Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Thermal compensation and thermal dynamics

transient. In real life, residual errors make the IAE vary slightly with time, so
for consistency all the IAE values given here are for 30 seconds after the
step-input.

Improved thermal compensation: the emitter-follower stage

It  was  shown  above  that  the  basic  emitter-follower  (EF)  stage  with  the
sensor on the main heatsink has significant thermal attenuation error and
therefore  under-compensates  temperature  changes.  (The  Vq  error  is
+44 mV, the positive sign showing it is too high. If the sensor is on the TO3
can top it over-compensates instead) (Vq error –30 mV).

If an intermediate configuration is contrived by putting a layer of controlled
thermal resistance (80°C/W) between the TO3 top and the sensor, then the
50-second timescale component of the error can be reduced to near-zero.
This is the top error trace in bottom half of Figure 12.14; the lower trace
shows the wholly misleading result if sensor heat losses are neglected in
this configuration.

Despite  this  medium-term  accuracy,  if  the  heat  input  stimulus  remains
constant over the very long-term (several kilo-seconds) there still remains a

345

Figure 12.14

EF behaviour with semi-insulating pad under sensor on TO3 can top. The sensor in the upper temperature plot
rises more slowly than the flange, but much faster than the main heatsink or coupler. In lower Vq-error section,
upper trace is for a 80°C/W thermal resistance under the sensor, giving near-zero error. Bottom trace shows
serious effect of ignoring sensor-cooling in TO3-top version

Audio Power Amplifier Design Handbook

very slow drift towards over-compensation due to the slow heating of the
main heatsink (Figure 12.15).

This  long-term  drift  is  a  result  of  the  large  thermal  inertia  of  the  main
heatsink and since it takes 1500 seconds (25 minutes) to go from zero to
–32 mV is of doubtful relevance to the time-scales of music and signal level
changes. On doubling to –64 mV, it remains within the EF Vq tolerance of
+/–100 mV.  On  the  shorter  50-second  timescale,  the  half-amplifier  error
remains within a +/–1 mV window from 5 seconds to 60 seconds after the
step-input.

For the EF stage, a very-long-term drift component will always exist so long
as the output device junction temperature is kept down by means of a main
heatsink that is essentially a weighty chunk of finned metal.

The EF system stimulus is a 20 W step as before, being roughly worst-case
for a 100 W amplifier. Using the 80°C/W thermal semi-insulator described
above gives the upper error trace in Figure 12.16, and an IAE of 254 mV-sec
after  30  seconds.  This  is  relatively  large  because  of  the  extra  time-delay
caused by the combination of an increased R22 with the unchanged sensor
thermal capacity C6. Once more, this figure is for a half-amplifier, as are all
IAEs in this chapter.

346

Figure 12.15

Over a long timescale, the lower plot shows that the Vq error, although almost zero in Figure 12.14, slowly
drifts into over-compensation as the heatsink temperature (upper plot) reaches asymptote

Thermal compensation and thermal dynamics

Up  to  now  I  have  assumed  that  the  temperature  coefficient  of  a  Vbe-
multiplier  bias  generator  is  rigidly  fixed  at  –2 mV/°C  times  the  Vbe-
multiplication  factor,  which  is  about  4.5

× for  EF  and  2× for  CFP.  The

reason  for  the  extra  thermal  gain displayed  by  the  EF  was  set  out  on
page  334.

The  above  figures  are  for  both  halves  of  the  output  stage,  so  the  half-
amplifier value for EF is –4.5 mV/°C, and for CFP –2 mV/°C. However . . .
if  we  boldly  assume  that  the  Vbias  generator  can  have  its  thermal
coefficient varied at will, the insulator and its aggravated time-lag can be
eliminated.  If  a  thermal  pad  of  standard  material  is  once  more  used
between  the  sensor  and  the  TO3  top,  the  optimal  Vbias  coefficient  for
minimum error over the first 40 seconds proves to be –2.8 mV/°C, which is
usefully less than –4.5. The resulting 30-second IAE is 102 mV-sec, more
than  a  two  times  improvement;  see  the  lower  trace  in  Figure  12.16,  for
comparison with the semi-insulator method described above.

In  view  of  the  fixed  time-constants,  dependant  upon  a  certain  weight  of
metal being required for heat dissipation, it appears that the only way this
performance could be significantly improved upon might be to introduce a
new kind of output transistor with an integral diode that would sense the
actual junction temperature, being built into the main transistor junction
structure. Although it would be of immense help to amplifier makers, no-
one seems to be keen to do this.

From here on I am going to assume that a variable-temperature-coefficient
(tempco) bias generator can be made when required; the details of how to

347

Figure 12.16

The transient error for
the semi-insulating pad
and the low-tempco
version. The latter
responds much faster,
with a lower peak
error, and gives less
than half the Integrated
Absolute Error (IAE)

Audio Power Amplifier Design Handbook

do  it  are  not  given  here.  It  is  an  extremely  useful  device,  as  thermal
attenuation can then be countered by increasing the thermal gain; it does
not however help with the problem of thermal delay.

In the second EF example above, the desired tempco is –2.8 mV/°C, while
an EF output stage plus Vbe-multiplier has an actual tempco of –4.5 mV/°C.
(This inherent thermal gain in the EF was explained on page 334.) In this
case we need a bias generator that has a smaller tempco than the standard
circuit.  The  conventional  EF  with  its  temp  sensor  on  the  relatively  cool
main heatsink would require a larger tempco than standard.

A  potential  complication  is  that  amplifiers  should  also  be  reasonably
immune to changes in ambient temperature, quite apart from changes due
to  dissipation  in  the  power  devices.  The  standard  tempco  gives  a  close
approach to this automatically, as the Vbe-multiplication factor is naturally
almost the same as the number of junctions being biased. However, this
will no longer be true if the tempco is significantly different from standard,
so it is necessary to think about a bias generator that has one tempco for
power-device temperature changes, and another for ambient changes. This
sounds rather daunting, but is actually fairly simple.

Improved compensation for the CFP output stage

As revealed on page 329, the Complementary-Feedback-Pair (CFP) output
stage has a much smaller bias tolerance of +/–10 mV for a whole amplifier,
and  surprisingly  long  time-constants. A standard CFP stage therefore has
larger relative errors than the conventional Emitter-Follower (EF) stage with
thermal sensor on the main heatsink; this is the opposite of conventional
wisdom.  Moving  the  sensor  to  the  top  of  the  TO3  can  was  shown  to
improve the EF performance markedly, so we shall attempt an analogous
improvement with driver compensation.

The  standard  CFP  thermal  compensation  arrangements  have  the  sensor
mounted on the driver heatsink, so that it senses the heatsink temperature
rather  than  that  of  the  driver  itself.  (See  Figure  12.17a  for  mechanical
arrangement, and Figure 12.18 for thermal model.) As in the EF, this gives
a  constant  long-term  error  due  to  the  sustained  temperature  difference
between  the  driver  junction  and  heatsink  mass;  see  the  upper  traces  in
Figure  12.20,  plotted  for  different  bias  tempcos.  The  CFP  stimulus  is  a
0.5 W step, as before. This constant error cannot be properly dealt with by
choosing a tempco that gives a bias error passing through a zero in the first
fifty seconds, as was done for the EF case with a TO3-top sensor, as the
heatsink  thermal  inertia  causes  it  to  pass  through  zero  very  quickly  and
head rapidly South in the direction of ever-increasing negative error. This is
because  it  has  allowed  for  thermal  attenuation  but  has  not  decreased
thermal  delay.  It  is  therefore  pointless  to  compute  an  IAE  for  this
configuration.

348

Thermal compensation and thermal dynamics

A better sensor position

By analogy with the TO3 and TO3P transistor packages examined earlier,
it will be found that driver packages such as TO225AA on a heatsink get
hotter faster on their exposed plastic face than any other accessible point.
It looks as if a faster response will result from putting the sensor on top of
the  driver  rather  than  on  the  other  side  of  the  sink  as  usual.  With  the
Redpoint  SW  38-1  heatsink  this  is  fairly  easy  as  the  spring-clips  used  to

349

Figure 12.17

a The sensor transistor

on the driver
heatsink

b An improved

version, with the
sensor mounted on
top of the driver
itself, is more
accurate

c Using two sensors to

construct a junction-
estimator