Der "CURRENT DUMPING AUDIO AMPLIFIER"

Bei uns wurde das mit "Strom Lade-Verstärker" übersetzt und das hatte damals 1975 natürlich niemand so richtig verstanden. Es klang wirklich toll und das hatte niemand und das wurde gelobt, daß sich die Balken biegen. Keiner wollte sich eingestehen (müssen), daß er überhaupt nicht kapiert hatte, was da passierte.
Das galt auch für uns Jungingenieure. Darum nach 40 Jahren mal eine Erklärung zum Verstehen.

Was heißt denn nun "Curent Dumping" ?

"Curent Dumping" heißt nichts anderes als den Strom "herunter zu drücken".

Wofür braucht man das ? Erstens: das kommt nur bei Transistor Verstärkern vor. Transistoren sind eigentlich Strom-Schalter, keine Spannungs-Schalter. Und beim Einschalten des Stromes haben sie eine physikalische Macke. Die ersten 0,7 Volt Spannungsunterschied lassen (noch) keinen Strom fließen. Das ist doof, denn bei kleinen Lautstärken müßte ja auch ganz unten im "untersten" Lautstärkebereich bereits ein kleiner Strom fließen. Das tut er aber nicht und darum muß man etwas nachhelfen.

Der Schaltungs- oder Verstärker- Entwickler läßt nämlich durch die beiden dicken Leistungstransistoren ein wenig "Ruhestrom" fließen, nur ein klein wenig. Das reicht, um den Arbeitsbereich so weit zu verschieben, daß jetzt auch kleine Musiksignale (= kleiner Strom - aber jetzt + Ruhestrom) verzerrungsfrei verstärkt werden können.

Anmerkung : Das war leider eine große Macke bei dem ersten BRAUN Edel-Verstärker, dem CSV 1000 von 1966. Damals hatten sie bei BRAUN (laut Chefentwickler Hasselbach) dieses Problem noch nicht im Griff und der Klirrfaktor bei Leistungen unter 1 Watt lag bei etwa 5%. Darüber hinaus sank der Klirrfaktor dann aber bis zur Nennleistung von 50 Watt auf unter 0,1%.

Der Ruhestrom veränderte sich aber mit der Temperatur.

So toll und genial wie das nun mit der Erkenntnis vom Ruhestrom war, der schwankte (er stieg an) plötzlich mit zunehmender Temperatur und die Endstufen wurden alle langsam wärmer und immer wärmer. Der Ruhestrom durfte aber nicht aus dem Ruder laufen, denn dann stimmten die anderen Eigenschaften nicht mehr. Er mußte geregelt werden, das bedeutet: nach oben hin ausgebremst werden. Er mußte "gedumpt" (herunter gedrückt) werden.

Das wiederum war auch nicht mehr so einfach, denn auf den bis dato bereits ausgekügelten (Schutz- oder Regel-) Schaltungen lagen Patente drauf und die galten 20 Jahre lang.

Eine neue Idee für ein bekanntes Problem

So in etwa müssen Sie sich die Entwicklung ab 1965 vorstellen, es war ein Kampf hinter den Kulissen um Rechte und Patente und Lizenzen - es ging ums Geld. bestes Beispiel war die BRAUN LS1, damals eine ESL 57 Lizenz von QUAD.

Wenn Peter Walker (auch) alle seine Erfahrung an BRAUN - in dem Fall an Wolfgang Hasselbach - weiter gegeben hätte, hätte Quad den deutschen Markt komplett "abschreiben" können. Die ESL 57 sah nämlich bereits sehr antiquiert aus. Und der BRAUN CSV 30 hatte mit 2 x 30 Watt mehr Leistung als der QUAD II mit nur 15 Watt und er hatte spezielle LS1 Anschlüsse. Und so wurde die BRAUN LS1 ein teurer FLop - es fehlte das Knowhow zu der Lizenz.

Zurück zum CURRENT DUMPING Verstärker

Dieses "Dumping" Konzept macht also nichts weiter, als den Ruhestrom der Endstufe automatisch auf seinen vorbestimmten und ausprobierten Wert auszuregeln, unter Verzicht auf irgendwelche (Trimm-) Potis wie bei Grundig und BRAUN und all den anderen Endstufen, vor allem den Japanern. Die allermeisten Verstärker haben pro Endstufe (mindestens) zwei Trimm-Potis, für die "Symmetrie" und für den "Bias" (den Ruhestrom).

Das automatische Ausregeln bedeutete hingegen wieder, dieser Regelkreis mußte thermisch stabil und hochgenau sein.

Werfen wir einen Blick in die original englische Beschreibung von Peter Walker :

CURRENT DUMPING AUDIO AMPLIFIER

P. J. Walker and M. P. Albinson - Acoustical Mfg. Co. Ltd., HUNTINGDON, England

A NEW AUDIO AMPLIFIER OUTPUT STAGE, IN WHICH THE LINEARITY OF THE MAIN CURRENT CARRYING OUTPUT TRANSISTORS HAS NO BEARING ON THE OVERALL AMPLIFIER PERFORMANCE, HENCE THE NEED FOR BIASING AND ALLIED PROBLEMS ASSOCIATED WITH CROSSOVER ARE ELIMINATED.
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Am Beispiel des Class B Verstärkers erklärt :

Because of the thermal limitations of transistors the vast majority of audio amplifiers employ an output stage operating in class B, in which alternate output transistors handle the negative and positive signal excursions.

The output transistors are carefully biased to obtain a reasonably smooth transition from one to the other. If the bias is insufficient there will be a discontinuity in the transfer characteristic. If the bias is too great, there will be a region of overlap where the mutual conductance will be doubled.

Wanted : Der perfekte BIAS

The curvature of the characteristic near cut-off precludes there being a 'perfect' bias condition and this is further aggravated by the fact that the junction temperature and hence the bias is a variable factor depending on the long term and immediate past history of the programme dynamics. A compromise is selected and overall feedback is applied to obtain an acceptably linear characteristic.

The final criterion of a high quality audio amplifier is, that it does not degrade the signal. Thus if the programme being fed to the amplifier is auditioned and compared with the programme after it has passed through the amplifier, there shall be no detectable difference no matter how refined the test.

The authors will be the first to agree that a class B amplifier carefully designed and properly adjusted can meet this criterion. Nevertheless, considerable effort has been expended by Blomley* and others to mitigate the problems of class B in order to meet the criterion with greater ease, greater ruggedness, greater simplicity, etc, etc.

* Wireless World, February 1971.

Wie sieht die Lösung von QUAD aus ?

The solution presented in this paper relies on the fact that a low powered amplifier of one or two watts does not have the same restrictions as one of higher power. It can be simple class A for example and the higher cut-off frequencies enable a wide bandwidth to be obtained.

Thus we start by providing a low powered high quality amplifier of well defined mutual conductance capable of the full output voltage swing but with limited current capability. Next we arrange that current drawn by the load turns on heavy duty 'current dumping' transistors which then carry the major part of the output current. This dumping current is separately monitored and fed back to the common input. The amount of the feedback is such that the mutual conductance is the same whether or not the current dumpers are operating.

Hier eine deutlich vereinfachte Darstellung :

Fig. 1 shows the action of the circuit in simplified form. The Operational-Amp "A" is the low powered amplifier feeding the load via Z3.

Tr1 and Tr2 are the current dumping transistors (Leistungstransistoren) and Z4 monitors their current. We have assumed for purposes of explanation that Z4 is small compared to Zt and that the voltage gain of amplifier "A" is solely dependent on the impedances Z1 and Z2.

It will be seen from the expression for the current in the load that if (Z4 * Z2) dividiert durch (Z1 + Z3)is made equal to unity then the transfer characteristic becomes independent of I4 (dem Strom I4).

Unabhängig von den Leistungstransistoren

It follows, that distortion in Tr1 and/or Tr2 has no effect whatever on the amplifier output. The requirement for Tr1 and Tr2 is solely that they be sufficiently accurate and sufficiently fast to prevent the low powered amplifier from overloading.

Fig. 1 represents an amplifier with a mutual conductance defined solely by four linear components and the 'goodness' of amplifier "A". It will be clear that the voltage or part of the voltage across the load can be incorporated in the input circuit without affecting the unique linearity of the system. Thus if V(in) is returned to the bottom end of the load we have an amplifier whose output source impedance is Z4 and Z3 in parallel.

Kleine Nebenbedingungen

The requirements for a practical amplifier are, that the internal source impedance is small compared with the load and there is a further stability requirement that the internal loop gain falls with frequency. Both these conditions are met by the use of an inductor for Z4, a capacitor for Z2 and resistors for Z, and Z3, the required impedance ratio being unaffected.

Fig. 2 shows an amplifier in a practical form with typical values included. For the linearity of Tr1 and Tr2 to be immaterial then L must equal RRC. The internal impedance will be virtually 3-3uH, a small fraction of an ohm at audio frequencies. It will be seen that this impedance holds whether or not the dumpers are operating, a conclusion which must follow from the basic theory of operation.

We have stated two requirements.

The first of these relates to the ratio of the four impedances, so that we need to know the accuracy required. With the values given, an error of 5% would produce a worst case IM product of less than 0,1% at 10kHz and less than 0,01% at 1 kHz. They will have a maximum amplitude such that if the amplifier has a power output of 100 watts these products will be some 120dB down relative to full power at 10kHz, and 140dB down relative to full power at 1kHz. Thus the balance is by no means critical and with reasonable tolerances, fixed components can be used without adjustment facilities.

The second requirement is that Tr1 and Tr2 be sufficiently fast to prevent the low powered amplifier from overloading. Clearly they must be sufficiently fast to achieve this over the audio spectrum of the programme. There is, however, nothing whatever to say that they must do so at frequencies outside the audio range provided that steps are taken in the design of the whole amplifier to ensure that any such frequencies that may be present do not embarrass the amplifier performance within the audio range.

Wenn alles problemlos funktioniert .....

If the system is properly designed, it is possible to use relatively slow devices - inherently more rugged that fast devices - and to show in theory and practice that they will never fail to come to the rescue of the low powered amplifier on any programme.

If, however, the criteria are thought to be response to step functions, square waves and other factors not relevant to programme, then of course faster dumpers must be used commensurate with the rise times involved. This is a problem to some extent common to all power amplifier design and evaluation but the relevant factors are perhaps shown in clearer perspective with the present approach.

Die Zusammenfassung

The advantages of the new technique may be summarised:

1. Since no matching of pairs is necessary, the heavy duty transistor can be robust NPN rather than the more fragile PNP types.
2. Crossover biasing problems are eliminated. There are no adjustable components and no alignment is required. Hence there is nothing to go out of adjustment during life and in the event of any component failure, replacement can be effected without re-alignment procedure.
3. There are no changes in performance due to junction temperature changes.

Text of a paper presented to the 50th convention of the A.E.S.

Und natürlich kein Wort über die "Disadvantages". Die gab es nämlich auch noch. Doch davon später, wenn ich die Tests gefunden habe.
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