JP3162126U - 負帰還電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】スピーカのような変動負荷機器に対する負帰還電力増幅器の負帰還量を安定させ、入力信号を忠実に増幅できる駆動回路を備えた電力増幅器を提供する。【解決手段】変動負荷に対して負帰還前の利得を安定化させるため、駆動トランジスタ回路４に、ＳＥＰＰに負荷インピーダンスを接続した状態の等価抵抗以下の負荷抵抗３を接続することにより、駆動トランジスタの負荷変動を緩和する。トランジスタは、電流が少ないと電流増幅率が著しく変動することから、ＳＥＰＰ負荷と負荷抵抗３を加えて、最大振幅まで駆動するのに十二分な電流を駆動トランジスタに供給する定電流負荷回路２もしくはプッシュプル駆動負荷回路を備える。更に、このような電力増幅器において、駆動回路入力に駆動回路から負帰還用抵抗５を接続し、変動負荷に対しても歪の少ない高品位の電力増幅を実現する。ＳＥＰＰ：エミッタフォロア型シングルエンデッドプッシュプル増幅器【選択図】図１

Description

本発明は電力増幅器に関し、さらに詳細には、スピーカのような変動するインピーダンス特性を有する負荷装置を入力信号に忠実に制御するアナログ回路技術に関する。

電力増幅器もＩＣ化が進み、回路からのコンデンサの除去などＩＣによる実現の容易な回路が考案されてきた。近年は、効率の良いデジタル電力増幅も採用されるようになってきたが、スピーカのような変動性の負荷を制御するには、真空管によるアナログ電力増幅器にもまだまだ根強い利用要求が残っていることからも、個別トランジスタによるアナログ回路にも更なる改良を加える必要がある。

これまでの電力増幅器の考案は、差動回路、定電流源、相補性トランジスタによるプッシュプル化など、ＩＣ化のための回路の工夫に加え、回路内で発生する歪を抑え、増幅器全体を通じての負帰還で問題解決することを基本に据えたものであり、負荷インピーダンスの動的変動への対応については、負荷に流れる電流を検出して負帰還により調整するものであった。

特許文献１では、当時、真空管アンプとの音質の違いは、出力インピーダンスによるものとみなされ、当該特許出願をはじめ、この問題を増幅器とスピーカとの間に制御のための仕組みと負帰還回路を設けて解決しょうとする取り組みが行われた。しかしながら、示されていた図からも分かるように、当時は、電源電圧を最大限活用するため、駆動トランジスタの負荷抵抗を２つに分け、この中間点とエミッタホロワ型シングルエンデッドプッシュプル増幅回路（以下ＳＥＰＰと記す。）の出力点をコンデンサによって接続するブートストラップが採用されていた。このため、ＳＥＰＰはエミッタホロワ型ではなくなり、駆動トランジスタの交流的な負荷は、終段のトランジスタ群のコレクタ側で駆動されるスピーカとなり、負荷最終段から差動回路への負帰還によって出力インピーダンスは零に近いものとなってはいるが、負荷変動により増幅率が大きく変動し、負帰還量が変動するという非常に不安定な（過渡応答として扱う必要がある）動作になっていた。

特許文献２では、駆動回路をコレクタ出力のプッシュプル構成とし、この構成での偶数次歪の改善を目的に駆動回路の負荷抵抗をＳＥＰＰの出力中心に接続する考案が行われている。この負荷抵抗は、ＳＥＰＰの負荷と直列接続となるためＳＥＰＰ回路の入力特性は改善されても、出力駆動トランジスタの負荷が変動することは改善できず、前述のブートストラップよりも改善されることになるが、総利得の変動、初段への負帰還量が変動する不安定性は解消されていない。

特許文献３では、駆動トランジスタの負荷として定電流回路を設けた場合、ＳＥＰＰ増幅回路の信号源インピーダンスが高くなることによるスイッチング歪の発生対策として、初段の差動回路のベースに負帰還用の抵抗を接続する考案がなされた。しかし、これは、駆動段の負荷変動を初段に負帰還することで解決を図るものであり、負荷の動的変動に対しては駆動段の増幅率が大きく変動することから、安定に電力増幅するには、十分とは言えない。

特許文献４では、負荷へ流れる電流量を検出して負帰還に加える考案、特許文献５では負荷を電圧駆動から電流駆動とする方法の考案が示されている。これらのように、負荷インピーダンスの動的変動への対応を負荷に流れる電流を検出して負帰還により調整して改善しようとする取り組みがなされてきたが、増幅器内部の状態は改善されず、望ましい増幅ができているのか定かとなっていない。

以上のような取り組みが行われてきたが、以後、技術はコンデンサの除去などＩＣ化のための回路構成、デジタル（Ｄ級）増幅に関する発明に技術動向が移り、本件の課題に係る発明、考案はなされずに来た。

特開 昭５０−２８４７ オーディオ用電力増幅器 実公 昭５０−１３４８０ 負帰還増幅回路 特開 昭５２−１３７９５７ 負帰還増幅器 特開 昭５７−１４１１１３ 増幅器の出力特性制御回路 特開 昭６１−６５６１１ 増幅回路

本考案で対象とするトランジスタによる電力増幅器は、前段に差動増幅回路による入力と負帰還機構を配備し、駆動回路で差動回路からの信号を最大電圧振幅まで増幅して、後段のＳＥＰＰを経由して負荷に電力を供給する構成とし、差動回路への負帰還で全体として安定な増幅を行うことを基本としている。一方、スピーカの特性は、マイクがわりにも使えることから分かるように、動作環境からの空気圧、空気振動の影響を受けることに加え、構造に起因する固有の振動特性を有しているため、単純な周波数−インピーダンス曲線では捉えられない負荷機器の一つである。このため、負帰還による制御が十分機能せず、真空管アンプ信仰、ダンピングファクタ問題や電流駆動などの取り組みが発生し、回路の複雑化を招いていると考えることができる。

本考案は、このような変動するインピーダンス特性を有する負荷機器に対して、安定に負帰還を施して入力信号を忠実に増幅することを可能とするものである。

請求項１の本考案は、前段に差動増幅回路を有し、後段にＳＥＰＰが配置された負帰還電力増幅器の駆動回路において、駆動トランジスタの負荷抵抗を、ＳＥＰＰに負荷インピーダンスを接続した状態の等価抵抗以下とすることにより、駆動トランジスタの負荷変動を緩和することである。非常に単純な原理であるが、ＩＣ化と負帰還量を増やすため利得の増大を図ること、すなわち定電流負荷による高負荷抵抗化が技術動向となっていたため、変動負荷対策の視点から取り上げられることがなかった。

ＳＥＰＰは基本的にはダーリントン接続された相補性トランジスタの組み合わせによるエミッタホロワであり、ＳＥＰＰの出力インピーダンスは駆動トランジスタの負荷抵抗をＳＥＰＰの増幅率分の１程度にしたものとなる。従って本考案により、負帰還実施前のＳＥＰＰの出力インピーダンスを負荷より低くできる。これは、負帰還実施前のダンピングファクタを１以下とすることでもある。

トランジスタは、基本的に電流増幅素子であり、その電流増幅率は電流が少ないと著しく変動することから、請求項１では更に、接続した負荷抵抗を含めてＳＥＰＰ負荷を最大振幅まで駆動するのに十二分な電流を駆動トランジスタに供給することを要請する。負荷の変動を５０％程度と想定して、最大振幅まで駆動した時の駆動トランジスタの最大電流以上の電流を無信号時に流す定電流回路もしくはプッシュプル駆動負荷回路を備える。

請求項２の考案は、請求項１の電力増幅器において、前段の差動増幅回路からの駆動回路入力に駆動回路から負帰還用抵抗を接続することによって、駆動段の出力インピーダンスを一層引き下げるとともに、駆動トランジスタの電流増幅に委ねられていた負帰還増幅器の実動作態様を、前段の差動トランジスタの電流変化にも分担させるものであり、全体としてバランスのとれた動作態様とすることができる。

また、３極真空管駆動の電力増幅器は音質面での評価が高いが、トランジスタの特性に近い５極真空管は、３極真空管のゲート電極近辺の空間電荷による負帰還を除去するために、加速とシールド用電極を追加したものである。コレクタからベースへ負帰還を掛けることは、駆動トランジスタの動作を３極真空管特性に近づける効果があり、出力段階での高調波歪の特性改善面の効果を期待することができる。

本考案によれば、スピーカのような変動性のインピーダンス特性を有する機器に対する負帰還電力増幅器の駆動品質と制御安定度を、対象機器と並列に等価抵抗を接続して駆動する方法と同等レベル以上に改善することができる。また、このような機器に並列に等価抵抗を接続することを不要にでき、電力面も含めて、経済的な方法とも言える。

更に、電力増幅器の要である駆動段の高調波歪特性をコレクタ・ベースの負帰還により３極真空管に近づけることで、オーディオ再生品位を向上させることが期待できる。

本考案の電源接続駆動トランジスタ負荷抵抗と並列電流源の実施例 本考案の電源接続駆動トランジスタ負荷抵抗とプッシュプル駆動の実施例 アース接続の駆動トランジスタ負荷抵抗の実施例

駆動トランジスタへの負荷抵抗の接続方法としては、図１、図２に示すように無信号時に駆動トランジスタに電流を供給するように電源と接続する方法と図３に示すようにアースと接続する方法がある。以下、実施例に沿って説明する。

図１は、ＳＥＰＰ１をインバーティッドダーリントン接続したエミッタホロワ構成とし、駆動トランジスタ回路４の負荷回路２として、負荷抵抗３とこれに並列接続した定電流回路を備えた本考案電力増幅器の実施例である。ＳＥＰＰ１の電流増幅率は５０００程度となるので、これに８Ωのスピーカを接続する場合は、駆動トランジスタの負荷としては４０ＫΩ程度になる。このため、これより低い負荷抵抗３として、実施例では３３ＫΩ抵抗を電源に接続し、簡易な定電流回路を並列接続している。

最大振幅まで駆動するのに最低必要となる負荷抵抗電流は、電源電圧４０Ｖを抵抗値３３ＫΩで割った電流1.２１ｍＡであり、ＳＥＰＰ１を加えるとこの約２倍の電流が必要となる。従って、２．４２ｍＡ以上の電流を負荷回路２と駆動トランジスタ回路４に無信号時に流すために、この構成例の定電流回路は、負荷抵抗電流０．６１ｍＡを除いて算出される１．８1ｍＡ以上の電流を供給すればよい。

しかしながら、最低限の電流供給２．４２ｍＡでは、最大振幅ピークで駆動トランジスタの電流が半分の１．２１ｍＡとなるので、電流増幅率の変動が十分小さいとは言えない。この増幅率の変動を少なくするため、実施例では２倍の５ｍＡ程度の電流を駆動トランジスタ４に供給するよう、４ｍＡ程度の電流源としている。

図２は、プッシュプル駆動による本考案の実施例であり、定格変動負荷を８オームとした場合、ＳＥＰＰ１の電流増幅率を５０００として、駆動回路の等価負荷は４０ＫΩであり、分散負荷の並列接続となるので、８０ＫΩ以下の負荷抵抗３を駆動回路７と負荷回路６とに分散接続する。図の実施例では、負荷変動を考慮して４７ＫΩの負荷抵抗３を正負電源にそれぞれに分配接続している。

図２の実施例では、駆動プッシュプルの各トランジスタの負荷は、負荷抵抗３（４７ＫΩ）の半分の２３ＫΩとなり、４０Ｖ／２３ＫΩから、２ｍＡ以上を流すことが条件となる。実施例では、電流変化による電流増幅率の変化を避けるため、３ｍＡとして、初段の差動回路の電流設計を実施している。

図３は、駆動トランジスタ回路４の負荷抵抗３をアースに接続する方法の実施例を示す。電源に接続する場合と同一基準で駆動回路４を動作させるためには、電流源からの電流供給を増やす必要があり、実施例では、電流源回路トランジスタのベースバイアス調整抵抗８を２ＫΩ増加させた値としている。なお、プッシュプル駆動の場合は、無信号時に負荷抵抗３を流れる電流は分散された負荷抵抗３で相殺されているので、駆動回路は負荷を電源接続したものと同一のものでよい。

本考案請求項２の実施例を図１の駆動回路４に示す。駆動トランジスタのベースにコレクタからの負帰還用抵抗５を接続している。この実施例では、この負帰還抵抗５には概算で、無信号時０．０９ｍＡが流れ、０〜０．１８ｍＡの範囲の電流が流れる。この負帰還抵抗を接続した場合、前段の差動トランジスタの電流は定常電流０．３５ｍＡ、４３％の電流変化で最大出力が得られ、電流増幅率の変動が大きくない範囲で動作させることができる。

なお、この負帰還抵抗を設けない場合には、０．４４ｍＡで動作し、電流変化範囲は約１４％で動作範囲の狭いものとなる。このことから、本考案は、有効活用されていなかった初段の能力をこの負帰還によって駆動トランジスタ回路の特性改善に利用するものであるということもできる。

本考案請求項２のプッシュプル駆動での実施例を図２の駆動回路７に示す。直接ＳＥＰＰを駆動するトランジスタと同じ値の負帰還抵抗５を、プッシュプル駆動負荷６を反転駆動するトランジスタにも接続して、前段差動トランジスタ間の負荷バランスに加えプッシュプル回路の駆動バランスを保持する。

なお、本考案に、増幅率を上げて特性改善を図る構成案を加えることは、前段と駆動トランジスタの間へカレントミラー等のトランジスタ追加する、駆動トランジスタをダーリントン構成にするなど既知の技術により容易に実現可能であり、等価回路化すれば、本考案の原理は同一となるので、事例説明は割愛する。

本考案は、電力増幅器の駆動トランジスタ回路に抵抗を付加するものであるから、ＩＣ回路への取り込みも容易であり、個別トランジスタで実現するハイエンドのオーディオ用アンプはもとより、高品位な制御を必要とする変動性インピーダンスを有する機器へ電力を供給する負帰還電力増幅器に利用する効果は大きい。

１ インバーティッドダーリントン接続によるエミッタホロワ型シングルエンデッドプッシュプル回路（ＳＥＰＰと記す）
２ 駆動トランジスタの負荷回路
３ 駆動トランジスタの負荷抵抗
４ 駆動トランジスタ回路
５ 駆動トランジスタの負帰還抵抗
６ プッシュプル駆動負荷回路
７ プッシュプル駆動トランジスタ回路
８ 電流源回路トランジスタのベースバイアス調整抵抗

Claims (2)

1. 前段に差動増幅回路を有し、後段にエミッタホロワ型シングルエンデッドプッシュプル増幅回路（以下ＳＥＰＰと記す。）が配置された負帰還電力増幅器の駆動回路において、電力増幅定格の負荷機器を接続した状態のＳＥＰＰを駆動トランジスタの負荷とし、この等価抵抗と並列に同等以下の抵抗を駆動トランジスタの負荷抵抗として接続し、無信号時の駆動トランジスタの電流を最大振幅での最大駆動電流以上とする定電流回路もしくはプッシュプル駆動回路を備えた電力増幅器
   
2. 請求項１の駆動回路において、前段の差動増幅回路からの駆動回路入力に駆動回路から負帰還用抵抗を接続することを特徴とする電力増幅器
   
   

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