パワー・アンプの直流電圧からスピーカを守る回路

■問題

【増幅回路】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，パワー・アンプ(PW_AMP)に，Out端子の直流オフセット電圧を軽減するため，OPアンプ(U₁)で構成された，DCサーボ回路を追加した，オーディオ用パワー・アンプです．
　Out端子には，8Ωのスピーカ[負荷抵抗(R_L)]が接続されています．また，PW_AMPとU₁には，±15Vの電源が供給されています．
　ここで，PW_AMPの入力オフセット電圧が+10mV，U₁の入力オフセット電圧が+1mVの場合，Out端子の直流オフセット電圧の値は(a)～(d)のどれになるでしょうか．

図1　DCサーボ回路を使用したパワー・アンプ
PW_AMPとU₁の入力オフセット電圧が+10mVと+1mVのとき，Out端子の直流電圧は？
なお，PW_AMPおよびU₁のバイアス電流は無視できるものとします．

(a) -1mV　(b) 0V　(c) 1mV　(d) 100mV

■ヒント

　R₁が99kΩで，R₂が1kΩのため，パワー・アンプのゲインは40dB(100倍)となります．また，DCサーボ回路はパワー・アンプの出力に発生する，直流オフセット電圧を軽減するためのものです．U₁が出力に発生する直流オフセット電圧を，どのように軽減するのかを考えてみてください．

■解答

(a) -1mV

　OPアンプ(U₁)は積分回路を構成しています．そして，積分出力をPW_AMPの反転入力端子にフィードバックすることで，Out端子の電圧がU₁の反転入力端子の電圧と等しくなるように動作します．反転入力端子は抵抗(R₄)を介してGNDに接続されているため，U₁にオフセット電圧が無ければ，Out端子の直流電圧は，GNDと等しくなります．
　U₁に入力オフセット電圧がある場合，Out端子の電圧はオフセット電圧を打ち消すよう，オフセット電圧と等しい値で，極性が反転した電圧になります．U₁の入力オフセット電圧が1mVのため，Out端子の直流電圧は-1mVとなります．

■解説

●オーディオ用パワー・アンプの出力直流電圧
　オーディオ用パワー・アンプの出力には，通常スピーカが接続されます．スピーカの公称インピーダンスは4Ω～8Ωのものが多く，直流抵抗値はさらに小さな値となります．スピーカに直流電圧が加わると，特性悪化や破壊の原因になるため，直流電圧が印加されないような構成とする必要があります．
　直流を遮断するために，パワー・アンプの出力とスピーカの間に，カップリング・コンデンサを挿入する場合，インピーダンス4Ωのスピーカで，カットオフ周波数を10Hzとすると，4000μFといった巨大なコンデンサが必要となります．そのため，オーディオ用パワー・アンプでは，スピーカに直流電圧が印加されない，正負電源方式や，BTLといった構成が多く使用されます．
　なお，BTL方式の詳細は，「大きな音が出るパワー・アンプ回路はどっち？」を参照してください．

●パワー・アンプの入力オフセット電圧の影響を確認する
　オーディオ用パワー・アンプとして，理論上はスピーカに直流電圧が印加されない，正負電源方式を採用しても，アンプに入力オフセット電圧があると，出力直流電圧が問題となります．
　図2は，入力オフセット電圧が10mVのパワー・アンプを40dBのゲインで使用したときの状況をシミュレーションするための回路です．

図2　入力オフセット電圧が10mVのパワー・アンプをシミュレーションする回路
パワー・アンプのかわりに，「UniversalOpAmp1」を使用している．

　パワー・アンプの代わりに，LTspiceのライブラリに登録されている，「UniversalOpAmp1」を使用しています．UniversalOpAmp1は，内部パラメータを書き換えることで，ゲインや入力オフセット電圧を設定することができます．
　入力オフセット電圧を設定するため，UniversalOpAmp1のシンボルを右クリックして「Component Attribute Editor」を開き，Value2の中の「Vos=0」を「Vos=10m」に変更します．なお，図2ではValue2欄の右端のVisにチェックを入れて，回路図上に表示するようにしています．また，シミュレーション実行後，配線を右クリックすると表示される「Place .op Data Label」を使用し，Out端子の電圧を回路図中に表示しています．
　図2を見ると分かるように，入力オフセット電圧が10mVのパワー・アンプを40dBのゲインで使用すると，出力には1Vのオフセット電圧が発生することになります．

●コンデンサを使用して出力オフセット電圧を低減する
　入力オフセット電圧のあるパワー・アンプで，出力オフセット電圧を低減する一番簡単な方法は，図3のように，R₂に直列にコンデンサ(C₁)を接続することです．

図3　R₂に直列にコンデンサ(C₁)を接続して出力オフセット電圧を低減する回路
出力オフセット電圧は，入力オフセット電圧と同じ10mVになる．

　C₁を追加することにより低域のゲインが低下し，直流ゲインは0dB(1倍)になります．この回路の低域カットオフ周波数は式1で計算することができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　この回路では，直流ゲインが0dBのため，出力オフセット電圧は入力オフセット電圧と同じ10mVになります．
　図4は，図3のゲインの周波数特性のシミュレーション結果です．低域カットオフ周波数は16Hzで，超低域のゲイン(直流ゲイン)は0dBとなっていることが分かります．

図4　図3の回路のゲイン周波数特性のシミュレーション結果
低域カットオフ周波数は16Hzで超低域のゲイン(直流ゲイン)は0dBとなっている．

●DCサーボ回路を使用して出力オフセット電圧を低減する
　図3の回路では出力オフセット電圧は，パワー・アンプの入力オフセット電圧と同じ10mVでした．DCサーボ回路を使用すると，さらに低減することができます．
　DCサーボ回路は，パワー・アンプの出力電圧を積分し，積分出力をパワー・アンプの入力に帰還することで，出力オフセット電圧を低減します．
　出力電圧の積分には，OPアンプによる積分回路が使用されます．OPアンプを使用した積分回路には，反転積分回路と非反転積分回路があります．

▼反転積分回路
　図5は，OPアンプを使用した反転積分回路です．積分回路としては最もよく使用される回路で，入力電圧に対し，位相が反転した電圧が出力されます．

図5　OPアンプを使用した反転積分回路
入力電圧に対し，出力電圧の位相が反転している．

　Out端子の電圧(V_Out)は式2のように，入力信号(V_in)を積分したものになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

▼非反転積分回路
　図6は，OPアンプを使用した非反転積分回路です．入力信号は，R₂，C₂によるローパス・フィルタを経由して，C₁を帰還素子とする非反転増幅回路に入力されます．

図6　OPアンプを使用した非反転積分回路
図1のDCサーボ回路は，この非反転積分回路を使用している．

　この回路のOut端子の電圧(V_Out)は式3で表わされます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　ここで「R₂=R₁，C₂=C₁」とすると，式3は式4のように変形できます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　式4は，式2の符号を反転したもので，V_Outは入力信号(V_in)を積分したものになります．図1のDCサーボ回路は，この非反転積分回路を使用しています．

●DCサーボ回路を使用したパワー・アンプをシミュレーションする
　図7は，DCサーボ回路を使用したパワー・アンプをシミュレーションするための回路です．OPアンプ(U₂)や抵抗(R₃，R₄)，コンデンサ(C₁，C₂)で積分回路を構成しています．

図7　DCサーボ回路を使用したパワー・アンプをシミュレーションするための回路
追加したOPアンプ(U₁)の入力オフセット電圧は1mVに設定している．

　Out端子の電圧を積分し，R5を経由してパワー・アンプ(PW_AMP)に帰還しています．その結果，Out端子の電圧は，U₁の反転入力端子の電圧と等しくなるようなフィードバック・ループが構成されます．U₁の反転入力端子はR₄を介してGNDに接続されているため，Out端子の直流電圧はGND電圧と等しくなります．
　ここでOPアンプ(U₁)にオフセット電圧(V_off)がある場合，Out端子の直流電圧は，このオフセット電圧を打ち消すために，-V_offという値になります．このように，Out端子の直流電圧は，PW_AMPの入力オフセット電圧とは無関係で，U₁の入力オフセット電圧で決まることになります．U₁に高精度OPアンプを使用すれば，入力オフセット電圧は非常に小さくなります．
　図7のOPアンプ(U₁)の入力オフセット電圧は1mVに設定しています．そのため，Out端子の電圧は-1mVになります．図7のシミュレーション結果でも，Out端子の電圧は約-1mVとなっています．また，図7の回路の低域カットオフ周波数(f_C)は式5で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　図8は，図7のゲイン周波数特性のシミュレーション結果です．低域カットオフ周波数は，式5の計算結果と同じ16Hzになっています．また，低域のゲインは，図4の周波数特性とは異なり，一定の傾きで減衰を続けています．

図8　図7のDCサーボ回路を使用したパワー・アンプの周波数特性のシミュレーション結果
低域カットオフ周波数は，式5の計算結果と同じ16Hzとなっている．

　以上，DCサーボ回路について解説しました．パワー・アンプの出力オフセット電圧は，DCサーボ用のOPアンプ(U₁)の入力オフセット電圧で決定されるため，入力オフセット電圧のの小さなものを使用する必要があります．なお，DCサーボ回路の動作に関しては，「ANALOG DEVICES　TNJ-063：ブロック線図で考えるOP アンプDC サーボ回路の低域カットオフ周波数(後編)」に詳しく解説されています．

■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．
LTspice9_045.zip

●データ・ファイル内容
DC_offset_PWA.asc：図2の回路
DC_offset_PWA_ACA.asc：図3の回路
DC_Servo_PWA.asc：図7の回路