Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Introduction and general survey

I would like to make it clear that I do not believe that an amplifier yielding
0.001% THD is going to sound much better than its fellow giving 0.002%.
However, if there is ever a scintilla of doubt as to what level of distortion is
perceptible,  then  using  the  techniques  I  have  presented  it  should  be
possible to routinely reduce the THD below the level at which there can be
any rational argument.

I am painfully aware that there is a school of thought that regards low THD
as inherently immoral, but this is to confuse electronics with religion. The
implication is that very low THD can only be obtained by huge global NFB
factors  that  require  heavy  dominant-pole  compensation  that  severely
degrades  slew-rate;  the  obvious  flaw  in  this  argument  is  that  once  the
compensation  is  applied  the  amplifier  no  longer  has  a  large  global  NFB
factor, and so its distortion performance presumably reverts to mediocrity,
further burdened with a slew-rate of four volts per fortnight.

To me low distortion has its own aesthetic and philosophical appeal; it is
satisfying to know that the amplifier you have just designed and built is so
linear  that  there  simply  is  no  realistic  possibility  of  it  distorting  your
favourite material. Most of the linearity-enhancing strategies examined in
this book are of minimal cost (the notable exception being resort to Class-A)
compared  with  the  essential  heatsinks,  transformer,  etc.  and  so  why  not
have ultra-low distortion? Why put up with more than you must?

Damping factor

Audio  amplifiers,  with  a  few very special exceptions

[26]

, approximate to

perfect voltage sources; i.e., they aspire to a zero output impedance across
the audio band. The result is that amplifier output is unaffected by loading,
so that the frequency-variable impedance of loudspeakers does not give an
equally variable frequency response, and there is some control of speaker
cone resonances.

While an actual zero impedance is impossible, a very close approximation
is possible if large negative-feedback factors are used. (Actually, a judicious
mixture of voltage and current feedback will make the output impedance
zero,  or  even  negative  –  i.e.,  increasing  the  loading  makes  the  output
voltage increase. This is clever, but usually pointless, as will be seen.) Solid-
state  amplifiers  are  quite  happy  with  lots  of  feedback,  but  it  is  usually
impractical in valve designs.

Damping factor is defined as the ratio of the load impedance Rload to the
amplifier output resistance Rs:

Damping factor =

Rload

Rout

Equation 1.1

A solid-state amplifier typically has output resistance of the order of 0.05 !,
so if it drives an 8 ! speaker we get a damping factor of 160 times. This

25

Audio Power Amplifier Design Handbook

simple definition ignores the fact that amplifier output impedance usually
varies considerably across the audio band, increasing with frequency as the
negative  feedback  factor  falls;  this  indicates  that  the  output  resistance is
actually  more  like  an  inductive  reactance.  The  presence  of  an  output
inductor  to  give  stability  with  capacitative  loads  further  complicates  the
issue.

Mercifully,  damping  factor  as  such  has  very  little  effect  on  loudspeaker
performance. A damping factor of 160 times, as derived above, seems to
imply a truly radical effect on cone response – it implies that resonances
and such have been reduced by 160 times as the amplifier output takes an
iron  grip  on  the  cone  movement.  Nothing  could  be  further  from  the
truth.

The resonance of a loudspeaker unit depends on the total resistance in the
circuit.  Ignoring  the  complexities  of  crossover  circuitry  in  multi-element
speakers, the total series resistance is the sum of the speaker coil resistance,
the speaker cabling, and, last of all, the amplifier output impedance. The
values  will  be  typically  7 !,  0.5 ! and  0.05 !,  so  the  amplifier  only
contributes  0.67%  to  the  total,  and  its  contribution  to  speaker  dynamics
must be negligible.

The  highest  output  impedances  are  usually  found  in  valve  equipment,
where  global  feedback  including  the  output  transformer  is  low  or  non-
existent;  values  around  0.5 ! are  usual.  However,  idiosyncratic  semi-
conductor  designs  sometimes  also  have  high  output  resistances;  see
Olsher

[27]

for a design with Rout = 0.6 !, which I feel is far too high.

This view of the matter was practically investigated and fully confirmed by
James Moir as far back as 1950

[28]

, though this has not prevented periodic

resurgences of controversy.

The only reason to strive for a high damping factor – which can, after all,
do no harm – is the usual numbers game of impressing potential customers
with  spec.  figures.  It  is  as  certain  as  anything  can  be  that  the  subjective
difference between two amplifiers, one with a DF of 100, and the other
boasting  2000,  is  undetectable  by  human  perception.  Nonetheless,  the
specifications look very different in the brochure, so means of maximising
the DF may be of some interest. This is examined further in Chapter 7.

Absolute phase

Concern  for  absolute  phase  has  for  a  long  time  hovered  ambiguously
between real audio concerns like noise and distortion, and the Subjective
realm where solid copper is allegedly audible. Absolute phase means the
preservation of signal phase all the way from microphone to loudspeaker,
so  that  a  drum  impact  that  sends  an  initial  wave  of  positive  pressure
towards the live audience is reproduced as a similar positive pressure wave

26

Introduction and general survey

from the loudspeaker. Since it is known that the neural impulses from the
ear  retain  the  periodicity  of  the  waveform  at  low  frequencies,  and
distinguish  between  compression  and  rarefaction,  there  is  a  prima  facie
case for the audibility of absolute phase.
It is unclear how this applies to instruments less physical than a kickdrum.
For the drum the situation is simple – you kick it, the diaphragm moves
outwards and the start of the transient must be a wave of compression in the
air. (Followed almost at once by a wave of rarefaction.) But what about an
electric guitar? A similar line of reasoning – plucking the string moves it in
a given direction, which gives such-and-such a signal polarity, which leads
to  whatever  movement  of  the  cone  in  the  guitar  amp  speaker  cabinet  –
breaks down at every point in the chain. There is no way to know how the
pickups  are  wound,  and  indeed  the  guitar  will  almost  certainly  have  a
switch  for  reversing  the  phase  of  one  of  them.  I  also  suggest  that  the
preservation  of  absolute  phase  is  not  the  prime  concern  of  those  who
design and build guitar amplifiers.
The situation is even less clear if more than one instrument is concerned,
which is of course almost all the time. It is very difficult to see how two
electric  guitars  played  together  could  have  a  correct phase  in  which  to
listen to them.
Recent  work  on  the  audibility  of  absolute  phase

[29],[30]

shows  it  is

sometimes  detectable.  A  single  tone  flipped  back  and  forth  in  phase,
providing it has a spiky asymmetrical waveform and an associated harsh
sound,  will  show  a  change  in  perceived  timbre  and,  according  to  some
experimenters, a perceived change in pitch. A monaural presentation has to
be used to yield a clear effect. A complex sound, however, such as that
produced by a musical ensemble, does not in general show a detectable
difference.
Proposed standards for the maintenance of absolute phase have just begun
to appear

[31]

, and the implication for amplifier designers is clear; whether

absolute  phase  really  matters  or  not,  it  is  simple  to  maintain  phase  in  a
power amplifier (compare a complex mixing console, where correct phase
is vital, and there are hundreds of inputs and outputs, all of which must be
in phase in every possible configuration of every control) and so it should
be done. In fact, it probably already has been done, even if the designer
hasn’t given absolute phase a thought, because almost all amplifiers use
series negative feedback, and this must be non-inverting. Care is however
required if there are stages such as balanced line input amplifiers before the
power amplifier itself.

Acronyms

I have kept the number of acronyms used to a minimum. However, those
few are used extensively, so a list is given in case they are not all blindingly
obvious:

27

Audio Power Amplifier Design Handbook

BJT

Bipolar junction transistor

CFP

Complementary feedback pair

C/L

Closed-loop

CM

Common-mode

EF

Emitter-follower

EIN

Equivalent input noise

FET

Field-effect transistor

HF

Amplifier  behaviour  above  the  dominant  pole  frequency,
where the open-loop gain is usually falling at 6 dB/octave

I/P

Input

LF

Relating to amplifier action below the dominant pole, where
the  open-loop  gain  is  assumed  to  be  essentially  flat  with
frequency

NFB

Negative feedback

O/L

Open loop

P1

The  first  o/l  response  pole,  and  its  frequency  in  Hz  (i.e.  the

–3 dB point of a 6 dB/oct rolloff)

P2

The second response pole, at a higher frequency

PSRR

Power supply rejection ratio

THD

Total harmonic distortion

VAS

Voltage-amplifier stage

References

1. Martin  Gardner  Fads  &  Fallacies  in  the  Name  of  Science Ch. 12,

pp. 140–151. Pub. Dover.

2. David F Mark Investigating the Paranormal Nature, Vol. 320, 13 March

1986.

3. Randi,  J  Flim-Flam!  Psychics,  ESP  Unicorns  and  Other  Delusions

Prometheus Books, 1982. pp. 196–198.

4. Harris,  J  D  Loudness  discrimination  J.  Speech  Hear.  Dis.  Monogr.

Suppl. 11, pp. 1–63.

5. Moore, B C J Relation between the critical bandwidth k the frequency-

difference limen Journ. Acoust. Soc. Am. 55, p. 359.

6. Moir,  J  Just  Detectable  Distortion  Levels Wireless  World,  February

1981, pp. 32–34.

7. Hawksford, M The Essex Echo Hi-fi News & RR, May 1986, p. 53.
8. Self,  D  Ultra-Low-Noise  Amplifiers  &  Granularity  Distortion Journ.

Audio Eng. Soc., November 1987, pp. 907–915.

9. Harwood & Shorter Stereophony and The effect of crosstalk between

left and right channels BBC Engineering Monograph No 52.

10. Lipshitz et al, On the audibility of midrange phase distortion in audio

systems JAES, September 1982, pp. 580–595.

11. Harwood,  H  Audibility  of  phase  effects  in  loudspeakers Wireless

World, January 1976, pp. 30–32.

12. Shinners,  S  Modern  control  system  theory  and  application publ.

Addison-Wesley, p. 310.

28

Introduction and general survey

13. King, G Hi-fi reviewing Hi-fi News & RR, May 1978, p. 77.
14. Harley, R Review of Cary CAD-300SEI Single-Ended Triode Amplifier

Stereophile Sept 1995, p. 141.

15. Baxandall,  P Audio  power  amplifier  design Wireless  World,  January

1978, p. 56.

16. Belcher,  R  A  A  new  distortion  measurement Wireless  World,  May

1978, pp. 36–41.

17. Baxandall,  P  Audible  amplifier  distortion  is  not  a  mystery Wireless

World, November 1977, pp. 63–66.

18. Hafler, D A Listening Test for Amplifier Distortion Hi-fi News & RR,

November 1986, pp. 25–29.

19. Colloms, M Hafler XL-280 Test Hi-Fi News & RR, June 1987, pp. 65–

67.

20. Hi-fi Choice; The Selection Pub. Sportscene, 1986.
21. Lawry, R H High End Difficulties Stereophile, May 1995, p. 23.
22. Moore,  B  J An  Introduction to the Psychology of  Hearing Academic

Press, 1982, pp. 48–50.

23. Fielder,  L  Dynamic  range  issues  in  the  Modern  Digital  Audio

Environment Journ. Audio Eng. Soc. Vol 43.

24. Self,  D  Advanced  Preamplifier  Design Wireless  World,  Nov  1976,

p. 41.

25. Moir,  J  Just  Detectable  Distortion  Levels Wireless  World,  Feb  1981,

p. 34.

26. Mills  &  Hawksford  Transconductance  Power  Amplifier  Systems  for

Current-Driven Loudspeakers Journ. Audio Eng. Soc. Vol 37.

27. Olsher,  D  Times  One  RFS400  Power  Amplifier  Review Stereophile,

Aug 1995, p. 187.

28. Moir,  J  Transients  and  Loudspeaker  Damping Wireless  World,  May

1950, p. 166.

29. Greiner  &  Melton A  Quest  for  the Audibility  of  Polarity Audio,  Dec

1993, p. 40.

30. Greiner & Melton Observations on the Audibility of Acoustic Polarity

Journ. Audio Eng. Soc. Vol 42.

31. AES Draft AES recommended practice Standard for professional audio

–  Conservation  of  the  Polarity  of  Audio  Signals Inserted  in:  Journ.
Audio Eng. Soc. Vol 42.

29