電圧リファレンスをヘッドホン・アンプとして使う

■問題

【 LT6658 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，電圧リファレンスIC(LT6658)を使用した，ヘッドホン・アンプの回路図です．OUT₁とOUT₂に32Ωのヘッドホンが接続されています．信号源(V_IN)に50mV_RMSの正弦波を入力したとき，32Ωのヘッドホンで発生する電力は(a)～(d)のどれになるでしょうか．ただし，ヘッドホンに加わる信号は，クリップしていない正弦波とします．

図1　電圧リファレンスIC(LT6658)(1)を使ったヘッドホン・アンプの回路図(2)
OUT₁とOUT₂に32Ωのヘッドホンが接続されている．

(a) 2mW　(b) 7.8mW　(c) 15.6mW　(d) 31.2mW

■ヒント

　LT6658は，電流の「吐き出し」と「吸い込み」が可能な，高精度電圧源を2系統構成することができる製品です．出力アンプの反転入力端子が，外部ピンとして独立しているため，さまざまな用途に応用できます．図1はオーディオ・アンプに応用した事例です．ヘッドホンに加わる電圧がいくつになるかが分かれば，簡単に電力を計算することができます．

■解答

(b) 7.8mW

　図1の回路で，OUT₁(下側)のアンプは反転アンプとして動作し位相が反転します．そのため，OUT₁端子の電圧(V_OUT1)は，次式で表されます．
　V_OUT1=-V_IN*R₂/R₁=-5*V_IN
　OUT₂(上側)のアンプも反転アンプとして動作し位相が反転します．ここでは，「R₃＝R₄」となっているため，OUT₂端子の電圧(V_OUT2)は「V_OUT2＝-V_OUT1」となります．
　ヘッドホン(R_L)に加わる電圧(V_OUT)は，OUT₁端子の電圧とOUT₂端子の電圧の差なので次式になります．
　V_OUT=V_OUT1-V_OUT2=2*V_OUT1
　これらの関係から，R_Lに発生する電力(P)を計算すると，次式のように，7.8mWになります．
　P=V_OUT2²/R_L=(2*V_OUT1)²/R_L=(10*V_IN)²/R_L=(10*50m)²/32=7.8mW

■解説

●シングルエンド出力アンプ
　図2は，スピーカまたはヘッドホンを駆動するためのパワーアンプの回路図です．このように出力が1つのアンプは，シングルエンド出力アンプと呼ばれます．

図2　スピーカまたはヘッドホンを駆動するためのパワーアンプの回路図
OUT端子とスピーカはコンデンサ(C₂)を介して接続する．

　図2のアンプも反転アンプとなっており，OUT端子の直流電圧はVrefと同じ電圧になります．
　スピーカに直流電圧を印加すると，破損する恐れがあるため，OUT端子とスピーカは，コンデンサ(C₂)を介して接続します．この回路のOUT端子の出力(V_OUT)はで表すことができます．「-」記号は，出力の位相が反転することを式1で表しています．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　出力がひずまない，最大出力レベルをV_OUTMAXとすると，「スピーカまたはヘッドホン」(R_L)で発生する最大電力(P_{MAX_S})は式2で表すことができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

●BTLアンプ
　図3は，2つのアンプを使用した，パワーアンプの回路図です．スピーカまたはヘッドホンは，2つのアンプの出力に接続されています．このような構成のパワーアンプは，BTL（Bridge-Tied Load）アンプと呼ばれています．

図3　スピーカまたはヘッドホンを駆動するためのBTLパワーアンプの回路図
スピーカはOUT₁端子とOUT₂端子に直結する．

　図3の回路では，OUT₁とOUT₂の直流電圧は，共にVrefと等しくなります．OUT₁とOUT₂の直流電圧が等しいため，コンデンサを介することなく，スピーカまたはヘッドホンを直結することができます．この回路の，OUT₁端子の出力(V_OUT1)は式3で表わされます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　「R₃＝R₄」とすると，OUT₂端子の出力(V_OUT2)は，式4で表わされます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　スピーカまたはヘッドホンに加わる電圧(V_OUT)は，OUT₁端子とOUT₂端子の差電圧なので，式5のように，V_OUT1の2倍になります．

・・・・・・・・・(5)

　OUT₁端子の出力がひずまない，最大出力レベルをV_OUTMAXとすると，「スピーカまたはヘッドホン」(R_L)で発生する最大電力(P_{MAX_BTL})は式6で表すことができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　式2と式5を比較すると，P_{MAX_BTL}はP_{MAX_S}の4倍になっていることが分かります．このように，BTLアンプは，シングル出力アンプの4倍の電力を出力することができます．BTLアンプには，図3とは異なった回路形式もあります．詳細は参考資料(3)を参照してください．

●出力電力を計算する
　図1のヘッドホン・アンプの回路は，図3と同じ構成になっています．そのため，図1の定数を使用すると，OUT₁端子の出力は式7のように表わされます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)

　そして，V_INに50mV_RMSの正弦波を入力したとき，ヘッドホン(R_L)で発生する電力(P_OUT)は，式8のように7.8mWと計算することができます．

・・・・・・・・・・・(8)

●電圧リファレンスとしての動作を確認する
　図4は，LT6658の電圧リファレンスとしての動作を確認するための回路です．Vout1_F端子とVout1_S端子及びVout2_F端子とVout2_S端子ををそれぞれ直結することで，2系統の2.5V電圧リファレンスとして動作します．

図4　LT6658の電圧リファレンスとしての動作を確認するための回路
負荷電流に対する出力電圧の変化をシミュレーションで確認する．

　この電圧リファレンスの，負荷電流に対する出力電圧の変化をシミュレーションで確認します．OUT₁に負荷となる電流源(I₁)を接続し，電流値を-60mAから210mAまで変化させるDC解析を行います．また，OUT₂にはI₁と同じ電流を流すビヘイビア電流源(B₁)を接続します．
　図5が図4のシミュレーション結果です．

図5　図4のシミュレーション結果
OUT₁，OUT₂ともに，電流の吐き出しと吸い込みが可能なことが分かる．

　OUT₁側は，負荷電流が-34mAから200mAまで変化しても2.5Vを維持しています．なので，OUT₁側の最大吐き出し電流が200mAで，最大吸い込み電流が34mAということが分かります．
　また，OUT₂側は，-50mAから115mAまで変化しても2.5Vを維持しています．OUT₁と同じように，OUT₂側の最大吐き出し電流が115mAで，最大吸い込み電流が50mAということになります．
　このように，OUT₁，OUT₂ともに，電流の吐き出しと吸い込みが可能なことが分かります．

●オーディオ・アンプとしての動作を確認する
　図6は，LT6658をオーディオ・アンプとしての動作を確認するための回路で，図1と同じものです．信号源(V_IN)は，ピーク電圧71mV(50mV_RMS)で1kHzの正弦波を出力するよう設定しています．OUT₁端子とOUT₂端子の間にはヘッドホン相当の32Ωの負荷抵抗(R_L)が接続されています．

図6　LT6658のオーディオ・アンプとしての動作を確認するための回路
OUT₁端子とOUT₂端子の間にはヘッドホン相当の32Ωの負荷抵抗(R_L)を接続．

　図7が図6のシミュレーション結果です．

図7　LT6658のオーディオ・アンプとしてのシミュレーション結果
R_Lに発生する電力の平均値は約7.9mWとなっており，式8の計算結果とほぼ一致．

　上から1段目がOUT₁端子とOUT₂端子の電圧です．互いに逆位相となっていることが分かります．2段目がOUT₂とOUT₁の差電圧で，負荷抵抗(R_L)の両端電圧です．3段目がR_Lに発生する電力です．上端の文字列をCtrlキーを押しながらクリックすると，平均値が確認できます．R_Lに発生する電力の平均値は約7.9mWとなっており，式8の計算結果とほぼ一致しています．
　以上，電圧リファレンスをオーディオ・アンプとして使用する方法について解説しました．参考文献(2)には，オーディオ・アンプ以外にもLT6658のさまざまな使用例が記載されていますので，参考にしてください．

◆参考・引用*文献
(1) LT6658データシート：アナログデバイセズ
(2) 最大200mA出力の高精度電圧リファレンス，具体例で知るその多彩な活用法の図7：アナログデバイセズ
(3) 大きな音が出るパワー・アンプ回路はどっち？：LTspice電子回路マラソン

■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．
LTspice11_033.zip

●データ・ファイル内容
LT6658.asc：図4の回路
LT6658_AudioAmp.asc：図6の回路
LT6658_AudioAmp.plt：図7のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル