Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Audio Power Amplifier Design Handbook

The  Vbe-Ic  characteristic  of  a  bipolar  transistor  is  initially  exponential,
blending into linear as the internal emitter resistance re comes to dominate
the  transconductance.  The  usual  Class-B  stage  puts  two  of  these  curves
back-to-back, and Peter Blomley has shown

[12]

that these curves are non-

conjugate, i.e. there is no way they can be shuffled about so they will sum
to a completely linear transfer characteristic, whatever the offset between
them imposed by the bias voltage. This can be demonstrated quickly and
easily by SPICE simulation; see Figure 5.31. There is at first sight not much
you can do except maintain the bias voltage, and hence quiescent current,
at some optimal level for minimum gain deviation at crossover; quiescent-
current control is a complex subject that could fill a big book in itself, and
is considered in Chapter 12.

It  should  be  said  that  the  crossover  distortion  levels  generated  in  a
Blameless  amplifier  can  be  very  low  up  to  around  1 kHz,  being  barely
visible in residual noise and only measurable with a spectrum-analyser. As
an  instructive  example,  if  a  Blameless  closed-loop  Class-B  amplifier  is
driven through a TL072 unity-gain buffer the added noise from this op-amp
will usually submerge the 1 kHz crossover artefacts into the noise floor, at
least as judged by the eye on the oscilloscope. (It is most important to note
that Distortions 4, 5, 6 and 7 create disturbances of the THD residual at the
zero-crossing point that can be easily mistaken for crossover distortion, but
the  actual  mechanisms  are  quite  different).  However,  the  crossover
distortion becomes obvious as the frequency increases, and the high-order
harmonics benefit less from NFB.

140

Figure 5.31

Gain/output voltage
plot for an EF output
shows how non-
conjugate transistor
characteristics at the
crossover region
cannot be blended into
a flat line at any bias
voltage setting. Bias
varies 2.75 to 2.95 V
in 25 mV steps, from
too little to too much
quiescent

The output stage I

It will be seen later that in a Blameless amplifier driving 8 ! the overall
linearity is dominated by crossover distortion, even with a well-designed
and  optimally  biased  output  stage.  There  is  an  obvious  incentive  to
minimise  this  distortion  mechanism,  but  there  seems  no  obvious  way  to
reduce  crossover  gain  deviations  by  tinkering  with  any  of  the  relatively
conventional stages considered so far.

Figure 5.32 shows the signal waveform and THD residual from a Blameless
power amplifier with optimal Class-B bias. Output power was 25 W into
8 !, or 50 W into 4 ! (i.e. the same output voltage) as appropriate, for all
the residuals shown here. The figure is a record of a single sweep so the
residual  appears  to  be  almost  totally  random  noise;  without  the  visual
averaging  that  occurs  when  we  look  at  an  oscilloscope  the  crossover
artefacts are much less visible than in real time.

In Figure 5.33 64 times averaging is applied, and the disturbances around
crossover become very clear. There is also revealed a low-order compo-
nent  at  roughly  0.0004%,  which  is  probably  due  to  very  small  amounts
of  Distortion  6  that  were  not  visible  when  the  amplifier  layout  was
optimised.

Figure  5.34  shows  Class-B  slightly  underbiased  to  generate  crossover
distortion.  The  crossover  spikes  are  very  sharp,  so  their  height  in  the
residual  depends  strongly  on  measurement  bandwidth.  Their  presence
warns immediately of underbiasing and avoidable crossover distortion.

In Figure 5.35 an optimally biased amplifier is tested at 10 kHz. The THD
increases to approx. 0.004%, as the amount of global negative feedback
is  20 dB  less  than  at  1 kHz.  The  timebase  is  faster  so  crossover  events

141

Figure 5.32

The THD residual
from an optimally
biased Blameless
power amplifier at
1 kHz, 25 W/8 ! is
essentially white
noise. There is some
evidence of artefacts
at the crossover
point, but they are
not measurable. THD
0.00097%, 80 kHz
bandwidth

Audio Power Amplifier Design Handbook

appear  wider  than  in  Figure  5.34.  The  THD  level  is  now  higher  and
above  the  noise  so  the  residual  is  averaged  8  times  only.  The  measure-
ment  bandwidth  is  still  80 kHz,  so  harmonics  above  the  eighth  are  now
lost.  This  is  illustrated  in  Figure  5.36,  which  is  Figure  5.35  rerun  with  a
500 kHz  bandwidth.  The  distortion  products  now  look  much  more
jagged.

Figure  5.37  shows  the  gain-step  distortion  introduced  by  Class-AB.  The
undesirable edges in the residual are no longer in close pairs that partially

142

Figure 5.33

Averaging Figure 5.2
residual 64 times
reduces the noise by
18 dB, and crossover
discontinuities are
now obvious. The
residual has been
scaled up by 2.5
times from Figure 5.2
for greater clarity

Figure 5.34

The results of mild
underbias in Class-B

The output stage I

cancel,  but  are  spread  apart  on  either  side  of  the  zero  crossing.  No
averaging  is  used  here  as  the  THD  is  higher.  See  page  275  for  more  on
Class-AB distortion.

It  is  commonplace  in  Audio  to  discover  that  a  problem  like  crossover
distortion has been written about and agonised over for decades, but the
amount  of  technical  investigation  that  has  been  done  (or  at  any  rate
published) is disappointingly small. I had to do some basic investigations
myself.

143

Figure 5.35

An optimally biased
Blameless power
amplifier at 10 kHz.
THD approx.
0.004%, bandwidth
80 kHz. Averaged 8
times

Figure 5.36

As Figure 5.6, but in
500 kHz bandwidth.
The distortion
products look quite
different

1

2

10.0V

20.0

0.00s

200

1 RUN

/

m

v

"

s

AV

1

2

Audio Power Amplifier Design Handbook

I  first  looked  to  see  if  crossover  distortion  really  did increase  with
decreasing output level in a Blameless amplifier; to attempt its study with
an  amplifier  contaminated  with  any  of  the  avoidable  distortion  mecha-
nisms is completely pointless. One problem is that a Blameless amplifier
has  such  a  low  level  of  distortion  at  1 kHz  (0.001%  or  less)  that  the
crossover  artefacts  are  barely  visible  in  circuit  noise,  even  if  low-noise
techniques  are  used.  The  measured  percentage  level  of  the  noise-plus-
distortion residual is bound to rise with falling output, because the noise
voltage  remains  constant;  this  is  the  lowest  line  in  Figure  5.38.  To
circumvent  this,  the  amplifier  was  deliberately  underbiased  by  varying
amounts to generate ample crossover spikes, on the assumption that any
correctly adjusted amplifier should be less barbarous than this.

The answer from Figure 5.38 is that the THD percentage does increase as
level falls, but relatively slowly. Both EF and CFP output stages give similar
diagrams  to  Figure  5.38,  and  whatever  the  degree  of  underbias,  THD
increases by about 1.6 times as the output voltage is halved. In other words,
reducing the output power from 25 W to 250 mW, which is pretty drastic,
only increases THD % by six times, and so it is clear that the absolute (as
opposed to percentage) THD level in fact falls slowly with amplitude, and
therefore probably remains imperceptible. This is something of a relief; but
crossover distortion remains a bad thing to have.

Distortion versus level was also investigated at high frequencies, i.e. above
1 kHz where there is more THD to measure, and optimal biasing can be
used. Figure 5.39 shows the variation of THD with level for the EF stage at
a selection of frequencies; Figure 5.40 shows the same for the CFP. Neither
shows a significant rise in percentage THD with falling level, though it is

144

Figure 5.37

The gm-doubling
distortion introduced
by Class-AB. The
edges in the residual
are larger and no
longer at the zero
crossing, but
displaced either side
of it