current gain of the power devices. As a general rule, it should
be possible to replace the small-signal output with a real output stage and
get  a  stable  and  workable  power  amplifier;  if  not,  then  the  model  is
probably dangerously unrealistic.

The concept of the Blameless amplifier

Here  I  introduce  the  concept  of  what  I  have  chosen  to  call  a  Blameless
audio power amplifier. This is an amplifier designed so that all the easily-
defeated distortion mechanisms have been rendered negligible. (Note that
the word Blameless has been carefully chosen to not imply Perfection, but
merely  the  avoidance  of  known  errors.)  Such  an  amplifier  gives  about
0.0005% THD at 1 kHz and approximately 0.003% at 10 kHz when driving
8 !. This is much less THD than a Class-B amplifier is normally expected
to produce, but the performance is repeatable, predictable, and definitely
does not require large global feedback factors.

Distortion  1  cannot  be  totally  eradicated,  but  its  onset  can  be  pushed
well  above  20 kHz  by  the  use  of  local  feedback.  Distortion  2  (VAS
distortion)  can  be  similarly  suppressed  by  cascoding  or  beta-enhance-
ment,  and  Distortions  4  to  7  can  be  made  negligible  by  simple
topological methods. All these measures will be detailed later. This leaves
Distortion  3,  which  includes  the  intractable  Class-B  problems,  i.e.
crossover  distortion  (Distortion  3b)  and  HF  switch-off  difficulties  (Distor-
tion 3c). Minimising 3b requires a Blameless amplifier to use a BJT output
rather  than  FETs.

A Blameless Class-B amplifier essentially shows crossover distortion only,
so long as the load is no heavier than 8 !; this distortion increases with
frequency  as  the  amount  of  global  NFB  falls.  At  4 ! loading  an  extra
distortion mechanism (3a) generates significant third harmonic.

The  importance  of  the  Blameless  concept  is  that  it  represents  the  best
distortion  performance  obtainable  from  straightforward  Class-B.  This
performance is stable and repeatable, and varies little with transistor type as
it is not sensitive to variable quantities such as beta.

Blamelessness  is  a  condition  that  can  be  defined  with  precision,  and  is
therefore a standard other amplifiers can be judged against. A Blameless
design represents a stable point of departure for more radical designs, such
as the Trimodal concept in Chapter 9. This may be the most important use
of the idea.

71

Audio Power Amplifier Design Handbook

References

1. Oliver  Distortion  In  Complementary-Pair  Class-B  Amplifiers Hewlett-

Packard Journal Feb 1971, p. 11.

2. Feucht  Handbook  of  Analog  Circuit  Design Academic  Press  1990,

p. 256 (Pole-splitting).

3. Cherry,  E  A  New  Distortion  Mechanism  in  Class-B  Amplifiers Journ.

Audio Eng. Soc. May 1981, p. 327.

4. Ball, G Distorting Power Supplies Electronics World+WW, Dec 1990,

p. 1084.

72

4

The small signal stages

‘A  beginning  is  the  time  for  taking  the  most  delicate  care  that  the
balances are correct.’ Frank Herbert, Dune.

The role of the input stage

The input stage of an amplifier performs the critical duty of subtracting the
feedback signal from the input, to generate the error signal that drives the
output.  It  is  almost  invariably  a  differential  transconductance  stage;  a
voltage-difference  input  results  in  a  current  output  that  is  essentially
insensitive  to  the  voltage  at  the  output  port.  Its  design  is  also  frequently
neglected, as it is assumed that the signals involved must be small, and that
its linearity can therefore be taken lightly compared with that of the VAS or
the output stage. This is quite wrong, for a misconceived or even mildly
wayward input stage can easily dominate the HF distortion performance.

The input transconductance is one of the two parameters setting HF open-
loop  (o/l)  gain,  and  therefore  has  a  powerful  influence  on  stability  and
transient behaviour as well as distortion. Ideally the designer should set out
with some notion of how much o/l gain at 20 kHz will be safe when driving
worst-case reactive loads (this information should be easier to gather now
there  is  a  way  to  measure  o/l  gain  directly)  and  from  this  a  suitable
combination of input transconductance and dominant-pole Miller capaci-
tance can be chosen.

Many  of  the  performance  graphs  shown  here  are  taken  from  a  model
(small-signal stages only) amplifier with a Class-A emitter-follower output,
at +16 dBu on +/–15 V rails; however, since the output from the input pair
is in current form, the rail voltage in itself has no significant effect on the
linearity of the input stage; it is the current swing at its output that is the
crucial factor.

73

Audio Power Amplifier Design Handbook

Distortion from the input stage

The motivation for using a differential pair as the input stage of an amplifier
is usually its low DC offset. Apart from its inherently lower offset due to the
cancellation of the Vbe voltages, it has the important added advantage that
its standing current does not have to flow through the feedback network.
However a second powerful reason, which seems less well-known, is that
linearity is far superior to single-transistor input stages. Figure 4.1 shows
three versions, in increasing order of sophistication. The resistor-tail version
at 1a has poor CMRR and PSRR and is generally a false economy of the
shabbiest kind; it will not be further considered here. The mirrored version
at 1c has the best balance, as well as twice the transconductance of 1b.

At first sight, the input stage should generate a minimal proportion of the
overall  distortion  because  the  voltage  signals  it  handles  are  very  small,
appearing  as  they  do  upstream  of  the  VAS  that  provides  almost  all  the
voltage  gain.  However,  above  the  first  pole  frequency  P1,  the  current
required to drive Cdom dominates the proceedings, and this remorselessly
doubles with each octave, thus:

i

pk

= w 

× C

dom

× V

pk

Equation 4.1

where W = 2 

× pi × freq

For example the current required at 100 W (8 !) and 20 kHz, with a 100 pF
Cdom  is  0.5 mA  peak,  which  may  be  a  large  proportion  of  the  input
standing current, and so the linearity of transconductance for large current
excursions will be of the first importance if we want low distortion at high
frequencies.

Curve A in Figure 4.2 shows the distortion plot for a model amplifier (at
+16 dBu  output)  designed  so  the  distortion  from  all  other  sources  is
negligible compared with that from the carefully balanced input stage; with
a  small-signal  class  A  stage  this  reduces  to  making  sure  that  the  VAS  is

74

Figure 4.1

Three versions of an
input pair. a Simple
tail resistor. b Tail
current-source. c With
collector current-mirror
to give inherently
good lc balance