アンプのクラス:AB 級アンプと D 級アンプの意味を理解する

アンプには大変な仕事があります。スピーカーを駆動できるように、非常に低い電圧信号を取り、振幅を大きくする必要があります。この変換では、信号が純粋なままであることが期待されます。歪みやノイズが追加されることはありません。また、アンプにはわずか 12 ～ 14 ボルトの電力しか供給していませんが、スピーカーを駆動するためにかなりの量の電力が必要です。物理法則は常に私たちに逆らおうとしているように見えますが、私たちは勝ちます!最新のカー オーディオ アンプは、エンジニアリングとデザインの驚くべき偉業です。この記事では、カー オーディオ業界で使用されている 2 つの主なアンプ クラスと、それぞれの利点と欠点について説明します。クラスAB対クラスDへようこそ。

アンプがパワーを生み出すしくみの背後にある数学

アンプ内部のコンポーネントをどのように構成しても、目標は同じです。プリアンプのオーディオ信号の電圧を上げて、スピーカーを駆動できるようにすることです。私たちが使用するスピーカーはインピーダンスが低いため (ほとんどのミッドレンジ スピーカーでは 2 または 4 オーム)、スピーカーにも大量の電流を供給できる必要があります。このスピーカーへの電流の供給は、アンプが実行しなければならない 2 番目のタスクです。

簡単な計算として、4 オームのスピーカーが 12V RMS 信号を受信して​​いる場合、いくつかの計算を行うことができます。スピーカーに流れる電流を計算するには、供給された電圧をスピーカーのインピーダンスで割ります。この例では、12 を 4 で割った値なので、3 アンペアの電流がスピーカー ワイヤとボイス コイルを流れています。スピーカーに流れる電力を計算する簡単な方法は、供給された電圧に供給された電流を掛けることです。 12 かける 3 の積は 36 です。このスピーカーには 36 ワットの電力が供給されています。

これがサブウーファーアンプであるかのように、同じ例を見てみましょう。この 2 番目の例では、1 オームの負荷を生成するために両方のコイルが並列に配線されたデュアル 2 オームのボイスコイル サブウーファーがあると仮定します。このスピーカーに 12 Vrms の信号を供給すると、スピーカー ワイヤとサブウーファーに 12 アンペアの電流が流れます。電力を計算するには、12 に 12 を掛けて 144 ワットを取得します。 144 ワットは 大量 同じ量の電圧でより多くの電力と電流が得られます。

汎用アンプ機能の概要

ほとんどのアンプは、その設計と複雑さに応じて、3 つまたは 4 つの主要なセクション (またはステージ) で構成されています。入力段は、低レベルのプリアンプ オーディオ信号がアンプに入り、イコライゼーションまたはフィルタリングの形で処理を受けるアンプの部分です。

アンプには電源が​​あります。電源は、供給された 12 ～ 14 V の直流電流を正および負のレール電圧に変換します。たとえば、理論上のアンプには、グランド基準に対して +25 および -25V のレールがあるとします。アンプのサイズによっては、ドライバー段があります。ドライバー段は、低レベルのオーディオ信号をより高い電圧に上げる役割を果たします。ドライバー段がどれだけ電圧を上昇させるかは、アンプがどれだけの電力を生成するかによって異なります。

最後に、出力ステージがあります。出力段は比較的単純です。ドライバ段からの信号を大幅に変更することはありませんが、出力信号に負荷が必要とする電流を供給するために使用されるデバイス (MOSFET またはトランジスタ) が変更されます。電源と出力段は、アンプで最も「ハードワーク」を行う 2 つの部分です。つまり電流が多く流れるステージです。

市場に出回っているほぼすべてのアンプで、波形の正の半分には専用のデバイスを使用し、波形の負の半分には別のデバイスを使用しています。明確にするために、アンプの出力信号を車両アースについて測定すると、0V の上下で前後にスイングすることがわかります。 +25 V と -25 V の電源レールを思い出してください。スピーカーは、送信される信号の値を気にしません。彼らが気にしているのは、ボイスコイルの一方の端からもう一方の端までの電圧差だけです.

AB級アンプ

この記事では、クラス AB アンプをアナログのアンプ モデルに一般化します。私たちのアナログアンプでは、アンプの出力段に大きなトランジスタがあります。出力で正のレール電圧の半分が必要な場合は、電圧の半分を正の出力デバイスに供給します。信号が負になると、正のデバイスをオフにして、負のデバイスのみを使用し始めます。別の見方をすると、ドライバー段からのオーディオ信号が出力デバイスの抵抗を制御し、続いてスピーカーに流れる電流の量を制御します。

アナログアンプでは、出力デバイスは、オーディオ信号に関するさまざまな量で「オン」にすることができます。これは、出力デバイスがしばしば抵抗器として機能していることを意味します。抵抗器に電流を流すと、電力が熱として無駄になります。この記事で後述する比較の一環として、この点に留意してください。

クラス D アンプ

クラス D アンプでは、出力デバイスはコントローラー集積回路 (IC) から制御を受けます。このコントローラは、可変デューティ サイクルの方形波を送信します。方形波の振幅は、出力デバイスを完全にオンまたはオフにするのに十分な大きさです。出力デバイスは抵抗器として動作する時間がほとんどなく、スイッチのように機能します。

論理的な問題は、一体どのようにして方形波から音楽を得ることができるのかということです。そう思った方、よかったです！方形波の周波数は、音楽の最大周波数よりもはるかに高いです。実際、一部の最新のクラス D アンプは、600 kHz もの高い周波数で出力デバイスを切り替えます。

音楽を再現するために、クラス D コントローラーはパルス幅変調された信号を送信します。 「オフ」時間に対する「オン」時間の長さによって、信号の出力レベルが決まります。非常に一般的な類推として、正の出力デバイスに 50% のデューティ サイクル (オフの時間だけオン) の方形波が送信された場合、出力の平均は正のレール電圧の 50% になります。方形波が時間の 75% オンで、その後 25% オフの場合、出力でレール電圧の 75% が得られます。

ご想像のとおり、クラス D コントローラーからの信号は非常に複雑です。オーディオ信号を正確に再現するのに十分な速さで正と負のデバイスに向かう方形波のデューティ サイクルを変調する必要があります。また、正と負の両方の出力デバイスを別々に制御する必要もあります。

アナログ アンプの利点と欠点

アナログ アンプのオーディオ信号は決して小さな断片に切り刻まれないため、アナログ アンプは元の信号に忠実なままにすることができます。モバイル エレクトロニクス業界で最も優れたサウンドのアンプはアナログです。アナログアンプは、歴史的に、正確な高周波応答で定評があります.

アナログアンプの欠点は効率です。効率は、スピーカーに送られるエネルギーと比較して、どれだけのエネルギーが熱として浪費されるかを表します。アナログアンプの出力素子は可変抵抗器として動作するため、発熱します。典型的なアナログアンプは、フルパワーで動作しながら、全体の効率に関して 70 ～ 80% の効率範囲で動作します。失われた 20 ～ 30% は熱として放出されます。出力レベルが低いと、効率はさらに低下します。

デジタル アンプの利点と欠点

最新のデジタルアンプは、非常に高い周波数でスイッチングします。オーディオ周波数応答が 50 kHz を超えるアンプもあれば、70 kHz を超えるものもあります。この性能は、サブウーファー専用で 5 kHz を超えるオーディオを生成するのに苦労した最初のクラス D アンプとはかけ離れています。とはいえ、デジタル アンプは出力段の最後にフィルター ネットワークを必要とするため、依然としてプレミアム アナログ アンプの性能に完全に匹敵することはできません。この情報を念頭に置いて、多くの貧弱な設計のアナログ アンプよりも優れたサウンドの優れたデジタル アンプがあることを考慮してください。

デジタル アンプの出力デバイスが抵抗範囲内で動作することはめったにないため、これらのアンプは非常に効率的です。適切に設計されたクラス D アンプの効率は約 92% です。

D級アンプのもう1つの問題はノイズです。出力デバイスは方形波で駆動されるため、出力信号には多くの高周波エネルギーが含まれています。先ほど説明したフィルター ネットワークは、出力信号からその多くを取り除きますが、そのエネルギーは依然として車両内の他のシステムに悪影響を与える可能性があります。残念なことに、多くのクラス D アンプに共通する特性は、動作中に無線受信に干渉を引き起こすことです。

アンプクラスの選択

システムに適したアンプを選択するための一連の厳格なルールを策定できれば幸いです.非常に多くの異なる価格帯で各種類のアンプに非常に多くのバリエーションがあるため、それは本当に不可能です.アンプを選択する唯一の方法は、制御された条件下でアンプを比較することです。同じ音楽と同じスピーカーを使用し、同じ音量で聴いてください。周波数応答の違いと、イメージングおよびステージング機能の劇的な違いを聞くことができます。

ある種類のアンプは他の種類よりも優れていますか?純粋に音質に特化した設備の場合、選択は明らかです。電力供給が制限されているか、大量の電力が必要な設置の場合、選択は明らかです。真ん中は、用途と予算次第です。

最寄りのモバイル エレクトロニクス専門店に立ち寄って、市場に出回っている最新のアンプについて調べてください。アプリケーションに合った、予算に合ったものを選ぶお手伝いをさせていただきます。