Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Figure 12.24

The conceptual circuit
of a junction-estimator
with dynamics. C gives
higher gain for fast
thermal transients and
greatly reduces the
effects of delay

Audio Power Amplifier Design Handbook

Figure 12.25

The initial transient errors for different values of C. Too high a value causes undershoot

Figure 12.26

The IAE for different values of C. 10 µF is clearly best for minimum integrated error (IAE = 7.3 mV-sec) but
even a rough value is a great improvement

356

Thermal compensation and thermal dynamics

With  C  set  to  10 µF,  the  transient  error  falls  within  a  +/–1 mV  window
after  only  0.6  seconds,  which  is  more  than  twenty  times  faster  than  the
first  improved  CFP  version  (sensor  put  on  driver)  and  gives  a  nicely
reduced IAE of 7.3 mV-sec at 50 seconds. The real-life circuitry to do this
has not been designed in detail, but presents no obvious difficulties. The
result should be the most accurately bias-compensated Class-B amplifier
ever  conceived.

Conclusion

Some  of  the  results  of  these  simulations  and  tests  were  rather  unex-
pected.  I  thought  that  the  CFP  would  show  relatively  smaller  bias  errors
than  the  EF,  but  it  is  the  EF  that  stays  within  its  much  wider  tolerance
bands,  with  either  heatsink  or  TO3-top  mounted  sensors.  The  thermal-
gain effect in the EF stage seems to be the root cause of this, and this in
turn  is  a  consequence  of  the  near-constant  driver  dissipation  in  the  EF
configuration.

However, the cumulative bias errors of the EF stage can only be reduced to
a certain extent, as the system is never free from the influence of the main
heatsink with its substantial thermal inertia. In contrast the CFP stage gives
much  more  freedom  for  sensor  placement  and  gives  scope  for  more
sophisticated approaches that reduce the errors considerably.

Hopefully it is clear that it is no longer necessary to accept Vbe-multiplier
on  the  heatsink as  the  only  option  for  the  crucial  task  of  Vbias
compensation.  The  alternatives  presented  promise  greatly  superior  com-
pensation accuracy.

Variable-tempco bias generators

The standard Vbe-multiplier bias generator has a temperature coefficient
that is fixed by the multiplication factor used, and so ultimately by the value
of Vbias required. At many points in this chapter it has been assumed that
it  is  possible  to  make  a  bias  generator  with  an  arbitrary  temperature
coefficient. This section shows how to do it.

Figure 12.27 shows two versions of the usual Vbe-multiplier bias generator.
Here the lower rails are shown as grounded to simplify the results. The first
version  in  Figure  12.27a  is  designed  for  an  EF  (Emitter-Follower)  output
stage, where the voltage Vbias to be generated is (4 

× Vbe) + Vq, which

totals  +2.93 V.  Recall  that  Vq  is  the  small  quiescent  voltage  across  the
emitter-resistors Re; it is this quantity we are aiming to keep constant, rather
than the quiescent current, as is usually assumed. The optimal Vq for an EF
stage is in the region of 50 mV.

357

Audio Power Amplifier Design Handbook

The  second  bias  generator  in  Figure  12.27b  is  intended  for  a  CFP
(Complementary-Feedback-Pair) output stage, for which the required Vbias
is less at (2 

× Vbe) + Vq, or approx 1.30 V in total. Note that the optimal Vq

is also much smaller for the CFP type of output stage, being about 5 mV.

It is assumed that Vbias is trimmed by varying R2, which will in practice be
a preset with a series end-stop resistor to limit the maximum Vbias setting.
It is important that this is the case, because a preset normally fails by the
wiper becoming disconnected, and if it is in the R2 position the bias will
default  to  minimum.  In  the  R1  position  an  open-circuit  preset  will  give
maximum  bias,  which  may  blow  fuses  or  damage  the  output  stage.  The
adjustment range provided should be no greater than that required to take
up production tolerances; it is, however, hard to predict just how big that
will  be,  so  the  range  is  normally  made  wide  for  pre-production
manufacture, and then tightened in the light of experience.

The EF version of the bias generator has a higher Vbias, so there is a larger
Vbe-multiplication  factor  to  generate  it.  This  is  reflected  in  the  higher
temperature coefficient (hereafter shortened to ‘tempco’). See Table 12.4.

358

(a)

(b)

Figure 12.27

The classical Vbe-multiplier bias generator. Two versions are shown: for biasing EF (a) and (b) CFP output
stages. The EF requires more than twice the bias voltage for optimal crossover performance

Table 12.4

Vbias

volts

R1

!

R2

!

R3

!

Tempco

mV/°C

EF

2.93

120R

470R

22R

–9.3

CFP

1.30

470R

470R

150R

–3.6

Thermal compensation and thermal dynamics

Creating a higher tempco

A  higher  (i.e.  more  negative)  tempco  than  normal  may  be  useful  to
compensate  for  the  inability  to  sense  the  actual  output  junction  tem-
peratures. Often the thermal losses to the temperature sensor are the major
source of steady-state Vbias error, and to reduce this a tempco is required
that is larger than the standard value given by: ‘Vbe-multiplication factor
times  –2 mV/°C’.  Many  approaches  are  possible,  but  the  problem  is
complicated because in the CFP case the bias generator has to work within
two rails only 1.3 V apart. Additional circuitry outside this voltage band can
be accommodated by bootstrapping, as in the Trimodal amplifier biasing
system in Chapter 9, but this does add to the component count.

A simple new idea is shown in Figure 12.28. The aim is to increase the
multiplication factor (and hence the negative tempco) required to give the
same Vbias. The diagram shows a voltage source V1 inserted in the R2 arm.
To  keep  Vbias  the  same,  R2  is  reduced.  Since  the  multiplication  factor
(R1 + R2)/R2 is increased, the tempco is similarly increased. In Table 12.5,

359

Figure 12.28

Principle of a Vbe
multiplier with
increased tempco.
Adding voltage source
V1 means the voltage-
multiplication factor
must be increased to
get the same Vbias.
The tempco is therefore
also increased, here to
–4.4 mV/°C

Table 12.5

V1

mV

Vbias

V

R2

!

Tempco

mV/C

0

1.287

470

–3.6

100

1.304

390

–4.0

200

1.287

330

–4.4

300

1.286

260

–5.0

400

1.285

190

–6.9