D級アンプにおけるオペアンプの音質への影響

自励発振式のD級アンプにおける2回路オペアンプ(積分回路と減算回路)のVs=+-5Vでの音質への影響をまとめておきます。

D級アンプ用オペアンプ比較表

比較対象のオペアンプは以下の8つです。

LM4562

MUSES8920

LT1213

NJM2068

OPA2134

ADA4075-2

ADA4001-2

LT1057

比較表のデータシートの値(GB積、スルーレート、オープンループゲイン、入力オフセット電圧および温度ドリフト、電圧ノイズ密度(10Hz)、消費電流)はVs=+-15V, Vcm=0V, Ta=25degCのTypicalでまとめています。

実際の動作条件はVs=+-5Vで、回路構成としては積分回路(LPF)と減算回路(比例制御)で利用しています。

また、実際のD級アンプに実装した際の出力電圧のオフセットの実測値をL, Rおよび絶対値の平均もまとめています。

最後に、オペアンプの実売価格を参考としてあげています。

パラメータの選定に関して、D級アンプ全体の音質への影響としては低周波での積分回路におけるオープンループゲイン、入力電圧オフセット、電圧ノイズ密度が支配的と考えています。また、入力電圧オフセットの温度ドリフトおよび温度上昇に影響する消費電流も変動要素として支配的と考えています。

結論として、これら8つのオペアンプで音質的に大きな変化がある回路ではないですが、それでも実際の聴感で判別できる程度の差異はあります。

傾向と特徴をあげておきます。

  1. オープンループゲインの増大に伴い、音の躍動感が増す。(LM4562, MUSES8920, LT1213)
  2. 電圧ノイズ密度の減少に伴い、音の奥行き感が増す。(ADA4075-2)
  3. GB積の大きなオペアンプで、最終的な電圧オフセットが大きくなるものがある。(LT1213, NJM2068)

電流モード自励発振式D級アンプとUCD

電流モード自励発振式D級アンプについてまとめておきます。

こちらを参考にしています。

グリーン・エレクトロニクス No.7 D級パワー・アンプの回路設計

最初の自作!Hypex Ucdパワーアンプ

LT1713/LT1714

ヒステリシスを用いた構成例

Differential amplifier

まず、2つの方式のLTspiceでのシミュレーションをあげておきます。

電流モード自励発振式D級アンプの回路図

電流モード自励発振式の回路をオペアンプ(LT1213)と電流検出アンプ(LT1995), コンパレータ(LT1713), ゲートドライバ(Si8244)で構成しています。LPFのインダクタが積分器(電圧を時間で積分すると電流)となっています。電流検出アンプのゲインとコンパレータのヒステリシスので自励発信周波数が調整可能です。差動アンプによる比例制御と積分回路による積分制御で二重の制御ループになっています。

電流モード自励発振式D級アンプの無信号入力時のFFT

積分回路でノイズシェーピングを掛けています。自励発振周波数は1.3MHzです。

電流モード自励発振式D級アンプの1V 10kHz正弦波入力時のFFT

ゲインは23dBとなります。

UCDの回路図

UCDのLTP(差動増幅回路)によるディスクリートの回路図です。LPFのインダクタの出力電圧に位相補償を掛けて、LTPにフィードバックしています。LTPで入力とLPFインダクタ出力の三角波を差動合成して得た矩形波で直接MOSFETを駆動しています。

UCDの無信号入力時のFFT

自励発振周波数は347kHzとなっています。

UCDの1V 10kHz正弦波入力時のFFT

ゲインは19dBとなっています。

D級アンプの場合、入力信号を線形増幅していない(積分回路で時間情報に変換(サンプリング)して、PWMで出力を合成している)ので、オーディオ用途の場合、オペアンプの特性としてはDCゲインと出力オフセットが支配的になります。

また、LPFのインダクタの電流検出を利用すれば、位相遅れ自体は一次系となるため、出力電圧の周波数特性の制御は比較的容易です。

AB級アンプとは必要な要素技術が大きく異なる(増幅回路というよりもアナログ・サンプリングとPWMによる制御付き電源回路)ところに注意が必要です。

MOSFETの寄生発振条件

MOSFETの寄生発振条件をまとめておきます。

こちらのアプリケーションノートが参考になります。

パワーMOSFET 寄生発振、振動

例として次の2つのMOSFETを取り上げます。

IRF200B211

IRFP250N

まず、アプリケーションノートの図2.21を引用しておきます。

寄生発振等価回路

アプリケーションノートの式(12)が発振条件で、

gm >= (Cgs/Cds)/R3

となって、R3(ドレイン・ソース間等価抵抗)はRg(ゲート抵抗)に反比例となっています。

具体的な数値例を挙げておきます。

IRF200B21: gfs=13S, Ciss=790pF, Coss=62pF, Crss=21pF

gm=gfs=13, Cgs/Cds=(Ciss-Crss)/(Coss-Crss)=(790-62)/(62-21)=18.8

IRFP250N: gfs=17S, Ciss=2159p, Coss=315p, Crss=83p,

gm=17, Cgs/Cds=(2159-83)/(315-83)=8.95

となって、仮にR3=1Ωとした場合、IRF200B21は発振条件を満たしませんが、IRFP250Nは発振条件を満たすことがわかります。

実際のD級アンプの設計では、ゲート抵抗の値とデッドタイムは出力LPFのインダクタに依存するため、発振しない十分大きなゲート抵抗値でデッドタイムを決定する形になります。

LT1166による3段ダーリントンBJTアンプの最適バイアス抵抗

2N5551, 2N5401, TTC004B, TTA004B, TTC5200, TTA1943を用いた、LT1166による3段ダーリントン(Triple)BJTアンプの最適バイアス抵抗をまとめておきます。

こちらのリンクが参考になります。

良く使われる回路での高域特性限界: 4、フォロワ型アンプ出力段 (ダーリントンの有無)

3段ダーリントンBJTアンプの回路図

まず、LTSpiceによる回路図をしめします。結論としては、プリドライバ段のエミッタ抵抗を680Ω(3.3mA)、ドライバ段のエミッタ抵抗を47Ω(12mA)、パワー段のエミッタ抵抗を0.22Ω(91mA)としています。

ドライバ段の値はパワー段を最大入力時に必要なベース電流(hfe=100)から決まってきます。

問題はプリドライバ段の最適値で、こちらは(R21={470, 680, 1k})として、シミュレーションで決定しています。アイドル時の出力点(D)の電圧のFFTを示します。

アイドル時の出力電圧の周波数特性

緑: 470, 青: 680, 赤: 1kですが、青は振動が収まっています。LT1166のゲイン交点は1.2MHz程度ですが、DC安定度にかなり影響が出ます。

実際、バイアス電流が不足すると4kHz程度にうなり(耳障りな発振音)が発生します。

LT1166による3段ダーリントンBJTアンプの位相補償

2N5551, 2N5401, TTC004B, TTA004B, TTC5200, TTA1943を用いた、LT1166による3段ダーリントン(Triple)BJTアンプの位相補償をまとめておきます。

こちらのリンクが参考になります。

良く使われる回路での高域特性限界: 4、フォロワ型アンプ出力段 (ダーリントンの有無)

3段ダーリントンBJTアンプの回路図

まず、LTSpiceによる回路図をしめします。プリドライバ段のエミッタ抵抗を1kΩ(2.5mA)、ドライバ段のエミッタ抵抗を100Ω(12mA)、パワー段のエミッタ抵抗を0.22Ω(91mA)としています。

LT1166でパワー段のアイドル電流は制御していますが、プリドライバ段とドライバ段のアイドル電流で動作点が変わるようです。

プリドライバ段、ドライバ段、パワー段のアイドル電流

さらに、位相補償として、R24(U2: フィードフォワードのフィードバック抵抗)を5.1kΩ、R5(U3: カレントソースドライブのフィードバック抵抗)を1.8kΩとしています。

電圧増幅(A), フィードフォワード(B), カレントソースドライブ(C), 出力(D)のゲイン位相図

1MHz-30MHzの直線性が改善しています。

また、寄生インダクタンスの影響を低減するため、プリドライバ段、ドライバ段、出力段はPCB上で、できるだけ近くに配置することが必要なようです。

LT1166による3段ダーリントンBJTアンプの発振対策

2N5551, 2N5401, TTC004B, TTA004B, TTC5200, TTA1943を用いた、LT1166による3段ダーリントン(Triple)BJTアンプの発振対策をまとめておきます。

3段ダーリントンBJTアンプの回路図

まず、LTSpiceによる回路図をしめします。プリドライバ段、ドライバ段、パワー段に1Ωのベースストッパーを入れています。

つぎにプリドライバ段とドライバ段のエミッタ抵抗を調整します。

パワー段のバイアス電流はLT1166で0.22Ωのエミッタ抵抗で、90.8mAに制御されます。

次に、パワー段のhfeを100倍程度として、ドライバ段のエミッタ抵抗を0.22x2x100=440~=470Ωに設定します。

最後に、プリドライバ段とドライバ段のベース電流がほぼ同じ値(43.1uAと41.0uA)になるように、プリドライバ段のエミッタ抵抗を47Ωに設定します。

これらのエミッター抵抗値では、プリドライバ段、ドライバ段、パワー段のコレクタ損失はそれぞれ、248mW, 1.29W, 4.35Wになります。

プリドライバ段のエミッタ抵抗=470Ωのパワー段の出力電圧の周波数特性

アイドル時のプリドライバ段のエミッタ抵抗=470Ωのパワー段の出力電圧の周波数特性です。発振は見られません

プリドライバ段のエミッタ抵抗=390Ωのパワー段の出力電圧の周波数特性

同様に、プリドライバ段のエミッタ抵抗=390Ωのパワー段の出力電圧の周波数特性です。こちらは発振が見られます。

プリドライバ段のエミッタ抵抗=510Ωのパワー段の出力電圧の周波数特性

最後に、プリドライバ段のエミッタ抵抗=510Ωのパワー段の出力電圧の周波数特性です。こちらも発振が見られます。

これらのシミュレーション結果から、3段ダーリントンのプリドライバ段とドライバ段のエミッタ抵抗の設定は、かなりシビアなことがわかります。

LT1166による3段ダーリントンBJTアンプの試作

2N5551, 2N5401, TTC004B, TTA004B, TTC5200, TTA1943を用いた、LT1166による3段ダーリントンBJTアンプを試作しました。

3段ダーリントンBJTアンプ基板

以前に試作したAB級コンプリメンタリBJTアンプの基板をさらにモディファイしています。元のドライバ段のダイオードとエミッタ抵抗を除去して、プリドライバ段のTO-92のトランジスタ(2N5551, 2N5401)とプリドライバ段とドライバ段のバイアス抵抗(300Ω, 75Ω)を組み込みました。3種類のトランジスタですべてピン配置が異なる(EBC, ECB, BCE)ので、配線に注意が必要です。

3段ダーリントンBJTアンプの全体

アイドル時の出力オフセットはLch: 4.8mV, Rch: -1.7mVとなりました。

電源はPFC+LLC+CMフィルタの構成で、アイドル時の出力電圧は+-47V程度です。

動作時の発熱は、ヒートシンクが暖かくなる程度です。

音質は、ノイズフロアが下がり、低音はキックやベースが明瞭になり、高音はハイハットやシンバルの余韻が心地よいです。ボーカルもよりソウルフルに感じます。オーディオパワーアンプの場合、120dB以上のDCゲイン(hfe)がないと十分な感じにならないようです。

LT1166による3段ダーリントンBJTアンプの回路設計

2N5551, 2N5401, TTC004B, TTA004B, TTC5200, TTA1943を用いた、LT1166による3段ダーリントン(Triple)BJTアンプの回路設計をまとめておきます。

3段ダーリントンBJTアンプの回路図

まず、LTSpiceによる回路図をしめします。パワーBJTのSpiceモデルは2SC5200, 2SA1943で代用しています。回路の特徴としては、1段目(Pre-driver)と2段目(Driver)はA級動作で、3段目(Power)はLT1166によりカットオフしないAB級動作になります。

3段ダーリントンBJTアンプの周波数特性

AC解析による周波数特性です。ゲイン27dB, fc=56kHz, ゲイン交点911kHz, 位相余裕71degとなります。パワー段のft=4MHzまで、位相余裕は十分あります。

3段ダーリントンBJTアンプのアイドル時の出力のFFT

アイドル時の出力電圧のFFTです。ノイズフロアが-200dBとなり、fc=56kHz以降は直線的に下がります。バイアス電流はそれぞれ、プリドライバ段が8.2mA(300Ω)、ドライバ段が17mA(75Ω)、パワー段が92mA(0.44Ω)となります。

損失はプリドライバ段が380mW, ドライバ段が820mW, パワー段が4.4W, プッシュプルなので全体で11W程度です。

3段ダーリントンBJTアンプの10kHz, 1.5V正弦波入力時の出力のFFT

10kHz, 1.5Vの正弦波入力時の出力のFFTです。100Wクラスの出力で、ノイズフロアは-100dB程度まで上昇します。ダイナミックレンジとしては120dBを超えます。

LT1166によるAB級コンプリメンタリBJTアンプの試作

東芝のTTC004B, TTA004B, TTC5200, TTA1943を用いた、LT1166によるAB級コンプリメンタリBJTアンプを試作しました。

BJTブートストラップアンプ基板

以前に試作したSiC MOSFETブートストラップアンプの基板をモディファイしています。入力部は差動増幅回路なのでバランス信号を直接、接続しています。

BJTブートストラップアンプの全体

アイドル時の出力オフセットはLch: 4.5mV, Rch: -2.0mVとなりました。

電源はPFC+LLC+CMフィルタの構成で、アイドル時の出力電圧は+-47V程度です。

動作時の発熱は、ヒートシンクが暖かくなる程度です。

音質は、低音が太めで、高音はすっきりといった感じです。

LT1166によるAB級コンプリメンタリBJTアンプの回路設計

東芝のTTC004B, TTA004B, TTC5200, TTA1943を用いた、LT1166によるAB級コンプリメンタリBJTアンプの回路設計をまとめておきます。

BJTアンプの回路図

まず、LTSpiceによる回路図をしめします。パワーBJTのSpiceモデルは2SC5200, 2SA1943で代用しています。MOSFETアンプとの違いは、LT1166のVtopとVbottomに470p, 100Vのバイパスコンデンサを追加するのと、ダーリントンドライバとパワーBJTの間にダイオードを追加する点です。

BJTアンプの周波数特性

AC解析による周波数特性です。ゲイン27dB, fc=55kHzとなります。ft=4MHzのパワーBJTなので、ドミナントポールがこのあたりに来るようです。

BJTアンプのアイドル時の出力のFFT

アイドル時の出力電圧のFFTです。ノイズフロアが-200dBとなります。バイアス電流はそれぞれ、ドライバ段が20mA、パワー段が100mA程度です。

損失はドライバ段が1W, パワー段が4W, プッシュプルなので全体で10W程度です。

BJTアンプの10kHz, 1.5V正弦波入力時の出力のFFT

10kHz, 1.5Vの正弦波入力の出力のFFTです。100Wクラスの出力で、ノイズフロアは-90dB程度まで上昇します。ダイナミックレンジとしては120dB程度です。

高スルーレートのオペアンプによるブートストラップアンプで、電流駆動ダーリントンドライバにフィードフォワードをかけて、トランスリニアバイアスによるカットオフしないAB級動作によりクロスオーバー歪が小さいということのようです。