Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Audio Power Amplifier Design Handbook

communicate what something sounded like. In the same way, acoustical
memory is more evanescent than visual memory. It is far easier to visualise
what a London bus looks like than to recall the details of a musical perform-
ance. Similarly, it is difficult to ‘look more closely’; turning up the volume is
more like turning up the brightness of a TV picture; once an optimal level is
reached, any further increase becomes annoying, then painful.

It  has  been  universally  recognised  for  many  years  in  experimental
psychology, particularly in experiments about perception, that people tend
to  perceive  what  they  want  to  perceive.  This  is  often  called  the
experimenter  expectancy effect;  it  is  more  subtle  and  insidious  than  it
sounds, and the history of science is littered with the wrecked careers of
those  who  failed  to  guard  against  it.  Such  self-deception  has  most  often
occurred  in  fields  like  biology,  where  although  the  raw  data  may  be
numerical, there is no real mathematical theory to check it against. When
the  only  ‘results’  are  vague  subjective  impressions,  the  danger  is  clearly
much  greater,  no  matter  how  absolute  the  integrity  of  the  experimenter.
Thus in psychological work great care is necessary in the use of impartial
observers,  double-blind  techniques,  and  rigorous  statistical  tests  for
significance. The vast majority of Subjectivist writings wholly ignore these
precautions,  with  predictable  results.  In  a  few  cases  properly  controlled
listening tests have been done, and at the time of writing all have resulted
in different amplifiers sounding indistinguishable. I believe the conclusion
is inescapable that experimenter expectancy has played a dominant role in
the growth of subjectivism.

It  is  notable  that  in  Subjectivist  audio  the  ‘correct’  answer  is  always  the
more expensive or inconvenient one. Electronics is rarely as simple as that.
A  major  improvement  is  more  likely  to  be  linked  with  a  new  circuit
topology or new type of semiconductor, than with mindlessly specifying
more expensive components of the same type; cars do not go faster with
platinum pistons.

It might be difficult to produce a rigorous statistical analysis, but it is my
view that the reported subjective quality of a piece of equipment correlates
far more with the price than with anything else. There is perhaps here an
echo of the Protestant Work Ethnic; you must suffer now to enjoy yourself
later. Another reason for the relatively effortless rise of subjectivism is the
me-too effect; many people are reluctant to admit that they cannot detect
acoustic  subtleties  as  nobody  wants  to  be  labelled  as  insensitive,
outmoded,  or  just  plain  deaf.  It  is  also  virtually  impossible  to  absolutely
disprove any claims, as the claimant can always retreat a fraction and say
that there was something special about the combination of hardware in use
during the disputed tests, or complain that the phenomena are too delicate
for brutal logic to be used on them. In any case, most competent engineers
with a taste for rationality probably have better things to do than dispute
every controversial report.

20

Introduction and general survey

Under  these  conditions,  vague  claims  tend,  by  a  kind  of  intellectual
inflation, to gradually become regarded as facts. Manufacturers have some
incentive to support the Subjectivist camp as they can claim that only they
understand a particular non-measurable effect, but this is no guarantee that
the dice may not fall badly in a subjective review.

The outlook

It seems unlikely that subjectivism will disappear for some time, given the
momentum that it has gained, the entrenched positions that some people
have  taken  up,  and  the  sadly  uncritical  way  in  which  people  accept  an
unsupported  assertion  as  the  truth  simply  because  it  is  asserted  with
frequency and conviction. In an ideal world every such statement would be
greeted by loud demands for evidence. However, the history of the world
sometimes  leads  one  to  suppose  pessimistically  that  people  will  believe
anything. By analogy, one might suppose that subjectivism would persist
for the same reason that parapsychology has; there will always be people
who will believe what they want to believe rather than what the hard facts
indicate.

Technical errors

Misinformation  also  arises  in  the  purely  technical  domain;  I  have  also
found that some of the most enduring and widely held technical beliefs to
be unfounded. For example, if you take a Class-B amplifier and increase its
quiescent current so that it runs in Class-A at low levels, i.e. in Class AB,
most people will tell you that the distortion will be reduced as you have
moved  nearer  to  the  full  Class-A  condition.  This  is  untrue.  A  correctly
configured amplifier gives more distortion in Class-AB, not less, because of
the abrupt gain changes inherent in switching from A to B every cycle.

Discoveries like this can only be made because it is now straightforward to
make testbed amplifiers with ultra-low distortion – lower than that which
used  to  be  thought  possible.  The  reduction  of  distortion  to  the  basic  or
inherent  level  that  a  circuit  configuration  is  capable  of  is  a  fundamental
requirement  for  serious  design  work  in  this  field;  in  Class-B  at  least  this
gives  a  defined  and  repeatable  standard  of  performance  that  in  later
chapters  I  name  a  Blameless  amplifier,  so-called  because  it  avoids  error
rather than claiming new virtues.

It  has  proved  possible  to  take  the  standard  Class-B  power  amplifier
configuration, and by minor modifications, reduce the distortion to below
the noise floor at low frequencies. This represents approximately 0.0005 to
0.0008%  THD,  depending  on  the  exact  design  of  the  circuitry,  and  the
actual distortion can be shown to be substantially below this if spectrum-
analysis techniques are used to separate the harmonics from the noise.

21

Audio Power Amplifier Design Handbook

The performance requirements for amplifiers

This  section  is  not  a  recapitulation  of  international  standards,  which  are
intended to provide a minimum level of quality rather than extend the art.
It is rather my own view of what you should be worrying about at the start
of  the  design  process,  and  the  first  items  to  consider  are  the  brutally
pragmatic ones related to keeping you in business and out of prison.

Safety

In the drive to produce the finest amplifier ever made, do not forget that the
Prime  Directive  of  audio  design  is  –  Thou  Shalt  Not  Kill.  Every  other
consideration comes a poor second, not only for ethical reasons, but also
because  one  serious  lawsuit  will  close  down  most  audio  companies
forever.

Reliability

If you are in the business of manufacturing, you had better make sure that
your equipment keeps working, so that you too can keep working. It has to
be admitted that power amplifiers – especially the more powerful ones –
have a reputation for reliability that is poor compared with most branches
of  electronics.  The  ‘high  end’  in  particular  has  gathered  to  itself  a  bad
reputation for dependability

[21]

.

Power output

In  commercial  practice,  this  is  decided  for  you  by  the  marketing
department. Even if you can please yourself, the power output capability
needs  careful  thought  as  it  has  a  powerful  and  non-linear  effect  on  the
cost.

The last statement requires explanation. As the output power increases, a
point is reached when single output devices are incapable of sustaining the
thermal  dissipation,  parallel  pairs  are  required,  and  the  price  jumps  up.
Similarly,  transformer  laminations  come  in  standard  sizes,  so  the  trans-
former size and cost will also increase in discrete steps.

Domestic  hi-fi  amplifiers  usually  range  from  20 W  to  150 W  into  8 !,
though with a scattering of much higher powers. PA units will range from
50 W, for foldback purposes (i.e. the sound the musician actually hears, to
monitor  his/her  playing,  as  opposed  to  that  thrown  out  forwards  by  the
main PA stacks; also called stage monitoring) to 1 kW or more. Amplifiers
of extreme high power are not popular, partly because the economies of
scale are small, but mainly because it means putting all your eggs in one
basket,  and  a  failure  becomes  disastrous.  This  is  accentuated  by  the
statistically unproven but almost universally-held opinion that high-power
solid-state amplifiers are inherently less reliable than others.

22

Introduction and general survey

If an amplifier gives a certain output into 8 !, it will not give exactly twice
as much into 4 ! loads; in fact it will probably be much less than this, due
to the increased resistive losses in 4 ! operation, and the way that power
alters as the square of voltage. Typically, an amplifier giving 180 W into 8 !
might be expected to yield 260 W into 4 ! and 350 W into 2 !, if it can
drive so low a load at all. These figures are approximate, depending very
much on power supply design.

Nominally  8 ! loudspeakers  are  the  most  common  in  hi-fi  applications.
The nominal title accommodates the fact that all loudspeakers, especially
multi-element  types,  have  marked  changes  in  input  impedance  with
frequency, and are only resistive at a few spot frequencies. Nominal 8 !
loudspeakers may be expected to drop to at least 6 ! in some part of the
audio spectrum. To allow for this, almost all amplifiers are rated as capable
of  4 ! as  well  as  8 ! loads.  This  takes  care  of  almost  any  nominal  8 !
speaker, but leaves no safety margin for nominal 4 ! designs, which are
likely to dip to 3 ! or less. Extending amplifier capability to deal with lower
load impedances for anything other than very short periods has serious cost
implications  for  the  power-supply  transformer  and  heatsinking;  these
already represent the bulk of the cost.

The most important thing to remember in specifying output power is that
you have to increase it by an awful lot to make the amplifier significantly
louder. We do not perceive acoustic power as such – there is no way we
could possibly integrate the energy liberated in a room, and it would be a
singularly useless thing to perceive if we could. It is much nearer the truth
to say that we perceive pressure. It is well known that power in watts must
be quadrupled to double sound pressure level (SPL) but this is not the same
as doubling subjective loudness; this is measured in Sones rather than dB
above threshold, and some psychoacousticians have reported that doub-
ling  subjective  loudness  requires  a  10 dB  rather  than  6 dB  rise  in  SPL,
implying  that  amplifier  power  must  be  increased  tenfold,  rather  than
merely quadrupled

[22]

. It is any rate clear that changing from a 25 W to a

30 W amplifier will not give an audible increase in level.

This does not mean that fractions of a watt are never of interest. They can
matter either in pursuit of maximum efficiency for its own sake, or because
a design is only just capable of meeting its output specification.

Some hi-fi reviewers set great value on very high peak current capability for
short periods. While it is possible to think up special test waveforms that
demand  unusually  large  peak  currents,  any  evidence  that  this  effect  is
important in use is so far lacking.

23

Frequency response

This can be dealt with crisply; the minimum is 20 Hz to 20 kHz, +/–0.5 dB,
though there should never be any plus about it when solid-state amplifiers

Audio Power Amplifier Design Handbook

are concerned. Any hint of a peak before the roll-off should be looked at
with extreme suspicion, as it probably means doubtful HF stability. This is
less  true  of  valve  amplifiers,  where  the  bandwidth  limits  of  the  output
transformer mean that even modest NFB factors tend to cause peaking at
both high and low ends of the spectrum.

Having  dealt  with  the  issue  crisply,  there  is  no  hope  that  everyone  will
agree that this is adequate. CDs do not have the built-in LF limitations of
vinyl  and  could  presumably  encode  the  barometric  pressure  in  the
recording  studio  if  this  was  felt  to  be  desirable,  and  so  an  extension  to
–0.5 dB at 5 or 10 Hz is perfectly feasible. However, if infrabass information
does  exist  down  at  these  frequencies,  no  domestic  loudspeaker  will
reproduce them.

Noise

There  should  be  as  little  as  possible  without  compromising  other
parameters.  The  noise  performance  of  a  power  amplifier  is  not  an
irrelevance

[23]

, especially in a domestic setting.

Distortion

Once more, a sensible target might be: As little as possible without messing
up  something  else.  This  ignores  the  views  of  those  who  feel  a  power
amplifier  is  an  appropriate  device  for  adding  distortion  to  a  musical
performance. Such views are not considered in the body of this book; it is,
after all, not a treatise on fuzz-boxes or other guitar effects.

I hope that the techniques explained in this book have a relevance beyond
power  amplifiers.  Applications  obviously  include  discrete-op-amp  based
pre-amplifiers

[24]

, and extend to any amplifier aiming at static or dynamic

precision.

My  philosophy  is  the  simple  one  that  distortion  is  bad,  and  high-order
distortion  is  worse.  The  first  part  of  this  statement,  is,  I  suggest,  beyond
argument, and the second part has a good deal of evidence to back it. The
distortion  of  the  nth  harmonic  should  be  weighted  by  n

2

/4  worse,

according  to  many  authorities

[25]

.  This  leaves  the  second  harmonic

unchanged, but scales up the third by 9/4, i.e. 2.25 times, the fourth by
16/4, i.e. 4 times, and so on. It is clear that even small amounts of high-
order  harmonics  could  be  unpleasant,  and  this  is  one  reason  why  even
modest crossover distortion is of such concern.

Digital audio now routinely delivers the signal with less than 0.002% THD,
and I can earnestly vouch for the fact that analogue console designers work
furiously  to  keep  the  distortion  in  long  complex  signal  paths  down  to
similar levels. I think it an insult to allow the very last piece of electronics
in the chain to make nonsense of these efforts.

24