アンプクリッピングレベル

電源電圧と負荷インピーダンスからアンプクリッピング電圧、電力、dBV レベルを計算します。

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公式

V_peak ≈ 0.9 × V_cc, P_clip = V_peak² / (2 × Z_L)

V_cc — Supply rail voltage (V)

仕組み

アンプのクリッピングは、入力信号がアンプの電源レールの能力を超える出力電圧または電流を要求する場合に発生します。経験則では、歪みのない最大ピーク出力電圧は、電源レールの電圧の約0.85～0.92倍です (残りは出力段のトランジスタ飽和電圧とドライバ損失によって失われます)。正弦波出力の場合、クリッピングパワーはP_clip = V_Peak²/ (2 × Z_L) で、Z_Lは負荷インピーダンスです。クリッピング時の RMS 電圧は V_rms = V_Peak /√2 です。dBV 単位のクリップレベル = 20·log( V_RMS) です。クリッピング閾値を理解することはシステム設計にとって非常に重要です。オーディオ信号は、クレストファクター（ピーク対RMS比）が10〜20 dBのプログラム素材です。定格100Wのアンプは、プログラムレベルが定格電力よりわずか3 dB低く設定されている信号からの過渡ピークを継続的にクリップします。

計算例

アンプ: ±18 V デュアル電源 (36 V レール・トゥ・レール)負荷:8 Ω。

最大出力電圧 (0.9 × V_電源使用時):

V_Peak = 0.9 × 18 = 16.2 V ピーク

クリッピング時の RMS 電圧:

V_RMS = 16.2/√2 = 11.46 V RMS

クリッピングパワー:

P_Clip = (16.2) ²/ (2 × 8) = 262.4/16 = 16.4 W

クリッピングレベル (単位: dBV):

dBV = 20·log( 11.46) = 21.2 dBV

100% のヘッドルームリザーブ (リダクションなし) の場合、最大クリーン出力 = 16.4 W、8 Ω

ヘッドルームリザーブを 70% に減らすと、最大クリーン出力の電圧が20·log( 0.7) ≈−3.1 dB、電力が 16.4 × 0.7² ≈8 W に減少し、クリッピング前のマージンが増えます。

実践的なヒント

✓トランジェントによるクリッピングを避けるため、通常のリスニングレベルより10 dBのヘッドルームを追加してください。スピーカーでの標準リスニングレベルが90 dBの場合、アンプはクリッピングなしで100 dBのピークを処理できるはずです。つまり、平均電力の約10倍のピーク電力が必要になります。
✓ソフトクリッピング（ハードクリッピングの前に穏やかな彩度）は、ハードクリッピングよりも聞こえにくくなります。アンプ設計によっては、正常な過負荷に対処するために、出力段の前にソフトクリップ回路やリミッタを設けているものもあります。
✓設置およびセットアップ中に、アンプとミキサーのクリップインジケーターを監視します。中程度の信号レベルで一貫したクリッピングは、ゲインのステージングが高すぎる (入力トリムを下げる) か、アンプのサイズがスピーカーと部屋の組み合わせに対して小さすぎるかのどちらかです。

よくある間違い

✗クリッピングパワーと連続定格パワーは混同されがちです。定格が「100 W RMS」のアンプを、クリッピング閾値の正弦波でテストしました。プログラム素材で実際に使用する場合、（音楽のクレスト・ファクターが高いため）プログラム・レベルの平均がわずか10～20Wのときに、アンプはピーク時に一時的にクリッピングします。
✗両方のチャンネルが同時にクリップされないと仮定すると、ステレオアンプは電源を共有します。大きな低音トランジェントでは、両方のチャンネルが同時にピーク電流を流すため、電源電圧が低下し、実効クリッピング電圧がアイドル値以下に低下します。
✗スピーカーのインピーダンスの低下は考慮されていません。スピーカーのインピーダンスは周波数によって異なります。公称8Ωのスピーカは、特定の周波数で3～4Ωに低下し、要求電流が2倍になり、実効クリッピング・パワーが低下することがあります。

よくある質問

アンプのクリッピングがツイーターにそれほどダメージを与えるのはなぜですか？

クリッピング波形には高次高調波が多く含まれます。100 Hzのクリッピング正弦波は、300Hz、500Hz、およびツイーターの周波数範囲全体にわたって強い成分を生成します。これらの高周波高調波はツイーターに多大なエネルギーを運びますが、その電力レベルに対応するようには設計されていないため、ボイスコイルに熱による損傷が生じます。ツイーターが壊れる最も一般的な原因はハードクリッピングです。

アンプがクリッピングしているかどうかはどうすればわかりますか？

最も信頼できる方法は、出力波形をオシロスコープで測定することです。正弦波の上部が平らになっているかどうかを確認してください。聴こえる兆候としては、ピーク時、特に長音域での耳障りや「ブーンという音」などがあります。多くのアンプには、出力が電源レールに近づくとトリガーされるクリップLEDが搭載されています。プロフェッショナル・オーディオ・システムのリミッターは、出力がレイルに達する前にゲインを下げることでクリッピングを防ぎます。

ヘッドルームリザーブのパーセンテージによって、歪みのない最大出力が変わりますか？

はい。ヘッドルームリザーブ (0 ～ 100%) は、動作時のピーク出力電圧を理論上の最大値に比例して直線的にスケーリングします。100% になると、アンプはクリッピングの限界に達します。70% に設定すると、クリッピング前のヘッドルームは約3 dBになります。これは、トランジェント・ピークがクリップされないようにするシステム設計に役立ちます。動作レベルは、一般的なプログラム素材のクリップ閾値の 50 ～ 70% に設定してください。

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