OPアンプとトランジスタで作るAB級オーディオ・パワー・アンプ

■問題

【基本増幅回路　オーディオ回路　ADA4620　2N3906 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，OPアンプ(ADA4620)⁽¹⁾とトランジスタ(2N3906)で作った，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(R_L)が接続されています．
　このパワー・アンプで，OUT端子から正弦波(ひずんでいない波形)が出力されている状態で，スピーカで発生する電力を10Wとするために，最低限必要な電源電圧は(a)～(d)のどれになるでしょうか．

図1　OPアンプとトランジスタで作った，オーディオ・パワー・アンプ
8Ωのスピーカに発生する電力を10Wとするために，最低限必要な電圧は？

(a) ±9V　(b) ±12V　(c) ±15V　(d) ±18V

■ヒント

　図1の回路は，OPアンプを非反転増幅回路として使用し，トランジスタで電流出力の能力を拡大してます．まず，8Ω負荷に10Wの電力が発生するために必要な，正弦波の電圧を計算します．次にその正弦波の電圧に，回路動作上必要な電圧を加算すれば，答えが分かります．

■解答

(c) ±15V

　まず，インピーダンス8Ωのスピーカに，10Wの電力を発生させるために必要な正弦波の電圧(V_R)は，次のように計算し，8.94V_RMSになります．
V_R=√(8*10)=8.94V_RMS
　V_Rのピーク値(V_P)は，次のように12.64Vになります．
V_P=√2 *8.94=12.64V
　このとき，R_Lに流れる電流(I_P)は次式のように，1.58Aになります．
I_P=12.64/8=1.58A
　V_CCとV_EEの電源電圧の絶対値は同じとし，代表してV_EEの値を求めます．10W出力時のR₇の電圧降下(V_R7)は次のように計算します．
V_R7=1.58*0.36=569mV
　このときのQ₂のベース・エミッタ間電圧(V_BEQ2)を0.75Vとし，Q₇が正常に動作するコレクタ電圧(V_C)を0.3Vとします．10W出力のために必要な電源(V_EE)の電圧の絶対値は「V_P+V_R7+V_BEQ2+V_C」よりも大きい必要があり，数値を入れて計算すると，次式のように14.26V以上となります．
12.64+569m+0.75+0.3=14.26V
　したがって，最低限必要な電源電圧に一番近いのは(C)の±15Vになります．

■解説

●オーディオ用・パワー・アンプに必要な能力
　一般的なオーディオ用スピーカのインピーダンスは，8Ωもしくは4Ωと，低インピーダンスになっています．低インピーダンスのスピーカを駆動するパワー・アンプは，大電流を出力できる必要があります．
　パワー・アンプが出力すべき電圧と電流は，出力可能な電力によって変わります．一例として，正弦波出力のとき，8Ωのスピーカで10Wの電力を発生させるために必要な，電流と電圧を計算してみます．
　スピーカのインピーダンスをR_Lとし，スピーカで発生する電力をPとしたとき，印加すべき電圧の実効値(V_R)は，式1で計算できます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　式1より，8Ωのスピーカで10Wの出力を発生させるために必要な電圧は8.94V_RMSとなります．実効値が8.94V_RMSの正弦波のピーク電圧(V_P)は式2のように12.64Vとなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　このときスピーカに流れる電流(I_P)は式3のように，1.58Aになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　つまり，8Ωのスピーカに10Wの電力を発生させることのできるパワー・アンプは，ピーク電圧が12.64V以上で，1.58A以上の電流出力能力が必要となります．

●出力電流能力を拡大するB級出力回路
　一般的に，OPアンプが出力することのできる電流は，20mA～60mA程度です．そのため，OPアンプを使用してスピーカを駆動するためには，トランジスタを追加して，出力電流能力を拡大する必要があります．
　図2は，最も簡単な出力電流拡大回路です．OPアンプの出力にNPNトランジスタのQ₁とPNPトランジスタのQ₂を追加したものです．OPアンプの出力電流は，トランジスタのβ(電流増幅率)倍されます．そのため，R_Lを駆動する電流は，OPアンプの出力電流の，100～300倍程度とすることができます．
　図2の回路は，A点の電圧が±0.7V以下のとき，OUT端子に電圧が出力されません．そのため通常は，OUT端子から負帰還をかけて使用します．負帰還がかかっている場合，出力電圧が正のとき，A点の電圧が「出力電圧+0.7V」となってQ₁が動作し，出力電圧が負のとき，A点の電圧が「出力電圧-0.7V」となってQ₂が動作します．無信号時にはQ₁，Q₂ともに，電流が流れません．この回路は，B級出力回路と呼ばれています．
　B級出力回路は，出力が正負に切り替わるときに，OPアンプの出力であるA点の電圧が，大きく変化する必要があるため，特に周波数が高いときに出力波形がひずんでしまう，という問題があります．

図2　NPNトランジススタとPNPトランジスタを使用した，B級出力回路
A点の電圧が±0.7V以下のとき，OUT端子には電圧が出力されない．

●負帰還をかけないB級出力回路を確認する
　図3は，負帰還をかけないB級出力回路をシミュレーションする回路です．この回路では，トランジスタのQ₁，Q₂は負帰還ループの外にあります．OPアンプは，ゲイン20dBの非反転増幅回路となっています．入力信号はピーク電圧20mVと100mVで1kHzの正弦波となっています．

図3　負帰還をかけないB級出力回路をシミュレーションする回路
この回路では，トランジスタのQ₁，Q₂は負帰還ループの外にある．

　図4が図3のシミュレーション結果です．上段がA点の電圧で，下段がOUT端子の電圧です．

図4　負帰還をかけないB級出力回路のシミュレーション結果
入力信号のピーク電圧が20mVのとき，OUT端子には信号が出力されない．

　A点には入力信号の振幅を10倍した信号が出力されていますが．入力信号のピーク電圧が20mVのとき，OUT端子には信号が出力されていません．また，入力信号のピーク電圧が100mVのとき，OUT端子に波形は出力されますが，非常にひずんでいます．

●負帰還をかけたB級出力回路を確認する
　図5は，負帰還をかけたB級出力回路をシミュレーションする回路です．OUT端子からR₃によって負帰還がかけられており，OPアンプは非反転増幅回路を構成しています．ゲインは20dBに設定しています．入力信号はピーク電圧20mVと100mVで1kHzの正弦波となっています．

図5　負帰還をかけたB級出力回路をシミュレーションする回路
入力信号はピーク電圧20mVと100mVで1kHzの正弦波．

　図6は，図5のシミュレーション結果です．上段がA点の波形で，下段がOUT端子の波形です．入力信号のピーク電圧が20mVのときもOUT端子には信号が出力されており，入力信号が100mVのときの波形にも目立ったひずみはありません．

図6　負帰還をかけたB級出力回路のシミュレーション結果
入力信号のピーク電圧が20mVのときも，OUT端子には信号が出力されている．

　B級出力回路は，負帰還ループの中に入れることで，特性が大きく改善されます．しかし，入力信号の周波数が高くなると，出力波形のひずみが無視できなくなります．
　図7は，図5の回路の入力信号を，ピーク電圧10mVで10kHzの正弦波に変更したときのシミュレーション結果です．下段は，OUT端子の波形です．出力信号のゼロクロス点で波形がひずんでいることが分かります．「.four」解析の結果では，ひずみ率(THD)は8%となっています．上段は，A点の波形です．A点の波形は±700mVとなっています．A点の波形の正負が切り替わるタイミングが遅れることが，OUT端子の波形のひずみの原因となっています．

図7　入力信号周波数が10kHzのときのB級出力回路のシミュレーション結果
出力信号のゼロクロス点で波形がひずんでいる．

●B級出力回路の欠点を改良したAB級出力回路
　図8は，B級出力回路の欠点を改良したAB級出力回路です．

図8　B級出力回路の欠点を改良したAB級出力回路
NPNトランジスタのQ₃と2本の抵抗(R₁，R₂)からなる，V_BEマルチプライヤを追加

　AB級出力回路は，さまざまな回路形式が考案されています．図8の回路は，図2の回路にNPNトランジスタのQ₃と2本の抵抗(R₁，R₂)を追加したものです．追加した回路は，V_BEマルチプライヤと呼ばれ，A点とB点の電圧差(V_AB)は式4で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　この回路は，無信号時にもQ₁とQ₂に電流が流れますが，R₁とR₂の比を調整することで，無信号時の電流を設定することができます．なお，Q₁，Q₂とQ₃の温度が同じ場合は問題ありませんが，Q₁，Q₂の温度だけが上昇したときに，無信号時電流が急激に増加する「熱暴走」と呼ばれる現象があります．この熱暴走を防止するため，Q₁，Q₂のエミッタに小抵抗を追加することがあります⁽²⁾．
　V_BEマルチプライヤを追加することで，出力電圧が正負に切り替わるときも，A点の電圧が大きく変化しないため，出力波形がひずむことはありません．

●B級出力回路の欠点を改良したAB級出力回路を確認する
　図9は，図1をシミュレーションする回路で，図8のAB級出力回路を使用したパワー・アンプです．Q₅，Q₇は，図8のI₁とI₂の働きをする定電流回路です．Q₄とQ₅およびQ₆とQ₇は，カレント・ミラーとして動作し，同じ電流が流れます．

図9　AB級出力回路を使用したパワー・アンプをシミュレーションする回路
8Ωのスピーカに発生する電力を10Wとするため，電源電圧は±15Vとしている．

　Q₁，Q₂のエミッタには，熱暴走防止用に0.36Ωの抵抗(R₆，R₇)が追加されています．ここで，図9の回路で，8Ωのスピーカに発生する電力を10Wとするために最低限必要な電源電圧を計算してみます．まず，8Ωのスピーカに発生する電力を10Wとするために必要な出力電圧は，式2より，12.64Vです．また，このとき，スピーカに流れる電流(I_OUT)は，式3より1.58Aとなります． Q₂のベース・エミッタ間電圧(V_BEQ2)を0.75Vとすると，図9のB点とOUT点間の電圧(V_BER)は式5のように，1.32Vとなります．

・・・・・・・・・・・・(5)

　Q₇が定電流源として正常に動作できるコレクタ電圧(V_C)を0.3Vとすると，最低限必要な電源(V_EE)の電圧の絶対値は式6のように14.26Vとなります．

・・・・・・・・・・(6)

　若干の余裕を見て，図9の電源電圧は±15Vとしています．また，図7のグラフと比較するため，入力信号はピーク電圧10mVで10kHzの正弦波としています．
　図10は，図9のシミュレーション結果です．上段がA点の波形で下段がOUT端子の波形です．入力信号が10kHzでも図7のような波形のひずみはありません．「.four」解析によるひずみ率(THD)の結果は，0.015%と非常に良好な値となっています．

図10　B級出力回路を使用したパワー・アンプのシミュレーション結果
入力信号が10kHzでも，出力波形はひずんでいない．

　図11は，図9の回路の入力信号をピーク電圧の1.3Vで1kHzの正弦波としたときのシミュレーション結果です．上段がOUT端子の波形で，下段がR_Lに発生する瞬時電力の波形です．電力の平均値は，10.6Wとなっています．

図11　ピーク電圧1.3Vで1kHzの正弦波を入力したときのシミュレーション結果
R_Lで発生する平均電力は10.6Wとなっている．

　以上，OPアンプとトランジスタで作った，オーディオ用・パワー・アンプについて解説しました．今回の回路は正負電源で構成していますが，電源電圧の1/2の基準電圧を作ることで，単電源動作とすることもできます．単電源動作とする方法に関しては，「5V単一電源で作るダイナミック・マイク用アンプ」を参考にしてください．

◆参考・引用*文献
(1)ADA4620データシート：アナログデバイセズ
(2)AB級パワー・アンプのエミッタ抵抗値の選び方――LTspiceで学ぶオーディオ回路入門：CQ出版社

■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．
LTspice12_005.zip

●データ・ファイル内容
Class_B.asc：図3の回路
Class_B.plt：図4のグラフを描画するPlot settingsファイル
B_Power_amp.asc：図5の回路
B_Power_amp.plt：図6のグラフを描画するPlot settingsファイル
B_Power_amp_10k.asc：図7をシミュレーションする回路
B_Power_amp_10k.plt：図7のグラフを描画するPlot settingsファイル
AB_Power_amp_10k.asc：図9の回路
AB_Power_amp_10k.plt：図10のグラフを描画するPlot settingsファイル
AB_Power_amp.asc：図11をシミュレーションする回路
AB_Power_amp.plt：図11のグラフを描画するPlot settingsファイル