JP6933797B2 - オーディオアンプおよびオーディオパワーアンプ - Google Patents

Description

本発明は、オーディオアンプおよびオーディオパワーアンプに関し、特に、バイアス電圧またはバイアス電流の安定化に関する。

音響信号を増幅するオーディオアンプが広く用いられている。オーディオアンプが備える各トランジスタには、バイアス電圧またはバイアス電流（以下、これらを総じてバイアスという。）が与えられ、オーディオアンプに音響信号が入力されていないときの各トランジスタの状態がバイアスによって定まる。この動作状態は、例えば、ベース、コレクタあるいはエミッタに流れるバイアス電流や、これらの端子間のバイアス電圧によって表される。オーディオアンプに音響信号が入力されると、音響信号が入力されていないときの動作状態を基準として、各トランジスタにおける各端子の電圧および電流が音響信号に応じて変化する。オーディオアンプからは、所定の端子の電圧または電流が、増幅後の音響信号として出力される。

以下の特許文献１および２には、オーディオアンプが記載されている。これらの特許文献に記載されているオーディオアンプでは、増幅用トランジスタＴＲ５およびＴＲ６のベースエミッタ間のバイアス電圧が、一対の入力端子に設けられたエミッタフォロワ用トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４、バイアス設定用トランジスタＴＲ７およびＴＲ８のそれぞれのベースエミッタ間の電圧によって安定化されている。また、増幅用トランジスタＴＲ５およびＴＲ６のコレクタに流れる電流が、バイアス設定用の定電流源によって制限されない回路が用いられており、増幅後の信号に含まれる歪みが抑制される。

特開２０１２−１０９９３２号公報 特開２０１２−２４９２０６号公報

特許文献１および２に記載されているオーディオアンプは、周波数０から可聴周波数に及ぶ周波数帯で信号を増幅するＤＣアンプである。ＤＣアンプでは、前段の増幅回路が信号の交流成分のみならず直流成分をも増幅し、後段の電力増幅回路に出力する。電力増幅回路は、前段の増幅回路から出力された直流成分を増幅する。したがって、前段の増幅回路に含まれるトランジスタのバイアスが不安定となり、ＤＣオフセット電圧が発生した場合、電力増幅回路はそのＤＣオフセット電圧を増幅して出力してしまう。特許文献１および２に記載のオーディオアンプでは、各トランジスタのバイアスを安定化する回路が採用されているものの、直流電圧源の出力電圧の変動等によってバイアスが不安定となることがあった。

本発明は、オーディオアンプにおけるバイアス電圧またはバイアス電流を安定化することを目的とする。

本発明は、互いに相補的な第１回路ユニットおよび第２回路ユニットを備えるオーディオアンプにおいて、前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットのそれぞれは、前記オーディオアンプの第１入力端子に接続された第１エミッタフォロワと、前記オーディオアンプの第２入力端子に接続された第２エミッタフォロワと、前記第１エミッタフォロワの出力経路にベースが接続され、前記第２エミッタフォロワの出力経路にエミッタが接続され、コレクタから信号が出力される本体トランジスタと、前記第１エミッタフォロワの出力経路と直流電圧源との間に設けられ、直列に接続された第１抵抗器および第２抵抗器と、前記第１抵抗器および前記第２抵抗器の直列接続点に接続された定電圧発生器と、を備え、前記第１回路ユニットにおける前記第１エミッタフォロワおよび前記第２エミッタフォロワを構成する各トランジスタのコレクタに至る経路が、前記第２回路ユニットにおける前記直列接続点に接続され、前記第２回路ユニットにおける前記第１エミッタフォロワおよび前記第２エミッタフォロワを構成する各トランジスタのコレクタに至る経路が、前記第１回路ユニットにおける前記直列接続点に接続され、前記第１回路ユニットにおける前記第１エミッタフォロワの出力経路、および、前記第２回路ユニットにおける前記第１エミッタフォロワの出力経路に、前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットに対するバイアス設定回路が設けられていることを特徴とする。

望ましくは、前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットのそれぞれは、前記第１エミッタフォロワが備えるトランジスタのエミッタに至る経路にエミッタが接続され、前記本体トランジスタのベースに至る経路にコレクタが接続された補助トランジスタと、 前記補助トランジスタのコレクタとベースとの間に接続された第３抵抗器と、を備え、前記オーディオアンプは、さらに、前記第１回路ユニットが備える前記補助トランジスタのベースと、前記第２回路ユニットが備える前記補助トランジスタのベースとの間に設けられた第４抵抗器を備え、前記第４抵抗器と、前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットのそれぞれにおける前記補助トランジスタおよび前記第３抵抗器とが、前記バイアス設定回路を構成する。

望ましくは、前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットのそれぞれは、前記第１エミッタフォロワが備えるトランジスタのエミッタに至る経路にエミッタが接続され、前記本体トランジスタのベースに至る経路にベースおよびコレクタが接続された補助トランジスタと、前記第１エミッタフォロワが備えるトランジスタのエミッタに至る経路に設けられたバイアス抵抗器と、を備え、各前記補助トランジスタと、各前記バイアス抵抗器とが前記バイアス設定回路を構成する。

望ましくは、前記オーディオアンプと、前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットにおける各前記本体トランジスタのコレクタから引き出された各経路に接続され、前記直流電圧源から電源電力が供給される増幅回路と、を備える。

本発明によれば、オーディオアンプにおけるバイアス電圧またはバイアス電流を安定化することができる。

本発明の実施形態に係るオーディオパワーアンプの構成を示す図である。 前段回路および後段回路の具体的な構成を示す図である。 実験結果を示す図である。 ＤＣオーディオパワーアンプの変形例を示す図である。

（１）ＤＣオーディオパワーアンプの構成および動作の概要
図１には本発明の実施形態に係るＤＣオーディオパワーアンプの構成が示されている。ＤＣオーディオパワーアンプは、前段回路１０、後段回路１２、電力増幅回路１４および負帰還回路１８を備えている。電力増幅回路１４には負荷としてスピーカ１６が接続されている。ＤＣオーディオパワーアンプは、周波数０から可聴周波数までの周波数帯で信号を増幅する。

前段回路１０は、前段入力端子１から入力された音響信号を、位相を反転して増幅して後段入力端子３および後段入力端子４に出力する。また、前段回路１０は前段入力端子２から入力された音響信号を、同位相で増幅して後段入力端子３および後段入力端子４に出力する。

後段回路１２は後段入力端子３から入力された音響信号を、位相を反転して増幅し、電力増幅入力端子５に出力する。また、後段入力端子４から入力された音響信号を、位相を反転して増幅し、電力増幅入力端子６に出力する。

電力増幅回路１４は、電力増幅入力端子５に入力された音響信号の電圧が正極であるときに、電力増幅回路１４からスピーカ１６に流出する電流を流し、電力増幅入力端子６に入力された音響信号の電圧が負極であるときに、スピーカ１６から電力増幅回路１４に流入する電流を流す。

電力増幅回路１４がＡ級またはＡＢ級で動作する増幅回路である場合には、電力増幅回路１４は、電力増幅入力端子６に入力される音響信号の電圧が正極であるときにも、電力増幅回路１４からスピーカ１６に流出する電流を流し、電力増幅入力端子５に入力された音響信号の電圧が負極であるときにも、スピーカ１６から電力増幅回路１４に流入する電流を流す。

このような構成によって、前段入力端子１に入力された音響信号と同位相の音響信号が電力増幅回路１４からスピーカ１６に出力され、前段入力端子２に入力された音響信号と逆位相の音響信号が電力増幅回路１４からスピーカ１６に出力される。

スピーカ１６と前段入力端子２との間には負帰還回路１８が接続されている。負帰還回路１８は、スピーカ１６に出力される電圧を所定の割合で分圧し、前段入力端子２に出力する。これによって、スピーカ１６に出力される電圧の一部が前段回路１０に逆位相で帰還される。このような負帰還回路１８を設けない場合において、前段入力端子１からスピーカ１６に至るまでの利得が十分大きい場合には、負帰還回路１８が設けられたときの利得は、スピーカ１６に出力される電圧を負帰還する割合によって定まる。

前段入力端子１に音響信号が入力されると、前段回路１０、後段回路１２および電力増幅回路１４は、負帰還回路１８によって定まる利得で音響信号を増幅し、スピーカ１６に音響信号を出力する。

（２）前段回路の構成
図２には、前段回路１０および後段回路１２の具体的な構成が示されている。前段回路１０は、互いに相補的な第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４を備えている。２つの回路が互いに相補的であるとは、構造の上で対称な位置に現れるバイアス電圧が同一値かつ逆極性であり、構造の上で対称な経路に流れるバイアス電流が同一値かつ逆向きであるような関係をいう。相補的な２つの回路が接続される各節点の電位は理想的には０である。互いに相補的な回路構成を実現するため、第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４には、互いに相補的な半導体素子および同一抵抗値の抵抗器（抵抗素子）が用いられている。

第１回路ユニット２２は、トランジスタＱ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ７、抵抗器Ｒ１、Ｒ１１、Ｒ１４、Ｒ１６、およびツェナーダイオードＤ３を備えている。第２回路ユニット２４は、トランジスタＱ２、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ８、抵抗器Ｒ２、Ｒ１３、Ｒ１５、Ｒ１７、およびツェナーダイオードＤ４を備えている。トランジスタＱ１、Ｑ４、Ｑ５およびＱ８はＰＮＰ型であり、トランジスタＱ２、Ｑ３、Ｑ６およびＱ７はＮＰＮ型である。

第１回路ユニット２２の回路構成について説明する。トランジスタＱ１のベースは前段入力端子１に接続されている。トランジスタＱ１のエミッタは、トランジスタＱ３のエミッタに接続されている。トランジスタＱ３のコレクタは、トランジスタＱ７のベースに接続されている。トランジスタＱ３のコレクタとベースとの間には抵抗器Ｒ１１が接続されている。

トランジスタＱ５のベースは前段入力端子２に接続されている。トランジスタＱ５のエミッタには、抵抗器Ｒ１の一端が接続され他端はトランジスタＱ７のエミッタに接続されている。トランジスタＱ７のコレクタには後述する第３回路ユニット２６のバイアスダイオードＤ１のカソードが接続され、バイアスダイオードＤ１のアノードと直流電圧源Ｅ１の正極との間には後述する第３回路ユニット２６の抵抗器Ｒ３が接続されている。

直流電圧源Ｅ１の負極は接地導体に接続されている。直流電圧源Ｅ１の正極とトランジスタＱ７のベースとの間には、直列接続された抵抗器Ｒ１６およびＲ１４が接続されている。抵抗器Ｒ１６およびＲ１４の直列接続点にはツェナーダイオードＤ３のカソードが接続され、ツェナーダイオードＤ３のアノードは接地導体に接続されている。

第２回路ユニット２４の回路構成について説明する。トランジスタＱ２のベースは前段入力端子１に接続されている。トランジスタＱ２のエミッタは、トランジスタＱ４のエミッタに接続されている。トランジスタＱ４のコレクタは、トランジスタＱ８のベースに接続されている。トランジスタＱ４のコレクタとベースとの間には抵抗器Ｒ１３が接続されている。

トランジスタＱ６のベースは前段入力端子２に接続されている。トランジスタＱ６のエミッタには、抵抗器Ｒ２の一端が接続され他端はトランジスタＱ８のエミッタに接続されている。トランジスタＱ８のコレクタには後述する第４回路ユニット２８のバイアスダイオードＤ２のアノードが接続され、バイアスダイオードＤ２のカソードと直流電圧源Ｅ２の負極との間には後述する第４回路ユニット２８の抵抗器Ｒ４が接続されている。

直流電圧源Ｅ２の正極は接地導体に接続されている。直流電圧源Ｅ２の負極とトランジスタＱ８のベースとの間には、直列接続された抵抗器Ｒ１７およびＲ１５が接続されている。抵抗器Ｒ１７およびＲ１５の直列接続点にはツェナーダイオードＤ４のアノードが接続され、ツェナーダイオードＤ４のカソードは接地導体に接続されている。

第１回路ユニット２２と第２回路ユニット２４との接続について説明する。第１回路ユニット２２が備えるトランジスタＱ３のベースと、第２回路ユニット２４が備えるトランジスタＱ４のベースとの間には抵抗器Ｒ１２が接続されている。第１回路ユニット２２が備えるトランジスタＱ１およびＱ５のそれぞれのコレクタは、第２回路ユニット２４が備えるツェナーダイオードＤ４のアノードに接続されている。第２回路ユニット２４が備えるトランジスタＱ２およびＱ６のそれぞれのコレクタは、第１回路ユニット２２が備えるツェナーダイオードＤ３のカソードに接続されている。

第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４の相補性が完全であれば、前段入力端子１および前段入力端子２に現れるＤＣオフセット電圧は０となる。しかし、実際には、各回路素子の電気的特性にばらつきがあるため、ＤＣオフセット電圧は０でない値となることが多い。そこで、第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４における抵抗器Ｒ１およびＲ２の組、抵抗器Ｒ１１およびＲ１３の組等、互いに相補的な関係にある抵抗器の抵抗値に相違を持たせることで相補性を調整し、ＤＣオフセット電圧を０に近付け、あるいは０に一致させてもよい。

（３）前段回路が備える各トランジスタのバイアス
前段回路１０が備える各トランジスタのバイアスについて説明する。以下の説明では、各抵抗器に付された符号は各抵抗器の抵抗値を表すものとする。各トランジスタのバイアスは、第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４が互いに相補的であること、各トランジスタのベースエミッタ間電圧が一般的な値であること、ツェナーダイオードＤ３およびＤ４に現れる端子間電圧が一定であること等の条件下で定まる。ここでは、各トランジスタのバイアスとして、コレクタ電流、エミッタ電流およびベース電流について説明する。また、ＰＮＰトランジスタについてはエミッタベース間電圧と称されることもあるが、表現を簡略化するため、ここではベースエミッタ間電圧に表現を統一する。

最初にトランジスタＱ１〜Ｑ４のそれぞれのベースエミッタ間電圧に着目する。トランジスタＱ３のベースと、トランジスタＱ４のベースとの間の電圧Ｖａは、トランジスタＱ３、Ｑ１、Ｑ２およびＱ４のベースエミッタ間電圧を加算合計したものとなる。すなわち、トランジスタＱ４のベースを基準としたエミッタの電圧、トランジスタＱ２のエミッタを基準としたベースの電圧、トランジスタＱ１のベースを基準としたエミッタの電圧、および、トランジスタＱ３のエミッタを基準としたベースの電圧を加算合計したものが電圧Ｖａである。

一般に、トランジスタのベースエミッタ間電圧Ｖｂｅは０．６Ｖ〜０．７Ｖであり変化が小さい。これによって抵抗器Ｒ１２には、Ｉａ＝Ｖａ／Ｒ１２＝４・Ｖｂｅ／Ｒ１２の電流が流れる。すなわち、抵抗器Ｒ１２に流れる電流Ｉａは（数１）に従って定まる。

（数１）Ｉａ＝４・Ｖｂｅ／Ｒ１２

トランジスタＱ３およびＱ４のベースに流れる電流は微小であるため、抵抗器Ｒ１１およびＲ１３には、抵抗器Ｒ１２に流れる電流Ｉａとほぼ同一値の電流が流れる。したがって、抵抗器Ｒ１１、Ｒ１２およびＲ１３の直列接続部分の電圧降下が定まり、トランジスタＱ７のベースとトランジスタＱ８のベースとの間の電圧Ｖｂが定まる。すなわち、電圧Ｖｂは（数２）に従って定まる。

（数２）Ｖｂ＝（Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ１３）・Ｉａ
＝４・Ｖｂｅ・（Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ１３）／Ｒ１２

このように、トランジスタＱ１〜Ｑ４、抵抗器Ｒ１１、Ｒ１２およびＲ１３は、トランジスタＱ７のベースとトランジスタＱ８のベースとの間の電圧Ｖｂを安定化させる電圧安定化回路を構成している。

次にトランジスタＱ５〜Ｑ８のそれぞれのベースエミッタ間電圧に着目する。トランジスタＱ７、Ｑ５、Ｑ６およびＱ８のそれぞれのベースエミッタ間電圧もまた、０．６Ｖ〜０．７Ｖであり変化が小さい。さらに、第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４が互いに相補的であり、前段入力端子２の電位（接地導体を基準とした電圧）が０であるとすれば、抵抗器Ｒ１およびＲ２のそれぞれに印加される電圧Ｖｒは等しくなり、Ｖｒ＝Ｖｂ／２−２・Ｖｂｅである。すなわち、抵抗器Ｒ１およびＲ２のそれぞれに印加される電圧Ｖｒは（数３）に従って定まる。

（数３）Ｖｒ＝Ｖｂ／２−２・Ｖｂｅ

ここで、電圧Ｖｂは（数２）に従って定まる値である。抵抗器Ｒ１およびＲ２の抵抗値は等しいため、これらに流れる電流は等しく、Ｖｒ／Ｒ１＝Ｖｒ／Ｒ２である。この電流は、トランジスタＱ５〜Ｑ８のエミッタ電流Ｉｅに等しい。

したがって、トランジスタＱ５〜Ｑ８のエミッタ電流Ｉｅは（数４）に従って定まる。

（数４）Ｉｅ＝（Ｖｂ／２−２・Ｖｂｅ）／Ｒ１＝（Ｖｂ／２−２・Ｖｂｅ）／Ｒ２

なお、トランジスタＱ５〜Ｑ８のコレクタ電流Ｉｃは、それぞれのエミッタ電流Ｉｅにほぼ等しい。すなわち、Ｉｃ＝Ｉｅと考えてよい。

次に、ツェナーダイオードＤ３およびＤ４に現れる端子間電圧に着目し、トランジスタＱ１〜Ｑ４のコレクタ電流およびエミッタ電流について説明する。ツェナーダイオードＤ３には、直流電圧源Ｅ１の正極から抵抗器Ｒ１６を介して逆方向バイアス電圧が与えられる。ダイオードＤ３は定電圧発生器として機能し、端子間にカソード側を正として一定の電圧Ｖｚ３が現れる。ツェナーダイオードＤ４には、直流電圧源Ｅ２の負極から抵抗器１７を介して逆方向バイアス電圧が与えられる。ダイオードＤ４は定電圧発生器として機能し、端子間にアノード側を負として一定の電圧Ｖｚ４が現れる。

第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４は互いに相補的であるため、トランジスタＱ７のベースの電位、すなわち、トランジスタＱ３のコレクタの電位はＶｂ／２である。ツェナーダイオードＤ３のカソードの電位はＶｚ３であるため、ツェナーダイオードＤ３のカソードとトランジスタＱ３のコレクタとの間に接続された抵抗Ｒ１４に流れる電流Ｉ１４が（数５）に従って定まる。

（数５）Ｉ１４＝（Ｖｚ３−Ｖｂ／２）／Ｒ１４

抵抗器Ｒ１４に流れる電流は、トランジスタＱ３のコレクタおよび抵抗器Ｒ１１に分流する。そのため、トランジスタＱ３のコレクタ電流Ｉｃ３は、（数６）に示されるように、電流Ｉ１４から上記の電流Ｉａを引いた値となる。

（数６）Ｉｃ３＝Ｉ１４−Ｉａ

トランジスタＱ３およびＱ１のエミッタ電流、およびトランジスタＱ１のコレクタ電流は、トランジスタＱ３のコレクタ電流Ｉｃ３にほぼ等しい。したがって、トランジスタＱ１およびＱ３のコレクタ電流およびエミッタ電流は、（数６）に従って定まると考えてよい。

第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４は互いに相補的であるため、トランジスタＱ４のコレクタ電流Ｉｃ４は、コレクタ電流Ｉｃ３と同様の原理によって定まる。すなわち、抵抗Ｒ１５に流れる電流Ｉ１５は（数７）に従って定まり、コレクタ電流Ｉｃ４は（数８）に従って定まる。

（数７）Ｉ１５＝（Ｖｚ４−Ｖｂ／２）／Ｒ１５

（数８）Ｉｃ４＝Ｉ１５−Ｉａ

また、トランジスタＱ２およびＱ４のコレクタ電流およびエミッタ電流は、（数８）に従って定まると考えてよい。

なお、各トランジスタＱ１〜Ｑ８のベース電流は、各トランジスタのコレクタ電流を、各トランジスタに固有の電流増幅率ｈｆｅで除した値となる。

このように、トランジスタＱ１〜Ｑ８のバイアスは、第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４が互いに相補的であるという条件の下で、各トランジスタのベースエミッタ間電圧Ｖｂｅ（＝０．６Ｖ〜０．７Ｖ）と、ツェナーダイオードＤ３およびＤ４に現れる端子間電圧によって定まっている。したがって、トランジスタＱ１〜Ｑ８のバイアスは、直流電圧源Ｅ１およびＥ２の出力電圧の変動による影響を受け難い。

なお、直流電圧源Ｅ１およびＥ２の出力電圧の変動に応じて、トランジスタＱ７およびＱ８のコレクタの電位が変動するが、これらのコレクタ電位の変動が、前段入力端子１および前段入力端子２に現れるＤＣオフセット電圧に与える影響は小さい。その理由は、トランジスタＱ７およびＱ８のコレクタ電位が変動したとしても、各トランジスタのベースエミッタ間電圧Ｖｂｅと、ツェナーダイオードＤ３およびＤ４に現れる端子間電圧によってトランジスタＱ１〜Ｑ８のバイアスが定まるためである。

（４）前段回路の増幅動作
第１回路ユニット２２による増幅動作について説明する。トランジスタＱ１は、コレクタが交流的に接地されたエミッタフォロワを構成する。後述のようにトランジスタＱ３のコレクタエミッタ間は交流的に短絡されていると考えてよく、トランジスタＱ１のエミッタには抵抗器Ｒ１４およびトランジスタＱ７が接続されているといえる。ここで、交流的に接地または短絡されているとは、音響信号に応じて電流が変動したとしても、電位または端子間電圧が変動しないことをいう。

前段入力端子１からトランジスタＱ１のベースに入力された音響信号は、トランジスタＱ１のエミッタから抵抗器Ｒ１４およびトランジスタＱ７のベースに出力される。抵抗器Ｒ１４とツェナーダイオードＤ３との接続点は交流的に接地されており、抵抗器Ｒ１４に生じる電圧に応じてトランジスタＱ７のベースに音響信号が伝達される。

トランジスタＱ７のコレクタに接続されたバイアスダイオードＤ１は順方向バイアス状態であるため、交流的に短絡されていると考えてよく、トランジスタＱ７のコレクタには抵抗器Ｒ３とトランジスタＱ９のベースが接続されているといえる。

トランジスタＱ７は、ベースから入力された音響信号に応じて、抵抗器Ｒ３およびトランジスタＱ９のベースに増幅後の音響信号を出力する。すなわち、抵抗器Ｒ３と直流電圧源Ｅ１との接続点は交流的に接地されており、抵抗器Ｒ３に生じる電圧に応じてトランジスタＱ９のベースに音響信号が伝達される。

トランジスタＱ５は、トランジスタＱ１と同様、コレクタが交流的に接地されたエミッタフォロワを構成する。トランジスタＱ５のエミッタには、抵抗器Ｒ１を介してトランジスタＱ７のエミッタが接続されている。トランジスタＱ５がエミッタフォロワを構成しているため、抵抗器Ｒ１からトランジスタＱ５側を見たインピーダンスは小さい。したがって、トランジスタＱ７は、トランジスタＱ１が構成するエミッタフォロワに対し、エミッタと接地導体との間に抵抗器Ｒ１が挿入されたエミッタ接地増幅回路を構成する。そのため、前段入力端子１に入力されエミッタフォロワによって伝達された音響信号は、このエミッタ接地増幅回路によって位相が反転された上で増幅され、トランジスタＱ９のベースに音響信号が伝達される。

前段入力端子２からトランジスタＱ５のベースに入力された音響信号は、抵抗器Ｒ１を介してトランジスタＱ７のエミッタに出力される。トランジスタＱ７は、エミッタから入力された音響信号に応じて、抵抗器Ｒ３およびトランジスタＱ９のベースに増幅後の音響信号を出力する。抵抗器Ｒ３に生じる電圧に応じてトランジスタＱ９のベースに音響信号が伝達される。

トランジスタＱ１はエミッタフォロワを構成しているため、トランジスタＱ７からトランジスタＱ１側を見たインピーダンスは小さい。したがって、トランジスタＱ７は、トランジスタＱ５が構成するエミッタフォロワに対し、ベース接地増幅回路を構成する。そのため、前段入力端子２に入力されエミッタフォロワによって伝達された音響信号は、このベース接地増幅回路によって同位相で増幅され、トランジスタＱ９のベースに音響信号が伝達される。

次に、第２回路ユニット２４による増幅動作について説明する。第２回路ユニット２４は第１回路ユニット２２に対して相補的である。そのため、前段入力端子１および前段入力端子２に入力された音響信号に対して第１回路ユニット２２と同様の増幅動作をし、増幅後の音響信号をトランジスタＱ１０のベースに出力する。

前段入力端子１からトランジスタＱ２のベースに入力された音響信号は、トランジスタＱ２のエミッタから抵抗器Ｒ１５およびトランジスタＱ８のベースに出力され、抵抗器Ｒ１５に生じる電圧に応じてトランジスタＱ８のベースに音響信号が伝達される。前段入力端子２からトランジスタＱ６のベースに入力された音響信号は、抵抗器Ｒ２を介してトランジスタＱ８のエミッタに出力される。

トランジスタＱ８は、各エミッタフォロワによって伝達されベースおよびエミッタに入力された音響信号に応じて、抵抗器Ｒ４およびトランジスタＱ１０に音響信号を出力する。抵抗器Ｒ４に生じる電圧に応じてトランジスタＱ１０のベースに音響信号が伝達される。

トランジスタＱ８は、トランジスタＱ２が構成するエミッタフォロワに対してエミッタ接地増幅回路を構成するため、前段入力端子１に入力されエミッタフォロワによって伝達された音響信号は、位相が反転された上で増幅され、トランジスタＱ１０のベースに音響信号が伝達される。

また、トランジスタＱ８は、トランジスタＱ６が構成するエミッタフォロワに対してベース接地増幅回路を構成するため、前段入力端子２に入力された音響信号は、同位相で増幅され、トランジスタＱ１０のベースに音響信号が伝達される。

このように、トランジスタＱ１およびＱ２は、前段入力端子１の入力インピーダンスを大きくするためのエミッタフォロワを構成し、トランジスタＱ５およびＱ６は、前段入力端子２の入力インピーダンスを大きくするためのエミッタフォロワを構成する。トランジスタＱ７およびＱ８は、前段入力端子１から入力された音響信号を位相を反転した上で増幅し、前段入力端子２から入力された音響信号を同位相で増幅する本体トランジスタとしての機能を有する。

トランジスタＱ３およびＱ４はバイアス設定用の補助トランジスタであり、これらのコレクタエミッタ間は交流的に短絡されていると考えてよい。前段入力端子１から入力された音響信号に応じて、トランジスタＱ１およびＱ２は、トランジスタＱ３およびＱ４のエミッタに同振幅同位相の音響信号を出力する。トランジスタＱ３およびＱ４のベースは抵抗器Ｒ１２によって接続されているが、トランジスタＱ３およびＱ４のエミッタにおける音響信号が同振幅同位相であるため、抵抗器Ｒ１２の両端には、音響信号に基づく電圧は現れない。したがって、トランジスタＱ３およびＱ４のベースエミッタ間およびコレクタエミッタ間には、音響信号に応じて変化する電圧は現れないため、これらのコレクタエミッタ間は、音響信号に対して短絡、すなわち、交流的に短絡としてよい。

このように、トランジスタＱ１が構成するエミッタフォロワの出力経路と、トランジスタＱ２が構成するエミッタフォロワの出力経路には、音響信号に与える影響が小さいバイアス設定回路が設けられている。このバイアス設定回路は、トランジスタＱ３、抵抗器Ｒ１１、抵抗器Ｒ１２、抵抗器Ｒ１３およびトランジスタＱ４を備え、トランジスタＱ１およびＱ４と共に、上述の電圧安定化回路を構成する。

（５）後段回路の構成
後段回路１２は、互いに相補的な第３回路ユニット２６および第４回路ユニット２８を備えている。第３回路ユニット２６は、トランジスタＱ９、Ｑ１１、抵抗器Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７およびＲ９、およびバイアスダイオードＤ１を備えている。第４回路ユニット２８は、トランジスタＱ１０、Ｑ１２、抵抗器Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８、およびＲ１０、およびバイアスダイオードＤ２を備えている。トランジスタＱ９およびＱ１１はＰＮＰ型であり、トランジスタＱ１０およびＱ１２はＮＰＮ型である。なお、後段回路１２の具体的構成は、図示する回路構成に限られるものではない。

第３回路ユニット２６の回路構成について説明する。トランジスタＱ９のベースは後段入力端子３をなす。トランジスタＱ９のベースは、第１回路ユニット２２が備えるトランジスタＱ７のコレクタに接続されている。トランジスタＱ９のエミッタと直流電圧源Ｅ１の正極との間には抵抗器Ｒ５が接続されている。トランジスタＱ９のコレクタは接地導体に接続されている。トランジスタＱ１１のベースはトランジスタＱ９のエミッタに接続されている。トランジスタＱ１１のエミッタと直流電圧源Ｅ１の正極との間には、抵抗器Ｒ７が接続されている。トランジスタＱ１１のコレクタと接地導体との間には、抵抗器Ｒ９が接続されている。

第４回路ユニット２８の回路構成について説明する。トランジスタＱ１０のベースは後段入力端子４をなす。トランジスタＱ１０のベースは、第２回路ユニット２４が備えるトランジスタＱ８のコレクタに接続されている。トランジスタＱ１０のエミッタと直流電圧源Ｅ２の負極との間には、抵抗器Ｒ６が接続されている。トランジスタＱ１０のコレクタは接地導体に接続されている。トランジスタＱ１２のベースはトランジスタＱ１０のエミッタに接続されている。トランジスタＱ１２のエミッタと直流電圧源Ｅ２の負極との間には抵抗器Ｒ８が接続されている。トランジスタＱ１２のコレクタと接地導体との間には、抵抗器Ｒ１０が接続されている。

第３回路ユニット２６および第４回路ユニット２８では、直流電圧源Ｅ１の出力電圧、直流電圧源Ｅ２の出力電圧、トランジスタＱ９〜Ｑ１２のそれぞれのベースエミッタ間電圧、ダイオードＤ１およびＤ２の順方向電圧が所定値を有する。そのため、第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４が備える各トランジスタのバイアスと共に、第３回路ユニット２６および第４回路ユニット２８が備える各トランジスタのバイアスが定まる。

（６）後段回路の増幅動作
第３回路ユニット２６の増幅動作について説明する。トランジスタＱ９は、ベースに入力された音響信号に応じた電流を抵抗器Ｒ５に流す。抵抗器Ｒ５に現れた電圧に応じて音響信号がトランジスタＱ１１のベースに伝達される。

トランジスタＱ１１は、ベースに伝達された音響信号に応じた電流を抵抗器Ｒ７および抵抗器Ｒ９に流す。抵抗器Ｒ９に現れた電圧に応じて音響信号が第３回路ユニット２６から出力される。

トランジスタＱ９はエミッタフォロワを構成し、トランジスタＱ１１はエミッタと直流電圧源Ｅ１（音響信号に対する接地導体）との間に抵抗器Ｒ７が接続されたエミッタ接地増幅回路を構成する。したがって、第３回路ユニット２６は、エミッタフォロワとエミッタ接地増幅回路とを縦続接続したものとなり、後段入力端子３に入力された音響信号は、位相が反転された上で増幅され、第３回路ユニット２６から出力される。

第４回路ユニット２８は第３回路ユニット２６に対して相補的である。そのため、第３回路ユニット２６と同様の増幅動作をし、増幅後の音響信号を第４回路ユニット２８から出力する。すなわち、トランジスタＱ１０はエミッタフォロワを構成し、トランジスタＱ１２はエミッタと音響信号に対する接地導体との間に抵抗器Ｒ８が接続されたエミッタ接地増幅回路を構成する。したがって、第４回路ユニット２８は、エミッタフォロワとエミッタ接地増幅回路とを縦続接続したものとなり、後段入力端子４に入力された音響信号は、位相が反転された上で増幅され、第４回路ユニット２８から出力される。

（７）電力増幅回路
電力増幅回路１４には、直流電圧源Ｅ１およびＥ２から電源電力が供給されている。第３回路ユニット２６から出力された音響信号は、電力増幅入力端子５に入力される。第４回路ユニット２８から出力された音響信号は、電力増幅入力端子６に入力される。電力増幅回路１４は、各電力増幅入力端子に入力された音響信号に応じてスピーカ１６に電流を流す。

上述のように、前段入力端子１から入力された音響信号は、同位相でスピーカ１６に出力され、前段入力端子２から入力された音響信号は、逆位相でスピーカ１６に出力される。スピーカ１６と前段入力端子２との間には負帰還回路１８が接続されており、前段入力端子２に入力される信号と、スピーカ１６に出力される信号の位相関係により、スピーカ１６に出力される電圧の一部は前段回路１０に負帰還される。

（８）効果
一般に、オーディオパワーアンプでは直流電圧源に安定化電源回路が用いられない。すなわち、商用電源からの交流電圧がトランスによって降圧され、ダイオードによって整流され、レギュレータＩＣが用いられずに、コンデンサよって平滑された電圧が直流電圧源として用いられることが多い。

図２に示されるＤＣオーディオパワーアンプにおいて安定化電源回路を用いない場合、直流電圧源Ｅ１およびＥ２に大電流が流れることによって、直流電圧源Ｅ１およびＥ２の出力電圧が低下することがある。

上述のように本実施形態に係るＤＣオーディオパワーアンプでは、トランジスタＱ１〜Ｑ８のバイアス電流、ベース電位およびエミッタ電位は、直流電圧源Ｅ１およびＥ２の出力電圧の変動に起因する変動が小さい。これによって、前段入力端子１および前段入力端子２に現れるＤＣオフセット電圧の変動が抑制され、ひいては、後段回路１２および電力増幅回路１４で増幅され、電力増幅回路１４から出力されるＤＣオフセット電圧の変動も抑制される。ＤＣアンプは、周波数０から可聴周波数までの周波数帯で信号を増幅するため、前段の増幅回路で発生したＤＣオフセット電圧は、後段の増幅回路によって増幅されスピーカに出力されてしまう。本実施形態によれば、前段回路１０でＤＣオフセット電圧の変動を抑制することで、後段側に現れるＤＣオフセット電圧の変動が抑制される。

（９）実験結果
図３には、直流電圧源Ｅ１およびＥ２の出力電圧と、スピーカが接続される出力端子に現れるＤＣオフセット電圧との関係を示したものである。直流電圧源Ｅ１およびＥ２の出力電圧は等しいものとしている。横軸は、直流電圧源Ｅ１およびＥ２の出力電圧を示し、縦軸は、出力端子に現れるＤＣオフセット電圧を示している。破線で結ばれた測定点は、特許文献２に記載の技術を用いたＤＣオーディオパワーアンプについての実験結果を示し、実線で結ばれた測定点は、本実施形態に係るＤＣオーディオパワーアンプについての実験結果を示している。

（１０）バイアス設定回路の変形例
図４には、ＤＣオーディオパワーアンプの変形例が示されている。このＤＣオーディオパワーアンプは、図２におけるトランジスタＱ３、抵抗器Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３およびトランジスタＱ４によって構成されるバイアス設定回路を変形したものである。

トランジスタＱ１のエミッタとトランジスタＱ３のエミッタとの間には、バイアス抵抗器Ｒ１８が接続されている。トランジスタＱ３のコレクタはベースに接続されている。トランジスタＱ３のベースは、トランジスタＱ７のベースおよび抵抗器Ｒ１４の一端に接続されている。

同様に、トランジスタＱ２のエミッタとトランジスタＱ４のエミッタとの間には、バイアス抵抗器Ｒ１９が接続されている。トランジスタＱ４のコレクタはベースに接続されている。トランジスタＱ４のベースは、トランジスタＱ８のベースおよび抵抗器Ｒ１５の一端に接続されている。

トランジスタＱ３のベースと、トランジスタＱ４のベースとの間の電圧Ｖ３４は、次のように定まる。すなわち、前段入力端子１の電位を０とすれば、トランジスタＱ１のベースエミッタ間電圧、バイアス抵抗器Ｒ１８の端子間電圧、トランジスタＱ３のベースエミッタ間電圧、および抵抗器Ｒ１４の端子間電圧を合計した電圧は、ツェナーダイオードＤ３の端子間電圧Ｖｚ３に等しい。したがって、次の（数９）が成立し、これをＩ１４について解くことで（数１０）が得られる。

（数９）Ｖｚ３＝（Ｒ１４＋Ｒ１８）・Ｉ１４＋２・Ｖｂｅ

（数１０）Ｉ１４＝（Ｖｚ３−２・Ｖｂｅ）／（Ｒ１４＋Ｒ１８）

すなわち、抵抗器Ｒ１４およびＲ１８の各抵抗値を定めることで、（数１０）に従い、トランジスタＱ１およびＱ３のコレクタ電流およびエミッタ電流が定まる。

また、トランジスタＱ３のベース電位は、ツェナーダイオードＤ３の端子間電圧Ｖｚ３からＲ１４の端子間電圧Ｒ１４・Ｉ１４を引いたものである。したがって、トランジスタＱ３のベース電位Ｖｂ３が（数１１）に従って定まる。

（数１１）Ｖｂ３＝Ｖｚ３−Ｒ１４・Ｉ１４
＝（Ｒ１８・Ｖｚ３＋２・Ｒ１４・Ｖｂｅ）／（Ｒ１４＋Ｒ１８）

同様に、トランジスタＱ４のベース電位Ｖｂ４が（数１２）に従って定まる。

（数１２）Ｖｂ４＝−（Ｒ１９・Ｖｚ４＋２・Ｒ１５・Ｖｂｅ）／（Ｒ１５＋Ｒ１９）

トランジスタＱ３のベースと、トランジスタＱ４のベースとの間の電圧Ｖ３４は、（数１１）から（数１２）を減算することで求まる。

（数１３）Ｖ３４＝（Ｒ１８・Ｖｚ３＋２・Ｒ１４・Ｖｂｅ）／（Ｒ１４＋Ｒ１８）
＋（Ｒ１９・Ｖｚ４＋２・Ｒ１５・Ｖｂｅ）／（Ｒ１５＋Ｒ１９）
＝２・（Ｒ１８・Ｖｚ３＋２・Ｒ１４・Ｖｂｅ）／
（Ｒ１４＋Ｒ１８）
＝２・（Ｒ１９・Ｖｚ４＋２・Ｒ１５・Ｖｂｅ）／
（Ｒ１５＋Ｒ１９）

したがって、抵抗器Ｒ１４、Ｒ１８、Ｒ１５およびＲ１９の各抵抗値が定まっていれば、トランジスタＱ３のベースと、トランジスタＱ４のベースとの間の電圧Ｖ３４が定まる。さらに、このＶ３４を（数４）のＶｂに代入した式に従い、トランジスタＱ５〜Ｑ８のコレクタ電流およびエミッタ電流が定まる。

このように、トランジスタＱ３、抵抗器Ｒ１８、トランジスタＱ１、トランジスタＱ２、抵抗器Ｒ１９、およびトランジスタＱ４は、電圧Ｖ３４を安定化させる電圧安定化回路を構成している。トランジスタＱ３とトランジスタＱ７の温度特性、トランジスタＱ１とトランジスタＱ５の温度特性、トランジスタＱ２とトランジスタＱ６の温度特性、およびトランジスタＱ４とトランジスタＱ８の温度特性を近似させることで、温度変化に対する電圧Ｖ３４の変動が抑制される。

なお、温度特性の変動が問題とならない場合、トランジスタＱ３およびトランジスタＱ４をダイオードに置き換えてもよい。この場合、トランジスタＱ７のベースの側をアノードとして、トランジスタＱ７のベースと抵抗器Ｒ１８との間にダイオードが挿入され、トランジスタＱ８のベースの側をカソードとして、トランジスタＱ８のベースと抵抗器Ｒ１９との間にダイオードが挿入される。

次に、音響信号に対する動作について説明する。トランジスタＱ３およびＱ４は、コレクタエミッタ間が、順方向バイアス状態のダイオードと同様の電圧電流特性を有している。したがって、トランジスタＱ３およびＱ４のコレクタエミッタ間は、音響信号に対して短絡と扱ってもよい。

音響信号に対しては、トランジスタＱ１が構成するエミッタフォロワの負荷は、抵抗器Ｒ１４およびトランジスタＱ７に抵抗器Ｒ１８がシリーズ接続されたものになる。同様に、トランジスタＱ２が構成するエミッタフォロワの負荷は、抵抗器Ｒ１５およびトランジスタＱ８に抵抗器Ｒ１９がシリーズ接続されたものになる。

（１１）その他の変形例
上記では、前段回路１０における定電圧発生器として、ツェナーダイオードを用いた例について説明した。定電圧発生器としては、ツェナーダイオードに代えて直流電圧源やバッテリが用いられてもよい。この直流電圧源は、商用電源からの交流電圧をトランスによって降圧し、ダイオードによって整流し、さらにレギュレータＩＣによって安定化して出力するものであってもよい。

また、前段回路１０より後段は、必ずしもスピーカを接続するための回路でなくてもよい。例えば、携帯電話等においてアナログ信号を増幅する汎用のアンプとして前段回路１０が用いられてもよい。

上記では前段回路１０より後段の回路を、後段回路１２および電力増幅回路１４の２段構成とした。このような構成に代えて、コンプリメンタリ・シングルエンド・プッシュプル増幅回路が前段回路１０よりも後段に設けられてもよい。すなわち、同位相信号を入力する２つの端子からの入力信号に対し、シングルモード（不平衡モード）で信号を出力する増幅回路が設けられてもよい。

上記では、第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４が互いに相補的であることを条件として回路動作が示された。各実施形態では、第１回路ユニット２２および第２回路ユニット２４における抵抗器Ｒ１およびＲ２の組、抵抗器Ｒ１１およびＲ１３の組等、互いに相補的な関係にある抵抗器の値に相違を持たせることで相補性を調整し、ＤＣオフセット電圧を調整してもよい。

１，２ 前段入力端子、３，４ 後段入力端子、５，６ 電力増幅入力端子、１０ 前段回路、１２ 後段回路、１４ 電力増幅回路、１６ スピーカ、１８ 負帰還回路、２２ 第１回路ユニット、２４ 第２回路ユニット、２６ 第３回路ユニット、２８ 第４回路ユニット。

Claims (4)

1. 互いに相補的な第１回路ユニットおよび第２回路ユニットを備えるオーディオアンプにおいて、
   前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットのそれぞれは、
   第１入力端子に入力された音響信号を、位相を反転して増幅し、
   負荷に出力される音響信号が、前記負荷との間に接続された負帰還回路を介して第２入力端子に入力された音響信号を、同位相で増幅し、
   前記オーディオアンプの、音響信号が入力される前記第１入力端子に接続された第１エミッタフォロワと、
   前記オーディオアンプの、前記負荷に出力される音響信号が、前記負荷との間に接続された前記負帰還回路を介して入力される前記第２入力端子に接続された第２エミッタフォロワと、
   前記第１エミッタフォロワの出力経路にベースが接続され、前記第２エミッタフォロワの出力経路にエミッタが接続され、コレクタから信号が出力される本体トランジスタと、
   前記第１エミッタフォロワの出力経路と直流電圧源との間に設けられ、直列に接続された第１抵抗器および第２抵抗器と、
   前記第１抵抗器および前記第２抵抗器の直列接続点に接続された定電圧発生器と、を備え、
   前記第１回路ユニットにおける前記第１エミッタフォロワおよび前記第２エミッタフォロワを構成する各トランジスタのコレクタに至る経路が、前記第２回路ユニットにおける前記直列接続点に接続され、
   前記第２回路ユニットにおける前記第１エミッタフォロワおよび前記第２エミッタフォロワを構成する各トランジスタのコレクタに至る経路が、前記第１回路ユニットにおける前記直列接続点に接続され、
   前記第１回路ユニットにおける前記第１エミッタフォロワの出力経路、および、前記第２回路ユニットにおける前記第１エミッタフォロワの出力経路に、前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットに対するバイアス設定回路が設けられていることを特徴とするオーディオアンプ。
2. 請求項１に記載のオーディオアンプにおいて、
   前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットのそれぞれは、
   前記第１エミッタフォロワが備えるトランジスタのエミッタに至る経路にエミッタが接続され、前記本体トランジスタのベースに至る経路にコレクタが接続された補助トランジスタと、
   前記補助トランジスタのコレクタとベースとの間に接続された第３抵抗器と、を備え、
   前記オーディオアンプは、さらに、
   前記第１回路ユニットが備える前記補助トランジスタのベースと、前記第２回路ユニットが備える前記補助トランジスタのベースとの間に設けられた第４抵抗器を備え、
   前記第４抵抗器と、前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットのそれぞれにおける前記補助トランジスタおよび前記第３抵抗器とが、前記バイアス設定回路を構成することを特徴とするオーディオアンプ。
3. 請求項１に記載のオーディオアンプにおいて、
   前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットのそれぞれは、
   前記第１エミッタフォロワが備えるトランジスタのエミッタに至る経路にエミッタが接続され、前記本体トランジスタのベースに至る経路にベースおよびコレクタが接続された補助トランジスタと、
   前記第１エミッタフォロワが備えるトランジスタのエミッタに至る経路に設けられたバイアス抵抗器と、を備え、各前記補助トランジスタと、各前記バイアス抵抗器とが前記バイアス設定回路を構成することを特徴とするオーディオアンプ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のオーディオアンプと、
   前記第１回路ユニットおよび前記第２回路ユニットにおける各前記本体トランジスタのコレクタから引き出された各経路に接続され、前記直流電圧源から電源電力が供給される増幅回路と、
   を備えることを特徴とするオーディオパワーアンプ。

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