前コラムでパワーアンプから大電流が流れた場合エミッタ抵抗に発生する電圧降下によってバイアス電圧が消費され、トラジスタがカットオフしてしまうということをお話しました。 それではこの悪さをするエミッタを無くしてしまえばいいのでは？とは誰しも考えるところです。そもそもエミッタ抵抗は何故入れてあるのでしょうか？

エミッタ抵抗の役割

標準的SEPP出力段

このエミッタ抵抗の役目はトランジスタの熱暴走防止です。トランジスタは一度温まるとより電流が流れやすくなるという性質をもっていて、このサイクルが繰り返して温度が限りなく上昇してしまうのです。これを熱暴走といいます。エミッタ抵抗は、トランジスタに電流が流れた際に入力電圧を打ち消す方向に電圧が発生するので、このエミッタ抵抗一本で負帰還をかけているのです。このエミッタ抵抗Reに必要な値の計算方法は

Re＞Θjc・Vc/500

から求まります。ここでΘjcはトランジスタ熱抵抗（℃/W）で通常１（℃/W）程度です。Vｃは電源電圧50V程度ですのでReは0.1Ω以上必要なことがわかります。またこの式は温度補償素子をトランジスタに直接熱結合させた場合で、放熱器に温度補償素子を固定した場合は、放熱器の熱抵抗も考慮する必要があります。実際には0.2Ωから0.5Ω位の抵抗を付けるのが普通です。

エミッタ抵抗レスで熱暴走を抑止できていると思えるアンプが無い これまで、エミッタ抵抗レスをうたった市販パワーアンプは私が知る限り2例ありましたが、驚くべきことに、そのいづれもが回路図を見る限り、熱暴走に対する対策が必ずしも充分では無く、熱暴走する可能性のあるものでした。先に述べた式は熱暴走を起こさない必要充分条件であって、上式を逸脱していても、熱暴走が必ず起こるとは限らないので、通常の使用ではひょっとすると問題ないのかもしれません。

エミッタ抵抗レスのSEPP出力段

少し話はそれましたが、このエミッタ抵抗が無くても熱的に安定な回路を新たに考案し（これは非常に苦労して考案しました）、SEPP出力段の歪率特性を計測してみました。

エミッタ抵抗を除去しても歪率は改善されない 驚いたことに、歪率は少し改善されたものの、スイッチング現象は解消されず、歪率も少し低下した程度でした。何故かというとパワートランジスタそのものにも抵抗成分があるので、外付けのエミッタ抵抗を無くしても、総合的には改善されなかったのだと思います。 トランジスタの内部では100ミクロンれべるの細いAuワイヤで配線されていることと、内部配線の抵抗が小さいとしても。トランジスタそのものが動作点で0.数Ωの抵抗があるので（Ic対Vbeの傾きという意味で）、エミッタ抵抗を無くしてもスイッチング現象が消滅しなかったのだと思います。もちろんある程度の改善（最大でも半減程度）はするとは思いますが、本質的な対策にはなりえなかったのです。

エミッタ抵抗の代わりに電流センサーを使用するのはまったく無意味 さらに、あるメーカーのパワーアンプでエミッタ抵抗の代わりに電流センサーを使用してエミッタ抵抗をなくして特性を改善したと主張する物がありますが、これはまったく無意味です。 電流センサーを使用してエミッタ抵抗による電圧降下をなくしても、同じ熱安定性を得るためには別途バイアス電圧をエミッタ電流に比例して降下させる回路を組む必要があるからです。このバイアス電圧降下回路を組まなければ熱暴走の危険性がありますし、バイアス電圧降下回路を組んでいるとすれば、抵抗1本ですむものをわざわざ複雑にしているだけで意味がありません。 というわけで、パワーアンプの出力段のスイッチング現象による特性悪化に関する試みは多いのですが、的を得ていないと思われるレベルのものが多いなというのが私の印象です。

パワーアンプの出力段は通常AB級動作が一般的です。オーディオ信号に対してNPNトランジスタとPNPトランジスタで+-交互に電流を流しているのです。もっとも無信号（微小信号）時にはアイドリング電流としてNPN,PNP両トランジスタに電流が流れているので、この領域ではA級動作ですが。

また一般にパワーアンプの高域の歪は出力トランジスタがカットオフするために発生しているといわれています。過去解決策として擬似A級動作する様々な回路も提案された様です（これらの擬似A級回路は各社のノウハウとなっているようで回路が開示されているものは無い様です）。

その擬似A級の出力段を使えばパワーアンプの高域歪が低減できる可能性がありますので、その有効性を調べて見ました。擬似A級出力段回路は特に開示されているものが見当たらなかったので、独自に（苦労を重ねて？）考案しました。

最初に一般的なパワーアンプの出力段の回路を示します。3段ダーリントン出力段の基本回路で、実際のパワーアンプには位相補正、バイパスコンデンサ、保護回路などが付属していますが、ここでは省略しています。

パワーアンプ出力段の回路

この回路に出力に8Ω負荷を接続してサイン波を入力した時の最終段のパワートランジスタのエミッタ電流を実際に測定したのがこちらです。

（NPNトランジスタ部）　　　　　　　　　　　　　　　　（PNPトランジスタ部）

＜パワーアンプ出力段の出力電流特性＞

バイアス電流を流してAB級動作をさせていても、負荷に電流が流れる際にエミッタ抵抗（RE1又はRE2）に電流が流れてバイアス電圧をキャンセルしてしまうため、トランジスタがカットオフしてしまいます。エミッタ抵抗は熱暴走を抑止するためには必須であるため、トランジスタのカットオフを防ぐ手段はありません。

一方、回路を工夫して出力段がカットオフしないようにすると、次のようになります。

（NPNトランジスタ部）　　　　　　　　　　　　　　　　（PNPトランジスタ部）

＜パワーアンプ出力段（擬似A級）の出力電流特性＞

NPN,PNPが交互に電流を流すの同じじですが、常に最低限の電流が流れているところが相違点です。

それではこれらの歪率特性を比較してみましょう（テスト用のシャーシーで測定しているため通常より大きめに出ています）。

まず通常のスイッチング型のSEPP出力段の特性はこちらです。

通常のSEPP出力段の歪率特性

負荷のない場合は0.005％くらいで低歪です。8Ω負荷では周波数によらず一桁増加して0.05％くらいになっていることがわかります。

さて肝心の擬似A級出力段の歪率特性はこちらです。

擬似A級出力段の歪率特性

この結果を見ると残念なことに擬似A級としても（カットオフを防止しても）何ら効果は無いようです。結局パワートランジスタのカットオフ自体が歪みの原因ではないのではないかと思います。もちろんカットオフはしていなくてもスイッチング（NPNとPNPで交互に電流を供給する）はしているわけで、擬似A級にしたから問題が解決するということではないようです。

いろいろ検討していますという例として、今回は擬似A級の結果を紹介して見ました。

蛇足ですが、最近市販されているA級アンプ（ホントの純A級アンプ）は弊社のAB級アンプよりもは歪率が一桁くらいは悪いので、純A級にすれば低歪ということではなく、実際にはそのアンプの作り方（回路、実装技術）の方が歪率には効いているということもお忘れなく。

一般にパワーアンプはアンプ類の中では不完全な部分も多く、それだけに音質差がつきやすいと思います。負荷になるスピーカーの4-8Ωというインピーダンスは実際に数Aの電流が流れます。電子機器というより電力機器でこれを20Khzの信号まできちんと制御するのは実は至難の業だからです。

俗にFET出力段のパワーアンプはxｘという音質とか、FETデバイスにしたのでyyyとかいろいろ巷では表現されることがありますが、実際にバイポーラートランジスタとパワーFETをパワーアンプの出力段として比較した場合、どういった違いが出てくるのでしょうか？
今回この点について見解を述べてみたいと思います。

＜一般論＞
一般にFETデバイスは２乗特性と言われており（入力電圧の２乗に比例して電流が流れる）、そのため出力段をAB級動作させた際生じるスイッチング歪が小さいといわれています。ところが、ここが肝心なところですが、入力容量が大きいため前段のドライブ段の増幅回路の負荷が高域で低下し、高域の歪が増加しやすいという欠点もあります。実際のアンプではどうなっているのでしょうか？最初にアンプの教科書に掲載されている歪率を紹介しますと、

バイポーラートランジスタを出力段に使用したパワーアンプの歪率特性は
バイポーラートランジスタ出力段のパワーンプの歪率特性例

一方、FETを出力段に使用したパワーアンプの歪率特性は
FET出力段使用のパワーアンプの特性例

基礎トランジスタアンプ設計法、ラジオ技術社、黒田徹著より

この様にFETを出力段に使用すると歪率特性的には特に高域で悪化するのが普通です。最近よくあるパワーFETをたくさん並列動作させたものなどはもっと悪くなる恐れがあります。まあ通常聴感上は歪を感じるほどではないかもしれませんが・・・。

＜オーディオデザインの比較結果＞
FETとトランジスタで単純に比較する前にパワーFETを出力段に使用するには幾つか気を付けることがあります。それは、
・発振防止のためゲートに抵抗を挿入する
・位相補正コンデンサの最適化を入念に行う
・ゲートの入力容量をドライブするためにエミッタフォロア-で駆動する
特に位相補正はFETの入力容量が信号の大きさで変わるために非常に難しく、ある所で妥協するほかありません。まあこういった詰めを入念に行った上でできた特性として紹介しますが、弊社のパワーアンプ基板にパワーFETを装着した際の歪率特性を通常のバイポーラートランジスタと比較するとこうなります。

バイポーラートランジスタ出力段のパワーアンプの歪率特性

パワーFET出力段のパワーアンプの歪率特性

下がFET出力段を使用した時の歪率特性ですが、バイポーラートランジスタを使用した標準のパワーアンプと比較して、ほとんど同じくらい低歪で、特に高域はバイポーラートランジスタより良くなっています。この結果はFETの２乗特性によって出力段の歪が低下するという原理が現れていて、理想的な特性に仕上がっていると言う事ができます。

＜バイポーラートランジスタとパワーFETの音質差＞
さてこの様な特性下で音質を比較したらどうなるでしょうか？

答えは「判別がつかない（位どちらも良い）」です。
FET出力段にすると特有の音質がするものと思っていましたが、実際にこの２つを比較試聴するとほとんど同じで、シャーシー間の差以下の音質差でした。

パワーアンプを設計した際、実は出力段のデバイスにパワーFETも接続できるように当初から設計していました。製品のパワーアンプに使用しているのはバイポーラートランジスタですが、あとで直ぐにFETアンプを出そうと思っていたのです。一般にFET出力段のアンプの方が低音域が力強い音が出るといわれており、私自身もこれまでの自作の経験ではそうでした。ところが実際にバイポーラーTrのパワーアンプの後にFETパワーアンプを入念に検討し比較してみたら、ほとんど音質差がありませんでした。ですのでFET出力段のパワーンプの販売は止めました。同じ音質なのに品種を増やしても混乱するだけですので。パワーアンプに関しては他にもいろいろ検討していますが、なかなか現状より大幅に向上するということがありません。

以上今回はパワーアンプ出力段のお話でした。

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弊社のパワーアンプの性能がいい事はスペックを見て頂ければわかると思いますが、なぜ良くなったかを一言で説明するのは難しい点もあります。アンプ回路は性能が出やすい回路構成とはいえ、従来からあるもので新規回路というほどのものではありません（もちろんいろいろと工夫はしている点は多々ありますが）。よくなった原因は従来は局所帰還で逃げていたものを、出力段からのトータルのNFBを高域まで安定にかけられる様にプリント基板を最適化した事です。これはいくら口で言ってもみなさんピンと来ないようで、説明した人に首を「うんうん」とうなずいてもらった記憶がありません。先日の引越しの際に古いパワーアンプの基板が出てきたので（貧乏性なので過去の基板が捨てられない）少しまとめてみました。以下の写真はパワーアンプ用のプリント基板で試作当初から現在の製品に至るまでの変遷を表しています。

思いつくままにポイントを列挙すると、

• 各プリント基板は動作させたあと位相補正の最適化、必要に応じてCRの定数変更、（バラック配線による）配線・回路変更等を各基板ごとに行っています。ですので各基板毎の限界特性を見ているといってもいいかと思います。
• 各最適化、調整時の完成度の指標としては、過度応答、歪率特性等を使用しています（この過程では試聴などはまったくあてになりません）。
• 出力段からのNFBをかける際には基板毎の限界があるのですが、その障害の原因を探り改善するという正攻法で改善しています。
• すべての基板を保存しているわけではないのでところどころ抜けています。
• 以下の写真を見てもそれだけでは何をどう変えてよくなったのかとういう詳細はわかりません。基板の設計思想はノウハウなので解説できませんが、証拠としてご覧いただいています。

ver.1

ver.2

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ver.4

ver.5

残念ながらあまり詳細に記述できないのですが、現プリント基板のバージョンは5世代目位です。さらにこの他にも当初はプリアンプ基板に電力出力段を増設したものを試したり、他のアンプ回路も試しているのでこれらがすべてという訳ではありません。これらの基板最適化だけでトータル1年以上費やし、もっとも労力を割くことになりました。その結果何がよくなったかといえば、MHｚ帯の高周波領域まで安定にNFBをかけられる様になったので、高域の歪率が減少しました。その推移を表したのが下図です。

　　　　　　　　　　　パワーアンプの１０KHｚの全高調波歪率特性（8Ω負荷）

現製品では10KHzの歪率特性が0.01％から0.001％レベルにまで低下しているのがわかります。この10KHｚの歪率特性はよくできたアンプよりも一桁低い値です。これだけ下げても１KHｚ以下の歪率と比較するとやや大きい値になっています。これ以上はA級動作にするか、より進んだ回路構成にする必要があると思います。ただ、このレベルになるともう十分で実際高域の歪が聞こえるというレベルではないと思います。

この10Khzの歪は最終段の電力増幅用のトランジスタによるスイッチング歪であることがわかっています（無負荷では0.0005%であるのに対し、8Ω負荷にすると一桁上昇しているので）。一方1Khz以下では8Ω負荷でも低歪なのに10Khzで歪率が上昇するのは高域では（NFBを安定にかけられないために）NFB量が減少しているからです。市販アンプの中には（というかほとんどが）A級アンプなのに歪率がこれよりも一桁以上多いものがあります。そういったアンプは本当にアンプの検討をしているのだろか？と首をかしげてしまいます。

これだけ低歪にすると歪なく音楽を楽しめるのかというと、実はそうは問屋が卸しません。低歪のアンプで音楽を聴くと、低歪に聞こえるのではなく、むしろ他の箇所の歪がよりはっきり聞こえるようになるのです。ほとんどの場合はソースの歪で、歪感の少ないCDは非常に良いのですが、CDによっては小さな歪まで聴き分けられてしまいます。例えて言うならば、ものすごい高解像のめがねをかけて非常によく見えるようになったとしても、異性がきれいに見えるわけではなく、しわや毛穴の汚れが見えるようになってかえって気になってしまうといったらニュアンスが伝わるでしょうか。もちろん、良い録音のソースを聴いたときのリアル感は絶品で、後戻りできるものではありません。

以上パワーアンプの基板について説明しました。