世界初の D 級アンプの PWM 回路を研究

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第 5 章 1977 年に誕生した初期型を再現
世界初の D 級アンプの
PWM 回路を研究
渡辺 明禎
Akiyoshi Watanabe
世界で初めてオーディオ用 D 級パワー・アンプを
市販したのは，1977 年，日本のソニーでした．
PWM 回路を再現
製品の開発期間，それ以前の先人たちのトライアル
を考えると，D 級アンプ（ディジタル・アンプ）の歴史
はとても長いことになります．
回路を組むといっても，図 1 に示す回路を組むのは
実質不可能でしょう．今回は動作原理の概要を知りた
ここでは，世界初の市販 D 級パワー・アンプの紹
介とその動作原理を実験してみたいと思います．
いだけなので，図 2 に示すように思いっきり簡略化し
ました．
搬送波となる方形波は，第 2 章で製作した三角波発
振回路の方形波出力を使いました．最初は動作原理を
世界初の
D 級パワー・アンプ TA − N88
世界初の市販 D 級アンプ TA − N88（ソニー）の電源
電圧は± 80 V で，8 Ω負荷で 250 W もの出力が出ま
表 1（1） TA − N88 の仕様
項 目
条 件
値
した（表 1）．搬送波の周波数は 500 kHz で，周波数帯
域は 5 ∼ 40 kHz，SN 比は 110 dB と，現在のオーディ
出力 @RL ＝ 8 Ω， 1 kHz
オ用 D 級パワー・アンプと遜色ありません．
SN 比
TA − N88 の簡略回路を図 1 に示します．この回路
を見たとき，はて？どのように動作するのだろう？と，
周波数特性
＋ 0.5 dB，− 1 dB，
8 Ω 5 Hz ∼ 40 kHz
入力感度
50 kΩ
THD ＝ 0.5 ％
すぐには分かりませんでした．
前述の三角波比較方式，自励発振方式とは異なって
いるように思えます．その動作原理に興味を持ち，動
作解析しようと思いました．
250 W ＋ 250 W
20 Hz ∼ 20 kHz
160 W ＋ 160 W
――
110 dB
1.4 VRMS
ダンピング・ファ
1 kHz，8 Ω
クタ
20
サイズ
――
480［W ］× 80［H ］
× 360［D］mm
質量
――
11 kg
VDD（＋80V）
12Ω
820p
2SA899
75Ω
0.001μ
−
330Ω
51k
−
2SA706
2SC1124
470Ω
220μ
47Ω
2SA706
33Ω
1S1555
2SA473
2.2Ω
2SJ28
2SC1173
2SK82
2.2Ω
2SA
473
V-FET
スピーカ
出力
S
0.047μ
33Ω
0.32μ
470Ω
＋
＋
S
2SJ28
S
47Ω
12Ω
オーディオ
2SC1904
積分器
入力
コンパレータ
フローティング電源
0.22μ
2SC1124
2SC1173
1S
1587
2SK82
S
VSS
2k
フローティング電源 （−80V）
500kHz
方形波8VP-P
51k
図 1（1） 世界初の市販 D 級パワー・アンプ TA − N88 のパワー・アンプ部の回路
V − FET
（Vertical FET）
とは，パワー MOSFET のさきがけとなった接合型のコンプリメンタリ・パワー FET である
130
2008 年 3 月号
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知りたいので，PC のサウンド・デバイスで解析でき
るように，搬送波の周波数は条件 （
1 第 2 章の表 1 参照）
は，入力信号の電圧レベルに従い，オン・デューティ
は変化し，PWM 波が得られます．
の 3.8 kHz としました．従って，図 2 の回路の積分用
コンデンサ C2 は 0.1 μF としました．
● アナログ信号はどのように出力されるか
製作した実験回路の部品配置，配線を図 3 に示しま
次はアナログ信号がどのように出力されるかです．
アナログ信号に関係する部分だけに着目すると，図 5
の等価回路となります．
す．
動作原理を調べる
従って，ゲイン G［倍］，低周波のカットオフ周波
数 fL［Hz］は以下のようになります．
● 入力電圧が 0 V の場合
れ挿し込みます．
図4
（ a）にその結果を示します．IC 1a の非反転端子
R3
≒ 5.5 ＝ 14.9 dB
R2
1
fL ＝
2 π C1R2
＝ 48 Hz
実際に，ゲインの周波数特性をとると，図 6 の結果
となり（搬送波周波数は 38 kHz とした），当然のよう
に良く一致します．
は 0 V なので，仮想零点の原理で IC1a の反転入力端子
は 0 V です．従って，IC1a の出力は搬送波の方形波を
● 自励発振型だ！
積分した波形，すなわち三角波となります．
IC1b によるコンパレータの比較基準電圧は 0 V なの
さて，この状態での周波数スペクトラムを図 7 に示
します．アナログ入力信号の 500 Hz，搬送波の
まず，入力電圧が 0 V の場合です．サウンド出力の
全ミュート・チェック・ボックスにチェックを入れる
と，出力電圧が 0 V となります．サウンド出力 L チャ
ネルは D6 に挿し込みます．サウンド入力 R チャネ
ルは A3 ，サウンド入力 L チャネルは J8 にそれぞ
G＝1＋
で，IC1b からは，方形波が出力されます．そのオン・
3.8 kHz，イメージなどのスペクトラムが観測できま
デューティは 50 ％なので，平均出力電圧は 0 V です．
す．
そこで，三角波発振回路につないでいる R2 を GND
● 入力信号として 500 Hz の正弦波を入力した場合
次に，入力信号として 500 Hz の正弦波を入力した
に接続してみてください．そのときのスペクトラムを
図 8 に示します．13 kHz の信号のほかに，500 Hz の信
場合です．サウンド出力を 500 Hz の 0.3 VRMS にします．
号成分もほぼ同じ大きさで含まれています．どこから
1
5
A3
51k
7
6
4
C 2 2200p
C1
1.5μ
J
I
GND
C 3 0.1μ
8
C4
出力
（PWM）
J8
I C1b
（0.1μ）
0.1μ
−VCC
R2
R 3 10k
TL062
2.2k （テキサス・インスツルメンツ）
三角波発振回路 J5 へ（方形波）
C2
はブレッド
ボードの端
子番号
−5V
C4
R2
R1
2008 年 3 月号
C1
三角波発振器の J5 へ
図 2 TA − N88 の動作を実験する回路
動作原理だけに着目するために思いっきり簡略化した
R3
10
2
D6
I C1a
1
R1
3
I C1
サウンド
入力へ（Lch）
＋VCC
＋ −
サウンド
入力へ（Rch）
アナログ
信号入力 Vin
F G H
コンパレータ
C3
A B C D E
積分回路
サウンド
出力へ（Lch）
10
1
の三角波と 500 Hz の信号が重畳されて，図
（b）のよう
に三角波が 500 Hz の周期で変化します．この波形と
0 V の交点でコンパレータ出力は反転するので，出力
5
＋5V
5
転端子は 500 Hz，0.3 VRMS となります．
それが，IC1a の出力端子に重畳されるので，図
（a）
＋ −
結果を図 4
（b）に示します．仮想零点の原理で，IC1a
の非反転端子と反転端子の電圧は常に同じなので，反
図 3 実験回路の部品配置と配線
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特
特
集
集
高
高
効
効
率
率
パ
パ
ワ
ワ
ー
ー
・
・
ア
ア
ン
ン
プ
プ
の
の
作
作
り
り
方
方