Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Audio Power Amplifier Design Handbook

clear, but seem to involve the difficulty of ensuring exactly equal coupling
between three twisted conductors. In Figure 6.9, the supply rails are twisted
together but kept well away from the ground return; this will allow field
generation, but if the currents in the two rails butt together to make a nice
sinewave at the output, then they should do the same when the magnetic
fields from each rail sum. There is an obvious risk of interchannel crosstalk
if this approach is used in a stereo amplifier, but it does deal effectively with
the induced-distortion problem in some layouts.

Distortion number 7: NFB takeoff point distortion

It  has  become  a  tired  old  truism  that  negative  feedback  is  a  powerful
technique, and like all such, must be used with care if you are to avoid
tweeter-frying HF instability.

However, there is another and much more subtle trap in applying global
NFB. Class-B output stages are a maelstrom of high-amplitude halfwave-
rectified currents, and if the feedback takeoff point is in slightly the wrong
place,  these  currents  contaminate  the  feedback  signal,  making  it  an
inaccurate  representation  of  the  output  voltage,  and  hence  introducing
distortion; Figure 6.10 shows the problem. At the current levels in question,
all wires and PCB tracks must be treated as resistances, and it follows that
point C is not at the same potential as point D whenever TR1 conducts. If
feedback is taken from D, then a clean signal will be established here, but
the signal at output point C will have a half-wave rectified sinewave added
to it, due to the resistance C–D. The actual output will be distorted but the
feedback loop will do nothing about it as it does not know about the error.

170

Figure 6.9

Distortion 6;
Countermeasures
against the induction of
distortion from the
supply rails. 6.7b is
usually more effective

The output stage II

Figure 6.11 shows the practical result for an amplifier driving 100 W into
8 !, with the extra distortion interestingly shadowing the original curve as
it rises with frequency. The resistive path C–D that did the damage was a
mere 6 mm length of heavy-gauge wirewound resistor lead.

Figure  6.12  shows  a  THD  residual  for  Distortion  7,  introduced  by
deliberately  taking  the  NFB  from  the  wrong  point.  The  THD  rose  from
0.00097% to 0.0027%, simply because the NFB feed was taken from the
wrong end of the leg of one of the output emitter resistors Re. Note this is
not the wrong side of the resistor, or the distortion would have been gross,
but a mere 10 mm along a very thick resistor leg from the actual output
junction point.

171

Figure 6.10

Distortion 7; Wrong
and Right ways of
arranging the critical
negative-feedback
takeoff point

Figure 6.11

Distortion 7 at work;
the upper (WRONG)
trace shows the result
of a mere 6 mm of
heavy-gauge wire
between the output
and the feedback
point

1

2

20.0V

50.0

0.00s

200

1 RUN

/

m

v

!

s

1

2

Audio Power Amplifier Design Handbook

Of the distortions that afflict generic Class-B power amplifiers, 5, 6 and 7
all  look  rather  similar  when  they  appear  in  the  THD  residual,  which  is
perhaps not surprising since all result from adding half-wave disturbances
to the signal.

To eliminate this distortion is easy, once you are alert to the danger. Taking
the NFB feed from D is not advisable as D is not a mathematical point, but
has  a  physical  extent,  inside  which  the  current  distribution  is  unknown.
Point E on the output line is much better, as the half-wave currents do not
flow through this arm of the circuit.

Distortion number 8: capacitor distortion

When  I  wrote  the  original  series  on  amplifier  distortion

[4]

,  I  listed  seven

types  of  distortion  that  defined  an  amplifier’s  linearity.  The  number  has
grown to eight, with the addition of electrolytic capacitor distortion. This
has  nothing  to  do  with  Subjectivist  hypotheses  about  mysterious  non-
measurable effects; this phenomenon is all too real, though for some reason
it seems to be almost unknown amongst audio designers.

Standard  aluminium  electrolytics  generate  distortion  whenever  they  are
used so a significant AC voltage develops across them; this is usually when
they  are  used  for  coupling  and  DC  blocking,  whilst  driving  a  significant
resistive load. Figure 6.13 is the test circuit; Figure 6.14 shows the resulting
distortion  for  a  47 µF  25 V  capacitor  driving  +20 dBm  (7.75 Vrms)  into  a
680 ! load,  while  Figure  6.15  shows  how  the  associated  LF  roll-off  has
barely begun. The distortion is a mixture of second and third harmonic, and
rises rapidly as frequency falls, at something between 12 and 18 dB/octave.

172

Figure 6.12

Distortion 7, caused
by choosing an NFB
takeoff point inside
the Class-B output
stage rather than on
the output line itself.
THD is increased
from 0.00097% to
0.0027%, by taking
the NFB from the
wrong end of 10 mm
of very thick resistor
leg. Averaged 64
times

The output stage II

The great danger of this mechanism is that serious distortion begins while
the  response  roll-off  is  barely  detectable;  here  the  THD  reaches  0.01%
when  the  response  has  only  fallen  by  0.2 dB.  The  voltage  across  the
capacitor is 2.6 V peak, and this voltage is a better warning of danger than
the degree of roll-off.

Further  tests  showed  that  the  distortion  roughly  triples  as  the  applied
voltage  doubles;  this  factor  seems  to  vary  somewhat  between  different
capacitor rated voltages.

The  mechanism  by  which  capacitors  generate  this  distortion  is  unclear.
Dielectric  absorption  appears  to  be  ruled  out  as  this  is  invariably  (and
therefore presumably successfully) modelled by adding linear components,
in  the  shape  of  resistors  and  capacitors,  to  the  basic  capacitor  model.
Reverse biasing is not the problem, for capacitors DC biased by up to +15 V
show slightly increased, not reduced distortion. Non-polarised electrolytics

173

Figure 6.13

A very simple circuit to
demonstrate electrolytic
capacitor distortion.
Measurable distortion
begins at 100 Hz

Figure 6.14

Capacitor distortion vs
frequency, showing the
rapid rise in THD once
the distortion threshold
is reached

Audio Power Amplifier Design Handbook

show the same effect but at a much greater AC voltage, typically giving the
same distortion at one-tenth the frequency of a conventional capacitor with
the same time-constant; the cost and size of these components generally
rules out their use to combat this effect. Usually the best solution is simply
to keep increasing the capacitor value until the LF distortion rise disappears
off the left of the THD graph. Negligible roll-off in the audio band is not a
sufficient criterion.

Electrolytics  are  therefore  best  reserved  for  DC  filtering,  and  for  signal
coupling where the AC voltage across them will be negligible. If a coupling
capacitor  does  have  AC  voltage  across  it,  and  drives  the  usual  resistive
load, then it must be acting as a high-pass filter. This is never good design
practice, because electrolytics have large tolerances and make inaccurate
filters; it is now clear they generate distortion as well.

It is therefore most undesirable to define the lower bandwidth limit simply
by relying on the high-pass action of electrolytics and circuit resistances; it
should  be  done  with  a  non-electrolytic  capacitor,  made  as  large  as  is
economical in order to reduce the value of the associated resistance and so
keep down circuit impedances, thus minimising the danger of noise and
crosstalk.

Capacitor  distortion  in  power  amplifiers  is  most  likely  to  occur  in  the
feedback network blocking capacitor (assuming a DC-coupled amplifier).
The  input  blocking  capacitor  usually  feeds  a  high  impedance,  but  the
feedback arm must have the lowest possible resistances to minimise both
noise and DC offset. The feedback capacitor therefore tends to be relatively
large, and if it is not quite large enough the THD plot of the amplifier will
show the characteristic kick up at the LF end. An example of this is dealt
with in detail on page 88.

174

Figure 6.15

The small amount of
LF roll-off associated
with the distortion rise
in Figure 6.11