オーディオアンプの設計:パワー、インピーダンス、ノイズ

パワーアンプの基礎

オーディオパワーアンプは、低レベルのライン信号 (通常は 1 Vrms、0 dBV) を受け取り、スピーカー (4～8 Ω) を駆動して音響出力を生成します。主な課題は、低歪みと高効率を維持しながら数十～数百ワットを供給することです。

---

電力出力の計算

AB 級アンプの最大出力パワー:

「マスブロック_0」

ここで、「MATHINLINE_7」(クラス AB は通常、レールの 10% 以内でスイングします)。

8Ωに±18V (36Vデュアル) 電源を供給する場合: 「マスブロック_1」

[アンプクリッピング電卓] (/電卓/オーディオ/アンプクリッピング) を使ってピーク電圧とクリッピングパワーを求めましょう。

[パワーアンプゲインカリキュレータ] (/電卓/オーディオ/パワーアンプゲイン) を使用して電圧ゲイン (パワーアンプでは通常26～34 dB) を確認します。

---

スピーカーインピーダンスマッチング

アンプは特定の負荷で定格されます。インピーダンスを低くして動作させると、より多くの電流が流れます。

「MATHBLOCK_2」

100W/8Ωのアンプは「MATHINLINE_8」のピークを生成します。同じ電圧で4Ωになると、電力は2倍の200Wになりますが、電流も2倍になってピーク時の10Aになります。出力トランジスタはこれを処理する必要があります。

スピーカーの感度によって、特定のパワーで再生される音量が決まります。

「MATHBLOCK_3」

ここで、「MATHINLINE_9」はdB/W/m単位の感度で、100Wで90dB/W/mのスピーカーは1mで110dBの音圧を生成します。

[スピーカー感度計算ツール] (/電卓/オーディオ/スピーカー感度) を使用して、リスニング距離でのSPLを予測してください。

---

アンプクラスの比較

クラス AB: ザ・スタンダード

AB級は自己消費電流が小さいためクロスオーバー歪みがなく、A級出力トランジスタがそれぞれ10～50mAでアイドル状態になる場合よりも効率が良くなります。

最大出力時の電力損失は、実際には半分の電力の場合よりも低くなります (直観に反します)。ワーストケースの消費は「MATHINLINE_10」で発生します。

クラス D: 現代の選択

クラスDはPWMを使用して出力トランジスタを完全にオンまたはオフに切り替えます。標準効率は 85 ～ 95% です。

MOSFET RDS (オン) と静止電流から効率を推定するには、[クラス D 効率計算ツール] (/電卓/オーディオ/クラス D 効率) を使用してください。

トレードオフ: 出力 LC フィルタが必要 (コストとサイズが大きくなる)、スイッチング周波数による EMI、慎重なレイアウトが必要な場合があります。内蔵クラスD IC (TPA3116、MAX9744) にはフィルタが内蔵されており、ほとんどの複雑さに対応します。

---

ヘッドフォンアンプ

ヘッドフォン・アンプは、低い電源電圧から高インピーダンスの負荷 (32～600Ω) を駆動するという別の設計上の問題に直面しています。

300 Ω/100 dB/mW ヘッドフォンからの110 dB SPL に必要な電力: 「MATHBLOCK_4」 「マスブロック_5」

[ヘッドホン電力計算ツール] (/電卓/オーディオ/ヘッドフォン電源) を使って、お使いのヘッドホンのスペックから必要な電圧と電流を計算してください。

出力インピーダンスが重要:周波数応答の偏差を最小限に抑えるには、アンプの出力インピーダンスはヘッドフォンのインピーダンスの1/8未満でなければなりません。32Ωのキャンの場合は、「MATHINLINE_11」のままにしてください。

---

ノイズフロアと SNR

ノイズフロアはアンプのダイナミックレンジを決定します。オーディオシステムの場合:

「マスブロック_6」

120 dB の SNR (最先端) ということは、ノイズがフルスケール信号の 100 万分の 1 ほど小さいということです。

ノイズ源

1.抵抗のジョンソンノイズ:「MATHINLINE_12」 2.オペアンプの入力ノイズ: nV/√Hz 電圧ノイズ+ pA/√Hz 電流ノイズとして指定 3.電源ノイズ: 十分にフィルタリングする必要があります。LC フィルタ+ローカルコンデンサを使用してください

信号レベルとノイズレベルから SNR を計算するには、[オーディオ SNR 計算ツール] (/calculators/audio/audio-snr) を使用してください。

オーディオ用オペアンプの選択

オーディオプリアンプ用: -NE5532: クラシック、低ノイズ (5 nV/√Hz)、低価格 -OPA2134: JFET入力、非常に低い歪み、8nV/√Hz -LM4562: 2.7 nV/√Hz、精密ステージに最適

---

保護回路

すべてのパワーアンプには以下が必要です。

1.DC オフセット保護: DC オフセットが 50 ～ 100 mV を超えるとスピーカーを切断するリレー。スピーカーを DC 電流から保護します。

2.熱保護: ヒートシンクのサーミスタがゲインを低下させたり、温度が 80°C を超えると切断したりします。

3.短絡保護: 電流制限 (「MATHINLINE_13」の場合はドライブを減らす) または出力側のヒューズ。

4。ツイーター保護コンデンサ: ツイーターからの低周波を遮断する1次ハイパスフィルター。

---

実用設計チェックリスト

-[] 電源電圧と負荷インピーダンスから最大出力電力を計算 -[] トランジスタ/IC の定格電流 (1.5 × ピーク) を確認 -[] ゲインの計算 (通常は 26 ～ 34 dB、抵抗比で設定) -[] フルパワー帯域幅が20kHz以上の場合のスルーレートをチェック -[] ヒートシンクのサイズ:1/3 フルパワーでの P_損失 (AB の場合は最悪の場合) -[] S/N 比が 90 dB を超えていることを確認します (ノイズフロア < -90 dBV) -[] DC 保護リレーを追加してください -[] 電源レールをローカルでデカップリングします (10 μF + 100 nF セラミック)