Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Compensation, slew-rate, and stability

where  the  frequency  response  is  flat.  In  a  transformer  the  primary
inductance  is  much  greater  than  the  circuit  series  impedance,  so  the
magnetic  flux  that  couples  with  the  secondary  halves  when  the  input
frequency doubles, and the voltage induced in the secondary is constant.
The crosstalk at 20 kHz was taken as the 0 dB reference. This represented
2.4 mV rms across Coil B. 100 mA rms in Coil A corresponds to 800 mV rms
across  an  8 ! load,  so  this  gives a final crosstalk figure from channel to
channel of –54 dB at 20 kHz. It carries on deteriorating above 20 kHz but
no one can hear it. All crosstalk figures given below are at 20 kHz.

The coils were then separated 10 mm at a time, and with each increment the
crosstalk  dropped  by  10 dB,  as  seen  in  Figure  7.17. At  110 mm  spacing,
which is quite practical for most designs, the crosstalk had fallen by 47 dB
from the reference case, giving an overall crosstalk of 54 + 47 = 101 dB total.
This is a very low level, and at the very top of the audio band. At 1 kHz, where
the ear is much more sensitive, the crosstalk will be some 25 dB less, which
brings it down to –126 dB total which I can say with some confidence is not
going  to  be  a  problem.  This  is  obtained  with  what  looks  like  the  least
favourable orientation of coils. Coil–coil coupling is –32 dB at 50 mm, and
the figure at this spacing will be used to compare the configurations.

The next configuration tested was that of Figure 7.18, where the coils have
parallel axes but are displaced to the side. The results are in Figure 7.19; the
crosstalk is now –38 dB at 50 mm. With each 10 mm spacing increment the
crosstalk dropped by 7 dB. This setup is worse than the crossed-axis version
but better than the coaxial one.

The final configurations had the axes of the coils at 90 degrees; the crossed-
axis condition. The base position is with the corners of the coils touching;
see Figure 7.20 When the coil is in the position X, still touching, crosstalk
almost vanishes as there is a cancellation null. With the coils so close, this
is  a  very  sharp  null  and  exploiting  it  in  quantity  production  is  quite

205

Figure 7.18

The coil configuration
for non-coaxial
parallel-axis coils

Audio Power Amplifier Design Handbook

impractical. The slightest deformation of either coil ruins the effect. Moving
the Coil A away from B again gives the results in Figure 7.21. The crosstalk
is now –43 dB at 50 mm, only an improvement of 11 dB over the coaxial
case; turning coils around is clearly not as effective as might be supposed.
This time, with each 10 mm spacing increment the crosstalk dropped by
8 dB rather than 10 dB.

The obvious next step is to try combining distance with cancellation as in
Figure 7.22. This can give a good performance even if a large spacing is not
possible. Figure 7.23 shows that careful coil positioning can give crosstalk
better  than  –60 dB  (–114 dB  total)  across  the  audio  band,  although  the
spacing  is  only  20 mm.  The  other  curves  show  the  degradation  of
performance when the coil is misaligned by moving it bodily sideways by
1, 2, 3 and 4 mm; just a 2 mm error has worsened crosstalk by 20 dB at
20 kHz. Obviously in practice the coil PCB hole won’t move – but it is very
possible that coils will be bent slightly sideways in production.

206

Figure 7.19

Crosstalk vs spacing
for parallel-axis coils

Figure 7.20

The coil configuration
for crossed-axis
measurements

Compensation, slew-rate, and stability

Figure 7.24 gives the same results for a 50 mm spacing, which can usually
be managed in a stereo design. The null position once more just gives the
noise floor across the band, and a 2 mm misalignment now only worsens
things by about 5 dB. This is definitely the best arrangement if the spacing
is limited.

Conclusions

Coil orientation can help. Simply turning one coil through 90 degrees gives
an  improvement  of  only  11 dB,  but  if  it  is  aligned  to  cancel  out  the
coupling,  there  is  a  big  improvement.  See  how  –38 dB  in  Figure  7.19
becomes  –61 dB  in  Figure  7.24  at  20 kHz.  On  a  typical  stereo  amplifier

207

Figure 7.21

Crosstalk vs spacing
for crossed-axis coils

Figure 7.22

The coil configuration
for crossed-axis with
cancellation

Audio Power Amplifier Design Handbook

PCB,  the  coils  are  likely  to  be  parallel  –  probably  just  for  the  sake  of
appearance – but their spacing is unlikely to be less than 50 mm unless the
output  components  have  been  deliberately  grouped  together.  As  with
capacitative crosstalk, physical distance is cheaper than anything else, and
if the results are not good enough, use more of it. In this case the overall
crosstalk  at  20 kHz  will  be  54  +  38  =  –92 dB  total,  which  is  probably

208

Figure 7.23

Crosstalk vs alignment
for crossed-axis coils
spaced at 20 mm,
using cancellation

Figure 7.24

Crosstalk vs alignment
for crossed-axis coils
spaced at 50 mm,
using cancellation

Compensation, slew-rate, and stability

already well below other forms of interchannel crosstalk. A quick quarter-
turn of the coil improves this to at least –114 dB. It should do.

Reactive loads and speaker simulation

Amplifiers are almost universally designed and tested running into a purely
resistive  load,  although  they  actually  spend  their  working  lives  driving
loudspeakers, which contain both important reactive components and also
electromechanical resonances. At first sight this is a nonsensical situation;
however, testing into resistive loads is neither naive nor an attempt to avoid
the issue of real loads; there is in fact little alternative.

Loudspeakers  vary  greatly  in  their  design  and  construction,  and  this  is
reflected in variations in the impedance they present to the amplifier on
test. It would be necessary to specify a standard speaker for the results from
different  amplifiers  to  be  comparable.  Secondly,  loudspeakers  have  a
notable tendency to turn electricity into sound, and the sinewave testing of
a  200 W  amplifier  would  be  a  demanding  experience  for  all  those  in
earshot; soundproof chambers are not easy or cheap to construct. Thirdly,
such a standard test speaker would have to be capable of enormous power-
handling if it were to be able to sustain long-term testing at high power;
loudspeakers are always rated with the peak/average ratio of speech and
music firmly in mind, and the lower signal levels at high frequencies are
also exploited when choosing tweeter power ratings. A final objection is
that  loudspeakers  are  not  noted  for  perfect  linearity,  especially  at  the  LF
end, and if the amplifier does not have a very low output impedance this
speaker non-linearity may confuse the measurement of distortion. Amplifier
testing would demand a completely different sort of loudspeaker from that
used for actually listening to music; the market for it would be very, very
small, so it would be expensive.

Resistive loads

Amplifiers  are  normally  developed  through  8  and  4 ! testing,  though
intermediate values such as 5.66 ! (the geometric mean of 8 and 4) are
rarely  explored  considering  how  often  they  occur  in  real  use.  This  is
probably legitimate in that if an amplifier works well at 8 and 4 ! it is most
unlikely to give trouble at intermediate loadings. In practice few nominal
8 ! speakers have impedance dips that go below 5 !, and design to 4 !
gives a safety margin, if not a large one.

The most common elaboration on a simple resistive load is the addition of
2 µF in parallel with 8 ! to roughly simulate an electrostatic loudspeaker;
this is in fact not a particularly reactive load, for the impedance of a 2 µF
capacitor only becomes equal to the resistance at 9.95 kHz, so most of the
audio band is left undisturbed by phase shift. This load is in fact a worse
approximation to a moving-coil speaker than is a pure resistance.

209