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　図1は，4Ωの負荷で10Wを出力することのできる，B級パワーアンプの出力部分のみを取り出して簡略化した回路です．NPNトランジスタとPNPトランジスタで構成しています．この回路に，出力が約10W(出力電圧6.3Vrms)となるような1kHzの信号を加えました．このとき，トランジスタQ₁およびQ₂の消費電力の合計値として最も近いのは，次の(A)～(D)のどれでしょう？

　トランジスタの消費電力は，コレクタ・エミッタ間の電圧とコレクタ電流を掛け合わせたものです．出力電圧の変化によって，それぞれのトランジスタのコレクタ電流と，コレクタ・エミッタ間の電圧がどのように変化するのかを考え，負荷抵抗で発生する電力と比較すれば，答えがわかります．

　図1の回路は，B級パワーアンプなので，無信号時にトランジスタには電流が流れていません．出力信号が正側に振れたとき，トランジスタQ₁が負荷抵抗(R_L)に電流を供給するためQ₂に電流が流れません．出力信号が大きいほどR_Lに流れる電流が大きくなり，コレクタ電流も大きくなりますが，コレクタ・エミッタ間電圧は小さくなります．
　また，出力信号が負側に振れたとき，Q₁には電流が流れず，Q₂がR_Lに流れる電流を供給します．Q₂のコレクタ電流も信号が大きいほど大きくなり，コレクタ・エミッタ間電圧は小さくなります．
　このような動作を踏まえて，B級パワーアンプで最大出力を出しているときの，トランジスタの消費電力を計算すると，負荷で発生する電力の27%になります．最大出力10Wのアンプでは2.7Wです．(A)～(D)で2.7Wに一番近いのは(A)の3Wです．そのため正解は(A)ということになります．

●B級パワーアンプの動作
　トランジスタの消費電力を計算する前に，B級パワーアンプの動作について考えてみます．まず，図1の回路で10Wを出力できるようにするには，電源電圧をいくつにすればよいかを計算します．通常の回路では，Q₁，Q₂のベース電圧はV_ccおよびV_eeで制約されます．しかし，今回は，Q₁，Q₂のベース電圧がV_ccおよびV_eeで制約されない前提で計算します．負荷抵抗(R_L)に発生する電力（P_L)は出力電圧をV_Oとすると式1で計算できます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　この式を変形してV_Oを求め，値を代入すると式2のようにV_Oは，6.3Vrmsとなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　6.3Vは，実効値なのでV_Oのピーク値は√2倍した8.9Vです．8.9V出力できるようにするため，電源電圧は若干の余裕を見て±9Vとします．そのためにV_cc，V_ee共に9Vに設定します．
　次に，この回路の動作を考えてみます．図1において，無信号時は入力端子(In)の電圧は0Vです．また，負荷抵抗(R_L)はGNDに接続されているため，出力端子(Out)の電圧も0Vです．そのため，トランジスタQ₁，Q₂ともにベース・エミッタ間電圧は0Vとなり，どちらもコレクタ電流は流れません．
　入力信号が正側に増加し，約0.7Vよりも大きくなると，トランジスタQ₁が動作を始めます．入力電圧の上昇に伴って，Q₁のエミッタ（Out)の電圧も上昇し，R_Lに電流を供給します．
　次に，入力信号が負側に増加し，約0.7Vよりも大きくなると，トランジスタQ₂が動作を始めます．入力電圧の下降に伴って，Q₂のエミッタ（Out)の電圧が下降し，R_Lに電流を供給します．このように，入力電圧が±0.7V以内では出力電圧が変化しない不感帯が存在するため，出力波形はゼロ・クロス付近でひずみます．このひずみをクロスオーバひずみと呼びます．

●B級パワーアンプの動作をシミュレーションする
　図2は，図1のシミュレーション用の回路図です．出力振幅のピーク値が8.9Vになるよう，VinはQ₁，Q₂のベース・エミッタ間電圧を加算した，片側ピーク電圧9.7Vで1kHzの正弦波とします．

　図3はそのシミュレーション結果です．図3の中段Bは入力端子(In)の電圧と出力端子(Out)の電圧です．また，下段Cは，中段Bの1msec付近の波形を拡大表示したものです．V(In)が±0.7V以内のときは，V(Out)は0Vですが，±0.7Vよりも大きくなると，V(In)に追従した電圧となっていることがわかります．また，出力波形はゼロクロス付近に段差があり，クロスオーバひずみが発生していることがわかります．
　図3の上段Aは，Q₁，Q₂のコレクタ電流を表示しています．V(In)が正電圧のときは，Q₁のみに電流が流れ，Q₂のコレクタ電流は0となっています．逆に．V(In)が負電圧のときは，Q₂のみに電流が流れ，Q₁のコレクタ電流は0となっていることがわかります．

●トランジスタの消費電力を計算する
　次にトランジスタの消費電力を計算してみます．Q₁のコレクタ電流(I_C1)は出力電圧の絶対値をV_OPとすると式3となります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　Q₁の消費電力(P_Q1)は正電源の値をV_ccとすると，式4になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　「V_cc=V_ee」として出力電圧の絶対値をV_OPとすると，Q₂の消費電力(P_Q2)も式4で計算することができます．出力電圧が正弦波の場合，P_Q1は正の半サイクルでは式4で表されますが，負の半サイクルは0になります．また．P_Q2は正の半サイクルで0になり，負の半サイクルは式4で表されます．したがって，正弦波1周期のQ₁+Q₂の消費電力(P_Q)の平均値は式4を使用して，半サイクル期間の平均値を求めればよいことになります．出力電圧を「V_OP*sin(ωt)」という正弦波とすると，式4は式5に変形できます．

・・・・・(5)

　出力最大の状態である「V_OP=V_cc」として，式5の正の半サイクルの平均値を計算すると式6になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　「V_OP=V_cc」のとき，負荷抵抗で発生する電力はV_cc²/(2*R_L)です．式6より，トランジスタの消費電力は負荷抵抗で発生する電力に「(4-π)/π=0.27」を掛けたものになることがわかります．つまり，B級パワーアンプで最大出力を出しているときの，トランジスタの消費電力は，負荷抵抗で発生する電力の27%になります．A級パワーアンプではトランジスタの消費電力は負荷抵抗で発生する電力の3倍ですから，B級パワーアンプは大幅に効率が良いことがわかります．

●トランジスタの消費電力をシミュレーションする
　図4は，図2の回路の消費電力のシミュレーション結果です．下段が出力電圧波形，中段が負荷抵抗の消費電力，上段がトランジスタQ₁，Q₂の消費電力を足し合わせたものです．出力電力は計算よりも若干少ない9Wですが，トランジスタの消費電力は，ほぼ計算通りの2.78Wとなっています．

●AB級パワーアンプをシミュレーションする
　図5は，図2の回路にバイアス電源を追加してAB級パワーアンプとしたものです．入力電圧が0Vのときも，Q₁とQ₂のベース・エミッタ間には0.7Vの電圧が加わることになります．そのため，無信号時にもQ₁とQ₂には小さな電流が流れることになります．そして，入力電圧が少しでも大きくなると，それに対応して出力電圧が大きくなります．つまりB級パワーアンプのような不感帯が無いため，B級パワーアンプに比べるとクロスオーバひずみが小さくなります．

　図6は，図5のシミュレーション結果です．図3と比べてクロスオーバひずみが小さくなっていることがわかります．また，Q₁，Q₂のコレクタ電流のつながりもなめらかになっています．図5では理想電圧源を使ったバイアス回路になっていますが，実際はダイオードやトランジスタを使った，様々なバイアス回路が考案され使われています．

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice2_037.zip

●データ・ファイル内容
ClassB.asc：図2の回路
ClassAB.asc：図5の回路

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