超シンプル原始6石パワーアンプ - オーディオアンプとシミュレーション

概要

　できるだけ少ない能動素子の数で、まともな特性のワイドラー型アンプを作るとしたらどうしたら良いだろう？　という探究心のもと回路を書いてシミュレーションしてみました。

　以下のような制約を設けます。

バイポーラトランジスタと受動素子だけ使う
いちおうDCアンプ
差動＋エミッタ接地＋出力バッファの構成でオペアンプ風に使えるようにする
実用的な性能を目指す
効率面では妥協しない（出力段をA級シングルにすれば1石浮く、といったことはやらない）

　要するに、トランジスタ黎明期の技術で現代的なアンプを作るとしたらどういうトポロジーになるか、という検討です。

回路と解説

　頭をひねった結果、いちおう6石まで減らせました。

　以下解説です。

初段

　バイポーラトランジスタの差動です。

　「バイポーラトランジスタと受動素子だけ使う」という制約により、テール電流を多く流せません。この回路では約0.15mAに設定しています。これくらいであれば、10kΩ程度の入力インピーダンスを前提に（入力端子と並列に抵抗を入れる）、ベース電流によるオフセットを十分低減できます。

二段目

　普通のエミッタ接地です。エミッタ抵抗のバイパスコンデンサと負荷側のブートストラップによりゲインを稼いでいます。これについては特筆すべきことはありません。

出力段ドライブ段

　C1815のエミフォロを入れています。ただし、なんとなくC1815にしていますが、実際にはもう少し大きい素子でないと消費電力が多すぎると思います。

　これがないと出力段のベース側インピーダンスはたかだか800Ωくらいになり、ゲインが稼げないわドライブが大変だわと辛いことになります。しかしダーリントンにすると自動的に2素子増え、コンセプトから外れます。シングルエミフォロにすることで1素子削っています。

　基本的には抵抗負荷シングルエミフォロ以外の選択肢がないので、そのままでは電流を大量に流さないとマイナス側のドライブ能力が不足します。そこでここにもブートストラップを入れて、マイナス側のドライブ能力を確保しています。実際にはマイナス12V弱でクリップしますが、正側も同じくらいでクリップすること、正負15Vの電源電圧であることを考えればまずまずの成績と考えています。ブートストラップなしではマイナス9Vくらいでクリップするので、3Vほど稼げている訳です。

出力段

　普通のSEPPです。素子選択はLTSpiceで使える高パワー素子がこれしかなかったからで、他意はありません。アイドリング電流は500mAです。

　自分で書いておいてなんですが、この回路だと温度安定性が悪い……というか熱暴走するかどうかギリギリの線かもしれません。ダイオードを使えば楽に温度補償できますが、そこまで考慮していません。あるいは、エミッタ抵抗を思い切って0.68Ωくらいにすれば熱暴走のリスクはほぼなくなると思います。

シミュレーション

　まずAC特性です。

　なんとか60dBに届いています。とはいえ、バイパスコンデンサとブートストラップのせいで低域の位相がひどいことになっている気がするので、もう少しいろいろ考えた方が良い気がします。高域側は素子がよくないので、この程度が限界でしょう。

　次に1kHzサイン波で約1W出力時のFFTです。

　主信号8dBに対して2kHzが-65dBくらい。かろうじて-70dB程度（0.03%）の歪みということになります。褒められたものではありませんが実用レベル、って感じでしょうか。

　ものは試しと帰還量を1/10に減らしてみたところ（入力をその分小さくして出力振幅を揃えて）、歪みの変化はほとんどありませんでした。これは負帰還では軽減できない種類の歪み（たぶん初段の歪み）が主であることを表しています。2次歪みが多いということは要するに初段の対称性が悪いのですが、この定数でのDCバランスの誤差はシミュレーション上3%くらいです。この回路で対称性を取るのは至難の業ですから（可変抵抗を入れればACバランス最良化は一応できますが）、これはどうにもならないでしょう。逆に言えば、初段以外はそこそこうまく増幅し、NFBによって歪みが軽減されているということでもあります。