クラスBオーディオアンプ

部品と材料

• 6ボルトのバッテリー4個
• デュアルオペアンプ、モデルTL082を推奨（Radio Shackカタログ番号276-1715）
• TO-220パッケージの1つのNPNパワートランジスタ—（Radio Shackカタログ＃276-2020または同等のもの）
• TO-220パッケージの1つのPNPパワートランジスタ—（Radio Shackカタログ番号276-2027または同等のもの）
• 1つの1N914スイッチングダイオード（Radio Shackカタログ番号276-1620）
• コンデンサ1個、電解47 µF、DC 35 WV（Radio Shackカタログ番号272-1015または同等品）
• 2つのコンデンサ、0.22 µF、無偏波（Radio Shackカタログ番号272-1070）
• 10kΩポテンショメータ1つ、線形テーパー（Radio Shackカタログ番号271-1715）

スルーレートが高いオペアンプを必ず使用してください。 。このため、LM741またはLM1458は避けてください。

2つのトランジスタが一致しているほど、優れています。可能であれば、TIP41およびTIP42トランジスタを入手してみてください。これらは、それぞれ65ワットの消費定格を持つNPNおよびPNPパワートランジスタと厳密に一致しています。 TIP41 NPNトランジスタを入手できない場合は、TIP3055（Radio Shackから入手可能）が適切な代替品です。非常に大きな（つまり、TO-3ケースの）パワートランジスタは使用しないでください。オペアンプは、良好な動作のためにベースに十分な電流を流すのに問題がある可能性があります。

相互参照

電気回路の教訓 、第3巻、第4章：「バイポーラ接合トランジスタ」

電気回路の教訓 、第3巻、第8章：「オペアンプ」

学習目標

• 相補型バイポーラトランジスタを使用して「プッシュプル」クラスB増幅器を構築する方法を説明するため
• プッシュプル増幅器回路における「クロスオーバー歪み」の影響を説明するため
• オペアンプを介して負帰還を使用して回路の非線形性を修正する方法を説明する

回路図

イラスト

手順

このプロジェクトは、小型ラジオ、テーププレーヤー、CDプレーヤー、またはその他のオーディオ信号ソースからの出力信号を増幅するのに適したオーディオアンプです。ステレオ操作の場合、2つの同一のアンプを構築する必要があります。1つは左チャネル用で、もう1つは右チャネル用です。このアンプの入力信号を取得して増幅するには、ラジオやその他のオーディオデバイスの出力に接続するだけです。

この増幅回路は、「ラインレベル」の増幅にも適しています。 」高品質のモジュラーステレオコンポーネントからのオーディオ信号。大型スピーカーで再生すると驚くほどの音響パワーが得られ、トランジスタにヒートシンクなしで動作する可能性があります（ただし、スピーカーの種類によって消費電力が異なるため、ヒートシンクを使用しないことを決定する前に少し実験する必要があります）使用済み）。

増幅回路の目標は、入力波形を可能な限り正確に再現することです。もちろん、完全な再現は不可能であり、出力と入力の波形の違いは歪みとして知られています。 。オーディオアンプでは、歪みによって不快な音が実際の音にスーパーインポーズされる場合があります。オーディオアンプ回路にはさまざまな構成があり、それぞれに長所と短所があります。この特定の回路は「クラスB」と呼ばれます。プッシュプル 回路。

ほとんどのオーディオ「パワー 」アンプはクラスB構成を使用し、1つのトランジスタが波形サイクルの半分の間に負荷に電力を供給します（プッシュ ）、2番目のトランジスタがサイクルの残りの半分の負荷に電力を供給します（プル ）。このスキームでは、どちらのトランジスタも「オン」のままです。 」をサイクル全体で行い、それぞれに「休憩」する時間を与えます。 」と波形サイクル中に冷却します。これにより、電力効率の高い増幅回路が実現しますが、「クロスオーバー歪み」と呼ばれる独特のタイプの非線形性が発生します。 。」

ここに示されているのは、一定の音量の一定のオーディオトーンに相当する正弦波の形状です。

プッシュプル増幅器回路では、2つのトランジスタが交互に次のように波形の交互の半サイクルを増幅します。

「ハンドオフ」の場合 」は2つのトランジスタ間で正確に同期されていませんが、増幅器の出力波形は、純粋な正弦波ではなく、次のように見える場合があります。

ここで、歪みは、一方のトランジスタがオフになってからもう一方のトランジスタがオンになるまでの間に遅延があるという事実に起因します。このタイプの歪みでは、波形が「平坦化」されます。 正と負の半サイクル間のクロスオーバーポイントでの」は、クロスオーバー歪みと呼ばれます。 。クロスオーバー歪みを軽減する一般的な方法の1つは、トランジスタのターンオン/ターンオフポイントが実際にオーバーラップするようにトランジスタにバイアスをかけることです。これにより、両方 トランジスタは、クロスオーバー期間中の短い間、導通状態にあります：

この形式の増幅は、技術的にはクラス AB として知られています。 各トランジスタが「オン」であるため、クラスBではなく 」は、完全な波形サイクル中の50％以上の時間です。ただし、これを行うことの欠点は、両方のトランジスタが導通している瞬間に、そうでないトランジスタに電流が流れるため、増幅器回路の消費電力が増加することです。 負荷を通過しますが、一方の電源レールからもう一方の電源レールに「短絡」しているだけです（-Vから+ V）。

これはエネルギーの浪費であるだけでなく、トランジスタでより多くの熱エネルギーを放散します。トランジスタの温度が上昇すると、トランジスタの特性が変化します（V _be 順方向電圧降下、β、接合抵抗など）、適切なバイアスを困難にします。

この実験では、トランジスタは純粋なクラスBモードで動作します。つまり、彼らが同時に行動することは決してありません。これにより、エネルギーが節約され、熱放散が減少しますが、クロスオーバー歪みが発生しやすくなります。この回路で採用されている解決策は、負帰還を備えたオペアンプを使用して、「デッド」を介してトランジスタをすばやく駆動することです。 」ゾーンはクロスオーバー歪みを生成し、「平坦化」の量を減らします クロスオーバー中の波形の」。

回路図に示されている最初の（左端の）オペアンプは、単なるバッファです。バッファは、入力信号からDCバイアス電圧を除去するために回路に配置された入力コンデンサ/抵抗ネットワークの負荷を軽減するのに役立ち、DC電圧が回路によって増幅されてスピーカーに送信されるのを防ぎます損傷を引き起こす可能性のある場所。

バッファオペアンプがない場合、コンデンサ/抵抗フィルタリング回路は低周波数を低減します（「低音」 」）アンプの応答と高周波（「高音」を強調します 」）。

2番目のオペアンプは、ゲインが10kΩのポテンショメータによって制御される反転増幅器として機能します。これは、アンプのボリュームコントロールを提供するだけです。通常、反転オペアンプ回路のフィードバック抵抗は、次のようにオペアンプ出力端子から反転入力端子に直接接続されています。

ただし、得られた出力信号を使用してプッシュプルトランジスタペアのベース端子を駆動すると、「デッド」が発生するため、大幅なクロスオーバー歪みが発生します。 ベース電圧が+0.7ボルトから-0.7ボルトに変化したときのトランジスタの動作における」ゾーン：

すでに最終的な形でアンプ回路を構築している場合は、それをこの形に単純化して、音質の違いを聞くことができます。回路の構築をまだ開始していない場合は、上記の回路図が出発点として適しています。オーディオ信号を増幅しますが、ひどい音になります！

クロスオーバー歪みの理由は、オペアンプの出力信号が+ 0.7ボルトから-0.7ボルトの場合、どちらのトランジスタも導通せず、スピーカーへの出力電圧はベースの1.4ボルトスパン全体で0ボルトになるためです。電圧スイング。したがって、「ゾーン」があります スピーカー出力電圧の変化が発生しない入力信号範囲の「」。ここで、この1.4ボルトの「ギャップ」を減らすために、通常、複雑なバイアス技術が回路に導入されます。 」トランジスタ入力信号応答。通常、次のようなことが行われます：

直列に接続された2つのダイオードは、約1.4ボルト低下します。これは、結合されたV _be に相当します。 2つのトランジスタの順方向電圧降下により、入力信号がゼロボルトのときに各トランジスタがオンになる寸前であり、1.4ボルトの「デッド」が排除されるシナリオが発生します。 」以前に存在した信号ゾーン。

ただし、残念ながら、このソリューションは完全ではありません。トランジスタが電力を負荷に伝導することで熱くなるため、トランジスタのV _be 順方向電圧降下は、0.7ボルトから0.6ボルトや0.5ボルトなどのより低い電圧降下に減少します。実質的な電流を流さないために同じ加熱効果を受けないダイオードは、順方向電圧降下で同じ変化を経験しません。

したがって、トランジスタが加熱のために必要なバイアス電圧が少なくても、ダイオードは同じ1.4ボルトのバイアス電圧を提供し続けます。その結果、回路はクラスAB動作に移行します。ここで、両方 トランジスタは、時間の一部で導通状態になります。もちろん、これによりトランジスタを介した熱放散が増加し、順方向電圧降下の変化の問題が悪化します。

この問題の一般的な解決策は、温度補償「フィードバック」の挿入です。 」プッシュプルトランジスタ回路のエミッタレッグの抵抗：

このソリューションは、2つのトランジスタの同時オンを防ぐことはできませんが、問題の重大度を軽減し、熱暴走を防ぐだけです。また、負荷電流経路に抵抗を挿入して、アンプの出力電流を制限するという不幸な影響もあります。この実験で私が選んだ解決策は、オペアンプの負帰還の原理を利用して、プッシュプルトランジスタ出力回路の固有の制限を克服するものです。私は1つのダイオードを使用して、プッシュプルペアに0.7ボルトのバイアス電圧を供給します。これは「死んだ」を排除するのに十分ではありません 」信号ゾーンですが、少なくとも50％削減されます：

単一のダイオードの電圧降下は、常に2つのトランジスタのベース-エミッタ接合の合計電圧降下よりも小さいため、トランジスタが同時にオンになることはなく、クラスABの動作が妨げられます。次に、残りのクロスオーバー歪みを取り除くために、オペアンプのフィードバック信号は、次のようにアンプの出力端子（トランジスタのエミッタ端子）から取得されます。

オペアンプの機能は、2つの入力端子を同じ電圧（0ボルトの差動）に保つために必要な電圧信号を出力することです。フィードバックワイヤをプッシュプルトランジスタのエミッタ端子に接続することにより、オペアンプは「デッド」を検出することができます。 どちらのトランジスタも導通していない」ゾーンで、トランジスタのベースに適切な電圧信号を出力して、トランジスタをすばやく導通状態に戻し、「維持」します。 」と入力信号波形を使用します。

これには、スルーレートの高いオペアンプが必要です。 （急速に上昇または急速に下降する出力電圧を生成する機能）、それが TL082 の理由です。 この回路にはオペアンプが指定されています。 LM741 などの低速オペアンプ または LM1458 高い dv / dt に追いつけない可能性があります （電圧の経時変化率、 de / dt とも呼ばれます ）低歪み動作に必要です。

この回路に追加されるコンデンサは2、3個だけで、最終的な形になります。ダイオードと並列に接続された47 µFのコンデンサは、オペアンプの出力の大きな電圧変動にもかかわらず、0.7ボルトのバイアス電圧を一定に保つのに役立ちます。 NPNトランジスタのベースとエミッタの間に接続された0.22µFのコンデンサは、低電圧設定でのクロスオーバー歪みを低減するのに役立ちます。

関連ワークシート：

• クラスBBJTアンプワークシート