TL082オペアンプによる高性能クラスBプッシュプルオーディオアンプの構築

部品と材料

• 6V電池4個
• デュアルオペアンプ（TL082推奨 — Radio Shack #276‑1715）
• NPNパワートランジスタ1個、TO‑220パッケージ（TIP41、#276‑2020または同等品）
• PNPパワートランジスタ1個、TO‑220パッケージ（TIP42、#276‑2027または同等品）
• 1N914スイッチングダイオード1個（Radio Shack #276‑1620）
• 47µF電解コンデンサ1個、35WVDC（Radio Shack #272‑1015または同等品）
• 0.22µF無極性コンデンサ2個（Radio Shack #272‑1070）
• 10kΩリニアテーパーポテンショメータ1個（Radio Shack #271‑1715）

高スルーレートのオペアンプを使用してください。LM741やLM1458は、必要なµV/秒オーダーの遷移に追従できません。

最良の性能を得るには、NPNとPNPトランジスタを密にマッチングさせてください。TIP41/TIP42ペアが理想的で、それぞれ65Wの損失が可能です。入手できない場合はTIP3055も許容可能です。大型TO‑3デバイスは避けてください。オペアンプがベースを駆動しきれない可能性があります。

関連リファレンス

• Lessons In Electric Circuits、第3巻、第4章：「バイポーラ接合トランジスタ」
• Lessons In Electric Circuits、第3巻、第8章：「オペレーショナルアンプ」

学習目標

• 相補バイポーラトランジスタを使用したプッシュプルクラスBアンプを構築する
• プッシュプル段でのクロスオーバー歪みの発生メカニズムを理解する
• オペアンプによる負帰還で非線形性を補正する

回路図

イラストレーション

手順

このアンプは、小型ラジオ、テープデッキ、CDプレーヤー、または任意のラインレベルオーディオソースからの信号を増幅するように設計されています。ステレオ出力には、同一のユニットを2つ（チャンネルごとに1つ）構築し、入力をオーディオデバイスに接続してください：

この回路は高品質モジュラーステレオコンポーネントでも優れた性能を発揮します。大型スピーカーに印象的なパワーを供給でき、ヒートシンクなしで動作可能ですが、選んだスピーカーで熱的安定性を確認してください。

アンプは入力波形を忠実に再現することを目指します。あらゆる偏差（歪み）は不要な音色を導入します。完全な忠実度は不可能ですが、歪みの原因を理解すれば設計を改良できます。このモジュールでは、オーディオ電力段で一般的なクラスBプッシュプルトポロジーに焦点を当てます。

クラスB構成では、1つのトランジスタが正の半サイクルで負荷を駆動（プッシュ）し、もう一方が負の半サイクルを担当（プル）します。各トランジスタは半サイクルの間オフ状態を保つため、アイドル時の電力消費と発熱が減ります。しかし、この効率は独特の非線形性、すなわちクロスオーバー歪みを導入します。

純粋な正弦波（一定振幅、一定周波数）を考えます。プッシュプル段では、トランジスタが波形の半分ずつを交互に増幅します。引き継ぎが完全に同期していないと、出力はゼロクロッシング付近で平坦になり、よく知られた「デッドゾーン」が生じます：

これを緩和するには、トランジスタをバイアスしてターンオン閾値をわずかにオーバーラップさせ、両方が短く導通するクラスAB領域を作ります。これにより歪みは減りますが、静止電流が増え、発熱と熱的ドリフトの原因になります。

この設計は、オペアンプの負帰還を用いて純粋なクラスB（同時導通なし）のままにします。オペアンプがデッドゾーンを検出し、トランジスタベースを急速に導通領域に戻すことで、クラスABの電力ペナルティなしにクロスオーバー歪みを大幅に低減します。

最左のオペアンプはバッファとして機能し、入力コンデンサ/抵抗ネットワークを分離してDCバイアスがスピーカーに到達しないようにします。このバッファがなければ、低周波応答が悪化し、高周波が不釣り合いに増幅されます。

第2のオペアンプは、10kΩポテンショメータで音量を設定する反転増幅器として機能します。必要な利得を提供しながら、入出力のリニアな関係を維持します。

オペアンプのフィードバックパスがなければ、プッシュプルペアは1.4Vのデッドゾーン（2つのVbe降下）を経験し、顕著な歪みを生じます。一般的な対策は、ベース駆動に直列に2つのダイオードを挿入し、約1.4V降下させてトランジスタを導通直前までバイアスすることです。しかし、トランジスタのVbeは温度で変化するのにダイオード降下は一定であるため、クラスAB動作へのドリフトと余分な発熱を招きます。

エミッタ脚の温度補償抵抗でこれを緩和できますが、直列抵抗が出力電流を制限します。

この解決策は、オペアンプの高スルーレートを利用してトランジスタを精密にオンに保ちます。単一ダイオードで0.7Vバイアスを与え、デッドゾーンを半減させます。オペアンプのフィードバックはエミッタ端子に接続され、実際の負荷電流を検知して駆動を調整します。これにより純粋なクラスB導通を維持しながら歪みを最小限に抑えます。

優れたスルーレートを持つTL082オペアンプは、低歪み動作に必要な急速な電圧スイングを追従するために不可欠です。LM741やLM1458のような遅いオペアンプでは遅れが生じ、歪みが入り込みます。

2つのコンデンサが回路を完成させます：バイアスダイオードと並列の47µF電解コンデンサが0.7V基準を安定化し、NPNベースエミッタ間の0.22µFコンデンサが低音量時のクロスオーバー歪みをシャントします。

関連ワークシート

• クラスB BJTアンプワークシート