半導体アンプにおいて無帰還アンプと称するアンプについてその発想が理解できませんとして、無帰還のトランジスタアンプはそのままでは実用に耐えない事を前回説明しました。無帰還アンプ（NON-NFB）アンプと称しているアンプはほとんどが局所帰還アンプでNFBは使用しているのです。

お断りしておきたいのはNON-NFBアンプの音質が悪いとかそれを使用する方が理解できないとか言っているのではありません。別にNON-NFBアンプだろうがNFBアンプだろうがそれを使用して満足する結果が得られば良く、そのためにどのようなアプローチを取ろうと人それぞれです。実際にNON-NFBアンプと称するアンプを聞いて音質が好ましければそれでいいのですし、そういう事はあってもおかしくありません。

ただ実際はNFBを使用しているのにNON-NFBだから音がいいとか、NON-NFBの方がNFBよりも音質が良くなるとかそういった文言を目にすると、「それ違うんじゃないの」と言いたくなってしまうのです。論理的に考えて、もしNFBアンプには音質上欠点があってNON-NFBにそれが無いと仮定すると、NON-NFBアンプを使用して音楽を再生した場合再生した音が良く聞こえるのではなく、NFBアンプの悪いところが耳について聞いていられなくなると思います。

というのはCDプレーヤーの出力部にしろ、あるいは録音用マイクのマイクアンプ、ミキサーすべてがNFBアンプで構成されているので、それらの欠点が聞こえてしまって聞いていられなくなるはずです。NON-NFBアンプを使用して聴感上好ましい結果が得られたとすれば、それは録音も含めた全体の再生系の中で結果的に好ましくなったという事であって、NON-NFBの方が優れているという結論にはならないと思うからです。

経験から言えばオーディオ装置のある部分例えばアンプを良くしていくと、再生音が聴感上良く聞こえると同時に、再生系の他の弱点が明らかになってしまって余計に気になってしまうという現象が起きることが一般的だと思います。

前置きが長くなりましたが、それでは無帰還アンプと称するアンプ はNEBループを使用しないで局所帰還で回路を構成しているものがほとんどです。 局所帰還とはトランジスタの出力から入力に帰還をかける（自分で自分に帰還を掛ける）もので、例えばこうなります。

RcbとReの部分が局所帰還になります。Rcbは見ての通り出力のコレクタから入力のベースに抵抗で帰還させているもので、帰還の量はRcbとトランジスタの入力抵抗の比率で決まります。抵抗で帰還をかけているものはあまり無いかもしれませんが、主要な増幅段にはこの場所に微小容量のコンデンサを挿入して局所帰還を施しているのが普通です。そうしないと高周波領域でゲインが大きくなりすぎて発振してしまうからで、局所帰還というよりも位相補正と言った方がいいかもしれません。

Reが局所帰還になるのがわかりにくいかもしれませんが、Vinに入力があった際にベース電流が流れてRe間に電圧が発生し、これがVinを打ち消す方向に発生するので、結果的に負帰還（NFB）になるのです。そのメカニズムから電流帰還と呼んだりもします。

これらの局所帰還も当然りっぱな負帰還（NFB）の仲間で、トランジスタアンプでいわゆる無帰還アンプと称しているものは、ほとんどはこれらのNFBを使用しています（そうしないと実用になりません）。

ついでに言っておくと、上図のRｃをゼロにして電流帰還を最大にすると、アンプの最終段に使用されるエミッタフォロア回路となる。別名100%帰還回路という（これを無帰還回路といって宣伝している会社もあるが） 。まあ呼び名はどうでもいいとして、これをパワーアンプの最終段に（NFBループ無しで）用いるとひどい事になる。何が酷くなるかというとダンピングファクターである。安定性の点からReに0.5Ω位を使用するので、出力抵抗はせいぜい0.5Ω位(=0.5/2+1/gm)になる。すなわちダンピングファクター（DF）が16程度という事になる。この程度のDFでは確かに他のアンプと違う音になるだろう。周波数特性上も少し低音が持ち上がるはずで、なによりも低音が締まらなくなってどうにもなら無いと思うが・・・・。実際こういったアンプを無帰還アンプだから音がいいといって売っているのだから、いったいどうなっているのかと思ってしまいます。

話を元に戻してそれでは無帰還アンプと称するアンプが何をもってそういっているかというとNFBループが無いということです。

NFBループを有するアンプは例えばこの様にあらわされるアンプです。

三角の部分がアンプ回路でプリアンプでもパワーアンプでも通常3段の増幅段で構成されています。ここでR1とR2で構成されるのNFBループで最終段の出力から入力にNFBをかけています。この場合の最終利得Gは

G＝１/(1/A+β)　　・・・（１）　ただし、ここでβ＝R2/（R1+R2)　　　・・・（２）

で表されます。 ここでAはアンプ回路のNFB前のゲインで、トランジスタアンプでは100万倍くらいあります。Aがこれだけ大きいと1/Aがほとんどゼロになるので結果的にGは

G=（R1+R2）/R2　　・・・（３）

になります。この（３）式のすばらしいところは、ゲインGの式にAが入っていない事で、すなわちRの値だけでアンプのゲインが決まる事です。言い換えるとアンプ回路Aの直線性に例え20%の歪があったとしても、NFB後はその歪に影響される事が無いということです。その上”抵抗”というのはアンプを構成する部品の中でも最も完全な特性を示す素子で、歪も周波数特性も理想からのずれを検出する事ができないくらい優れたものです。

またこういう言い方もできます。結局、局所NFBとNFBループの違いは言い換えればNFBをかける回路上の幅の違いで、本質的に異なるものではありません。

したがってこのNFBループを使用しない手は無いのです。ただ気をつけることがあるとすれば、このNFBは回路規模の大きなところにわたってかけますので、基板設計や実装技術を考えないととんでもない結果になってしまう事もありえます。NFBアンプが嫌いという方はおそらくその失敗に基づいての事だと思うのですが、きちんと設計・製作すれば当然非常にいい結果が得られます（弊社のプリ、パワーはそういった考え方でいい結果を得ています）。

この変の詳細はまた別の機会に説明したいと思います。

オーディオ装置の品質を表す指標のひとつに歪率があります。

ある周波数の正弦波を入力し、その基本波を除いた高調波成分とノイズを計測し全高調波歪率となります。

アンプなどでも品質を表す重要な指標だと思いますが、その反面実際の試聴結果と合わないところもあって、歪率が小さいアンプほど音がいいと言い切れないのも事実です。

また全高調波歪率と聴感上の歪感も必ずしも一致しない場合もあります。たとえば真空管アンプでは歪が気になるレベルは0.1%から1％くらいですが、半導体アンプでは0.01−0.05％のレベルで気になりだします。よく雑誌などでは、真空管アンプは2次高調波が主成分で、半導体アンプは3次高調波なので真空管アンプの方が歪が気にならない（偶数次高調波は聴感上さほど有害ではない）と言う説明を見かけます。しかし実際には半導体アンプの3次高調波歪はおそらく真空管アンプのそれよりも小さいので、それも的を得た説明とも思えません。

そもそも2次高調波、3次高調波成分が多少混じったくらいで音が歪む様に聴こえるはずは無いのです。2次高調波は基本波の2倍の音、3次高調波は3倍の音ですから、ピアノで言うと第2高調波は、ドの音に対して１オクターブ上のドの音、3次高調波は1オクターブ上のその音になります。

 図にするとこんな感じ（周波数はおよそです、ほんとは無理数ですし調律法にもよるので）

ピアノの音は元からたくさんの高調波成分を含んでおり、、単純にはいえないかもしれませんが、ピアノで
”ドドソ”と和音を弾いた時に、上の方の”ド”を１％強く引いたり（2次高調波が１％増える）、”ソ”の音を1%強く弾いたからといって（3次高調波が１％増加）、誰も不快に感じないでしょう。楽器の音や自然の音はもともと高調波成分をたくさん含んでいるので、その高調波成分の比率は１％変ったところで、音質に影響するはずがありません。

でも実際にはアンプの歪率が％オーダー位にひどくなると、音質は明らかに悪くなります。ではなぜ音が悪くなるかというと、高調波成分ではなく、非高調波成分のせいではないかと思うのです。非高調波成分というのは基本波の倍数に無い成分で、無理に言えば4.5次4.数次高調波ともいえるような成分です。

鍵盤の和音の話にもどりますが、ドミソ（ドドソ）の和音で間違って隣の鍵盤を少しでも触ると、不協和音となって、それはそれは聴きにくい音になります。アンプも同様で高調波成分が少し増えるくらいならいいのですが、不協和音に相当する非高調波歪（勝手に名付けたので正式な名称ではないかも）がアンプの音質劣化の原因ではないかと推測しています。

直感的に言って不協和音に関しては和音の成分の1000倍以上敏感なのではないかと思います。

アンプに関しても非高調波成分の発生は1000倍（60ｄB）以上敏感に聞き取っているのではないかと思うのです。 実際音の悪いAVアンプをの歪みスペクトルを見てみると、無数の非高調波歪を発生しています。逆に良くできたアンプには高調波歪はあっても非高調波歪はありません。
AVアンプの歪みスペクトル（罫線に乗っていないのが非高調波歪）

上の図は音が悪いので研究題材に良く使っているAVアンプの歪み成分のFFTスペクトルです。オーディオアナライザーの歪率計からのモニター出力をPCのADボードから入力して解析したもので、測定周波数は10KHz、出力１V、パワーアンプ出力でモニターしています。歪率は約0.05％くらいだったと思います。このAVアンプに特徴的なのは無数の非高調波成分（図の罫線に乗っていないもの）の存在です。 多いのは４次から８次位の間です。

この非高調波成分の理由は良く分かりません。今後さらに検討・考察が必要と考えられます。

今回はアンプの構成要素であるプリント基板についてお話したいと思います。

実際にアンプを作る方でないとプリント基板自体にはなじみは無いと思いますが、回路の性能を実現する上で重要な要素です。オーディオ用アンプの基板には新材料を採用したという宣伝文句が歌われている事もあるのですが、首をかしげたくなる内容も多いのです。

オーディオアンプ用プリント基板の不思議（その1）

• 金メッキの採用

プリント基板は基板材料に銅のパターンが形成されたものです。通常は銅が非常に酸化しやすいので、表面を保護するのと、半田の乗りをよくする目的で、半田が薄くコーティングされています。最近のアンプで基板のパターンに金メッキをしたものを採用しているものがあります。金メッキはスイッチなどでは高品質の証ですので一見いい様に思いますが、そうではないと思います。

確かに金は柔らかく、腐食せず、しかも比較的電気抵抗が小さいということでスイッチ、コネクターの接点には欠かせない材料です。しかしながら、プリント基板に採用するメリットは無いばかりか、結果的に致命的な欠点になる可能性があります。プリント基板では回路の接続は半田付けです。半田メッキの場合に半田の乗りがいいのは明らかです。じつは金メッキにすると、逆に半田の乗りが少し悪くなるのです。実用上支障になるほどではないのですが、半田付けにとってメリットはありません。

まあメリットが無いくらいなら選択肢としてあってもいいのですが、プリント基板設計上やってはいけないことと関係があるのです。

オーディオアンプ用プリント基板の不思議（その２）

• ベタ塗りの無い基板？

プリント基板設計上、やってはいけない事、それはベタ塗りの無い基板設計です。ベタ塗りの有無というのは必ずしも正式な技術用語ではないのですが、要するにプリント基板のパターン配線以外の不用な部分をアース部として残すか、不要部分をエッチングしてなくしてしまうかの違いです。

例を示すとこんな感じです。

１．ベタ有りのプリント基板（青い部分が銅のパターン配線がある部分）

２．ベタ無しのプリント基板

どちらでも回路図上の結線という意味では同じですが、両者の動作はまったく違うと考えています。

数十ＭHz帯の高周波設計では １のベタ有りにするのがあたりまえで、そうしないとまともに動作しません。高域が２０KHｚのオーディオアンプでは必要ないと一見思われますが、20KHzにおいて他の帯域と同様に十分にNFBをかけようとするとMHｚ帯までの周波数特性が必須です。それに、そもそも小信号増幅用のトランジスタの帯域幅は数百MHｚまであるのでベタ塗り部を設けて回路の高周波特性を安定化することは常識なのです。たとえばアマチュア無線分野の方はどんな初心者でも実践しています。

実は２のベタ無しのプリント基板は（その１）の金メッキと関係が有ると勘ぐっています。金メッキの場合、ベタ部があると金の必要面積が多くなるので当然高くなると思います。そこで回路上不要の（本当は必要と思うが）ベタ部をなくしてしまったのではないか？と思うのです。（その１）でも述べたように基板に金メッキをするメリットは私は無いと思います。ましてや、ベタ部をなくすともう高周波で安定動作は望めません。

では２．の基板を採用しているメーカーはどうやってアンプを作っているかといえば、増幅回路の各部に局所帰還をかけて帯域幅を最初から狭くしているのです（と思います）。オーバーオールのNFBが当然少なくなり、高域の歪率が悪化すると思います。２のタイプの金メッキ基板は、ある老舗のオーディオメーカーのフラッグシップモデルに使用されています。しかも、記憶が正しければプリント基板の母材を代え音を良くしたとか、レジスト（半田の防止層）コーティング材を変えて音質を良くしたとか宣伝しています。私に言わせれば基板によって音が変ったとすれば、まず”ベタ部をとってしまったせいではないですか？”といいたいのです。

弊社のプリアンプ、パワーアンプはもちろんベタ有りの基板で、それだけではなくパターン配線に関しても相当練りに練っています。上図のパターンは実際プリアンプのフラットアンプ基板の図ですが、なんとなくパターンの模様に設計思想の様な物が感じられませんでしょうか？パワーアンプに関しては1年以上プリント基板の最適化に費やしていますし、そうしないと高周波領域の特性を手なずける事ができないのです。

最近、単にパーツに貴金属を使用して音がよくなったと高額な値付けをしている商品が増えすぎているように思います。

本当に必要な改良をして、性能も音質がよくなり、そのためにコストがかかったというのなら分かりますが、こんなに電気の常識を無視した設計をすると、電気の神様の怒りをかうことになるのではないか？と思うくらい怖いことをオーディオ業界ではやっているように思います。

はじめに

アンプの性能を表す方法のひとつとして歪率特性があげられます。ここでは、通常議論される高調波歪率よりも一歩踏み込んだ議論を紹介したいと思います。

測定方法

歪率の測定には、発信機と歪率計を内蔵したオーディオアナライザー（VP-7223A）を使用しています。測定条件にもよりますが残留歪率は 0.0005%-0.001％です。歪率計には歪波形をモニターするための基本波除去後のモニター用出力端子がついていますので、この歪波形をFFTで解析して高調波歪の成分を調べてみました。FFT解析にはパソコンを使用し、現状最も高解像度、広帯域のサウンドボード（192KHｚ,24bit）を使用しました。周波数は約90KHｚまで測定可能です。歪率計で基本波が100ｄB程度除去されていますので、FFT解析装置の解像度100ｄBと組み合わせて原理的には200ｄBくらいの分解能になります。ただし実際にはノイズなどの影響で170ｄBくらいがいいところでしょう。また注意していただきたいのは歪率系のモニター出力の絶対値は、勝手に内部でATTが動作するため当てになりません。歪率の絶対値はスペクトルからではなく、別に記した全高調波歪率を参考にしてください。あくまでFFTスペクトルは歪の周波数分布を見るために使用してください。一応測定されたFFTスペクトルのY軸はは、歪率系で測定された歪率の値にあわせて規格化しています。また、FFTスペクトルの縦軸はV・sでスペクトルのピークの値が直接歪率の絶対値を示すわけではありません。ですのでFFTスペクトルを見る際はあくまで相対的に比較して下さい。
測定条件は10KHｚ、１Vです。

歪率のFFT解析結果

結果は下表の通りです。
横軸は周波数、縦軸は歪成分のスペクトルの大きさになります。AVアンプ、プリメインアンプで10KHzの基本波が除去し切れていないように見えますが、これはわずかなハム成分（50Hz）が乗った10.05Khzなどのスペクトルです。オーディオデザインのアンプはSNが良いのでこの成分がありません。

プリアンプの歪成分の周波数解析

アンプ	歪成分のFFTスペクトル	コメント
AVアンププリアンプ部 THD+N= 0.011%		・3次高調波成分(30KHz)が最も大きな歪成分です。 ・3次高調波の他に7.5次(75KHz)にも大きな歪成分がありますが、これは発信器の出力にわずかに含まれる歪がなぜか強調されているようです。 ・他に40-60KHｚに無数の非高調波の歪成分があります。
プリメインアンプ プリアンプ部 THD+N= 0.0054%		高調波歪の主成分は2次と3次成分ですが70-80KHz付近の歪も大きくなっています。
オーディオデザイン プリアンプ THD+N= 0.0023%		基本的に目立った歪成分がありません。非常に優秀です。 歪成分が無いだけでなく、10KHz以上のベースライン（基底）部分も大きく減少しています。

FFT解析のまとめ

歪成分のFFT解析を行うことで、アンプの性能をより詳細に知ることが出来ました。また周波数特性の優れたオーディオデザインのアンプが結果的に歪率特性も非常に優れており、歪成分をほとんど発生していない事がわかりました。

(2007/08/20)