AB級オーディオ用パワー・アンプの音を大きくする方法

■問題

【増幅回路】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，電源電圧5Vで使用する，OPアンプとトランジスタを組み合わせたAB級オーディオ用パワー・アンプです．使用しているOPアンプはレール・ツー・レール出力タイプです．パワー・アンプのゲインは20dBに設定され，その出力には1000μFのコンデンサを介し，8Ωのスピーカ[負荷抵抗(R_L)]が接続されています．入力信号は，2.5Vを中心に正負に振幅する信号です．
　図1の回路で，信号レベルを上げ，出力波形がクリップしたとき，スピーカからの音が最も大きいのは，(a)～(d)のどの回路でしょうか．

図1　電源電圧5Vで使用する，オーディオ用パワー・アンプ
出力信号の，ピーク・ツー・ピーク値が大きく，スピーカからの音が最も大きいのは？

(a)の回路　(b)の回路　(c)の回路　(d)の回路

■ヒント

　図1の(a)～(d)の回路の中には，正常な動作をしない回路も含まれています．まず，正常に動作する回路はどれかを考え，次に最大出力の大きな回路はどれか，という順番で考えると答えは簡単に分かります．

■解答

(b)の回路

　図1の(a)の回路は，ダイオードの向きが逆なので動作しません．(c)の回路は，コンデンサC₁とC₂の接続箇所が不適切なので正常に動作しません．(d)の回路は，動作はしますが，Q₁，Q₂のベース・エミッタ電圧とR₁，R₂の電圧降下の影響で，出力信号の，ピーク・ツー・ピーク値は3V程度です．
　(b)の回路は，C₁，C₂によるブートストラップ回路の効果で，出力信号の，ピーク・ツー・ピークは4.7V程度となります．そのため，ピーク・ツー・ピーク値が最も大きく，スピーカからの音が大きいのは，(b)の回路となります．

■解説

●エミッタ出力のオーディオ用パワー・アンプ
　図2は，OPアンプとトランジスタを組み合わせたAB級オーディオ用パワー・アンプです．図1の(d)の回路のバイアス回路を具体的な回路に変更したものです．

図2　OPアンプとトランジスタを組み合わせたAB級オーディオ用パワー・アンプ
出力信号は，トランジスタQ₁とQ₂のエミッタから出力される．

　R₅とR₇の抵抗分割で，電源電圧の1/2の電圧を作り，OPアンプの入力（In端子）にバイアス電圧を加えています．このパワー・アンプは，出力信号が正のときは，トランジスタ(Q₁)が出力電流を供給し，負のときはQ₂が出力電流を供給します．信号は，それぞれのトランジスタのエミッタから出力されるため，このような構成のパワー・アンプを，エミッタ出力のパワー・アンプと呼んでいます．なお，トランジスタQ₃とQ₄は，Q₁とQ₂にバイアス電圧を供給し，AB級動作とする働きをしています．
　入力が電源電圧の1/2の2.5Vでバイアスされているため，パワー・アンプの出力であるA点の無信号時の電圧は2.5Vになります．そのため，スピーカや負荷抵抗は，カップリング・コンデンサのC₆を介して接続することになります．

●エミッタ出力パワー・アンプの最大出力を計算
　このエミッタ出力パワー・アンプの最大出力を求めるため，A点の電圧の最大値と最小値について考えてみます．
　出力がクリップするような入力が加わると，OPアンプの出力はVccまたはGNDレベルになります．この条件でA点の電圧の最大値と最小値を計算します．
　トランジスタ(Q₁)のベース・エミッタ間電圧(VBE)を0.7Vとすると，B点の電圧は，A点の電圧よりも，0.7V高くなります．また，抵抗，R₁にはQ₁のベース電流による電圧降下が発生します．トランジスタのβを200とすると，A点の最大電圧は式1のように，約4Vになります．

・・・・・・・・・・・・(1)

　A点の最小電圧は，式2で計算することができて，約1Vになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　A点の最大電圧が4Vで最小電圧が1Vなので，A点の出力信号のピーク・ツー・ピーク値の最大値は約3Vになります．ピーク・ツー・ピーク値が3Vの正弦波出力の場合，8Ωの負荷抵抗に発生する電力(P₁)は式3のように，0.14Wになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

●エミッタ出力パワー・アンプの最大出力の確認
　図2の回路では，入力信号の正弦波の振幅を「Vin」という変数にして，「.step」コマンドで0.1，0.2，0.25と変化させて，出力波形がどのようになるかシミュレーションします．図3が図2の回路のシミュレーション結果です．

図3　図2の回路のシミュレーション結果
クリップした波形のピーク・ツー・ピーク値は，約3Vになっている．

　Vinが0.1Vのときは出力は正弦波になっていますが，Vinが0.2Vと0.25のときは出力はクリップしています．クリップした波形のピーク・ツー・ピーク値は，約3Vになっていることが分かります．

●ブートストラップ回路を追加
　ブートストラップ回路を使用すると，エミッタ出力パワー・アンプの最大出力を大きくすることができます．
　図4は，図2の回路にブートストラップ回路を追加したものです．C₁とD₁およびC₂とD₂でブートストラップ回路を構成しています．

図4　ブートストラップを追加したエミッタ出力オーディオ用パワー・アンプ
C₁とD₁およびC₂とD₂がブートストラップ回路を構成している．

　無信号時のD点の電圧は，Vccよりも0.6V(ダイオードの順方向電圧)だけ低い電圧になっています．信号が入力されると，A点の出力信号がC₁を介してD点に加わります．ダイオード(D₁)があるため，D点の電圧は「Vcc-0.6V」以下にはならず，「Vcc-0.6V」を基準に出力信号の振幅と同じだけ，電圧が上昇します．そのため，D点の電圧はVccよりも高くなり，B点の電圧もVccよりも高くなります．
　また，A点の電圧はQ₁のベース・エミッタ間電圧の影響を受けずにVcc近くまで上昇することができます．トランジスタの飽和コレクタ・エミッタ間電圧(V_CES)を0.15Vとすると，A点の最大電圧(V_Amax)は式4のように，4.85Vになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　A点の最小値(V_Amin)は式5のように0.15Vになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　A点の最大電圧が4.85Vで最小電圧が0.15Vなので，A点の出力信号のピーク・ツー・ピーク値の最大値は約4.7Vになります．ピーク・ツー・ピーク値が4.7Vの正弦波出力の場合，8Ωの負荷抵抗に発生する電力(P₂)は式6のように，0.35Wになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　このように，ブートストラップ回路を追加した図4の回路は，図2の回路の2倍以上の出力電力が得られることが分かります．

●ブートストラップを追加したパワー・アンプの確認
　図4の回路で，入力信号の正弦波の振幅を「Vin」という変数にして，「.step」コマンドで0.1，0.2，0.25と変化させて，出力波形がどのようになるかシミュレーションします．
　図5がブートストラップを追加したオーディオ用パワー・アンプのシミュレーション結果です．

図5　ブートストラップを追加したオーディオ用パワー・アンプのシミュレーション結果
クリップした波形のピーク・ツー・ピーク値は，約4.7Vになっている．

　下段がA点の出力電圧で，上段がD点の電圧です．Vinが0.1Vと0.2Vのときは，出力は正弦波になっており，Vinが0.25Vのときに波形がクリップしています．また，クリップした波形のピーク・ツー・ピーク値は，約4.7VPPになっていることが分かります．
　このように，ブートストラップを使用することで，エミッタ出力パワー・アンプでも，出力をほぼVccからGNDまで，フル・スイングさせることができます．なお，上段のD点の電圧は，ブートストラップの効果により，Vccよりも高くなっており，Vinが0.25Vのときは9V程度まで上昇しています．

　以上，ブートストラップを使用したオーディオ用パワー・アンプについて解説しました．ブートストラップを使用すると，エミッタ出力パワー・アンプの出力振幅を大きくすることができます．ただし，バースト信号のように，突然大きくなる信号では，波形の最初の部分がクリップすることがあります．

　ブートストラップの別の応用例については，「ブートストラップを使用したOPアンプ回路」をご参照ください．

■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．
LTspice9_041.zip

●データ・ファイル内容
PW_amp.asc：図2の回路
PW_amp.plt：図3のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
Btsrp_PW_amp.asc：図4の回路
Btsrp_PW_amp.plt：図5のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル