Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Preface

is  unique  material  on  reactive  loading,  unusual  forms  of  compensation,
distortion  produced  by  capacitors  and  fuses,  and  much  more.  I  have
provided a wide and varied selection of references, so that those interested
can pursue the issues further.

Sometimes controversies arise in audio; in fact, it would be truer to say that
they have become endemic, despite a lack of hard facts on which genuine
differences of opinion might be based. Although audio power amplifiers are
in many ways straightforward in their doings, they have not escaped the
attentions of those who incline more to faith than science. In my writings,
I simply go where the facts lead me, and my experiences as an amateur
musician, my work designing professional mixing consoles, and my studies
in psychology and psychoacoustics have led me to the firm conclusion that
inexplicable influences on audio quality simply do not exist, and that any
serious book on amplifier design must start from this premise.

I have done my best to make sure that everything in this book is as correct
as theory, simulation, practical measurement and late-night worrying can
make  it.  The  basic  arguments  have  been  validated  by  the  production  of
more than twenty thousand high-power Blameless amplifiers over the last
two years, which is perhaps as solid a confirmation as any methodology
can  hope  to  receive.  If  some  minor  errors  do  remain,  these  are  entirely
my  responsibility,  and  when  alerted  I  will  correct  them  at  the  first
opportunity.

I hope this book may be interesting and useful to the amplifier designer and
constructor,  be  they  amateur  or  professional.  However,  it  is  my  fondest
wish that it may stimulate others to further explore and expand the limits of
audio knowledge.

Douglas Self

xvi

1

Introduction and general

survey

The economic importance of power amplifiers

Audio  power  amplifiers  are  of  considerable  economic  importance.  They
are  built  in  their  hundreds  of  thousands  every  year,  and  have  a  history
extending back to the 1920s. It is therefore surprising there have been so
few books dealing in any depth with solid-state power amplifier design.

The first aim of this text is to fill that need, by providing a detailed guide to
the many design decisions that must be taken when a power amplifier is
designed.

The  second  aim  is  disseminate  the  results  of  the  original  work  done  on
amplifier  design  in  the  last  few  years.  The  unexpected  result  of  these
investigations  was  to  show  that  power  amplifiers  of  extraordinarily  low
distortion  could  be  designed  as  a  matter  of  routine,  without  any
unwelcome side-effects, so long as a relatively simple design methodology
was followed. This methodology will be explained in detail.

Assumptions

To  keep  its  length  reasonable,  a  book  such  as  this  must  assume  a  basic
knowledge of audio electronics. I do not propose to plough through the
definitions of frequency response, THD and signal-to-noise ratio; this can
be  found  anywhere.  Commonplace  facts  have  been  ruthlessly  omitted
where their absence makes room for something new or unusual, so this is
not the place to start learning electronics from scratch. Mathematics has
been confined to a few simple equations determining vital parameters such
as open-loop gain; anything more complex is best left to a circuit simulator
you trust. Your assumptions, and hence the output, may be wrong, but at
least the calculations in-between will be correct . . .

1

Audio Power Amplifier Design Handbook

The  principles  of  negative  feedback  as  applied  to  power  amplifiers  are
explained in detail, as there is still widespread confusion as to exactly how
it works.

Origins and aims

The  core  of  this  book  is  based  on  a  series  of  eight  articles  originally
published  in  Electronics  World  as  ‘Distortion  In  Power  Amplifiers’.  This
series was primarily concerned with distortion as the most variable feature
of power amplifier performance. You may have two units placed side by
side, one giving 2% THD and the other 0.0005% at full power, and both
claiming to provide the ultimate audio experience. The ratio between the
two figures is a staggering 4000:1, and this is clearly a remarkable state of
affairs. One might be forgiven for concluding that distortion was not a very
important parameter. What is even more surprising to those who have not
followed the evolution of audio over the last two decades is that the more
distortive amplifier will almost certainly be the more expensive. I shall deal
in detail with the reasons for this astonishing range of variation.

The original series was inspired by the desire to invent a new output stage
that would be as linear as Class-A, without the daunting heat problems. In
the  course  of  this  work  it  emerged  that  output  stage  distortion  was
completely  obscured  by  non-linearities  in  the  small-signal  stages,  and  it
was  clear  that  these  distortions  would  need  to  be  eliminated  before  any
progress could be made. The small-signal stages were therefore studied in
isolation, using model amplifiers with low-power and very linear Class-A
output  stages,  until  the  various  overlapping  distortion  mechanisms  had
been separated out. It has to be said this was not an easy process. In each
case  there  proved  to  be  a  simple,  and  sometimes  well-known  cure,  and
perhaps the most novel part of my approach is that all these mechanisms
are dealt with, rather than one or two, and the final result is an amplifier
with  unusually  low  distortion,  using  only  modest  and  safe  amounts  of
global negative feedback.

Much of this book concentrates on the distortion performance of amplifiers.
One reason is that this varies more than any other parameter – by up to a
factor of a thousand. Amplifier distortion was until recently an enigmatic
field  –  it  was  clear  that  there  were  several  overlapping  distortion
mechanisms in the typical amplifier, but it is the work reported here that
shows  how  to  disentangle  them,  so  they  may  be  separately  studied  and
then with the knowledge thus gained, minimised.

I  assume here  that distortion  is a bad thing, and should be minimised; I
make no apology for putting it as plainly as that. Alternative philosophies
hold that as some forms of non-linearity are considered harmless or even
euphonic,  they  should  be  encouraged,  or  at  any  rate  not  positively
discouraged. I state plainly that I have no sympathy with the latter view; to

2

Introduction and general survey

my mind the goal is to make the audio path as transparent as possible. If
some sort of distortion is considered desirable, then surely the logical way
to introduce it is by an outboard processor, working at line level. This is not
only  more  cost-effective  than  generating  distortion  with  directly-heated
triodes, but has the important attribute that it can be switched off. Those
who have brought into being our current signal-delivery chain, i.e. mixing
consoles, multi-track recorders, CDs, have done us proud in the matter of
low distortion, and to wilfully throw away this achievement at the very last
stage strikes me as curious at best.

In  this  book  I  hope  to  provide  information  that  is  useful  to  all  those
interested in power amplifiers. Britain has a long tradition of small and very
small audio companies, whose technical and production resources may not
differ very greatly from those available to the committed amateur. I hope
this volume will be of service to both.

I  have  endeavoured  to  address  both  the  quest  for  technical  perfection  –
which  is  certainly  not  over,  as  far  as  I  am  concerned  –  and  also  the
commercial necessity of achieving good specifications at minimum cost.

The field of audio is full of statements that appear plausible but in fact have
never been tested and often turn out to be quite untrue. For this reason I
have  confined  myself  as  closely  as  possible  to  facts  that  I  have  verified
myself.  This  volume  may  therefore  appear  somewhat  idiosyncratic  in
places;  for  example  FET  output  stages  receive  much  less  coverage  than
bipolar ones because the conclusion appears to be inescapable that FETs
are both more expensive and less linear; I have therefore not pursued the
FET route very far. Similarly, most of my practical design experience has
been on amplifiers of less than 300 W power output, and so heavy-duty
designs for large-scale PA work are also under-represented. I think this is
preferable to setting down untested speculation.

The study of amplifier design

Although solid-state amplifiers have been around for some forty years, it
would  be  a  great  mistake  to  assume  that  everything  possible  is  known
about them. In the course of my investigations I discovered several matters
which, not appearing in the technical literature, appear to be novel, at least
in their combined application:

!

The need to precisely balance the input pair to prevent second-harmonic
generation.

!

The demonstration of how a beta-enhancement transistor increases the
linearity and reduces the collector impedance of the Voltage-Amplifier
Stage.

!

An explanation of why BJT output stages always distort more into 4 !
than 8 !.

3

Audio Power Amplifier Design Handbook

!

In a conventional BJT output stage, quiescent current as such is of little
importance.  What  is  crucial  is  the  voltage  between  the  transistor
emitters.

!

Power FETs, though for many years touted as superior in linearity, are
actually far less linear than bipolar output devices.

!

In most amplifiers, the major source of distortion is not inherent in the
amplifying stages, but results from avoidable problems such as induction
of supply-rail currents and poor power-supply rejection.

!

Any  number  of  oscillograms  of  square-waves  with  ringing  have  been
published that claim to be the transient response of an amplifier into a
capacitive load. In actual fact this ringing is due to the output inductor
resonating with the load, and tells you precisely nothing about amplifier
stability.

The above list is by no means complete.

As in any developing field, this book cannot claim to be the last word on
the subject; rather it hopes to be a snapshot of the state of understanding at
this  time.  Similarly,  I  certainly  do  not  claim  that  this  book  is  fully
comprehensive;  a  work  that  covered  every  possible  aspect  of  every
conceivable power amplifier would run to thousands of pages. On many
occasions I have found myself about to write: ‘It would take a whole book
to  deal  properly  with . . .’  Within  a  limited  compass  I  have  tried  to  be
innovative as well as comprehensive, but in many cases the best I can do
is to give a good selection of references that will enable the interested to
pursue matters further. The appearance of a reference means that I consider
it worth reading, and not that I think it to be correct in every respect.

Sometimes  it  is  said  that  discrete  power  amplifier  design  is  rather
unenterprising, given the enormous outpouring of ingenuity in the design of
analogue ICs. Advances in op-amp design would appear to be particularly
relevant.  I  have  therefore  spent  some  considerable  time  studying  this
massive body of material and I have had to regretfully conclude that it is
actually a very sparse source of inspiration for new audio power amplifier
techniques; there are several reasons for this, and it may spare the time of
others if I quickly enumerate them here:

!

A  large  part  of  the  existing  data  refers  only  to  small-signal  MOSFETs,
such as those used in CMOS op-amps, and is dominated by the ways in
which they differ from BJTs, for example in their low transconductance.
CMOS  devices  can  have  their  characteristics  customised  to  a  certain
extent by manipulating the width/length ratio of the channel.

!

In general, only the earlier material refers to BJT circuitry, and then it is
often mainly concerned with the difficulties of making complementary
circuitry  when  the  only  PNP  transistors  available  are  the  slow  lateral
kind with limited beta and poor frequency response.

!

Many of the CMOS op-amps studied are transconductance amplifiers,
i.e. voltage-difference-in, current out. Compensation is usually based on

4