差動変換回路で作るオーディオ用バランス型ドライバ

■問題

【演算回路　オーディオ回路　ADA8512 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，2つのOPアンプ(ADA8512)⁽¹⁾で構成した，差動変換回路を使用した，オーディオ用バランス型ドライバ回路です．
　IN端子に入力された単一信号(アンバランス信号)を，正相と逆相のバランス信号に変換して，XLRコネクタ⁽²⁾のHot端子とCold端子に出力します．
　この回路のIN端子にピーク電圧0.5V，1kHzの正弦波を入力したとき，Hot端子とCold端子の差電圧波形のピーク電圧は(a)～(d)のどれになるでしょうか．

図1　差動変換回路を使用した，オーディオ用バランス型ドライバ回路
IN端子にピーク電圧0.5V，1kHzの正弦波を入力したとき，Hot端子とCold端子の差電圧は？

(a) 0.25V　(b) 0.5V　(c) 1V　(d) 2V

■ヒント

　2つのOPアンプは，反転増幅回路と非反転増幅回路として動作します．OPアンプが正常に動作しているとき，非反転入力端子と反転入力端子の電圧が等しいことを考慮して，それぞれの増幅回路のゲインを計算すれば，出力電圧は簡単に計算できます．

■解答

(d) 2V

　OPアンプの非反転入力端子と反転入力端子の電圧は等しくなります．このことから，図1のA点の電圧はIN端子と同じです．同様にB点の電圧はGNDと同じ電圧になります．
　B点はGNDとみなせるため，OPアンプ(U₂)は非反転増幅回路として動作し，そのゲインは「(R₁+R₂)/R₂=2倍」となります．また，A点の電圧はIN端子と同じため，OPアンプ(U₁)は反転増幅回路として動作し，そのゲインは「R₃/R₂=2倍」となります．
　入力のピーク電圧が0.5Vなので，Hot端子とCold端子のピーク電圧は，それぞれ，2倍の1Vになります．Hot端子とCold端子は互いに逆位相なので，その差電圧のピーク電圧は2Vとなります．

■解説

●単一信号を差動信号に変換する
　オーディオ信号をバランス伝送するためには，単一信号(アンバランス信号)を正相と逆相の差動信号(バランス信号)に変換する必要があります．
　単一信号を差動信号に変換する回路はいろいろな方式があります．ここでは，シンプルな非反転増幅回路と反転増幅回路を使用した2つの方式を紹介します．

●非反転増幅回路と反転増幅回路を使用した差動変換回路
　図2は，非反転増幅回路と反転増幅回路を使用した差動変換回路です．OPアンプ(U₁)は，反転増幅回路として動作します．OPアンプ(U₂)は，非反転増幅回路として動作します．

図2　非反転増幅回路と反転増幅回路を使用した差動変換回路
Hot端子とCold端子には互いに逆位相な信号が出力される．

　そのため，Hot端子とCold端子には互いに逆位相な信号が出力されます．IN端子からCold端子までのゲイン(G_C)は式1で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　IN端子からHot端子までのゲイン(G_H)は式2で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　図2の定数の場合は，G_C，G_Hともに2倍になります．また，この回路の入力インピーダンスはR₄と同じ値になります．

●入力インピーダンスの大きい差動変換回路
　図2の回路は，R₄で入力インピーダンスが決まるため，入力インピーダンスをあまり大きくすることができません．図3は，入力インピーダンスが大きくなるように，図2の回路を改良したもので，図1の回路と同じものです．

図3　入力インピーダンスの大きい差動変換回路
OPアンプ(U₂)は非反転増幅回路として動作し，OPアンプ(U₁)は反転増幅回路として動作する．

　非反転増幅回路をバッファとして使用し，図2のR₄を削除し，R₂がR₄の役割も兼ねた回路となっています．IN端子には，OPアンプ(U₂)の非反転入力端子のみが接続されています．そのため，この回路の入力インピーダンスは，OPアンプの入力インピーダンスと同じで，非常に大きな値となります．
　図3は，OPアンプが正常に動作しているとき，非反転入力端子と反転入力端子の電圧は，ほぼ等しくなるという特性を利用しています．図3の回路において，A点の電圧は，IN端子の電圧と等しくなります．また，B点の電圧はGNDと等しいとみなすことができます．B点をGNDとみなすと，R₂はU₂の反転入力端子とGNDに接続されていることになります．そのため，OPアンプ(U₂)は非反転増幅回路として動作し，IN端子からHot端子までのゲイン(G_H)は，式3で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　また，A点の電圧がIN端子の電圧と等しいことから，OPアンプ(U₁)は反転増幅回路として動作します．そして，IN端子からCold端子までのゲイン(G_C)は式4で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

●差動変換回路の出力電圧を計算する
　ここでは，図3のIN端子にピーク電圧0.5V，1kHzの正弦波を入力したときの，Hot端子とCold端子の差電圧を計算してみます．IN端子の電圧をVINとすると，Hot端子の電圧VHは式3を使用して式5のように計算できます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　Cold端子の電圧(VC)は式4を使用して式6のように計算できます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　Hot端子とCold端子の差電圧(V_HC)は，式5，式6を使用して式7のように計算できます．

・・・・・・・・・・・・(7)

　式7に図3の定数とピーク電圧値を代入すると，式8のように，Hot端子とCold端子の差電圧(V_HC)は2Vと計算できます．

・・・・・・・・・・・・・(8)

●2つのOPアンプで構成した差動変換回路を検証する
　図4は，図1の2つのOPアンプで構成した差動変換回路をシミュレーションするための回路です．IN端子に，ピーク電圧0.5V，1kHzの正弦波を入力し，Hot端子とCold端子の出力波形を調べます．

図4　2つのOPアンプで構成した差動変換回路をシミュレーションするための回路
IN端子に，ピーク電圧0.5V，1kHzの正弦波を入力し，Hot端子とCold端子の出力波形を調べる．

　図5は，図4のシミュレーション結果です．

図5　2つのOPアンプで構成した差動変換回路のシミュレーション結果
Hot端子とCold端子の差電圧の波形のピーク電圧は2Vとなっている．

　上段がHot端子とCold端子の出力波形です．ピーク電圧1Vで互いに逆位相になっていることがわかります．
　下段がHot端子とCold端子の差電圧の波形です．ピーク電圧は2Vとなっています．

　以上，オーディオ用バランス型ドライバとして使用できる，差動変換回路について解説しました．この差動変換回路をオーディオ用パワー・アンプに応用すると，低い電源電圧でも大きな出力が得られる，BTLパワーアンプ⁽³⁾が構成できます．

◆参考・引用*文献
(1) ADA8512データシート：アナログデバイセズ
(2) 差動増幅回路で作るオーディオ用バランス型レシーバ――LTspiceで学ぶカテゴリ/応用分野別OPアンプ回路46選：CQ出版社
(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：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_015.zip

●データ・ファイル内容
U2B_amp.asc：図3の回路
U2B_amp.plt：図4のグラフを描画するためのPlot settingsファイル