background image

Audio Amplifiers

Basics, Circuits and 

Parameters

MSc. Karol Kropidłowski

background image

Presentation Plan

Transistor – what is it?
Polarization and classes
Pros and cons of classes
Applications
Basic Parameters of amplifiers
Differential amplifier – what is it?
Operational amplifiers

2

background image

Transistor – what is it?

Transistor is a semiconductor device used 
to amplify and switch electronic signals.

http://www.fuw.edu.pl/~pablo/s/projects/2004_2005/winda/stepmotor_idea.html

http://

www.tme.eu

3

background image

How transistor works?

4

background image

Symbol and Diode 
Model

Diode equivalent circuit is very simplistic and does not 
explain the operation of a transistor but it gives some 
idea of   the voltages that exist between the electrodes.

http://

www.edw.com.pl/ea/tranzystory/bipolarne.gif

Bipolar 
transistor 
symbols

Diode model 
citcuits

5

background image

We got transistor, what’s 
next?

Transistor to be able to work as amplifier must be 
properly polarized. We will follow the correct 
polarity on the NPN-type transistor: 
 - the potential of the collector must be higher than 
the potential of emitter (we need to feed power to 
the transistor) 
-  diode in the base-emitter junction must be 
polarized in conducting direction, and the collector-
base diode in opposite direction (we apply voltage 
to the base of transistor higher than the threshold 
voltage and lower than the supply voltage)

6

background image

Polarization

Polarization example for npn transistor:

7

background image

http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif

Operating Point and 
Load Line

Operating point is a point on transistor output characteristic in 
which it active region and parameters such as Uce and Ic can be 
designated.

Load line shows all the possible operating points when different 
values of base current are applied. It also shows how will voltages 
and current change when we feed input signal to base of 
transistor.

8

background image

Setting up Operation 
Point

Let’s assume transistor current gain β=100
We calculate U

ce

 = Uz-Uce_sat=12v-0,9V=11,1V

We calculate maximum collector current Uce/Rc=11,1V/1kΩ=11,1mA
Let’s chose operating point in the middle of load line (Uwy=5,5V oraz Ic=5,5mA)
We calculate base current Ib=Ic/β =55uA 

and value of base resistor Rb=(Uz-Ube)/Ib= 205,45kΩ

http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif

9

background image

Operating Point of 
amplifier and the class

http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif

Setting up operating point in the middle of load line 
we get amplifier working in A-class. P point on 
output characteristics.

10

background image

Operating Point of 
amplifier and the class

A-class input/output waveforms

Green – Input signal
Red – Output signal

11

background image

A-class Pros and Cons

Pros:

-No crossover distortion

-Very low distortion

-Low construction cost (for small powers)

Cons:

-Low efficiency of less than 50% (up to 20%)

- At higher powers problem with the heat dissipation 
from the transistors

-The need for precise setting of the operating point

-The need to compensate for transistor parameters 
change according to temperature. 

-Weight, size and price of the amplifier increases 
exponentially with the output power

12

background image

A-class applications

-Oldish mobile players (eg. walkman)

-Impedance matching (input circuits)

-Preamplifiers (audio and not only audio)

-Audiophile audio power amplifiers 

-Studio listenings 

http://bonifaczuk.pl/retro3.html

http://sound.eti.pg.gda.pl/student/elearning/sysnagkomwz
m.htm

13

background image

Operating Point of 
amplifier and the class

http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif

Setting up operating points in way that collector 
current is minimal (Iceo) We obtain B-Class 
amplifier. Point A’ on output characteristics.

14

background image

Operating Point of 
amplifier and the class

B-class input/output waveforms

Green – Input signal
Red – Output signal

15

background image

B-class Pros and Cons

Pros:

-High efficiency (theoretically 78,5%)

-Very low quiescent current in idle.

Cons:

-Huge signal distortion

-Only one half of signal is amplified, other half is 
cut.

16

background image

Operating Point of 
amplifier and the class

Adding second transistor working with second half 
of the signal we get 2B-Class amplifier.

Green – Input signal
Red – Output signal

17

background image

2B-class Pros and Cons

Zalety:

-High efficiency (theoretically 78,5%)

-Very low quiescent current in idle.

Wady:

-Crossover distortion

-“metallic” sound of this kind of amplifier

18

background image

2B-class applications

-Outputs of TTL digital gates

-Very rarely used in audio practice, because of 
nonlinear distortion. 

-Sometimes encountered in budget constructions.

19

background image

Operating Point of 
amplifier and the class

http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif

Setting up operating points in way that there is no 
collector current.  We obtain C-Class amplifier. Point 
A on output characteristics.

20

background image

Operating Point of 
amplifier and the class

C-class input/output waveforms

Green – Input signal
Red – Output signal

21

background image

C-class Pros and Cons

Pros:

-High efficiency 

-No quiescent current, no power draw without 
signal.

Cons:

-Huge signal distortion, bigger than in B-class

22

background image

Operating Point of 
amplifier and the class

Adding second transistor working with second half 
of the signal we get 2C-Class amplifier.

Green – Input signal
Red – Output signal

23

background image

2C-class Pros and Cons

Pros:

-High efficiency 

-No quiescent current, no power draw without 
signal.

Cons:

-Crossover distortion bigger than in 2B-class

24

background image

http://nokautimg4.pl/p-37-86-37864b1c2422b059b32b72aca64db8f5500x500/megafon-bezprzewodowy-
monacor-txm-48.jpg

2C -class applications

-Sometimes seen in megaphones

-Ultrasonic cleaners

-Some car alarms itp.

-Used in D-Class amplifiers

http://www.bionovo.pl/images/artykoly/image_005
47.JPG

25

background image

Operating Point of 
amplifier and the class

Setting up operating points of 2B-class in way that collector 
current is just above minimal (Iceo) We obtain 2AB-Class 
amplifier. Point between A’ and P on output characteristics.

http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif

http://zseii.edu.pl/archive/dydaktyka/elektronika/ua/t
20.html

26

background image

27

Green – Input signal
Red – Output signal

2AB-class input/output waveforms

Operating Point of 
amplifier and the class

background image

2AB-class Pros and 
Cons

Pros:

-High efficiency (theoretically 78,5%)

-Low quiescent current

-Low signal distortion

Cons:

-It requires precise settings of operating points that 
the quiescent current of both transistors is identical.

28

background image

2AB-class applications

-End stages of power amplifiers (audio, generators, radio 
transmitters, TV transmitters)

-It occurs in operational amplifiers, headphone amplifiers from 
0.1 W thru car-audio to live performance amplifiers 4kW+

http://www.autocentrum.pl/gfx/opisyaut/827564672/maj_art1004_02032009_3_s
_m.jpg

http://www.linear.biz.pl/zdjecia/4094.jpg

29

background image

Other amplifier classes

By setting  polarity of the transistors as in the 2C-Class and 
controlling them by PWM we obtain a D-Class amplifier.

Idea of converting the audio signal to the PWM control signal is 
shown in the following figure:

30

background image

Other amplifier classes

Exemplary schematic  of an amplifier operating in D-class

31

background image

D-class Pros and Cons

Pros:

-High efficiency (theoreticaly 100%)

-At high frequency switching distortion is minimal.

Cons:

-Large number of elements

-Expensive

-Higher the switching frequency more power losses 
occur.

-Complicated transistor control.

32

background image

D-class applications

-End stages of power amplifiers(audio, DC and BLDC motor 
drivers)

-Portable devices(mp3, phones,where efficiency is critical)

-It occurs in headphone amplifiers from 0.1W thru car-audio 
250W + to live performance amplifiers 1,5kW+

http://opiniuj.pl/files/Pentagram%20Vanquish%20R%20USB
%202GB.jpg

http://carphotos.cardomain.com/ride_images/1/1412/501/3527750065_large
.jpg

33

background image

Other amplifier classes

Class H
For small signals, the amplifier operates as a normal 2AB amplifier 
but as we approach the maximum output signal, built-in 
converter increases voltage for end stage in power amplifier which 
allows to obtain even 4-fold increase in output power, at the same 
power supply voltage. It occurs most often in power amplifiers used 
in cars where the limitation is the low voltage (12V). 

http://www.proelectronic.rs/upload/thumbnails/400x400/7170_chip_
tda1560q.jpg

It is worth noting that 
the supply voltage is 
increased in the rhythm 
of the signal only in the 
channel, and only when 
necessary.

An example of such 
amplifier is TDA1560Q

34

background image

H-class Pros and Cons

Pros:

-Such as2AB

-The ability to achieve higher power output at the 
same supply voltage 

Cons:

-Such as 2AB

35

background image

H-class applications

-End stages in power amplifiers

-It occurs in car-audio and performance amplifiers 1,5kW+

http://www.ads.com.pl/files/hxi_3000_big.jpg

36

background image

Basic power amplifiers 
parameters

Power gain (Kp)
Output power[W]
THD- Total Harmonic Distortion[%]
Input/output impedance
Bandwidth [Hz]
Efficiency [%]
Output noise voltage [mV]
Quiescent Current [mA]

37

background image

Basic parameters

Power gain  of amplifier is the power 
output divided by power input.

Output power its power that amplifier can 
produce on nominal load impedance at a 
given frequency or frequency range, without 
exceeding a specific distortion ratio within 
10 minutes.

38

background image

Basic parameters

Nonlinear distortions (THD) rely on the 
formation of harmonic and combined 
frequencies signal. The signal at the output 
of the device contains additional 
components that were not present in the 
input signal. If harmonic distortions are less 
than 10% they are practically unnoticeable 
for the typical listener.

39

background image

Basic parameters

Input impedance of the amplifier is 
impedance, which the input of the amplifier 
represents for the rated operating 
conditions.

Output impedance determines the value 
of the load impedance, which may be 
attached at a specific efficiency of the 
amplifier.

40

background image

Basic parameters

Bandwidth is the range of frequencies 
transmitted by the amplifier. Frequency is 
determined for the 3dB rolloff to flat part of 
frequency characteristics.
According to PN-74 / T-06251/07 for Hi-Fi 
amplifiers minimum bandwidth should be 
40Hz - 16kHz.

41

background image

Basic parameters

Energy efficiency is defined as the 
percentage ratio of the output power of the 
amplifier to a power drawn from the power 
source. This is an important criterion for 
assessing the quality of the power amplifier.

42

background image

Basic parameters

Output noise voltage at the output is the 
maximum amplitude of the noise at the 
amplifier output with input shorted down.

Quiescent current is the current drawn by 
the amplifier from the power source when 
there is no signal connected to the input.

43

background image

Input Circuits of Power 
Amplifiers

Historically the A-class amplifier was used as 
the input circuit of the power amplifier 
because it ensured low distortion and 
impedance matching between input and 
output. High input and low output 
impedance.

However, the A-class amplifier input circuit 
was replaced by a differential amplifier.

44

background image

Differential amplifier

Amplifier whose output voltage depends on the 
voltage difference between the inputs of the amplifier. 
In its simplest version is composed of two transistors 
coupled together via an emitter resistor Re.
This resistor stabilizes the operating points of the two 
transistors and forces the Ie emitter current flowing in 
a common circuit which is equal to the sum of the 
currents of both transistors.
At high resistance Re,  current Ie does not depend on 
the intensity of the currents at the inputs, and is 
constant. 

45

background image

Differential amplifier

Exemplary schematic of differential amplifier :

46

background image

Differential amplifier

In the construction of differential 
amplifiers we look for high differential 
gain Kur, high control signal damping 
factor Hs, high input resistance and small 
signal unbalance and small drift. 
Transistors should have parameters as 
close as possible to each other.

47

background image

Differential amplifier

Improving the performance of the 
amplifier requires an increase in 
transistor current gain βo, increase in the 
resistance Re and increase in resistance 
Rc. 
Instead of a resistor R and Rc current 
sources are used, it is easier to produce a 
current source and current mirror in a 
single chip than the resistor.

48

background image

Differential amplifier

Differential amplifiers are used as the input circuit 
of power amplifiers and operational amplifiers. 
An example of an operational amplifier internals:

http://www.national.com/ds/LM/LM124.pdf

49

background image

http://www.national.com/ds/LM/LM124.
pdf

Operational amplifier

    Puzzle time

50


Document Outline