どのパワーアンプクラスを使用すべきですか？

投稿日十一月 7, 2022
更新日七月 1, 2024

パワーアンプは概念的にはシンプルですが、すべてのパワーアンプが同じように作られているわけではありません。確かに、競合する仕様や能力がありますが、より重要なのはこれらの回路が実際のシステムに配置されたときのトポロジーと機能性です。パワーアンプの機能はクラスに分けられ、それぞれが多少異なる機能を持つ多くのパワーアンプクラスがあります。パワーアンプクラスが十分に多いため、各アンプの機能や、異なるシステムで好ましいアンプクラスをすべて記憶するのは難しいかもしれません。

この記事では、主要なパワーアンプクラスの概要と、それらが異なるシステムでどのように使用できるかについて説明します。見ていくように、異なるタイプのパワーアンプが統合回路として利用可能であり、異なる駆動方法で電力を提供します。パッケージング、正確な信号再生、および高調波歪みなどの運用特性は、パワーアンプを選択する際に考慮すべき重要な指標のいくつかです。

もう一つ重要な点は、不足や長いリードタイムの現代の環境で、パワーアンプの代替品の可能性を考慮することです。一部のパワーアンプは互換性があり、パッケージングとピン配置が似ていれば直接交換できます。この記事でパワーアンプクラスを取り上げる際に、さまざまなタイプのパワーアンプの代替可能性について見ていきます。

パワーアンプの仕組み

概念的には、パワーアンプは他のアンプと変わりません。ある信号を入力し、出力信号は一般に入力よりも強力です。入力信号は、I/Oバンクを介して、または入力変調信号の強度を通じて調整可能な最大値まで増幅されます。以下に典型的なパワーアンプのトポロジーの例を示します。

大まかに言えば、パワーアンプクラスは駆動機構によって区別され、さらに回路トポロジーによって区別されます。パワーアンプは、上の画像に示されているように、変調された正方形波信号または直接入力AC信号で駆動できます。駆動機構を超えて、パワーアンプクラスを区別するいくつかの要因があります：

変調方法（PWM、PFM、シグマデルタなど）
電力供給トポロジー（単一供給、カスケード供給）
プッシュプルトポロジー
意図的対非意図的な高調波生成

パワーアンプの特徴

これらの点を超えて、パワーアンプには製品に組み込まれたさまざまな構造や特徴があります。例えば、特定のパワーアンプには出力段に独特のプッシュプル構成があり、他のものは単純なトランジスタアンプです（特に低周波数で）。アンプはカスケードトポロジーを使用して追加のゲインを提供することもありますし、プリアンプを使用することもあります。パワーアンプクラスで見つかる基本的な運用要件を超えて、機能の追加、信号調整の確保、またはゲイン制御のためのインターフェースの提供など、本当に何でも可能です。

モジュールまたはチップ？

パワーアンプ製品は、小型デバイス用のチップとして、またはより大きなデバイスに統合できるモジュールとして利用可能です。多くのパワーアンプICは異なるクラスに分類され、多くのアプリケーションで使用できますが、クラス分けされたパワーアンプ製品の多くはオーディオ用に設計されています。オーディオ専用に市場投入されていないその他のパワーアンプで、アクティブ要素として単一のトランジスタのみを使用しているものは、データシートやマーケティング資料に特定のアンプクラスが記載されていなくても、クラスAアンプであることが多いです。

一例として、テキサス・インスツルメンツのLM4991があります。このクラスABオーディオアンプは、最大5.5Vまでのロジックレベルで動作し、最大3Wの出力を提供します。このコンポーネントは並列に2つ使用することで、オーディオ範囲全体で非常に低いTHD + Nレベルの歪みを持つ2つのスピーカーへのステレオ出力を提供できます。いくつかの運用データとアプリケーション回路が以下に示されています。

パワーアンプは、多くの機能を含むプリパッケージモジュールとしても提供されています。一部のパワーアンプコンポーネントやモジュールは特定の帯域幅内で動作するように設計されているため、出力段にはフィルタリングとインピーダンスマッチングを提供する追加の回路があります。これは特に、RF信号が供給される高周波システムで重要です。しかし、パワーアンプモジュールはGHz範囲にまで達する可能性のある非常に広い範囲の周波数で動作することがあります。これらのモジュールは通常、高出力アプリケーション用です。

PasternackのPE15A5068は、2GHzから18GHzで動作する5Wの飽和入力パワーを持つクラスABアンプです。このモジュールは22から24V DCで動作し、典型的なゲインは37dBです。これらのモジュールはかなり高価であり、通信（例えば、軍用ラジオ）や計測器などの特殊なRFアプリケーション用です。この特定のコンポーネントはGaN FETで構築されていますが、他のコンポーネントはIII-V族化合物半導体から構築されることもあります。

AC駆動型パワーアンプ

これらのパワーアンプは、入力AC信号と、場合によっては適用されるDCオフセットバイアスを使用して、1つ以上のトランジスタを変調します。これらのアンプには、入力感度を上げてトランジスタを完全に変調するためのプリアンプが含まれていることがあります。

クラスA

クラスAパワーアンプは、パワートランジスタのタイプに関係なく、単一のスイッチングトランジスタで構築されています。これらのアンプの目的は、トランジスタのQポイント周辺でデバイスの線形範囲を最大化し、信号の歪みや高調波の生成を防ぐことです。これらのアンプは、適切に構築された場合、高い線形範囲を持つことができ、離散コンポーネントから簡単に構築できます。クラスAアンプの欠点は、トランジスタが常に導電状態にDCバイアスされているため、常にわずかな導電損失が発生することによる発熱です。

クラスB

これらのアンプはクラスAに似ていますが、プッシュプル構成で逆の極性で動作する2つのトランジスタを使用することで、無駄な熱を低減させています。つまり、各トランジスタは入力信号の半分だけを供給します。信号レベルが0Vを超えると、各トランジスタはOFFに変調され、それによって他のトランジスタがONに変調されます。これらのアンプの欠点は、デッドタイムまたはデッドゾーンです。信号が0Vを通過する短い期間中、2つの極性間の駆動信号はサブスレッショルドになるため、信号レベルが小さな非ゼロ値であってもトランジスタはOFFになります。

クラスABパワーアンプもあることに注意してください。これはクラスAとクラスBのアンプ回路の最良の側面を低歪みで融合させています。

クラスC

これらのアンプは、LC共振時にフィルタリングを提供するために入力バイアス端子に並列LC回路を使用します。これらのアンプはDCバイアスなしで動作し、単一のトランジスタを使用するため、典型的な動作周波数で強い歪みを持ちます。したがって、高帯域幅を必要とするオーディオやその他のものには通常使用されず、正弦波入力が与えられた場合にはオシレータとしてよく使用されます。これらのアンプの線形範囲も、これらのアンプの動作点が設定されているため非常に低くなっています。

PWM駆動パワーアンプ

これらのパワーアンプクラスは、駆動方法のためにデジタルアプリケーションでより一般的です。必要な駆動方法はアナログ波形から生成されるか、またはデジタルプロセッサでパルス列を合成することができます。

クラスDとS

これら2つのアンプは、変調されたパルス列とフィルタリングを使用して所望の出力信号を生成する非線形スイッチングアンプです。

クラスD： これらのアンプは、入力のノコギリ波と入力信号をコンパレータで使用してシグマデルタ変調信号を生成します。この信号はプッシュプルアンプ回路を駆動するために使用され、出力はオーディオ範囲にフィルタリングされます。
クラスS： シグマデルタ変調器を使用して出力の正方波を生成し、これを増幅してから高Qのバンドパスフィルタを通過させて正弦波を生成します。

これらのアンプは高効率と低歪みで動作し、歪みの点でクラスA/ABアンプと比較できます。

クラスF

クラスFアンプは、高Qの高調波共振器のセットを使用して、低抵抗損失で負荷に電力を供給するように設計されています。出力段に共振器要素がカスケードされると、出力波形は高効率の電力変換で正方波に近づきます。生成される高調波は入力信号の成分の倍数であるため、これらのアンプは高出力の正方波発生器としてより有用です。

クラスGとH

これらのパワーアンプは、ユニークな電力供給スキームを持つクラスABアンプの改良版です。これらのアンプの変調は、入力信号がデバイスを複数のレール電圧間でスイッチングさせることによって達成されます。クラスGとクラスHの違いは、デジタルとアナログの供給の違いです。クラスHアンプは連続的に変化する電源（アナログ）を使用するのに対し、クラスGは一連の離散的なレール電圧値を使用します。

クラスI

このアンプクラスはクラスBアンプと同じ概念で動作しますが、2つのプッシュプル回路を並列に使用します。1つの回路は正の半周期中にアクティブであり、もう1つは負の半周期中にアクティブです。デバイスの各側は、PWMドライバーのデューティサイクルが入力のゼロクロスポイントでちょうど50%の時にONとOFFを切り替えます。

パワーアンプ回路のための他のコンポーネント

上記の例は、パワーアンプクラスが構造に関するものであり、能力に関するものではないことを示しています。これは通常、小さなパワーアンプ回路の構築と使用方法を知っていれば、概念はすぐに大きなパワーや周波数にスケールアップできることを意味します。

アナログまたはRF信号チェーンでは、アンプが唯一のコンポーネントではありません。これらのシステムは、フィルタリングのような機能を提供するために他のディスクリートまたはオペアンプで満たされるか、高周波で動作する際には特殊なモノリシックコンポーネントを使用することがあります。パワーアンプ回路に必要な重要なコンポーネントのいくつかは以下にリンクされています。

ディスクリートコンポーネントのセットからアンプを構築する場合、上記のトポロジー図に示されているすべてのコンポーネントが必要になり、最終的にこれらをPCB上に配置する必要があります。設計に必要なコンポーネントを見つけるために、最高のサプライチェーンツールを使用してください。

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