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・アンプは一見シンプルなことをします。弱々しいラインレベルの信号（通常は約1 Vrms、スコアを維持している場合は0 dBV）を受け取り、実際に空気を動かすのに十分な強さのスピーカー負荷（通常は4～8Ω）を駆動します。本当のコツは、歪みを低く抑え、アンプをスペースヒーターに変えないようにしながら、ボイスコイルに数十ワット、さらには数百ワットを押し込むことです。

ほとんどのエンジニアは、出力段でどれだけの電流を流す必要があるかを過小評価しています。これは電圧の振幅だけの問題ではありません。

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電力出力の計算

数字の話をしよう。AB級アンプの場合、最大出力電力は次の関係に従います。

実際には、レール・トゥ・レールを実際にスイングすることはできません。通常、AB級の設計は電源レールの約 10% 以内に収まるため、$V_{peak} \approx 0.9 V_{supply}$が妥当な見積もりです。強く押すと、見苦しいクリッピングが始まります。

これは、±18Vの電源 (デュアルレール全体で合計36V) で8Ωの負荷を駆動した場合の実際の例です。

それほど大きな電力ではありませんが、近距離モニターや寝室のセットアップには十分です。アンプのクリッピングが始まる場所や、実際のピーク電圧振幅を調べる必要がある場合は、アンプクリッピング計算機 を使えば代数を少し省くことができます。

パワーアンプの電圧ゲインは通常26～34 dBで、ラインレベルの信号をスピーカーの駆動レベルまで上げても過度なノイズが発生しません。抵抗値を決める前に、パワーアンプゲイン計算ツール でゲインバジェットを再確認してください。

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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が、これはほとんどの人が考える以上に重要です。インピーダンスを下げると、同じ電圧振幅でもっと多くの電流を流すように出力段に求めることになります。

例えば、定格が100W～8Ωのアンプがあるとします。つまり、9§ のピークで振れているということです。次に、4Ωのスピーカーを接続します。電圧振幅は同じですが、電流も2倍になるため、電力は2倍の200Wになります。これで、これらの出力トランジスタに10Aのピーク電流が流れます。

トランジスタはその電流を処理する必要があります。そうしないと、魔法の煙が出てしまいます。データシートの安全動作領域 (SOA) 曲線を確認してください。誰かが「たぶん大丈夫だろう」と思っていたので、フライド・アウトプット・ステージを何度も見てきました。

スピーカー感度はラウドネス方程式のもう半分です。通常はdB/W/mで表されます。つまり、1ワットの入力で1メートルでスピーカーが再生する音量です。リスニングポジションの SPL は次のように機能します。ここで、$S$はその感度定格です。100Wで供給される一般的な90dB/W/mのスピーカーは、1メートルで110dBの音圧に達します。ちなみに、これはかなり大きな音量なので、すぐに聴覚障害を起こしてしまいます。

実際のセットアップの音量を予測したいとお考えですか？数値を スピーカー感度計算ツール に接続し、実際のリスニング距離に合わせて調整します。

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アンプクラスの比較

アンプのトポロジが異なれば、トレードオフも異なります。その積み重ねは以下のとおりです。

クラス AB: ザ・スタンダード

AB級はオーディオ増幅の主力製品です。純粋なクラスBで生じるクロスオーバー歪みを除去するには、出力トランジスタに小さな静止電流（通常はデバイスあたり10〜50mA）でバイアスをかけます。その結果、歪みをかなり低く抑えながら、クラスA（時代遅れのように電力を浪費する）よりもはるかに効率が良くなります。

つまずいてしまうのは、ABクラスの電力損失は、実際には中程度のレベルよりも最大出力での消費電力が「低い」ということです。最悪の場合の消費電力は、フルパワー時ではなく、$V_{out} = 0.64 V_{supply}$付近で発生します。ヒートシンクのサイズは、ピーク電力定格ではなく、その条件に合わせて行ってください。

クラス D: モダンチョイス

D級アンプはパルス幅変調を使用して出力トランジスタをハードオンまたはハードオフに切り替えます。リニア領域もなく、大きな損失もありません。標準効率は85～ 95% です。これが、現在すべてのポータブルBluetoothスピーカーとカーオーディオシステムがクラスDを採用している理由です。

クラスD効率計算ツール は、MOSFET RDS (オン) と静止電流に基づいて効率を推定します。スイッチング損失も重要ですが、スイッチング周波数が 500 kHz 未満のほとんどの設計では、導通損失が支配的です。 注意点: PWM 信号からオーディオを再構成するには、出力 LC フィルタが必要です。このフィルタを使うと、コストと基板スペースが増え、設計が少し複雑になります。また、スイッチング周波数で RF ハッシュを生成することにもなるため、PCB のレイアウトを慎重に行い、場合によっては EMI フィルタリングを追加する必要があります。

TPA3116やMAX9744のような集積型D級チップは、出力フィルタを内蔵し、EMI用に最適化されているため、このほとんどを処理できます。本当に特殊なものを構築しているのでなければ、統合ソリューションから始めましょう。

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ヘッドフォンアンプ

ヘッドフォンアンプは、まったく異なる設計上の課題に直面しています。比較的低い電源電圧で高インピーダンスの負荷 (民生用缶の場合は32Ω、スタジオモニターの場合は600Ωまで) を駆動することになります。幸いなことに、必要な電力ははるかに少なくて済みます。悪いニュースは、出力インピーダンスとノイズがはるかに重要になることです。

例を見ていきましょう。例えば、感度が100dB/mWの定格300Ωのヘッドフォンから110dBのSPLが必要だとします。必要電力:

これは大した電力ではありませんが、電圧振幅は大きくなります。ヘッドフォンパワーカリキュレータ を使用して、特定のヘッドフォンでこれを計算できます。電圧と電流の両方の要件がわかります。

ここでは出力インピーダンスが非常に重要です。 従来の経験則では、インピーダンス曲線の相互作用による周波数応答の偏差を避けるため、アンプの出力インピーダンスをヘッドフォンのインピーダンスの1/8未満に保つことです。32Ωのヘッドホンの場合、これは$Z_{out} < 4\Omega$を意味します。ほとんどのオペアンプの出力段は簡単に実現できますが、ディスクリートの設計では注意が必要です。

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ノイズフロアと SNR

ノイズフロアはダイナミックレンジの上限を設定します。信号対雑音比は単純明快です。

本当に優れたオーディオシステムは 120 dB の SNR に達します。これは最先端技術です。つまり、ノイズの振幅は文字通りフルスケール信号の100万分の1です。ほとんどの民生機器は90～100 dB程度ですが、ほとんどのアプリケーションではまだ問題ありません。

ノイズ源

次の 3 つの主なノイズ源があなたを悩ませます。

ジョンソンノイズは回路のすべての抵抗から発生します。これは基本的な物理学です。ここで、$k$はボルツマン定数、$T$はケルビン単位の温度、$R$は抵抗、$B$は帯域幅です。抵抗値が大きいほどノイズも大きくなります。敏感な段階ではインピーダンスを低く保ってください。 オペアンプの入力ノイズは、電圧ノイズ (nV/√Hz で指定) と電流ノイズ (pA/√Hz) の両方として表されます。電圧ノイズは信号に直接加わります。電流ノイズはソースインピーダンスを流れ、そのインピーダンスに比例した電圧ノイズ項を生成します。電源インピーダンスが高いと、電流ノイズが悪化します。 電源ノイズは、注意しないと信号経路に混入します。電源レールで適切な LC フィルタリングを行い、局所的なバイパスコンデンサを追加してください。10 μF の電解液と 100 nF のセラミックを並列に接続すると、ほとんどのアプリケーションに適しています。セラミックは高周波トランジェントを処理し、電解コンデンサはバルク容量を供給します。

信号とノイズのレベルがわかっていれば、オーディオ SNR 計算ツール で数値を計算できます。

オーディオ用オペアンプの選択

低ノイズのプリアンプ・ステージでは、以下のことがよく疑われます。

NE5532は定番の選択肢です。このデバイスは昔から存在していて、ほとんどコストもかからず、5 nV/√Hzの入力ノイズを供給します。バイポーラ入力段では、ある程度の入力バイアス電流が発生しますが、パフォーマンスは安定しています。 OPA2134はJFET入力を使用しており、非常に低い入力電流と非常に低い歪みを実現しています。入力ノイズは8nV/√Hzで、NE5532より少し高いですが、JFET入力は電流ノイズがほとんどないことを意味します。高インピーダンスのソースに最適です。 LM4562は、2.7 nV/√Hzの低ノイズのチャンピオンです。コストは高くなりますが、SNR を最後の dB まで高める必要がある場合は、この方法が最適です。ノイズが非常に重要な高精度測定プリアンプでこれらを使用しました。

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保護回路

実際に使用されるすべてのパワーアンプには保護が必要です。見逃せないものは次のとおりです。

DCオフセット保護は交渉の余地がありません。トランジスタの故障や電源投入時の過渡現象などが原因で出力段で DC オフセットが発生した場合は、DC 電流をスピーカーのボイスコイルに直接流します。その場合、電流が焼損するか、少なくともコーンの位置がずれて歪みが生じます。DC オフセットが約 50 ～ 100 mV を超えると、出力を監視してスピーカーを切断するリレーを使用してください。リレーは、電源投入時に 1 ～ 2 秒間開いたままになり、動作が安定します。 熱保護により、出力デバイスの調理が不要になります。ヒートシンクにサーミスタまたは温度センサーを取り付けます。温度が約 80°C を超える場合は、ゲインを下げるか、温度が下がるまで完全にシャットダウンしてください。これがないアンプは、文字通り基板からはんだが除去されるのを見たことがあります。 ショートサーキット保護は、誰かが不良ケーブルを差し込んだり、スピーカーワイヤーがシャーシに触れたりしたときに役立ちます。出力段に電流制限を実装してください。出力電流が安全限界値を超えた場合は、駆動量を減らすか、シャットダウンしてください。出力にファストブローヒューズを使用するだけの設計もあります。これは機能しますが、障害が発生するたびにヒューズを交換することになります。 ツイーター保護はマルチウェイスピーカーシステムに固有のものです。ツイーターと直列コンデンサを直列に接続して、一次ハイパスフィルターを作ります。これにより、ツイーターに損傷を与えたり、過度な偏差を引き起こす可能性のある低周波が遮断されます。ツイーターのインピーダンスと希望するクロスオーバー周波数に基づいてキャップのサイズを決めてください。

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実用設計チェックリスト

デザインを決めたり、ボードを注文したりする前に、以下を確認しておきましょう。

-[] 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してください。電圧振幅については現実的に考えてください -[] ご使用のトランジスタまたはICが少なくとも1.5倍のマージンでピーク電流を処理できることを確認してください -[] 電圧ゲイン (パワーアンプの場合は通常26～34 dB) を設定し、過剰なノイズを発生させない抵抗値を選択してください -[] スルーレートをチェック — 20 kHzでクリッピングなしでフルパワーを出すには十分な帯域幅が必要です -[] ヒートシンクのサイズは、最悪の場合の損失を考慮してください。クラス AB の場合、最大出力ではなく、約 3 分の1 のフルパワーで発生します。 -[] ノイズフロアを計算し、SNR が 90 dB (つまり -90 dBV のノイズフロア) を超えていることを確認します。 -[] リレーと監視回路による DC オフセット保護の追加 -[] 電源レールをローカルで分離 — すべてのICおよび高電流ステージで10μFのバルクと100nFのセラミック

これらのいずれかを逃すと、何かを吹き飛ばすか、アンプの音がひどい理由をデバッグするのに何時間も費やすことになります。