Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

10

Class-G power amplifiers

Most  types  of  audio  power  amplifier  are  less  efficient  than  Class-B;  for
example, Class-AB is markedly less efficient at the low end of its power
capability, while it is clear that Class-A wastes virtually all the energy put
into it. Building amplifiers with higher efficiency is more difficult. Class-D,
using  ultrasonic  pulse-width  modulation,  promises  high  efficiency  and
sometimes even delivers it, but it is undeniably a difficult technology. The
practical efficiency of Class-D rests on details of circuit design and device
characteristics. The apparently unavoidable LC output filter – second order
at least – can only give a flat response into one load impedance, and its
magnetics are neither cheap nor easy to design. There are likely to be some
daunting  EMC  difficulties  with  emissions.  Class-D  is  not  an  attractive
proposition  for  high-quality  domestic  amplifiers  that  must  work  with
separate speakers of unknown impedance characteristics.

There is, however, the Class-G method. Power is drawn from either high- or
low-voltage rails as the signal level demands. This technology has taken a
long  time  to  come  to  fruition,  but  is  now  used  in  very-high-power
amplifiers for large PA systems, where the power savings are important, and
is also making its presence felt in home theatre sytems; if you have seven
or  eight  power  amplifiers  instead  of  two  their  losses  are  rather  more
significant. Class-G is firmly established in powered subwoofers, and even
in ADSL telephone-line drivers. It is a technology whose time has come.

The principles of Class-G

Music has a large peak-to-mean level ratio. For most of the time the power
output is a long way below the peak levels, and this makes possible the
improved efficiency of Class-G. Even rudimentary statistics for this ratio for
various  genres  of  music  are  surprisingly  hard  to  find,  but  it  is  widely
accepted that the range between 10 dB for compressed rock, and 30 dB for
classical material, covers most circumstances.

290

Class-G power amplifiers

If a signal spends most of its time at low power, then while this is true a low-
power amplifier will be much more efficient. For most of the time lower
output levels are supplied from the lowest-voltage rails, with a low voltage
drop  between  rail  and  output,  and  correspondingly  low  dissipation.  The
most popular Class-G configurations have two or three pairs of supply rails,
two being usual for hi-fi, while three is more common in high-power PA
amplifiers.

When the relatively rare high-power peaks do occur they must be handled
by  some  mechanism  that  can  draw  high  power,  causing  high  internal
dissipation,  but  which  only  does  so  for  brief  periods.  These  infrequent
peaks above the transition level are supplied from the high-voltage pair of
rails.  Clearly  the  switching  between  rails  is  the  heart  of  the  matter,  and
anyone  who  has  ever  done  any  circuit  design  will  immediately  start
thinking about how easy or otherwise it will be to make this happen cleanly
with a 20 kHz signal.

There are two main ways to arrange the dual-rail system: series and parallel
(i.e. shunt). This chapter deals only with the series configuration, as it seems
to have had the greatest application to hi-fi. The parallel version is more
often used in high-power PA amplifiers.

Introducing series class-G

A series configuration Class-G output stage using two rail voltages is shown
in Figure 10.1 The so-called inner devices are those that work in Class-B;
those that perform the rail-switching on signal peaks are called the outer
devices – by me, anyway. In this design study the EF type of output stage is
chosen because of its greater robustness against local HF instability, though
the CFP configuration could be used instead for inner, outer, or both sets of
output  devices,  given  suitable  care.  For  maximum  power  efficiency  the
inner stage normally runs in Class-B, though there is absolutely no reason
why it could not be run in Class-AB or even Class-A; there will be more
discussion of these intriguing possibilities later. If the inner power devices
are in Class-B, and the outer ones conduct for much less than 50% of a
cycle,  being  effectively  in  Class-C,  then  according  to  the  classification
scheme I proposed

[1]

, this should be denoted Class B + C. The plus sign

indicates  the  series  rather  than  shunt  connection  of  the  outer  and  inner
power  devices.  This  basic  configuration  was  developed  by  Hitachi  to
reduce amplifier heat dissipation

[2,3]

. Musical signals spend most of their

time at low levels, having a high peak/mean ratio, and power dissipation is
greatly  reduced  by  drawing  from  the  lower  ±V1  supply  rails  at  these
times.

The inner stage TR3, 4 operates in normal Class-B. TR1, 2 are the usual
drivers  and  R1  is  their  shared  emitter  resistor.  The  usual  temperature
compensated Vbias generator is required, shown here theoretically split in

291

Audio Power Amplifier Design Handbook

half to maintain circuit symmetry when the stage is SPICE simulated; since
the inner power devices work in Class-B it is their temperature which must
be tracked to maintain quiescent conditions. Power from the lower supply
is  drawn  through  D3  and  D4,  often  called  the  commutating  diodes,  to
emphasise  their  rail-switching  action.  The  word  ‘commutation’  avoids
confusion with the usual Class-B crossover at zero volts. I have called the
level at which rail-switching occurs the transition level.

When  a  positive-going  instantaneous  signal  exceeds  low  rail  +V1,  D1
conducts,  TR5  and  TR6  turn  on  and  D3  turns  off,  so  the  entire  output
current is now taken from the high-voltage +V2 rail, with the voltage drop
and hence power dissipation shared between TR4 and TR6. Negative-going
signals are handled in exactly the same way. Figure 10.2 shows how the
collector voltages of the inner power devices retreat away from the output
rail as it approaches the lower supply level.

292

Figure 10.1

A series Class-G output
stage, alternatively
Class B + C. Voltages
and component values
are typical. The inner
stage is Class-B EF.
Biasing by my method

Class-G power amplifiers

Class-G is commonly said to have worse linearity than Class-B, the blame
usually being loaded onto the diodes and problems with their commuta-
tion. As usual, received wisdom is only half of the story, if that, and there
are other linearity problems that are not due to sluggish diodes, as will be
revealed  shortly.  It  is  inherent  in  the  Class-G  principle  that  if  switching
glitches do occur they only happen at moderate power or above, and are
well displaced away from the critical crossover region where the amplifier
spends most of its time. A Class-G amplifier has a low-power region of true
Class-B linearity, just as a Class-AB amplifier has a low-power region of true
Class-A performance.

Efficiency of Class-G

The standard mathematical derivation of Class-B efficiency with sinewave
drive uses straightforward integration over a half-cycle to calculate internal
dissipation  against  voltage  fraction,  i.e.  the  fraction  of  possible  output
voltage swing. As is well known, in Class-B the maximum heat dissipation
is about 40% of maximum output power, at an output voltage fraction of
63%,  which  also  delivers  40%  of  the  maximum  output  power  to  the
load.

The mathematics is simple because the waveforms do not vary in shape
with  output  level.  Every  possible  idealisation  is  assumed,  such  as  zero
quiescent  current,  no  emitter  resistors,  no  Vce(sat)  losses  and  so  on.  In

293

Figure 10.2

The output of a Class-
G stage and the
voltages on the
collectors of the inner
output devices

Audio Power Amplifier Design Handbook

Class-G, on the other hand, the waveforms are a strong function of output
level, requiring variable limits of integration and so on, and it all gets very
unwieldy.

The  SPICE  simulation  method  described  by  Self

[4]

is  much  simpler,  if

somewhat laborious, and can use any input waveform, yielding a Power
Partition  Diagram,  (PPD)  which  shows  how  the  power  drawn  from  the
supply is distributed between output device dissipation and useful power in
the load.

No  one  disputes  that  sinewaves  are  poor  simulations  of  music  for  this
purpose,  and  their  main  advantage  is  that  they  allow  direct  comparison
with the purely mathematical approach. However, since the whole point of
Class-G is power saving, and the waveform used has a strong effect on the
results,  I  have  concentrated  here  on  the  PPD  of  an  amplifier  with  real
musical signals, or at any rate, their statistical representation. The triangular
Probability Distribution Function (PDF) approach is described in Self

[5]

.

Figure 10.3 shows the triangular PDF PPD for conventional Class-B EF, while
Figure 10.4 is that for Class-G with ±V2 = 50 V and ±V1 = 15 V, i.e. with the
ratio of V1/V2 set to 30%. The PPD plots power dissipated in all four output
devices, the load, and the total drawn from the supply rails. It shows how the
input power is partitioned between the load and the output devices. The total
sums to slightly less than the input power, the remainder being accounted for
as  usual  by  losses  in  the  drivers  and  Re’s.  Note  that  in  Class-G  power
dissipation is shared, though not very equally, between the inner and outer
devices, and this helps with efficient utilisation of the silicon.

294

Figure 10.3

Power partition
diagram for a
conventional Class-B
amplifier handling a
typical music signal
with a triangular
Probability Density
Function. X-axis is
volume