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Audio Power Amplifier Design Handbook

deviations  are  not  likely  to  be  very  significant.  This  implies  a  quiescent
current  of  approx.  50 mA.

It  may  simplify  faultfinding  if  D7,  D8  are  not  installed  until  the  basic
amplifier is working correctly, as errors in the SOAR protection cannot then
confuse the issue. This demands some care in testing, as there is then no
short-circuit protection.

Safety

The overall safety record of audio equipment is very good, but no cause for
complacency. The price of safety, like that of liberty, is eternal vigilance.
Safety regulations are not in general hard to meet so long as they are taken
into  account  at  the  start  of  the  mechanical  design  phase.  This  section
considers  not  only  the  safety  of  the  user,  but  also  of  the  service
technician.

Many  low-powered  amplifier  designs  are  inherently  safe  because  all  the
DC  voltages  are  too  low  to  present  any  kind  of  electric-shock  hazard.
However,  high-powered  models  will  have  correspondingly  high  supply-
rails  which  are  a  hazard  in  themselves,  as  a  DC  shock  is  normally
considered more dangerous than the equivalent AC voltage.

Unless the equipment is double-insulated, an essential safety requirement
is a solid connection between mains ground and chassis, to ensure that the
mains fuse blows if Live contacts the metalwork. British Standards on safety
require  the  mains  earth  to  chassis  connection  to  be  a  Protected  Earth,
clearly labelled and with its own separate fixing. A typical implementation
has a welded ground stud onto which the mains-earth ring-terminal is held
by a nut and locking washer; all other internal grounds are installed on top
of  this  and  secured  with  a  second  nut/washer  combination.  This  dis-
courages  service  personnel  from  removing  the  chassis  ground  in  the
unlikely  event  of  other  grounds  requiring  disconnection  for  servicing.  A
label warning against lifting the ground should be clearly displayed.

There are some specific points that should be considered:

1 An  amplifier  may  have  supply-rails  of  relatively  low  voltage,  but  the

reservoir capacitors will still store a significant amount of energy. If they
are shorted out by a metal finger-ring then a nasty burn is likely. If your
bodily adornment is metallic then it should be removed before diving
into an amplifier.

2 Any amplifier containing a mains power supply is potentially lethal. The

risks involved in working for some time on the powered-up chassis must
be considered. The metal chassis must be securely earthed to prevent it
becoming live if a mains connection falls off, but this presents the snag
that if one of your hands touches live, there is a good chance that the
other is leaning on chassis ground, so your well-insulated training shoes

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Testing and safety

will not save you. All mains connections (neutral as well as live, in case
of mis-wired mains) must therefore be properly insulated so they cannot
be accidentally touched by finger or screwdriver. My own preference is
for double insulation; for example, the mains inlet connector not only
has its terminals sleeved, but there is also an overall plastic boot fitted
over the rear of the connector, and secured with a tie-wrap.

Note that this is a more severe requirement than BS415 which only requires
that mains should be inaccessible until you remove the cover. This assumes
a  tool  is  required  to  remove  the  cover,  rather  than  it  being  instantly
removable. In this context a coin counts as a tool if it is used to undo giant
screwheads.

3 A Class-A amplifier runs hot and the heatsinks may well rise above 70°C.

This is not likely to cause serious burns, but it is painful to touch. You
might consider this point when arranging the mechanical design. Safety
standards on permissible temperature rise of external parts will be the
dominant factor.

4 Note the comments on slots and louvres in the section on Mechanical

Design above.

5 Readers  of  hi-fi  magazines  are  frequently  advised  to  leave  amplifiers

permanently powered for optimal performance. Unless your equipment
is afflicted with truly doubtful control over its own internal workings, this
is  quite  unnecessary.  (And  if  it is so  afflicted,  personally  I’d  turn  it  off
now.)  While  there  should  be  no  real  safety  risk  in  leaving  a  soundly-
constructed power amplifier powered permanently, I see no point and
some potential risk in leaving unattended equipment powered; in Class-
A mode there may of course be an impact on your electricity bill.

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Index

Absolute phase, 26–7
AC coupling, 41–2
Acronyms, listing, 27–8
Active load techniques, 95
Adaptive trimodal amplifier, 288
Ambient temperature changes,

accommodating, 360

Architecture:

three-stage, 31–2
two-stage, 32–3

Audio chain, effects of length, 18
Auxiliary circuitry, powering, 394

Baxandall cancellation technique, 17,

18, 111

Belcher intermodulation test, 10–11,

16

Beta-droop, 127
Bias errors, assessing, 332
Bias generator, 177
Bipolar junction transistors (BJTs):

failure modes, 371
in output stages, 123 and following
overheating, 372

Blameless amplifiers, 71
Blomley principle, 39–40
Blondlot, Rene, 8
Bode’s Second Law, 12
Bootstrapping, 96
Boucherot cell see Zobel network
Bridge rectifiers, 240

RF emissions, 241

Cable selection, loudspeaker, 202
Capacitor distortion, 13, 57, 177
Cascode compensation, 248
Catching diodes, for overload

protection, 383

Clamp diodes, see Catching diodes
Class-A amplifiers, 33–4, 107

A/AB mode, 271
Class B mode, 281
configurations, 257
constant-current, 256
design example, 279
disadvantages, 256
efficiency, 256, 272
load impedance, 272
mode-switching system, 281
operating mode, 272
output stages, 257
performance, 286
power supply, 286
quiescent current control, 263, 280
thermal design, 283
trimodal, 267, 283

Class-AB amplifiers, 34–5, 143

geometric mean, 40–41

Class-B amplifiers, 33, 35, 106, 176

50W design example, 176
efficiency, 256
variations, 38–9

Class-C amplifiers, 35, 291
Class-D amplifiers, 35
Class-E amplifiers, 35
Class-G amplifiers, 36–7

shunt, 37–8

Index

Class-H amplifiers, 38
Class-S amplifiers, 38
Collector-load bootstrapping, 96
Common-mode distortion, 57–8
Common-mode rejection ratio, 61
Compensation, 184

dominant pole, 184
lag, 185
two-pole, 188, 312

Complementary feedback pair (CFP)

output, 114

large signal non-linearity, 115
thermal modelling, 342

Complementary output stages, 30–31
Contact degradation, 14
Cross-quad configuration, 76
Crossover distortion, 107

experiment, 145
harmonic generation, 109

Crosstalk, 397

interchannel, 10

Crowbar, protection system, 391
Current compensation, 362
Current limiting, for overload

protection, 374

Current timing factor, 221
Current-driven amplifiers, 39
Current-mirrors, 81

Damping factor, 25–6, 190
Darlington configuration, 104, 291
DC output offset, 89
DC-coupled amplifiers, 41, 42–4
DC-offset protection, 322, 336

by fuses, 385
by output crowbar, 391
relays, 386

Degradation effects, 7
Distortion, 24

capacitor see Capacitor distortion
in complete amplifiers, 158
induction see Induction distortion
mechanism types, 63
NFB takeoff point, 170
output stages, 56–7, 123
rail decoupling, 167
rail induction see Rail induction

distortion, 168

switching, 153

thermal see Thermal distortion
Type, 3a see Large signal non-

linearity, 123

Type, 3b see Crossover distortion
VAS loading, 163

Dominant pole compensation, 184
Dominant pole frequency, 62
Doubled output devices, 128
Dual-slope VI limiting, for overload

protection, 381

Early Effect, 367
Economic importance, 1–5
Emitter resister value, 135–8
Emitter-follower (EF) output, 113

large signal non-linearity, 123
modelling, 327
thermal compensation, 326

Error criterion, 344
Error-correcting amplifiers, 39

Failure modes, semiconductor, 371
Fault-finding, 419
Feedforward diodes, 131
Field effect transistor (FET) output

stages:

advantages, 314
amplifier failure modes, 203
characteristics, 318
in Class-A stages, 321
disadvantages, 316
hybrid, 318
hybrid full-complementary, 319
linearity comparison, 321
simple source-follower configuration,

318

Frequency compensation, 184
Frequency response capability, 23–4
Fuses:

for DC protection, 385
as overload protection, 373
sizing, 240
thermal, 394

Gain margin, 49
Generic principles, 52–4

424