Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Synopsis

Slewing limitations in real life
Some additional complications
Further improvements and other configurations

Chapter 8 Power supplies and PSRR

Power supply technologies

Simple unregulated supplies
Linear regulated supplies
Switch-made power supplies

Design considerations for unregulated supplies

Mains transformers
Fusing and rectification
RF emissions from bridge rectifiers
Power supply-rail rejection
A design philosophy for rail rejection
Positive supply-rail rejection
Negative supply-rail rejection

Chapter 9 Class-A power amplifiers

An introduction to Class-A
Class-A configurations and efficiency
Output stages in Class-A
Quiescent current control systems
A novel quiescent current controller
A complete Class-A power amplifier
Trimodal power amplifiers
Load impedance and operating mode
Efficiency
On Trimodal biasing
Class-A/AB mode
Class-B mode
The mode-switching system
Thermal design
A complete Trimodal power amplifier
The power supply
The performance
Further possibilities

Chapter 10 Class-G power amplifiers

The principles of Class-G
Introducing series Class-G
Efficiency of Class-G
Practicalities
The biasing requirements

xi

Synopsis

The linearity issues of series Class-G
The static linearity
Practical Class-G design
Controlling small-signal distortion
The performance
Deriving a new kind of amplifier: Class-A + C
Adding two-pole compensation
Further variations on Class-G

Chapter 11 FET output stages

The characteristics of power FETs
Power FETs versus bipolar transistors (BJTs)
Insulated-Gate Bipolar Junction Transistors (IGBTs)
Power FET output stages
The FET/bipolar linearity comparison
FETs in Class-A stages

Chapter  12 Thermal  compensation  and  thermal

dynamics

Why Class-B quiescent conditions are critical
The accuracy required
Basic thermal compensation
Assessing the bias errors
Thermal simulation
Modelling the EF output stage
Modelling the CFP output stage
The integrated absolute error criterion
Improved thermal compensation: The emitter-follower stage
Improved thermal compensation: The CFP output stage
A better CFP sensor position
A junction-temperature estimator
A junction estimator with dynamics
Conclusion
Variable-tempco bias generators

Creating a higher tempco
Ambient temperature changes
Creating a lower tempco
Current compensation

Thermal dynamics in reality

Early effect in output stages

Chapter 13 Amplifier and loudspeaker protection

Categories of amplifier protection

Semiconductor failure modes

xii

Synopsis

Overload protection

Fusing
Electronic protection
Plotting the protection locus
Simple current-limiting
Single-slope VI limiting
Dual-slope VI limiting
Simulating overload protection

Catching diodes
DC-offset protection

Fusing
Relay protection and muting output control
Distortion in output relays
Output crowbar DC protection
Protection by power-supply shutdown

Thermal protection
Powering auxiliary circuitry

Chapter 14 Grounding and practical matters

Audio Amplifier PCB design

Crosstalk
Rail induction distortion
The mounting of output devices
Single and double-sided PCBs
Power supplies
Power amplifier PCB layout details
The audio PCB layout sequence
Miscellaneous points

Amplifier grounding
Ground loops: how they work and how to deal with them
Class I and Class II
Mechanical layout and design

Convection cooling
Cooling
Mains transformers
Wiring layout
Semiconductor installation

Chapter 15 Testing and safety

Testing and fault-finding
Safety requirements

xiii

I wish to dedicate this book to my parents Russell and Evelyn, and
to  all  the  friends  and  colleagues  who  have  given  me  help,
information and encouragement while I was engaged in its writing.
In  particular  I  want  to  acknowledge  the  active  assistance  and
collaboration  of  Gareth  Connor  in  the  quest  for  the  perfect
amplifier, and the fortitude of Peter King in enduring many rambling
expositions of my latest thoughts on the subject.

xiv

Preface

The design of power amplifiers exerts a deep fascination all of its own in
both amateur and professional circles. The job they do is essentially simple,
but making a reliable high-performance circuit to do it well is surprisingly
difficult,  and  involves  delving  into  all  kinds  of  byways  of  electronics.
Perhaps this paradox is at the root of the enduring interest they generate.
Reliable information on power amplifier design is hard to find, but in this
book, I hope to fill at least some of that need.

It  is  notable  how  few  aspects  of  amplifier  design  have  received  serious
scientific investigation. Much of this book is the result of my own research,
because  the  information  required  simply  was  not  to  be  found  in  the
published literature.

In  the  course  of  my  investigations,  I  was  able  to  determine  that  power
amplifier distortion, traditionally a difficult and mysterious thing to grapple
with, was the hydra-headed amalgamation of seven or eight mechanisms,
overlaying each other and contributing to a complex result. I have evolved
ways of measuring and minimising each distortion mechanism separately,
and  the  result  is  a  design  methodology  for  making  Class-B  or  Class-A
amplifiers with distortion performance so good that two or three years ago
it  would  have  been  regarded  as  impossible.  The  methodology  gives
pleasingly  reliable  and  repeatable  results  with  moderate  amounts  of
negative  feedback,  and  insignificant  added  cost.  It  is  described  and
explained in detail here.

This leads to the concept of what I have called a Blameless amplifier, which
forms a benchmark for distortion performance that varies surprisingly little,
and  so  forms  a  well-defined  point  of  departure  for  more  ambitious  and
radical amplifier designs. The first of these I have undertaken is the Trimodal
amplifier (so-called because it can work in any of the modes A, AB and B,
as the situation requires) which is fully described in Chapter 9.

Apart from the major issue of distortion and linearity in power amplifier
design, I also cover more mundane but important matters such as reliability,
power supplies, overload and DC-protection, and so on. In addition there

xv