出力100WのMOSFETパワーアンプ

■問題
オーディオ・アンプ ― 初級

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，MOSFETを出力段に使用した，出力100Wのオーディオ用パワー・アンプです．M₁がNチャネル型MOSFETで，M₂がPチャネル型MOSFETのB級プッシュプル回路を構成しています．B級プッシュプル回路のアイドリング電流（無信号時にM₁およびM₂に流れる電流）は，R₇の両端電圧(V_X)で決まります．図1の定数のとき，V_Xの値として，もっとも近いのは(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　MOSFETを使用した，出力100Wのオーディオ用パワー・アンプ
ただし，全てのNPNトランジスタとPNPトランジスタのベース・エミッタ間電圧は，0.6Vとします．また，ベース電流などは無視します．

(a) 2.1V　(b) 4.2V　(c) 8.4V　(d) 16.8V

■ヒント

　V_Xは，R₇の両端電圧なので，R₇の電流が分かれば簡単に計算できます．まず，Q₉の電流がいくつになるかを計算し，その結果からR₁₃，R₁₄の電圧を計算します．その値からQ₅の電流を計算することができます．R₇の電流はQ₅の電流と同じです．

■解答

(c)8.4V

　R15の両端電圧は，Q₁₀のベース・エミッタ間電圧と同じなので，Q₉の電流は「0.6/470=1.3mA」です．Q₇の電流はその半分になります．そのため，R₁₃，R₁₄の電圧は「1.3m*3.9k/2=2.5V」になります．
　次に，R₉の電圧は，R₁₃，R₁₄の電圧から0.6Vを引いたものです．なので，R₉の電流は「(2.5-0.6)100=19mA」になります．Q₅の電流はその半分となるため，9.5mAになります．この電流がR₇に流れるので，R₇の電圧降下は「9.5m*890=8.4V」となり，V_Xの値は8.4Vということになります．

■解説

●MOSFETによるB級プッシュプル回路
　通常，大出力パワーアンプの出力段は，B級プッシュプル回路となっています．2つのトランジスタが，それぞれ，出力電圧プラスのときとマイナスのときを分担して働くことで，無信号時の電流を小さくすることができます．
　図2は，MOSFETを使用したB級プッシュプル回路をシミュレーションするための回路です．Nチャネル型MOSFETのM₁とPチャネル型MOSFETのM₂はそれぞれソース・フォロアとして動作します．出力電圧がプラスのとき，Nチャネル型MOSFETのM₁が動作し，出力電圧がマイナスのとき，Pチャネル型MOSFETのM₂が動作します．入力信号は，ピーク電圧10Vで1kHzの正弦波となっています．V₃は，M₁とM₂にバイアスを与えるための電圧源です．
　図2では，バイアス電圧の値をV_Xとし，0Vと8Vに変化させてシミュレーションを行います．なお，VinのDCオフセット電圧は-V_X/2として，出力電圧がGND電位を中心に振れるようにしてあります．

図2　MOSFETを使用したB級プッシュプル回路
V_Xの値を変えてシミュレーションを行う．

　図3は，MOSFETを使用したB級プッシュプル回路のシミュレーション結果です．上段が出力電圧で，下段がM₁，M₂のドレイン電流です．「V_X=0V」のとき，出力波形はかなりひずんでいます．しかし，「V_X=8V」のときは，正弦波となっています．
　また，出力電圧がプラスのとき，M₂には電流が流れず，M₁のドレイン電流が流れます．出力電圧がマイナスのとき，M₁には電流が流れず，M₂のドレイン電流が流れていることが分かります．
　V_Xの値が小さいと，出力のひずみが大きくなり，逆にV_Xを大きくすると，無信号時にM₁，M₂に流れる電流が多くなります．

図3　MOSFETを使用したB級プッシュプル回路のシミュレーション結果
V_X=0Vのときの出力波形はかなりひずんでいる．

●ベース・エミッタ電圧に比例した電流源
　図4は，図1の回路に使用されている電流源です．この電流源を使用して，V_Xの値も決定されています．

図4　ベース・エミッタ電圧に比例した電流源
I_CはV₁が変化してもあまり変化しない．

　この回路は，V₁の電圧が変化しても，Q₉の電流はあまり変化せず，一定の電流になります．それは，V₁が変化すると，Q₁₀の電流は変動します．しかし，Q₁₀のベース・エミッタ間電圧は，それほど変化しないためです．Q₁₀のベース・エミッタ間電圧をV_BEとすると，Q₉のコレクタ電流(I_C)は式1で表されます．

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

　このように，I_Cはベース・エミッタ間電圧に比例した電流になります．

●出力100WのMOSFETパワーアンプの動作とシミュレーション
　図5は，出力100WのMOSFETパワーアンプをシミュレーションするための回路です．動作点解析(.OP)を実行すると，R₇の両端電圧を表示するようになっています．この回路図を使用して，R₇の両端電圧のV_Xがどのように決まるかを考えてみます．

図5　出力100WのMOSFETパワーアンプをシミュレーションする回路
R₇の電圧降下(V_X)は7.4Vとなっている．

　まず，Q₉のコレクタ電流はQ₇とQ₈に1/2ずつ流れます．そのため，R₁₃の電圧(V_R13)は式1を使用し，式2のようになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　R₉の電圧は，V_R13からQ₅のベース・エミッタ間電圧を引いたものになり，R₉の電流(I_R9)は式3で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　I_R9の半分の電流がR₇に流れるため，R₇の電圧降下(V_X)は式4のようになります．

・・・・・(4)

　式4を見るとわかるように，V_Xはベース・エミッタ間電圧(V_BE)に比例する電圧になります．図5の定数を入れて計算すると，8.4Vになります．図5のシミュレーション結果でV_Xは，約7.4Vになっています．これは，Q₅，Q₆のベース電流によって，R₁₃，R₁₄の電圧が小さくなるため計算とシミュレーション結果に誤差がでます．
　図6は，図5の回路のトランジェント解析の結果です．上段がOUTの波形で，下段がRLで発生する電力です．RLで発生する電力の平均値は101Wとなっており，このアンプが100W出力が可能なことが分かります．

図6　出力100WのMOSFETパワーアンプのトランジェント解析結果
RLで発生する電力の平均値は101Wとなっている．

　なお，図1および図5の回路は，LTspiceのサンプルファイル(ドキュメント\LTspiceXVII\examples\Educational\100W.asc)を書き換えたものです．元になった100W.ascには，出力オフセット電圧を調整するための抵抗が追加されています．

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice6_029.zip

●データ・ファイル内容
MOSFET_Bclass.asc：図2の回路
MOSFET_Bclass.plt：図3のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
100W_MOSFET_AMP_OP.asc：図5の回路
100W_MOSFET_AMP.asc：図6をシミュレーションするための回路
100W_MOSFET_AMP.plt：図6のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル