Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Audio Power Amplifier Design Handbook

However, if Cp2 and Rp are correctly proportioned the overall reduction in
distortion is dramatic and extremely valuable. When two-pole compensa-
tion was added to the amplifier circuit shown in Figure 7.5, the crossover
glitches on the THD residual almost disappeared, being partially replaced
by  low-level  second  harmonic  which  almost  certainly  results  from  VAS
loading. The positive slew-rate will also be slightly reduced.

This looks like an attractive technique, as it can be simply applied to an
existing  design  by  adding  two  inexpensive  components.  If  Cp2  is  much
larger  than  Cp1,  then  adding/removing  Rp  allows  instant  comparison
between the two kinds of compensation. Be warned that if an amplifier is
prone to HF parasitics then this kind of compensation may worsen them.

Output networks

The usual output networks for a power amplifier are shown in Figure 7.6,
with typical values. They comprise a shunt Zobel network, for stability into
inductive loads, and a series output inductor/damping resistor for stability
into capacitive loads.

Amplifier output impedance

The main effect of output impedance is usually thought to be its effect on
Damping  Factor.  This  is  wrong,  as  explained  in  Chapter  1.  Despite  this
demonstration  of  its  irrelevance,  I  will  refer  to  Damping  Factor  here,  to
show how an apparently impressive figure dwindles as more parts of the
speaker-cable system are included.

190

Figure 7.4

Distortion reduction
with two-pole
compensation

191

Figure 7.5

The Class-B amplifier
from Chapter 6. At the
simplest level the
maximum slew-rate is
defined by the current
source TR1 and the
value of Cdom

Audio Power Amplifier Design Handbook

Figure  7.6  shows  a  simplified  amplifier  with  Zobel  network  and  series
output inductor, plus simple models of the connecting cable and speaker
load. The output impedance of a solid-state amplifier is very low if even a
modest  amount  of  global  NFB  is  used.  I  measured  a  Blameless  Class-B
amplifier similar to Figure 7.5 with the usual NFB factor of 29 dB at 20 kHz,
increasing at 6 dB/octave as frequency falls. Figure 7.7 shows the output
impedance at point B before the output inductor, measured by injecting a
10 mA signal current into the output via a 600 ! resistance.

192

Figure 7.6

The amplifier-cable-speaker system. Simplified amplifier with Zobel network and damped output inductor, and
a resistive load. Cable resistance and inductance values are typical for a 5 metre length

Figure 7.7

Output impedance of
a Blameless amplifier,
with and without
6 µH output inductor.
Adding the inductor
(upper trace)
increases both the
flat LF output
impedance, due to
its series resistance,
and the rising HF
impedance

Compensation, slew-rate, and stability

The  low-frequency  output  impedance  is  approx  9 m! (an  8 ! Damping
Factor  of  890).  To  put  this  into  perspective,  one  metre  of  thick  32/02
equipment  cable  (32  strands  of  0.2 mm  diameter)  has  a  resistance  of
16.9 m!.  The  internal  cabling  resistance  in  an  amplifier  can  equal  or
exceed the output impedance of the amplifier itself at LF.

Output impedance rises at 6 dB/octave above 3 kHz, as global NFB falls off,
reaching 36 m! at 20 kHz. The 3 kHz break frequency does not correspond
with  the  amplifier  dominant  pole  frequency,  which  is  much  lower  at
around 10 Hz.

The closed-loop output impedance of any amplifier is set by the open-loop
output impedance and the negative feedback factor. The output impedance
is not simply the output impedance of the output stage alone, because the
latter is driven from the VAS, so there is a significant and frequency-varying
source impedance at point A in Figure 7.6.

When the standard EF and CFP stages are driven from a zero-impedance
source,  in  both  cases  the  raw  output  impedance  is  in  the  region  of
150–180 m!. This assumes the emitter resistors Re are 0.1 !. Increasing Re
to 0.22 ! increases output impedance to the range 230–280 m!, showing
that  these  resistors  in  fact  make  up  most  of  the  output  impedance.  The
output devices and drivers have little influence.

If the average open-loop output impedance is 200 m!, and the NFB factor
at  20 kHz  is  29 dB,  or  28  times,  we  would  expect  a  closed-loop  output
impedance  of  approximately  200/28,  which  is  7 m!.  Since  it  is  actually
about 33 m! at this frequency, there is clearly more going on than simple
theory implies. In a real amplifier the output stage is not driven from a zero
impedance, but a fairly high one that falls proportionally with frequency;
for my Blameless Class-B design it falls from 3 k ! at 1 kHz to about 220 !
at  20 kHz.  A  220 ! source  impedance  produces  an  open-loop  output
impedance  of  about  1 !,  which  when  reduced  by  a  factor  of  28  when
global  feedback  is  applied,  gives  35 m!.  This  is  close  to  the  value
measured at 20 kHz at point B in Figure 7.6.

All  of  these  measured  closed-loop  output  impedances  are  very  low
compared with the other impedances in the amp-cable-speaker system. It
would appear they can in most cases be ignored.

The Blameless amplifier design shown on page 176 has an output inductor
of  approx.  6 µH;  the  aim  is  absolutely  guaranteed  stability  into  all
capacitative loads, and the inductance is therefore at the high end of the
permissible  range.  This  is  limited  by  the  HF  roll-off  into  the  lowest  load
resistance to be driven. This substantial component comprises 20 turns of
1.5 mm  diam.  copper  wire,  wound  to  1  inch  diameter,  and  has  a  DC
resistance of 19 m!. This small extra resistance raises the flat section of the
impedance plot to 24 m!, and in fact dominates the LF output impedance

193

Audio Power Amplifier Design Handbook

as measured at the amplifier terminals (point C). It also sharply reduces the
notional Damping Factor from 890 to 330.

Naturally  the  inductance  of  the  coil  pushes  the  rising  portion  of  the
impedance  curve  higher.  The  output  impedance  now  starts  to  rise  from
700 Hz, still at 6 dB per octave, reaching 0.6 ! at 20 kHz. See Figure 7.7.

Minimising amplifier output impedance

This issue is worth considering, not because it optimises speaker dynamics,
which it doesn’t, but because it minimises frequency response variations due
to varying speaker impedance. There is also, of course, specmanship to be
considered.

It is clear from Figure 7.7 that the output impedance of a generic amplifier
will very probably be less than the inductor resistance, so the latter should be
attended to first. Determine the minimum output inductance for stability
with capacitive loads, because lower inductance means fewer turns of wire
and less resistance. Some guidance on this is given in the next section. Note,
however, that the inductance of the usual single-layer coil varies with the
square of the number of turns, so halving the inductance only reduces the
turns, and hence the series resistance, by root-two. The coil wire must be as
thick as the cost/quality tradeoffs allow.

It is also desirable to minimise the resistance of the amplifier internal wiring,
and to carefully consider any extra resistance introduced by output relays,
speaker switching, etc. When these factors have been reduced as far as cost
and practicality allow, it is likely that the output impedance of the actual
amplifier will still be the smallest component of the total.

Zobel networks

All power amplifiers except for the most rudimentary kinds include a Zobel
network  in  their  arrangements  for  stability.  This  simple  but  somewhat
enigmatic  network  comprises  a  resistor  and  capacitor  in  series  from  the
amplifier output rail to ground. It is always fitted on the inside (i.e. upstream)
of the output inductor, though a few designs have a second Zobel network
after the output inductor; the thinking behind this latter approach is obscure.
The resistor approximates to the expected load impedance, and is usually
between 4.7 and 10 !. The capacitor is almost invariably 100 nF, and these
convenient  values  and  their  constancy  in  the  face  of  changing  amplifier
design might lead one to suppose that they are not critical; in fact experiment
suggests that the real reason is that the traditional values are just about right.

The function of the Zobel network (sometimes also called a Boucherot cell)
is rarely discussed, but is usually said to prevent too inductive a reactance
being  presented  to  the  amplifier  output  by  a  loudspeaker  voice-coil,  the
implication being that this could cause HF instability. It is intuitively easy to

194