アンプのクラスの説明: クラス A、B、AB、D、G、H と正しい選択方法

500 ワットのサブウーファーをキャビネットに設置するには、何よりもまず、どのアンプのクラスが出力段を駆動するかという仕様の決定が必要になります。この 1 つの選択によって、ヒートシンクの質量、電源装置の重量、エンクロージャの体積、および歪みが聞こえるまでにどれだけのヘッドルームが残るかが決まります。システムビルダーにとっての実際的な結論: クラス D は、供給電力の 85 ～ 95 パーセントを信号に変換するため、新しいプロ用オーディオ モジュールの設計で優勢です。クラス AB は、透明なサウンドと予測可能なサービスを実現するアナログ基準であり続けます。クラス G とクラス H は、必要な熱が少ない高出力リニア ステージに中間パスを提供します。クラス A とクラス B は今日では主に概念として重要ですが、それらの伝導角の動作はその後のすべてのクラスを説明します。

アンプのクラスを定義するものは何ですか?

すべてのアンプのクラスは、その出力デバイスの導通角、つまりトランジスタが電流を流す各入力サイクルの部分によって定義されます。 360 度通電するデバイスは継続的にオンのままです。 180 度通電するデバイスは波形の半分しか処理しません。信号に寄与していない導電デバイスでも電力が消費されるため、導通角によって理論上の効率の上限が決まります。また、ステージの歪みの特徴も予測します。

以下のクラスは、オーディオ システム設計者が遭遇するすべてのものをカバーしています。クラス C は参考のためにのみ表示されます。180 度以下で動作すると効率が 70 パーセントを超えますが、出力が非常に平坦になるため、オーディオではなく無線周波数送信機に限定されます。効率の値は、確立された電子機器の参考文献やモジュールのデータシートで引用されている実用的な範囲です。正確な数値は、電源電圧、負荷、動作レベルによって異なります。

クラス A: 高い運用コストでの直線性

クラス A 出力ステージは 360 度全域で動作します。シングルエンド モードで動作する単一のデバイスまたはペアは、入力信号が存在しない場合でもアクティブ領域に留まります。そのため、クラス A はアナログ ファミリの中で最も線形なトポロジになります。デバイス間のハンドオフがないため、クロスオーバー歪みは定義上存在しません。その代償は莫大なアイドル消費です。実際のシングルエンドのクラス A 効率は 20 ～ 30 パーセントの間にあるため、100 ワットのアンプは 200 ～ 300 ワットを熱として廃棄します。ヒートシンクが増大し、変圧器も増大し、ランニングコストは恒久的なものになります。プロ仕様のオーディオ モジュールでは、完全なクラス A 出力ステージはプリアンプ レベルにのみ存在します。パワーアンプ内では、クラス A はクラス AB 入力段の小信号バイアス領域として存続します。

クラス B: プッシュプルの原点

クラス B は波形を 2 つの半分に分割します。一方のトランジスタが正の半サイクルをプッシュし、もう一方のトランジスタが負の半サイクルをプルするため、各デバイスは正確に 180 度導通します。理論上の効率は 78.5% に上昇しますが、どちらのデバイスも完全に制御されていない場合、ゼロクロスでの遷移によりクロスオーバー歪みが生じます。不連続性は低い信号レベルで聞こえるため、純粋なクラス B では深刻なオーディオ出力ステージは実行されません。設計者は、両方のデバイスがゼロクロスでわずかにオンのままになるように小さなバイアス電流を追加します。その調整がクラス AB を定義します。

クラス AB: アナログ主力製品

クラス AB は、プッシュプル構造に制御された静止バイアスを追加します。両方の出力デバイスはゼロクロスでわずかに導通し、クロスオーバーノッチを排除し、信号が大きくなるにつれてカットオフに向かって戻ります。実際のオーディオ設計では、効率は 50 ～ 65% の間に落ち着きます。 600 ワットのクラス AB モジュールは、ハードに駆動すると依然として 200 ～ 300 ワットの電力を放出するため、深いフィンを備えたヒートシンクと、場合によっては強制空気が設計の一部として残っています。

エンジニアは、音質の動作が優先され、エンクロージャのサイズが許容できる場合にクラス AB を選択します。バイアス電流、歪み、熱負荷の関係は非常にデリケートであるため、メーカーは長年にわたる生産の改良を通じてこの関係を調整しています。エンジニアがドライバーと同じくらい出力ステージに多くの時間を費やす理由もそこにあります。 アンプモジュールの音質への貢献 測定するより聞くほうが簡単です。

クラス D: 効率を高めるためのスイッチング

クラス D は、伝導角モデルを完全に放棄します。出力トランジスタは、オーディオ帯域をはるかに上回るキャリア周波数 (通常は 400 kHz ～ 1 MHz) で完全飽和と完全カットオフを繰り返し、オーディオ信号は、結果として生じるパルス幅変調波形のデューティ サイクルに乗ります。 LC フィルターは出力でオーディオ帯域を再構築します。飽和スイッチはほとんど電圧降下せず、遮断スイッチはほとんど電流を流さないため、理論上の効率は 100% に近づきます。実際のモジュールは 85 ～ 95% を実現します。

スピーカー設計への影響は即座に現れます。 500ワットのクラスDステージはヒートシンクをダイキャストシャーシに十分小さく保ちますが、同等のクラスABステージは重い押出成形プロファイルとより大きなトランスを必要とします。最新のポストフィルターフィードバックは、初期のスイッチング設計の歪みメカニズムを修正し、適切に実装されたクラス D モジュールは、優れたアナログアンプとのブラインドリスニング比較に合格します。

実際のエンジニアリング作業は、出力フィルタ、EMI 動作、およびスイッチング段のデッドタイム管理にあります。この分野を専門とするサプライヤーは通常、フィルターを後付けとして扱うのではなく、スイッチング コアを共振または力率補正されたフロント エンドと組み合わせます。

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クラス G およびクラス H: よりスマートな電源レール

クラス G とクラス H は、AB アンプのリニア出力ステージを維持しますが、信号に適応する電源レールをそれに供給します。クラス G は 2 つ以上の固定レールを維持し、信号のピークで必要な場合にのみ高い方のレールに切り替えます。クラス H はレール電圧を継続的に変調し、数ボルトのヘッドルームで信号エンベロープを追跡します。どちらの場合でも出力デバイスは線形のままであるため、歪みプロファイルはクラス AB に似ていますが、デバイス間の平均電圧は低くなります。これにより廃熱が削減され、効率が 65 ～ 80% の範囲に押し上げられます。

コストは電源に移ります。クラス G の場合はスイッチオーバー ロジックを備えたマルチレール トランス、クラス H の場合は高速トラッキング レギュレータです。これらのクラスはサブウーファーおよびライン アレイ モジュールに適しており、波高率の高い音楽は、より高いレールが短いピークに対してのみアクティブであることを意味します。 H クラスのアプローチは、リニアトランス電源を備えたバイアンプエンクロージャの一般的な選択肢であるため、モジュールサプライヤーはこの組み合わせを標準構成としてリストしています。

実際のモジュールのアンプクラスの比較

クラスの決定は決して単独で行われることはありません。電源、エンクロージャ、音楽プログラムのデューティ サイクルと相互作用します。以下の表は、クラス D がポータブルでコンパクトなシステムにおいて非常に魅力的な理由を示しています。

クラス D は、出力範囲のほとんどにわたって高い効率を維持しますが、クラス AB の効率は、低いリスニングレベルでは低下します。 500 ワットのクラス AB モジュールからの 50 ワットの平均出力は、約 25 ～ 30 パーセントの効率にとどまります。同じ条件では、クラス D モジュールが 75% 以上に維持されます。ツーリングシーズンを通して、その違いは電気代、ラックの熱、熱保護が作動する頻度に現れます。

アクティブパワーアンプモジュールの内容を理解する 購入者がこのマトリックスを正しく適用するのに役立ちます。クラスレターでは電力段についてのみ説明しています。電源設計、フィードバックトポロジ、および保護回路が実際の信頼性を決定します。たとえば、サブウーファー モジュールは、継続的な低音プログラムに耐えるために高電圧レールと出力制限を組み合わせているため、クラスの選択と保護機能を 1 つのシステムとして評価する必要があります。

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パワーアンプモジュールの構造

最新のモジュールの断面図は、クラスが周囲のすべてのものとどのように対話するかを示しています。入力段はバランス信号または DSP 処理された信号を受け入れ、ドライバー段はスイッチングまたはリニア制御を形成し、出力段は選択されたクラスに従い、電源は効率の上限を設定します。以下の等角図は、内蔵モジュール内のこれらのブロックの一般的な配置を示しています。

アンプクラスに関するよくある質問