Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Amplifier and loudspeaker protection

circuitry, such as relay timing, the problem is not serious as the same high-
voltage small-signal transistors can be used as in the amplifier small-signal
sections, and the power dissipation in collector loads, etc. can be controlled
simply by making them higher in value. The biggest problem is the relay
energising current; many relay types are not available with coil voltages
higher than 24 V, and this is not easy to power from a 50 V HT rail without
wasting power in a big dropper resistor. This causes unwanted heating of the
amplifier  internals,  and  provides  a  place  for  service  engineers  to  burn
themselves.

One solution in a stereo amplifier is to run the two relays in series; the snag
(and for sound reinforcement work it may be a serious one) is that both relays
must switch together, so if one channel fails with a DC offset, both are muted.
In live work independent relay control is much to be preferred, even though
most of the relay control circuitry must be duplicated for each channel.

If the control circuitry is powered from the main HT rails, then its power
should  be  taken  off  before  the  amplifier  HT  fuses.  The  control  circuitry
should then be able to mute the relays when appropriate, no matter what
faults have occurred in the amplifiers themselves.

If  there  is  additional  signal  circuitry  in  the  complete  amplifier  it  is  not
advisable  to  power  it  in  this  way,  especially  if  it  has  high  gain,  e.g.  a
microphone preamplifier. When such signal circuits are powered in this way,
it is usually by +/–15 V regulators from the HT rails, with series dropper
resistors to spread out some of the dissipation. However, bass transients in
the  power  amplifiers  can  pull  down  the  HT  rails  alarmingly,  and  if  the
regulators  drop  out  large  disturbances  will  appear  on  the  nominally
regulated low-voltage rails, leading to very low frequency oscillations which
will be extremely destructive to loudspeakers. In this case the use of wholly
separate  clean  rails  run  from  an  extra  transformer  winding  is  strongly
recommended. There will be no significant coupling through the use of a
single transformer.

References

1. Bailey, A Output Transistor Protection in AF Amplifiers Wireless World,

June 1968, p. 154.

2. Becker,  R  High-Power  Audio  Amplifier  Design Wireless  World,  Feb.

1972, p. 79.

3. Motorola  High  Power  Audio  Amplifiers  With  Sort  Circuit  Protection

Motorola Application Note AN-485 (1972).

4. Otala, M Peak Current Requirement of Commerical Loudspeaker Systems

Journ. Audio Eng. Soc. Vol. 35, June 1987, p. 455.

5. Baxandall, P Technique for Displaying Current and Voltage Capability of

Amplifiers Journ. Audio Eng. Soc. Vol. 36, Jan./Feb. 1988, p. 3.

6. Greiner,  R  Amplifier-Loudspeaker  Interfacing Journ.  Audio  Eng.  Soc.

Loudspeakers pp. 241–250.

395

14

Grounding and practical

matters

Audio amplifier PCB design

This  section  addresses  the  special  PCB  design  problems  presented  by
power  amplifiers,  particularly  those  operating  in  Class-B.  All  power
amplifier  systems  contain  the  power-amp  stages  themselves,  and  usually
associated control and protection circuitry; most also contain small-signal
audio sections such as balanced input amplifiers, subsonic filters, output
meters, and so on.

Other  topics  that  are  related  to  PCB  design,  such  as  grounding,  safety,
reliability, etc. are also dealt with.

The performance of an audio power amplifier depends on many factors,
but in all cases the detailed design of the PCB is critical, because of the risk
of  inductive  distortion  due  to  crosstalk  between  the  supply-rails  and  the
signal circuitry; this can very easily be the ultimate limitation on amplifier
linearity, and it is hard to over-emphasise its importance. The PCB design
will to a great extent define both the distortion and crosstalk performance
of the amplifier.

Apart  from  these  performance  considerations,  the  PCB  design  can  have
considerable influence on ease of manufacture, ease of testing and repair,
and reliability. All of these issues are addressed below.

Successful audio PCB layout requires enough electronic knowledge to fully
appreciate the points set out below, so that layout can proceed smoothly
and effectively. It is common in many electronic fields for PCB design to be
handed over to draughtspersons, who, while very skilled in the use of CAD,
have little or no understanding of the details of circuit operation. In some
fields  this  works  fine;  in  power  amplifier  design  it  won’t,  because  basic

396

Grounding and practical matters

parameters  such  as  crosstalk  and  distortion  are  so  strongly  layout-
dependent. At the very least the PCB designer should understand the points
set out below.

Crosstalk

All crosstalk has a transmitting end (which can be at any impedance) and
a receiving end, usually either at high impedance or virtual-earth. Either
way,  it  is  sensitive  to  the  injection of small currents. When interchannel
crosstalk  is  being  discussed,  the  transmitting  and  receiving  channels  are
usually called the speaking and non-speaking channels respectively.

Crosstalk comes in various forms:

!

Capacitative  crosstalk  is  due  to  the  physical  proximity  of  different
circuits, and may be represented by a small notional capacitor joining
the two circuits. It usually increases at the rate of 6 dB/octave, though
higher  dB/octave  rates  are  possible.  Screening  with  any  conductive
material is a complete cure, but physical distance is usually cheaper.

!

Resistive crosstalk usually occurs simply because ground tracks have a
non-zero resistance. Copper is not a room-temperature superconductor.
Resistive crosstalk is constant with frequency.

!

Inductive crosstalk is rarely a problem in general audio design; it might
occur  if  you  have  to  mount  two  uncanned  audio  transformers  close
together, but otherwise you can usually forget it. The notable exception
to  this  rule  is  . . .  the  Class-B  audio  power  amplifier,  where  the  rail
currents  are  halfwave  sines  that  seriously  degrade  the  distortion
performance if they are allowed to couple into the input, feedback or
output circuitry.

In most line-level audio circuitry the primary cause of crosstalk is unwanted
capacitative coupling between different parts of a circuit, and in most cases
this  is  defined  solely  by  the  PCB  layout.  Class-B  power  amplifiers,  in
contrast,  should  suffer  very  low  or  negligible  levels  of  crosstalk  from
capacitative  effects,  as  the  circuit  impedances  tend  to  be  low,  and  the
physical  separation  large;  a  much  greater  problem  is  inductive  coupling
between the supply-rail currents and the signal circuitry. If coupling occurs
to  the  same  channel  it  manifests  itself  as  distortion,  and  can  dominate
amplifier non-linearity. If it occurs to the other (non-speaking) channel it
will appear as crosstalk of a distorted signal. In either case it is thoroughly
undesirable, and precautions must be taken to prevent it.

The PCB layout is only one component of this, as crosstalk must be both
emitted  and  received.  In  general  the  emission  is  greatest  from  internal
wiring, due to its length and extent; wiring layout will probably be critical
for best performance, and needs to be fixed by cable ties, etc. The receiving
end is probably the input and feedback circuitry of the amplifier, which will
be fixed on the PCB. Designing these sections for maximum immunity is
critical to good performance.

397

Audio Power Amplifier Design Handbook

Rail induction distortion

The  supply-rails  of  a  Class-B  power-amp  carry  large  and  very  distorted
currents. As previously outlined, if these are allowed to crosstalk into the
audio  path  by  induction  the  distortion  performance  will  be  severely
degraded. This applies to PCB conductors just as much as cabling, and it is
sadly  true  that  it  is  easy  to  produce  an  amplifier  PCB  that  is  absolutely
satisfactory in every respect but this one, and the only solution is another
board iteration. The effect can be completely prevented but in the present
state  of  knowledge  I  cannot  give  detailed  guidelines  to  suit  every
constructional topology. The best approach is:

Minimise radiation from the supply rails by running the V+ and V– rails as
close together as possible. Keep them away from the input stages of the
amplifier, and the output connections; the best method is to bring the rails
up to the output stage from one side, with the rest of the amplifier on the
other side. Then run tracks from the output to power the rest of the amp;
these carry no halfwave currents and should cause no problems.

Minimise  pickup  of  rail  radiation  by  keeping  the  area  of  the  input  and
feedback circuits to a minimum. These form loops with the audio ground
and these loops must be as small in area as possible. This can often best be
done  by  straddling  the  feedback  and  input  networks  across  the  audio
ground track, which is taken across the centre of the PCB from input ground
to output ground.

Induction of distortion can also occur into the output and output-ground
cabling, and even the output inductor. The latter presents a problem as it is
usually difficult to change its orientation without a PCB update.

The mounting of output devices

The most important decision is whether or not to mount the power output
devices directly on the main amplifier PCB. There are strong arguments for
doing so, but it is not always the best choice.

Advantages:

!

The  amplifier  PCB  can  be  constructed  so  as  to  form  a  complete
operational unit that can be thoroughly tested before being fixed into the
chassis. This makes testing much easier, as there is access from all sides;
it also minimises the possibility of cosmetic damage (scratches, etc.) to
the metalwork during testing.

!

It is impossible to connect the power devices wrongly, providing you get
the right devices in the right positions. This is important for such errors
usually destroy both output devices and cause other domino-effect faults
that are very time-consuming to correct.

!

The  output  device  connections  can  be  very  short.  This  seems  to  help
stability of the output stage against HF parasitic oscillations.

398

Grounding and practical matters

Disadvantages:

!

If  the  output  devices  require  frequent  changing  (which  obviously
indicates something very wrong somewhere) then repeated resoldering
will damage the PCB tracks. However, if the worst happens the damaged
track can usually be bridged out with short sections of wire, so the PCB
need not be scrapped; make sure this is possible.

!

The output devices will probably get fairly hot, even if run well within
their ratings; a case temperature of 90°C is not unusual for a TO3 device.
If  the  mounting  method  does  not  have  a  degree  of  resilience,  then
thermal expansion may set up stresses that push the pads off the PCB.

!

The heatsink will be heavy, and so there must be a solid structural fixing
between  this  and  the  PCB.  Otherwise  the  assembly  will  flex  when
handled, putting stress on soldered connections.

Single and double-sided PCBs

Single-sided  PCBs  are  the  usual  choice  for  power  amplifiers,  because  of
their lower cost; however the price differential between single and double-
sided plated-through-hole (PTH) is much less than it used to be. It is not
usually  necessary  to  go  double-sided  for  reason  of  space  or  convoluted
connectivity, because power amplifier components tend to be physically
large, determining the PCB size, and in typical circuitry there are a large
number of discrete resistors, etc. that can be used for jumping tracks.

Bear  in  mind  that  single-sided  boards  need  thicker  tracks  to  ensure
adhesion in case desoldering is necessary. Adding one or more ears to pads
with  only  one  track  leading  to  them  gives  much  better  adhesion,  and  is
highly  recommended  for  pads  that  may  need  resoldering  during  main-
tenance; unfortunately it is a very tedious task with most CAD systems.

The advantages of double-sided PTH for power amplifiers are as follows:

!

No links are required.

!

Double-sided PCBs may allow one side to be used primarily as a ground
plane, minimising crosstalk and EMC problems.

!

Much better pad adhesion on resoldering as the pads are retained by the
through-hole plating.

!

There is more total room for tracks, and so they can be wider, giving less
volt-drop and PCB heating.

!

The extra cost is small.

Power supply PCB layout

Power supply subsystems have special requirements due to the very high
capacitor-charging currents involved:

!

Tracks carrying the full supply-rail current must have generous widths.
The board material used should have not less than 2-oz copper. 4-oz

399