クラス D アンプの音質: OEM バイヤーが量産前に確認すべきこと

500 W クラス D アンプ モジュールと、同様の出力のクラス AB モジュールを同じ 12 インチ パワード スピーカーに搭載すると、サウンドについて話し始める前から動作が大きく異なります。クラス D ボードは、プログラム素材を 2 時間使用した後、暖かく動作します。クラス AB ボードを触ると熱く、その後ろにあるバッテリー パックの消耗が著しく早くなります。クラス D の音質の問題は、モジュールが適切に測定されると、通常は後で問題になります。そして、その時点までに、古い不満のほとんどはすでにはるかに短いリストに縮小されています。

この短いリストがこの記事の主題です。この本は、パワード スピーカー、ライン アレイ、サブウーファー、ポータブル システム用のアンプ モジュールを選択するエンジニアや購買チーム、つまり真の設計上のトレードオフである「クラス D サウンド」の部分と、2000 年代初頭から単純に受け継がれた部分を分離する必要がある人々を対象に書かれています。

クラス D の音質に関する簡単な答え

適切に設計されたクラス D モジュールは十分に透明であるため、最新のパワード スピーカーの内部では、同じ出力の優れたクラス AB モジュールと区別するのが困難です。また、熱安定性、負荷時の出力の一貫性、大音量での長時間のパフォーマンスなど、実際の導入においてアンプが評価される項目においても、目に見えて優れています。

残る違いは、文字 D によって引き起こされるものではありません。それらは、次の 4 つの設計上の決定から生じます。

• スイッチング周波数とそれを中心に構築された出力フィルター。
• 電源トポロジ、特にモジュールが力率補正と LLC 共振段を使用するかどうか。
• DSP、EQ、リミッティングを含む、アンプの前の信号チェーン。
• 熱設計と基板レイアウト。

実際的な結果は、カタログ レベルで「クラス D とクラス AB」を比較しても、ほとんど何も分からないということです。電源、フィルター、DSP を比較すると、音質に関する質問のほとんどが自動的に解決されます。

クラスD がサウンドに関して悪い評判を得た理由

この批判はかつて正当化されましたが、同じ故障モードが今日でも安価なモジュールに現れるため、その理由を正確に知ることは価値があります。

• 出力フィルターのロールオフ。 初期のモジュールは約 50 ～ 150 kHz でスイッチングしていたため、出力フィルターは 20 kHz よりかなり下でカットを開始する必要がありました。その結果、トップエンドがロールオフされ、リスナーは鈍い、または閉じたものと表現しました。
• デッドタイム歪み。 出力段でのシュートスルーを防止するブランキング期間により、非線形誤差が生じます。補正がなければ、その誤差は高音域、まさに耳が最も敏感な場所に到達します。
• 開ループ設計では電源除去が不十分です。 フィードバック ループがないと、電源レールのリップルが出力に直接現れ、負荷時のレールのたるみが可聴圧縮に変わります。
• 不注意なスイッチングレイアウトによるEMI。 ノイズがプリアンプステージと入力ケーブルに結合し、オーディオパス自体とは関係のないヒスノイズやバズ音を発生させます。

これらの問題のそれぞれには、より高いスイッチング周波数、デッドタイム補償、閉ループ変調、規律ある EMI レイアウトなど、既知の工学的解決策があります。購入者にとって重要なのは、クラス D のサウンドが良いかどうかではなく、明らかに良い音であることは明らかですが、目の前にある特定のモジュールにそれらの答えが適用されているかどうかです。

クラスDの音質を実際に決定する4つの要素

スイッチング周波数と出力フィルタ

スイッチング周波数は、出力フィルターが動作する必要がある余地を設定します。プロフェッショナル クラス D モジュールは通常、300 kHz ～ 1 MHz の間でスイッチします。スイッチング周波数が高くなるほど、フィルタのコーナーをより高く配置できるため、20 kHz 以上まで位相と振幅の動作がクリーンに保たれます。その代償として、スイッチング損失が大きくなり、EMI 設計の要求が厳しくなります。

OEM プロジェクトの場合、実際のチェックは簡単です。

• モジュールはどのスイッチング周波数を指定しますか?
• 出力フィルターのコーナーは 20 kHz を基準にしてどこに位置しますか?
• サプライヤーは、印刷された「±3 dB」という表示ではなく、測定された 20 Hz ～ 20 kHz の応答曲線を提供できますか?

電源トポロジ: PFC、LLC、およびそれらがデータシートに記載される理由

クラス D 出力段はスイッチング パルスで電流を消費するため、アンプはそれに供給するレールの品質によって制限されます。 2 つの供給機能は、名前を知っておく価値があります。

力率補正 (PFC) これは、送電網が厳しく規制されていない市場に輸出される製品にとって重要です。

LLC共振 はソフトスイッチングトポロジです。スイッチング損失とEMIを低減し、よりクリーンな出力リップルを生成し、重負荷下でも効率を十分に維持します。実際には、基本的なフライバック電源と LLC 共振電源によって給電される同じ D 級ステージは、同じアンプのように動作しません。その違いは、まず低音の制御と、大音量の通過中にシステムがどのように安定しているかに現れます。

EON520: LP400W HP100W PFC LLC 共振広電圧クラス D パワーアンプモジュール ● PFC LLC 共振を備えた高効率スイッチング電源: 800W ● 自己適応型広電圧入力: 100V-240V ● 中低周波パワーアンプ: CLASS D 40... 製品を見る→

両方のアプローチを組み合わせたモジュール (たとえば、広範囲の電圧入力で定格 LP 400 W / HP 100 W の PFC と LLC 共振設計) は、特に主電源が変動したときに出力品質を安定に保つために存在します。

DSP とアンプ前の信号チェーン

パワードスピーカーがリスナーに届くまでに、サウンドはアンプ単独ではなく、DSP とアンプを組み合わせた製品になります。これが、ADAU1701 チップ上に構築された DSP モジュールがアクティブ スピーカーで非常に一般的である理由です。クロスオーバー、EQ、リミッティング、プリセット スイッチングのすべてが 1 つのデバイス内で実行されます。

3 つの DSP 動作は、知覚されるクラス D の音質に直接変換されます。

• 制限的。 リミッターを適切に設定すると、アンプがハードクリッピングから保護され、アンプ自体の保護に依存するモジュールと比較して、大音量時の低音の歪みが軽減されます。
• 保護ロジック。 出力を急激にカットするのではなく徐々に下げるスピーカーと熱保護により、製品の信頼性の低下を引き起こす音のドロップアウトを回避します。
• キャビネットに合わせたプリセット。 プリセット EQ モードは、リファレンス デザインからコピーしたものではなく、特定のドライバーとエンクロージャに合わせて調整された場合にのみ役立ちます。

DSP1903: 4 つのカスタマイズされたプリセット EQ モード 2.1CH リニア アレイ スピーカー ADAU1701 ベースの DSP 機能 ●ADAU1701サウンドオーディオシステムに基づいて設計。信号処理パラメータを設定するには、sigma Studio DSP ソフトウェアを使用します。 ● カスタマイズされた 4 つのプリセット モードを選択可能。 製品を見る→

いくつかのカスタマイズされたプリセット EQ モードを提供するマルチチャンネル DSP フロント エンドは典型的な例です。アンプ ステージは同一のままですが、完成したスピーカーの音色の動作は完全に変化します。

熱設計と基板レイアウト

クラス D はクラス AB よりもはるかに少ない熱を発生しますが、依然として熱を発生します。 20 分後にサーマルロールバックに入るモジュールは、ベンチ測定でどれほど優れているように見えても、柔らかく圧縮されたサウンドになります。

確認すべき内容:

• ヒートシンクエリアとエアフローパスは実際のエンクロージャに一致します。
• 保護しきい値は、通常のプログラム素材によって保護しきい値がトリガーされないように、十分なマージンを持って設定されます。
• 短時間のベンチ実行だけでなく、長時間の全負荷テストからのバーンイン データ。

これはデータシートからは評価できない部分でもあります。独自の SMT ライン、組立ライン、オーディオ テスト ルームを運営しているサプライヤーは、バーンイン ログとインピーダンス負荷テストの結果を作成できます。商社は通常それができません。 モジュールの背後にある製造セットアップ 実稼働を開始する前に、オンサイトを訪問する価値があります。

クラス D、クラス AB、クラス H を並べて表示

どのクラスが単独で最もよく聞こえるかを選択することはほとんどありません。製品の熱エンベロープ、バッテリーの予算、目標重量、価格帯にどれが適合するかが重要です。

効率の差はマーケティング上の数字ではありません。これが、バッテリー駆動のスピーカーが一晩中稼働できる理由であり、ライン アレイ キャビネットがより小さなボックスでより多くのチャンネルを搭載できる理由です。これらのトレードオフが実際の製品でどのように影響するかをより詳しく説明したい場合は、この比較を参照してください。 クラスDおよびクラスABの効率と音質 デザインの観点から見ても同じ内容です。

購入契約に書き込む価値のある仕様

モジュールのカタログ ページには、電力、インピーダンス、およびいくつかの機能がリストされる傾向があります。音質が契約上の要件である場合は、代わりに次のことを要求してください。

1. 定格電力および 1 W での THD N。 1 W の数値は、アイドル時のノイズ フロアとクロスオーバーの動作を明らかにする数値です。
2. スピーカー端子で測定した周波数特性 出力フィルタと負荷が相互作用するため、ライン入力では発生しません。
3. 20 Hz ～ 20 kHz にわたる出力インピーダンスまたはダンピングファクター。 これが、タイトな低音を備えたモジュールとルーズに聞こえるモジュールを分けるものです。
4. 電源トポロジーとスイッチング周波数。 PFC の有無、LLC 共振またはハードスイッチ。
5. 保護しきい値と回復動作。 単に保護が存在するかどうかを確認するのではなく、実際のトリガーポイントを尋ねてください。
6. 少なくとも 1 時間にわたる全負荷時の熱テスト データ。

独自のモジュールを設計および構築するサプライヤーは、通常、テスト データを使用してこれらの質問に答えることができます。再販するサプライヤーは再販できず、その違いはサンプルが承認された後もずっと現場に現れます。

クラス D モジュールが最も有効な場所

絶対的な熱ヘッドルームよりも効率とサイズが重要なあらゆるアプリケーションにおいて、クラス D は妥協ではなくなり、そのリストは増え続けています。

• バッテリー駆動のポータブルスピーカー。 効率は設計全体の制約です。クラス AB モジュールでは、同じ再生時間を得るためにかなり大きなバッテリー パックが必要になります。
• アクティブラインアレイシステム。 LLC 共振電源を備えたマルチチャンネル モジュールは、これらのシステムが使用する 2.1 および 2.2 チャンネル構成に適合し、発熱量が低いため、設計者はより多くのチャンネルをより小さなキャビネットに詰め込むことができます。
• パワードサブウーファー。 BTL クラス D 出力ステージは、リニア設計に必要なヒートシンクの質量を必要とせずに、低インピーダンス負荷に大電力を供給します。 8 オームで LP 1500 W 定格の専用サブウーファー モジュールは、量産ハードウェアでどのように見えるかを示しています。
• コラムスピーカーと設置されたサウンド。 熱が低いということは、アンプを追加の換気なしでエンクロージャ内に密閉できることを意味します。

EON521 1500:LP 1500W/8ohm プロオーディオ BTL サブウーファー パワー アンプ モジュール ●LLC共振型高効率・高信頼性スイッチング電源：1800W ●BTLパワーアンプ：CLASS D 1500W-8Ω ●U字型アルミラジエーター、安定した電力出力 製品を見る→

生産プロジェクトの実践的な評価チェックリスト

クラス D モジュールを製造部品表に凍結する前に、毎回同じシーケンスで実行します。

1. ヘッドラインの仕様で使用されているインピーダンスではなく、スピーカーの実際の負荷インピーダンスで定格電力を確認してください。
2. 実際の負荷を接続して、スピーカー端子の周波数応答を測定します。
3. 1 時間のフルパワー バーンインを実行し、保護活動と並行してヒートシンクの温度を記録します。
4. 重い低周波コンテンツを含むプログラム素材を高レベルで再生し、特にコンプレッションとリミッターのポンピングを聴きます。
5. 入力を短絡した状態でアイドルノイズをチェックします。ここで安価なモジュールが公開されます。
6. 供給が不安定な市場に製品を出荷する場合は、主電源電圧範囲の下限での動作を確認します。
7. プリセット EQ モードと保護しきい値がキャビネットに合わせてカスタマイズできることを確認します。 カスタマイズはモジュール ビジネスの通常の部分です も例外ではなく、プリセットを調整しないサプライヤーは、発売後にその製品をサポートする可能性は低いです。

よくある質問