Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Audio Power Amplifier Design Handbook

It is acknowledged that THD measurements, taken with the usual notch-
type  analyser,  are  of  limited  use  in  predicting  the  subjective  impairment
produced  by  an  imperfect  audio  path.  With  music,  etc.  intermodulation
effects are demonstrably more important than harmonics. However, THD
tests  have  the  unique  advantage  that  visual  inspection  of  the  distortion
residual gives an experienced observer a great deal of information about
the root cause of the non-linearity. Many other distortion tests exist which,
while  yielding  very  little  information to the designer,  exercise the whole
audio bandwidth at once and correlate well with properly-conducted tests
for subjective impairment by distortion. The Belcher intermodulation test
(the principle is shown in Figure 1.1) deserves more attention than it has
received,  and  may  become  more  popular  now  that  DSP  chips  are
cheaper.

One of the objections often made to THD tests is that their resolution does
not allow verification that no non-linearities exist at very low level; a sort
of  micro-crossover  distortion.  Hawksford,  for  example,  has  stated  ‘Low-
level threshold phenomena . . . set bounds upon the ultimate transparency
of an audio system’

[7]

and several commentators have stated their belief

that some metallic contacts consist of a net of so-called ‘micro-diodes’. In
fact,  this  kind  of  mischievous  hypothesis  can  be  disposed  of  using  THD
techniques.

I evolved a method of measuring THD down to 0.01% at 200 microvolts
rms, and applied it to large electrolytics, connectors of varying provenance,
and lengths of copper cable with and without alleged magic properties. The
method required the design of an ultra-low noise (EIN = –150 dBu for a 10
source  resistance)  and  very  low  THD

[8]

.  The  measurement  method  is

shown in Figure 1.2; using an attenuator with a very low value of resistance
to reduce the incoming signal keeps the Johnson noise to a minimum. In no
case was any unusual distortion detected, and it would be nice to think that
this red herring at least has been laid to rest.

!

Interchannel crosstalk can obviously degrade stereo separation, but the
effect is not detectable until it is worse than 20 dB, which would be a
very bad amplifier indeed

[9]

.

!

Phase and group delay have been an area of dispute for a long time. As
Stanley  Lipshitz  et  al  have  pointed  out,  these  effects  are  obviously
perceptible if they are gross enough; if an amplifier was so heroically
misconceived as to produce the top half of the audio spectrum three hours
after the bottom, there would be no room for argument. In more practical
terms, concern about phase problems has centred on loudspeakers and
their crossovers, as this would seem to be the only place where a phase-
shift might exist without an accompanying frequency-response change to
make it obvious. Lipshitz appears to have demonstrated

[10]

that a second-

order all-pass filter (an all-pass filter gives a frequency-dependant phase-
shift without level changes) is audible, whereas BBC findings, reported by

10

11

Figure 

1.1

Basic 

principle 

of

Belcher 

inter

modulation

test

Audio Power Amplifier Design Handbook

Harwood

[11]

indicate the opposite, and the truth of the matter is still not

clear. This controversy is of limited importance to amplifier designers, as
it would take spectacular incompetence to produce a circuit that included
an  accidental  all-pass  filter.  Without  such,  the  phase  response  of  an
amplifier is completely defined by its frequency response, and vice-versa;
in Control Theory this is Bode’s Second Law

[12]

, and it should be much

more  widely  known  in  the  hi-fi  world  than  it  is. A  properly  designed
amplifier has its response roll-off points not too far outside the audio band,
and these will have accompanying phase-shifts; there is no evidence that
these are perceptible

[8]

.

The picture of the ear that emerges from psychoacoustics and related fields
is  not  that  of  a  precision  instrument.  Its  ultimate  sensitivity,  directional
capabilities and dynamic range are far more impressive than its ability to
measure  small  level  changes  or  detect  correlated  low-level  signals  like
distortion harmonics. This is unsurprising; from an evolutionary viewpoint
the functions of the ear are to warn of approaching danger (sensitivity and
direction-finding being paramount) and for speech. In speech perception
the  identification  of  formants  (the  bands  of  harmonics  from  vocal-chord
pulse  excitation,  selectively  emphasised  by  vocal-tract  resonances)  and
vowel/consonant  discriminations,  are  infinitely  more  important  than  any
hi-fi parameter. Presumably the whole existence of music as a source of
pleasure is an accidental side-effect of our remarkable powers of speech
perception: how it acts as a direct route to the emotions remains profoundly
mysterious.

12

Articles of faith: the tenets of subjectivism

All  of  the  alleged  effects  listed  below  have  received  considerable
affirmation in the audio press, to the point where some are treated as facts.
The  reality  is  that  none  of  them  has  in  the  last  fifteen  years  proved
susceptible to objective confirmation. This sad record is perhaps equalled
only by students of parapsychology. I hope that the brief statements below
are considered fair by their proponents. If not I have no doubt I shall soon
hear about it:

Figure 1.2

THD measurements
at very low levels

Introduction and general survey

!

Sinewaves  are  steady-state  signals  that  represent  too  easy  a  test  for
amplifiers, compared with the complexities of music.

This  is  presumably  meant  to  imply  that  sinewaves  are  in  some  way
particularly easy for an amplifier to deal with, the implication being that
anyone using a THD analyser must be hopelessly naive. Since sines and
cosines  have  an  unending  series  of  non-zero  differentials,  steady hardly
comes into it. I know of no evidence that sinewaves of randomly varying
amplitude (for example) would provide a more searching test of amplifier
competence.

I hold this sort of view to be the result of anthropomorphic thinking about
amplifiers;  treating  them  as  though  they  think  about  what  they  amplify.
Twenty sinewaves of different frequencies may be conceptually complex to
us,  and  the  output  of  a  symphony  orchestra  even  more  so,  but  to  an
amplifier both composite signals resolve to a single instantaneous voltage
that must be increased in amplitude and presented at low impedance. An
amplifier  has  no  perspective  on  the  signal  arriving  at  its  input,  but  must
literally take it as it comes.

!

Capacitors affect the signal passing through them in a way invisible to
distortion measurements.

Several  writers  have  praised  the  technique  of  subtracting  pulse  signals
passed through two different sorts of capacitor, claiming that the non-zero
residue proves that capacitors can introduce audible errors. My view is that
these  tests  expose  only  well-known  capacitor  shortcomings  such  as
dielectric absorption and series resistance, plus perhaps the vulnerability of
the dielectric film in electrolytics to reverse-biasing. No-one has yet shown
how these relate to capacitor audibility in properly designed equipment.

!

Passing an audio signal through cables, PCB tracks or switch contacts
causes  a  cumulative  deterioration.  Precious  metal  contact  surfaces
alleviate but do not eliminate the problem. This too is undetectable by
tests for non-linearity.

Concern over cables is widespread, but it can be said with confidence that
there is as yet not a shred of evidence to support it. Any piece of wire passes
a sinewave with unmeasurable distortion, and so simple notions of inter-
crystal rectification or ‘micro-diodes’ can be discounted, quite apart from
the fact that such behaviour is absolutely ruled out by established materials
science.  No  plausible  means  of  detecting,  let  alone  measuring,  cable
degradation has ever been proposed.

The  most  significant  parameter  of  a  loudspeaker  cable  is  probably  its
lumped inductance. This can cause minor variations in frequency response
at  the  very  top  of  the  audio  band,  given  a  demanding  load  impedance.
These  deviations  are  unlikely  to  exceed  0.1 dB  for  reasonable  cable
constructions (say inductance less than 4 µH). The resistance of a typical

13

Audio Power Amplifier Design Handbook

cable (say 0.1 !) causes response variations across the band, following the
speaker  impedance  curve,  but  these  are  usually  even  smaller  at  around
0.05 dB. This is not audible.

Corrosion  is  often  blamed  for  subtle  signal  degradation  at  switch  and
connector  contacts;  this  is  unlikely.  By  far  the  most  common  form  of
contact  degradation  is  the  formation  of  an  insulating  sulphide  layer  on
silver contacts, derived from hydrogen sulphide air pollution. This typically
cuts  the  signal  altogether,  except  when  signal  peaks  temporarily  punch
through the sulphide layer. The effect is gross and seems inapplicable to
theories of subtle degradation. Gold-plating is the only certain cure. It costs
money.

!

Cables are directional, and pass audio better in one direction than the
other.

Audio signals are AC. Cables cannot be directional any more than 2 + 2 can
equal  5. Anyone  prepared  to  believe  this  nonsense  won’t  be  capable  of
designing amplifiers, so there seems no point in further comment.

!

The  sound  of  valves  is  inherently  superior  to  that  of  any  kind  of
semiconductor.

The ‘valve sound’ is one phenomenon that may have a real existence; it has
been known for a long time that listeners sometimes prefer to have a certain
amount  of  second-harmonic  distortion  added  in

[13]

,  and  most  valve

amplifiers  provide  just  that,  due  to  grave  difficulties  in  providing  good
linearity with modest feedback factors. While this may well sound nice, hi-
fi is supposedly about accuracy, and if the sound is to be thus modified it
should be controllable from the front panel by a ‘niceness’ knob.

The use of valves leads to some intractable problems of linearity, reliability
and the need for intimidatingly expensive (and once more, non-linear) iron-
cored transformers. The current fashion is for exposed valves, and it is not
at all clear to me that a fragile glass bottle, containing a red-hot anode with
hundreds of volts DC on it, is wholly satisfactory for domestic safety.

A  recent  development  in  subjectivism  is  enthusiasm  for  single-ended
directly-heated  triodes,  usually  in  extremely  expensive  monoblock  sys-
tems.  Such  an  amplifier  generates  large  amounts  of  second-harmonic
distortion, due to the asymmetry of single-ended operation, and requires a
very  large  output  transformer  as  its  primary  carries  the  full  DC  anode
current, and core saturation must be avoided. Power outputs are inevitably
very limited at 10 W or less. In a recent review, the Cary CAD-300SEI triode
amplifier yielded 3% THD at 9 W, at a cost of £3400

[14]

. And you still need

to buy a preamp.

!

Negative feedback is inherently a bad thing; the less it is used, the better
the amplifier sounds, without qualification.

14