パワーアンプのSN比(残留ノイズ)の統計解析

はじめに

以前のブログで半導体パワーアンプの歪率を縦軸に、価格を横軸に取ると、有意な相関関係がみられることを紹介した。
なぜならパワーアンプにおいて現在でも難しいのは、高域の歪を抑制することなので、まじめにその点を検討しているアンプは結果的に高価になるからだ(と考えている)。グラフを再掲載すると

ピンクが海外製、青丸が国産アンプ、三角がオーディオデザインのアンプです。三角が2つあるのは、一つが20-20KHzのもの、もう一つが1KHzを示しているからである。いずれにしても、オーディオデザインのアンプの歪率が一桁以上小さい事が明らかである。

アンプの性能をあらわすもう一つの指標として、SN比がある。
そこで今度はパワーアンプのSNという視点から考えてみたいと思う。パワーアンプのSN比の表記を調べてみるとプリアンプと違って(プリアンプでは出力1-2Vに対するノイズの比率で表記されていたが)最大出力に対するノイズレベルの比で表すことが多い様である。それでは実際にパワーアンプのSN比を見てみることにしよう。

SN比の定義

SN比の定義そのものは簡単です。信号(S)とノイズ(N)の比を対数で表します。
・ SN比=20LOG(S/N)
SとNの単位はVoltです。対数は底が10になります。例えばSN比80dBで1万倍になる。 Signalの方はほとんどのパワーアンプが最大出力をとっている。ただし計算時の単位は最大出力電圧(V)です。パワーと電圧の換算は次式で行えます。(V)=√(P・R)
Pはパワー(W)、Rは負荷抵抗(Ω)です。 単純にSNだけを見てパワーアンプを比較すると、大出力アンプの方が分母が大きくなるので有利になってしまう。そこでノイズの電圧を計算し、パワーアンプの価格順に並べて見よう。 残留ノイズの計算式は次のようになる。
Vnoise(V)=√(P・R)/10^(SN比/20)
√はP・R全体にかかります。10^は10のべき乗を表します。

残留ノイズの実測値

次に実際にアンプの残留ノイズの結果を見てみよう。マークレビンソンのみ1W時の出力でSNを定義していると記されていたので、P=1Wで計算し、他のアンプは最大出出力に対して計算した。結果は次の通りである。 横軸がパワーアンプの価格、縦軸はパワーアンプの残留ノイズの計算値である。

ピンクの□が内外パワーアンプ分布図、青△が弊社パワーアンプのノイズレベルです。 結果を見てわかるとおり、ノイズレベルに関しては価格とに明確な相関はない(歪率の場合とは異なる)。
ただノイズレベルの分布の範囲が相当に広いことがわかる。ノイズの分布は一般に30-400uVと一桁違うのだ。 弊社のアンプではなんと7uVなので、こうなると下手すると2桁異なってくる。

アンプのSNを議論するのは実はノイズそのものが問題なのではなく、ノイズレベルが回路パターンの引き回しや実装技術の良否を表していると考えているからです。
アンプ回路の理論というのはたくさんありますし、シミュレーションも簡単です。 ところがこの回路パターンの引き回しや実装技術に関しては参考になる確固とした理論が無く、製作者の技量がそのまま出てくる領域なのです。
残留ノイズが100uVを超えたアンプというのは、実際には重大な問題を抱えたアンプといっていい。大電流ラインの引き回し方法が間違っていたり、アース配線に重大な問題があることを示唆している。
残留ノイズというのは入力が無い状態のノイズですから、実際の使用状態ではもっと大きなノイズをもらってしまう(ただ信号レベルが大きいから直接聴こえないだけ)と考えるべきです。
実際100万円クラスの海外製アンプでもこの辺に問題があり、相談を受けたことがあります。何でもプリアンプに接続するとハムが出るそうだ(単体では無音)。これなどは非常にわかりにくいのだが、大電流ラインの配線に問題があるからである。実は弊社のパワーアンプでも、試作段階で同じ現象が発生し、考えられる対策を徹底的に検討して原因を特定しました。
原因は電子回路の技術者にとっても意外なもので、おそらくアンプメーカーの技術者でもこの辺を理解してる方はほとんどいないのではないかと思う。

終わりに

以上パワーアンプの実力についてノイズの観点から考えてみました。

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