Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Audio Power Amplifier Design Handbook

200

Figure 7.12

Increasing the load
capacitance
increases the
transient overshoot,
while lowering its
frequency

Figure 7.13

Increasing the load
capacitance
increases frequency
response peaking
and lowers its
frequency

Compensation, slew-rate, and stability

The  resistance  of  an  air-cored  7 µH  coil  made  from  20  turns  of  1.5 mm
diameter wire (this is quite a substantial component 3 cm in diameter and
6 cm long) is enough to cause a measurable power loss into a 4 ! load, and
to dominate the output impedance as measured at the amplifier terminals.
The  coil  wire  should  therefore  be  as  thick  as  your  cost/quality  tradeoffs
allow.

The  power  rating  for  the  damping  resistor  is  assessed  as  follows.  For  a
resistive 8 ! load the voltage across the output inductor increases slowly
with frequency, and the damping resistor dissipation only reaches 1.2 mW
at 20 kHz for 1 Vrms output. This assumes a normal 10 ! damping resistor;
if the value is reduced to 1 ! to eliminate ringing into capacitive loads, as
described above, then the dissipation is ten times as great at 12 mW.

A much greater potential dissipation occurs when the load is the traditional
8 !/2 µF combination. The voltage across the output inductor peaks as it
resonates with the load capacitance, and the power dissipated in a 10 !
damping resistor at resonance is 0.6 W for 1 Vrms. This is however at an
ultrasonic frequency (around 50 kHz with a 7 µH inductor) and is a fairly
sharp  peak,  so  there  is  little  chance  of  musical  signals  causing  high
dissipation in the resistor in normal use. However, as for the Zobel network,
some allowance must be made for sinewave testing and oscillatory faults,
so  the  damping  resistor  is  commonly  rated  at  between  1  and  5 W.  An
ordinary  wirewound  component  works  well  with  no  apparent  problems
due to self-inductance.

201

Figure 7.14

The most important
factor in transient
response is actually
the rise-time of the
square-wave input,
especially for
overshoot
percentage. The
ringing frequency is
unaffected

Audio Power Amplifier Design Handbook

The output inductor value

As mentioned above, the output inductor for all my designs started out at
20 turns and approx. 6 µH. In later tests the inductor was cut in half, now
measuring 2.3 µH inductance and 10.1 m! DC resistance; this component
was stable for all capacitor values, but has not had rigorous testing with real
loudspeakers. It does now look more like an ‘average’ amplifier inductor,
rather than an oversized one.

An  alternative  method  of  stabilisation  is  a  series  resistor  instead  of  the
inductor.  Even  with  100 nF  loading,  a  OR1  wirewound  output  resistor
completely removed ringing on the amplifier output. This is cheaper, but
obviously less efficient than an inductor, as 100 m! of extra resistance has
been  introduced  instead  of  10 m! with  the  new  2.3 µH  inductor.  The
Damping Factor with OR1 cannot exceed 80. A more important objection
is  that  the  4 ! output  power  appears  to  be  significantly  reduced  –  a
200 W/4 ! amplifier  is  reduced  to  a  190 W  unit,  which  doesn’t  look  so
good  in  the  specs,  even  though  the  reduction  in  perceived  loudness  is
negligible.

Cable effects

Looking at the amplifier-cable-load system as a whole, the amplifier and
cable impedances have the following effects with an 8 ! resistive load:

!

A constant amplitude loss due to the cable resistance forming a potential
divider with the 8 ! load. The resistive component from the amplifier
output is usually negligible.

!

A  high-frequency  roll-off  due  to  the  cable  inductance  forming  an  LR
lowpass filter with the 8 ! load. The amplifier’s output inductor (to give
stability with capacitative loads) adds directly to this to make up the total
series inductance. The shunt capacitance of any normal speaker cable is
trivially small, and can have no significant effect on frequency response
or anything else.

The main factors in speaker cable selection are therefore series resistance
and  inductance.  If  these  parameters  are  below  100 m! and  3 µH,  any
effects  will  be  imperceptible.  This  can  be  met  by  13 amp  mains  cable,
especially if all three conductors are used.

If  the  amplifier  is  connected  to  a  typical  loudspeaker  rather  than  a  pure
resistance the further effects are:

!

The  frequency  response  of  the  voltage  at  the  loudspeaker  terminals
shows small humps and dips as the uneven speaker impedance loads
the  series  combination  of  amplifier  output  impedance  and  cable
resistance.

!

The  variable  loading  affects  the  amplifier  distortion  performance.  HF
crossover distortion reduces as load resistance increases above 8 !; even

202

Compensation, slew-rate, and stability

68 ! loading increases HF distortion above the unloaded condition. For
heavier loading than 8 !, crossover may continue to increase, but this is
usually masked by the onset of Large Signal Non-linearity

[16]

.

!

Severe dips in impedance may activate the overload protection circuitry
unexpectedly. Signal amplitudes are higher at LF so impedance dips here
are potentially more likely to draw enough current to trigger protection.

Crosstalk in amplifier output inductors

When  designing  a  stereo  power  amplifier,  the  issue  of  interchannel
crosstalk  is  always  a  concern.  Now  that  amplifiers  with  up  to  seven
channels for home theatre are becoming more common, the crosstalk issue
is that much more important, if only because the channels are likely to be
more closely packed. Here I deal with one aspect of it. Almost all power
amplifiers  have  output  coils  to  stabilise  them  against  capacitative  reac-
tances, and a question often raised is whether inductive coupling between
the  two  is  likely  to  degrade  crosstalk.  It  is  sometimes  suggested  that  the
coils – which are usually in solenoid form, with length and diameter of the
same order – should be mounted with their axes at right angles rather than
parallel, to minimise coupling. But does this really work?

I think I’m pretty safe in saying there is no published work on this, so it was
time  to  make  some.  The  coil  coupling  could  no  doubt  be  calculated
(though not by me) but as often in the glorious pursuit of electronics, it was
quicker to measure it.

The coils I used were both of 14 turn of 1 mm diameter copper wire, overall
length 22 mm and diameter 20 mm. This has an inductance of about 2 µH,
and  is  pretty  much  an  ‘average’  output  coil,  suitable  for  stabilising
amplifiers  up  to  about  150 W/8 !.  Different  coils  will  give  somewhat
different results, but extrapolation to whatever component you are using
should be straightforward; for example, twice the turns on both coils means
four times the coupling.

Figure  7.15  shows  the  situation  in  a  stereo  power  amplifier.  The  field
radiated due to the current in Coil A is picked up by Coil B and a crosstalk
voltage added to the output signal at B.

Figure 7.16 shows the experimental setup. Coil A is driven from a signal
generator with a source impedance of 50 !, set to 5 V rms. Virtually all of
this is dropped across the source resistance, so Coil A is effectively driven
with a constant current of 100 mA rms.

Figure 7.17 shows the first result, taken with the coils coaxial and the ends
touching. (This proved, as expected, to be the worst case for coupling.) The
crosstalk  rises  at  6 dB/octave,  because  the  voltage  induced  in  Coil  B  is
proportional to the rate of change of flux, and the magnitude of peak flux
is fixed. This is clearly not the same as conventional transformer action,

203

Audio Power Amplifier Design Handbook

204

Figure 7.15

(a) The coupling of
output coils in a stereo
power amplifier.
(b) The experimental
circuit. The
‘transmitting’ Coil A is
driven with an
effectively constant
current, and the
voltage across the
‘receiving’ Coil B
measured

(a)

(b)

Figure 7.16

The physical coil
configuration for the
measurement of
coaxial coils

Figure 7.17

Crosstalk vs spacing
for coaxial coils