差動増幅回路で作るオーディオ用バランス型レシーバ

■問題

【演算回路　オーディオ回路　ADA4075 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，2つのOPアンプ(ADA4075)⁽¹⁾で構成された，差動増幅回路を使用した，オーディオ用バランス型レシーバの回路図です．XLRコネクタ^注1から入力されたバランス・オーディオ信号を，単一のオーディオ信号に変換します．
　この回路で，Hot端子にピーク電圧0.5V，400Hzの正弦波が入力され，Cold端子にHot端子とは逆位相で，ピーク電圧0.5V，400Hzの正弦波が入力されているとき，Out端子の波形のピーク電圧は(a)～(d)のどれになるでしょうか．

図1　差動増幅回路を使用した，オーディオ用バランス型レシーバの回路
Hot端子とCold端子に，互いに逆位相でピーク電圧0.5V，400Hzの正弦波が入力されている．

注1：XLRコネクタは，バランス・オーディオ信号を伝送する目的で，業務用オーディオ機器(マイク・プリアンプやミキサーの入力，PA機器など)で広く採用されているコネクタです．

(a) 0.25V　(b) 0.5V　(c) 1V　(d) 2V

■ヒント

　図1の差動増幅回路は，2つの反転増幅回路を組み合わせて構成されています．それぞれの増幅回路のゲインから，Out端子までのゲインを計算することができます．
　ゲインが分かれば，Out端子の波形のピーク電圧は，簡単に計算できます．

■解答

(b) 0.5V

　Hot端子からOut端子までは，OPアンプのU₁とU₂を使用した2段の反転増幅回路があるため，ゲインは次式となります．
　　(R₂/R₁)*(R₅/R₄)
　また，Cold端子からOut端子まではU₂を使用した1段の反転増幅回路で，ゲインは次式です．
　　－R₅/R₃
　Hot端子の電圧をV_H，Cold端子の電圧をV_Cとすると，Out端子の電圧(V_Out)は次式となり
　　V_Out=V_H*(R₂/R₁)*(R₅/R₄)－V_C*(R₅/R₃)
ここで「R₂/R₁=R₄/R₃」とすると次式となります．
　　V_Out=(V_H－V_C)*(R₅/R₃)
V_Hを0.5，V_Cは逆位相なので－0.5とするとV_Outは次のように0.5Vになります．
　　V_Out=(0.5－(－0.5))*(10k/20k)=0.5

■解説

●オーディオ信号伝送に使用されるケーブルの種類
　一般的な家庭用オーディオ機器間の接続は，図2のようなRCAケーブルが使用されています．RCAケーブルで伝送するオーディオ信号は，単一信号(アンバランス信号)です．

図2　RCAケーブルのプラグとジャック

　一方，業務用オーディオ機器では，図3のようなXLRケーブルが使用されています．XLRケーブルで伝送するオーディオ信号は，正相と逆相の2つで構成されたバランス信号です．

図3　XLRケーブルのプラグとジャック

●ノイズ混入を防ぐバランス伝送
　オーディオ装置間の距離が近く，伝送距離が短い場合は，RCAケーブルを使用した単一信号で伝送しても大きな問題はありません．ただし，伝送距離が長くなると，ケーブルに混入するノイズが無視できなくなります．
　図4はRCAケーブルを使用して信号伝送を行っているときの模式図です．GNDラインに電灯線からのハム・ノイズが混入すると，そのノイズはそのまま，信号入力機器に伝わってしまいます．

図4　RCAケーブルを使用して信号伝送を行っているときの模式図
GNDラインにハム・ノイズが混入すると，そのノイズはそのまま，信号入力機器に伝わる．

　このようなとき，バランス信号を使用して伝送すると，ノイズの影響を軽減することができます．図5は，XLRケーブルを使用して，バランス伝送をおこなっているときの模式図です．

図5　XLRケーブルを使用して，バランス伝送をおこなっているときの模式図
信号入力機器内部で信号の引き算を行うと，同位相のハムノイズは打ち消される．

　GNDラインにハム・ノイズが混入すると，Hot端子とCold端子の信号は，同じハム・ノイズが重畳したものになります．このようなとき，信号入力機器内部で，Hot端子とCold端子の信号の引き算を行うと，同位相のハムノイズを打ち消すことができます．一方，伝送したい信号は互いに逆位相になっているため，2倍の振幅となります．このように，バランス伝送を行うことで，ノイズの混入を防ぐことができます．

●反転増幅回路で構成した差動増幅回路
　図6は，図1と同じ，反転増幅回路で構成した差動増幅回路⁽²⁾の動作を解析する回路図です．この回路は反転増幅回路を使用することで，2つの入力端子の入力抵抗が等しく，許容入力が大きいという特長があります．

図6　反転増幅回路で構成した差動増幅回路の動作を解析する回路図
Out端子の電圧はV₁とV₂の差電圧をR₅/R₃倍したものになる．

　図6の回路で，Hot端子にV₁という信号を加え，Cold端子にV₂という信号を加えたときの，Out端子の信号を計算してみます．まず，V₂が0Vの状態で，V₁のみを入力したときのOut端子の電圧(V_Out1)は式1で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　次に，V₁を0VとしてV₂のみを入力したときのOut端子の電圧(V_Out2)は式2で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　式1，式2より，V₁とV₂が入力されたときのOut端子の電圧(V_Out)は式3となります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　ここで「R₂/R₁=R₄/R₃」とすると，式3は式4のように簡略化できます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　式4から分かるように，Out端子の電圧はV₁とV₂の差電圧をR₅/R₃倍したものになります．V₁とV₂に同相成分が含まれていた場合，同相成分は打ち消され，Out端子には出力されません．図1の問題文の条件を代入すると，Out端子の信号のピーク電圧は式5のように0.5Vとなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

●オーディオ用バランス型レシーバを検証する
　図7は，差動増幅回路を使用した，オーディオ用バランス型レシーバを検証する回路図です．V_Hはピーク電圧0.5V，400Hzの正弦波を発生します．V_Cもピーク電圧0.5V，400Hzの正弦波を発生しますが，V_Hとは極性が逆となっています．また，G端子には，ピーク電圧0.5V，50Hzの正弦波をノイズとして加えています．

図7　差動増幅回路を使用した，オーディオ用バランス型レシーバを検証する回路図
V_HとV_Cはピーク電圧0.5V，400Hzの正弦波で，G端子には50Hzのノイズを加えている．

　図8が図7のシミュレーション結果です．

図8　差動増幅回路を使用した，オーディオ用バランス型レシーバのシミュレーション結果
Out端子は50Hzのノイズ成分が消え，ピーク電圧0.5V，400Hzの正弦波のみとなっている．

　上段が，V_HとV_Cの出力波形で，互いに逆位相でピーク電圧0.5V，400Hzの正弦波となっています．中段が，Hot端子とCold端子の波形です．400Hzの信号に50Hzのノイズが混入した波形となっています．
　下段がOut端子の出力波形です．50Hzのノイズ成分は消え，ピーク電圧0.5V，400Hzの正弦波のみとなっています．

　以上，オーディオ用バランス型レシーバについて解説しました．オーディオ信号をバランス伝送するときに使用するケーブルには，今回紹介したXLR端子以外に，ヘッドホン端子と同じ形状の6.3mmTRS端子なども使用されています．

◆参考・引用*文献
(1)AD4075データシート：アナログデバイセズ
(2)第四巻 OPアンプによる増幅回路の設計技法(P63 図1-23)：アナログデバイセズ

■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_014.zip

●データ・ファイル内容
Balun_amp_noise_tran.asc：図7の回路
Balun_amp_noise_tran.plt：図8のグラフを描画するためのPlot settingsファイル