4倍の出力電力が得られるフィルタレスD級アンプ

■問題
オーディオ回路

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，通常のオーディオ用D級パワーアンプより，フィルタレスで部品点数が少なく，2つの出力によるブリッジ出力で，1つの出力アンプに比べ，4倍の出力電力が得られるD級パワーアンプの簡易ブロック図です．
　Vinが入力信号で，コンパレータの－端子(Saw)には，振幅1V（最低電圧2V，最大電圧3V）で500kHzの「のこぎり波」が加えられています．2つのコンパレータの出力には，MOSトランジスタによるインバータが接続され，Vddに5Vの直流電圧が印加されています．インバータの出力(Out+，Out-)にスピーカが接続されていますが，入力信号が0Vのとき，このスピーカに印加される電圧波形は，図2の(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　フィルタレス・ブリッジ出力型D級パワーアンプの簡易ブロック図

図2　スピーカに印加される正しい電圧波形は？

(a)の波形　(b)の波形　(c)の波形　(d)の波形

■ヒント

　図1の回路は，出力段のLCフィルタが省略可能で電力効率の良い，フィルタレス・ブリッジ出力型D級パワーアンプと呼ばれるものです．入力信号が0Vのとき，それぞれのコンパレータ出力がどのような波形になるかを考えれば，答えは簡単に分かります．

■解答

(a)の波形

　入力信号が0Vのとき，それぞれのコンパレータ出力は，全く同じ500kHzの矩形波になります．そして，Out+とOut-の波形も同じ500kHzの矩形波になります．Out+とOut-の波形が同じなので，その差電圧は0Vです．そのため，正解は(a)の波形となります．
　図1の回路は，無信号時に，スピーカにスイッチング信号が印加されないため，通常のD級パワーアンプでは必要な，LCフィルタを省略できます．そのため，フィルタレスと呼ばれます．

■解説

●基本的なD級パワーアンプ
　D級パワーアンプは，PWMパワーアンプとも呼ばれ，通常のアンプに比べてアンプの損失電力が小さく，効率が良いという特長があります．効率が良いことから，ポータブル機器では，バッテリ駆動時間を長くすることが可能です．また，大電力アンプでは発熱が少ないことから，小型化が可能になります．
　図3は，最も基本的なD級パワーアンプをシミュレーションするための回路です．入力信号とのこぎり波をコンパレータで比較することで，コンパレータ出力は，入力信号によってパルス幅の変わる矩形波になります．コンパレータ出力はMOSトランジスタによるインバータにより，低出力インピーダンスのPWM出力となります．L₂とC₁によるローパス・フィルタは，PWM出力の高周波信号を取り除くためのものです．

図3　基本的なD級パワーアンプをシミュレーションするための回路

　また，ローパス・フィルタ出力は，1/2Vddを中心とした信号となるため，直流成分を取り除くために大容量のカップリング・コンデンサ(C₂)も必要になります．入力信号はピーク電圧0.4Vで1kHzの正弦波です．なお，使用しているコンパレータは，内部回路を電圧制御電圧で構成しており，Vccという変数で電源電圧を指定できるようにしています．
　図4は，図3のシミュレーション結果です．上段がPWM出力で，下段がローパス・フィルタ出力[V(LPF_O)]とスピーカ印加電圧[V(Out)]を表示しています．スピーカ印加電圧は，ピーク電圧2Vの正弦波となっており，入力信号のピーク電圧が0.4Vなので，ゲイン5倍のパワーアンプとして動作していることが分かります．

図4　図3のシミュレーション結果
スピーカ印加電圧はピーク電圧2Vの正弦波となっている．

　また，(a)と(b)に，時間軸を拡大した，PWM出力と+端子電圧(Saw)，入力端子電圧[V(in)]の波形も表示しています．(a)は入力信号が上側に振れた0.25ms部分を拡大したものです．また，(b)は入力電圧が下側に振れた，0.75ms部分を拡大したものです．(a)の入力信号波形が上側に振れているとき，パルス幅が大きく，(b)の入力信号波形が下側に振れているとき，パルス幅が小さくなっています．

●最大電力を4倍とするD級パワーアンプ
　図5は，ブリッジ出力型D級パワーアンプをシミュレーションするための回路です．図3の通常のD級パワーアンプは，直流成分をカットするために大容量のコンデンサが必要でした．しかし，図5のブリッジ出力型D級パワーアンプとすることで，このコンデンサを省略できます．また，ブリッジ出力型D級パワーアンプは，同じ電源電圧で，図3の通常のD級パワーアンプの2倍の電圧出力が得られ，スピーカで発生する最大電力を4倍とすることができます．

図5　ブリッジ出力型D級パワーアンプをシミュレーションするための回路
コンパレータ(X₂)の入力端子の接続は，コンパレータ(X₁)とは逆になっている．

　図3と同様な回路を2組使用し，それぞれの出力(Out+とOut-)にスピーカを接続しています．無信号時のOut+とOut-の直流電圧は等しいため，スピーカを直結することが可能です．下側の回路のコンパレータ(X₂)の入力端子の接続は，上側の回路のコンパレータ(X₁)とは逆になっています．接続を逆にすることで，Out-端子のオーディオ出力の位相が，Out+端子とは逆位相となり，スピーカに印加される電圧が，図3の回路の2倍になります．
　図6は，図5のシミュレーション結果です．Out+端子とOut-端子のオーディオ出力は，逆位相となっています．そのため，スピーカに印加される電圧（Out+とOut-の差電圧）は，Out+端子とOut-端子それぞれの出力電圧の2倍になっています．消費電力は，電圧の2乗に比例するため，スピーカで発生する電力は，図3の回路の4倍になります．

図6　図5のシミュレーション結果
Out+端子とOut-端子のオーディオ出力は逆位相となっている．

　図7は，図5の入力信号が0Vのとき，PWM1端子とPWM2端子の波形の時間軸を拡大したものです．のこぎり波の周波数と同じ500kHzの矩形波となっています．インバータ出力のPWM1とPWM2の出力電圧は，互いに逆位相となっていることが分かります．そのため，PWM1端子とPWM2端子に直接スピーカを接続すると，2倍の振幅の500kHzの矩形波がスピーカに加わることになります．そこで，矩形波がスピーカに加わらないようにするには，それぞれの出力に，LCローパス・フィルタを入れる必要があります．

図7　PW1端子とPWM2端子の波形の時間軸を拡大した図
PWM1とPWM2の出力電圧は，互いに逆位相となっている．

●LCフィルタを省略できるD級パワーアンプ
　図8は，図1のフィルタレス・ブリッジ出力型D級パワーアンプをシミュレーションするための回路です．図8は，図5の回路で必要だった出力LCフィルタを省略するために考えられました．

図8　フィルタレス・ブリッジ出力型D級パワーアンプの回路
ゲイン1の反転アンプが追加されている．

　図8は，図5の回路とは異なり，のこぎり波信号は，コンパレータ(X₁)，コンパレータ(X₂)ともに＋入力端子に入力されています．オペアンプ(X₃)によるゲイン1の反転アンプが追加されており，その出力はコンパレータ(X₂)の－入力端子に接続されています．
　このように接続すると，入力信号が0Vのとき，コンパレータ(X₁)とコンパレータ(X₂)の出力は全く同じ500khzの矩形波になります．Out+端子とOut-端子の信号も全く同じになるため，スピーカに印加されるOut+とOut-の差電圧は0Vとなります．そのため，無信号時に関してはLCローパスフィルタは省略しても全く問題ありません．ただし，信号を入力した場合は，500kHzの矩形波信号がスピーカに印加されることになります．しかし，スピーカのインダクタンスにより，高周波電流が小さくなるため，用途によってLCローパスフィルタを省略することができます．
　図9は，図8のシミュレーション結果です．上段がスピーカに印加されている電圧波形で，下段がスピーカに流れる電流波形です．

図9　フィルタレス・ブリッジ出力型D級パワーアンプのシミュレーション結果
スピーカに流れる電流は高周波電流が少なく，オーディオ信号が主体となっている．

　スピーカに印加される電圧（Out+とOut-の差電圧）は，オーディオ信号が＋の場合は+5Vで，オーディオ信号が－の場合は-5Vとなっています．スピーカに流れる電流は，スピーカのインダクタンスの効果で高周波電流が少なく，オーディオ信号が主体となっています．

●入力信号のレベルごとに波形を確認する
　入力信号のレベル(入力信号が0V，上側に振れたとき，下側に振れたとき)ごとに，Out+とOut-および，スピーカ印加電圧[V(Out+，Out-)]の波形がどのようになっているかを確認するため，時間軸を拡大したものが，図10から図12になります．
　図10は，入力信号が0VのときのOut+，Out-，スピーカ印加電圧の波形です．入力信号が0のときは，スピーカの両端電圧も0Vとなっていることが分かります．

図10　入力信号が0Vのとき
入力信号が0のときは，スピーカの両端電圧も0Vとなっている．

　図11は，入力信号が上側に振れたとき(0.25ms部分)のOut+，Out-，スピーカ印加電圧の波形です．スピーカ印加電圧は，＋側のデューティが広い，振幅5Vの矩形波になっています．

図11　入力信号が上側に振れたとき
スピーカ印加電圧は＋側のデューティが広い，振幅5Vの矩形波

　図12は，入力信号が下側に振れたとき(0.75ms部分)のOut+，Out-，スピーカ印加電圧の波形です．スピーカ印加電圧は，－側のデューティが広い，振幅5Vの矩形波になっています．

図12　入力信号が下側に振れたとき
スピーカ印加電圧は－側のデューティが広い，振幅5Vの矩形波

　以上，フィルタレス・ブリッジ出力型D級パワーアンプの動作について解説しました．フィルタレスという名前になっていますが，無信号時以外は高周波信号がスピーカに印加されるため，スピーカ・ケーブルが長い場合や出力電圧が大きい場合は，LCフィルタ等を追加する必要があります．また，実際のフィルタレス・ブリッジ出力型D級パワーアンプICでは，出力の貫通電流防止回路やひずみ低減回路など，さまざまな改善回路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．
LTspice8_014.zip

●データ・ファイル内容
PWM_PW.asc：図3の回路
LimitAmp.asy:コンパレータのシンボル
LimitAMP.asc:コンパレータの内部回路
PWM_PW_BG.asc：図5の回路
FL_PWM_PW.asc：図8の回路