トランジスタギターアンプの出力段はどうなってるの？

　トランジスタのギターアンプの出力段はどうなっているんでしょう？
最近は出力段にＩＣを使っているものが多いようです。まず、出力段用ＩＣの一例としてマーシャルのトランジスタアンプＭＧ１００ＤＦＸ、ＡＶＴ１５０で使われているＳＴマイクロエレクトロニクス社製ＴＤＡ７２９３に付いて説明します。次に実際にギターアンプで使われているＴＤＡ７２９３の周辺回路について簡単に触れます。最後に、大きな出力を持つＩＣの特徴のひとつであるブートストラップについて説明します。

　ＴＤＡ７２９３の仕様書はＳＴマイクロエレクトロにクス社のホームページで入手できます。仕様書からの無断転載は出来ないことになっていますので、仕様書をダウンロードして本ページと併せてご覧ください。また実際に使う方はこちらの仕様書に記載された内容を見ていただけるようお願いいたします。仕様書の入手先は下に記載します。

www.st.com/ja/audio-ics/tda7293.html

ＴＤＡ７２９３ってどんなIC？

　まず仕様書から特徴を抜粋しました。
・ＢＣＤ（バイポーラ・ＣＭＯＳ・ＤＭＯＳの三種類をひとつのチップ上に集積する）プロセステクノロジー
・高出力電力（１００Ｗ　８Ω　＠　ＴＨＤ＝１０％　Ｖｓ＝±４０Ｖ）
・ミュートとスタンバイの機能
・出力短絡保護
・サーマルシャットダウン（内部が高温になるとシャットダウンする機能）
　ブロックダイアグラムは仕様書のＦｉｇｕｒｅ １．に載っています。ただ初心者の方には分かりずらいと思い図１に作り直してみましたので見比べてみてください。本ＩＣは保護回路などが付いた大きなオペアンプだとみてもらえれば良いと思います。
　なお、ギターアンプに限らずトランジスタのアンプといえばオペアンプの理解が必須となります。オペアンプの動作に付いてはネット上に親切な方の説明が沢山ありますのでそちらをご覧ください。もし「動作がしっくりこない」という方は、イマジナリーショートに付いて調べてみてください。きっと回路図を見ただけでその動作がイメージ出来るようになります。

図１　　ブロックダイヤグラム

　図１（仕様書Ｆｉｇｕｒｅ １）の周辺部品について説明します。実際のところ設計者でなければ正確には分からないのですが推測して書いてみます。まず、オペアンプはその接続から非反転アンプ回路であることが分かります。ゲインは２２Ｋ／６８０Ω＝３２．４倍＝３０．２ｄＢになります。この値はＴａｂｌｅ ４のＧｖ（Ｔｙｐ.）にほぼ等しいことからも、本ＩＣは３０ｄＢに設定して使うように最適化されていると思われます。ゲインの最小値Ｇｖｍｉｎ＞２６ｄＢの記載があることに注意してください。ゲインを小さくすると帯域幅は伸びますが位相余裕が減少します。２２Ｋと６６０Ωに付いては仕様書の推奨値（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ）と同じ値になっています。 Ｒ３を２２Ｋにしているのは、入力オフセット電流（Ｔａｂｌｅ ４のＩｏｓ）Ｘ２２Ｋを入力オフセット電圧１０ｍＶ（Ｔａｂｌｅ ４のＶｏｓ）より小さくするためです。もう一つの理由は、Ｎｏｉｓｅ（熱雑音＝√（４ｋＴＲ⊿ｆ）＝２．７ｕＶ）を内部のトータルノイズＴｙｐ３ｕＶ（Ｔａｂｅｌ ４のｅＮ）より小さくするためです。 ６６０Ωは２２Ｋを１/Ｇａｉｎした値です。Ｃ２は入力オフセット電圧がゲイン倍されることを防ぐ目的で入れられています。＋側端子は２２ＫΩの抵抗でバイアスされ、カップリングコンデンサＣ１を通して信号が入力されます。Ｒ１の２２Ｋは入力電流（Ｔａｂｌｅ ４のＩｂ）によるオフセットをキャンセルさせるために帰還抵抗Ｒ３の値と合わせています。入力インピーダンスは２２Ｋとなり問題ない値になりました。先のＣ２の値は、Ｃ１とＲ１によるハイパスフィルターのカットオフ周波数と同等以下になるように選ばれていると思われます。
　ＭＵＴＥ端子とＳＴＢＹ端子に付けられたコンデンサと抵抗は時間差を付けるためにそれぞれ異なる値となっています。ＭＵＴＥの立ち上がりと立下りが共にＳＴＢＹの内側に入るようにするには仕様書のＦｉｇｕｒｅ ６の外付けが推奨されています。
　電源端子は＋側に＋Ｖｓ端子と＋ＰＷＶｓ端子を、－側は－Ｖｓ端子と－ＰＷＶｓ端子を用います。大きさの異なる二つのコンデンサが使われている（図１では略）のは、大きなコンデンサ（例えば電解コンデンサ）は周波数特性があまりよくないためです。小さな値のコンデンサ（例えばセラミックコンデンサ）を並列に入れて周波数特性を改善します。回路図上のＧＮＤ記号は±電源の中間値である０Ｖを指します。ちなみに電源の±４０Ｖは私が書き入れました。
　出力の大きさを計算してみましょう。出力の振幅は最大で＋側が４０Ｖ、－側が－４０Ｖです。この大きさの正弦波を８０Ｖｐｐ（８０ボルト ピーク　トｩ　ピーク）といいます。電力は実効値で計算しますので　８０Ｖｐｐ /２ / √２になります。また、電力は電圧 Ｘ 電流 ＝ 電圧 Ｘ （電圧 / 抵抗値）ですから
（８０/２/√２） Ｘ （ （８０/２/√２） / ８Ω ）　＝ １００Ｗ　になります。つまり８Ωのスピーカーで１００Ｗを出すには少なくとも±４０Ｖの電源が必要であることが分かります。ただし、１００Ｗ出力時の歪率は比較的大きな値の１０％である事に注意願います（Ｆｉｇｕｒｅ １５を参照願います）。
　６Ｐｉｎ：１２Ｐｉｎ間にはブートストラップ用のコンデンサが接続されています。ブートストラップに付いては後半で説明します。

実際のアンプで使われている回路は？

　実際のＡＶＴ１５０で使われている回路は著作権の件もあり、ここには載せていません。少しだけ文章で書かせてもらいます。基本的な考え方は先の仕様書上にある回路と同じです。一番大きな違いは、フィードバックループ（Ｒ３が接続されている部分）に工夫がこらされていることです。例えばマーシャルアンプで特徴的なＰＲＥＳＥＮＣＥの調整は、真空管アンプと同様にフィードバックの特性を可変することで実現しています。ギターアンプはオーディオアンプと異なりギターの音を作り出します。ギターらしい音が出せるように出力段の回路も研究されています。それはメーカーの音作りが現れている重要な部分のひとつでもあります。

ブートストラップってなに？

　終わりにブートストラップに付いて説明しておきます。
ブートストラップがなぜ必要か、その意味を含めて説明します。図２は出力段の構成について簡単に説明したものです。
　図２－１は上側にＰ－Ｃｈ（Ｐ－チャンネルＤＭＯＳトランジスタ）を下側にＮ－Ｃｈ（Ｎ－チャンネルＤＭＯＳトランジスタ）を用いたものです。図２－１のＡではそれぞれのゲート電圧ＶＰＧとＶＮＧが下がりＰ－ＣｈはＯＮに、Ｎ－ＣｈはＯＦＦになり、結果　出力電圧ＯＵＴは上昇します。一方図２－１のＢではＡとは逆に出力が下降する状態を示しました。これらの図は簡易的に表したもので、入力が最大電圧と最小電圧の間を変化する過程では出力はアナログ的に遷移することとします。ところで、Ｐ－ＣｈとＮ－Ｃｈの能力を合わせようとすると、移動度の違いからＰ－Ｃｈの大きさはＮ－Ｃｈの大きさの２～３倍にする必要があります。この時のチップの様子を図３－１に示しました。少し空いている部分は、そのほかの回路部分を示します。もし、上側のＤＭＯＳトランジスタもＮ－Ｃｈを使えたなら図３－２の様にチップサイズを小さく、リーズナブルな値段でユーザーに提供出来るようになります。また、この差はチップの中で出力トランジスタの面積の占める割合が大きくなるほど顕著になることが想像できると思います。
では戻って図２ー２をご覧ください。上下ともＮ－Ｃｈを使った場合の接続図です。Ａは出力を上昇させる場合の、Ｂは出力を下降させる場合の接続を示しました。ここで図２－２のＡに着目してみましょう。上側のＮ－ＣｈをＯＮさせ出力電圧をあげていますが、上側のＮ－Ｃｈのゲート：ソース間電圧が残ります。つまり出力は電源電圧（ＶＤＤ）まで上げることが出来ません。この分だけ出力電力を失うことになります。そこで考えられたのが、図２ー３の様に出力を上昇させるとき、上側のＮ－Ｃｈのゲート電圧を電源以上に押し上げてしまおうとするものです。この仕組みをブートストラップといい、コンデンサを用いて実現しています。

ブートストラップと出力段構成

出力段構成とチップイメージ

　それではブートストラップの回路例を見てみましょう。
ほぼ同等のＩＣであるＴＤＡ７２９４の仕様書に分かりやすい図がありましたので、こちらを参考にして説明させてもらいます。下の場所から仕様書を入手してください。

www.st.com/content/st_com/ja/products/audio-ics/audio-amplifiers/class-ab-audio-power-amplifiers/tda7294.html

　仕様書のＦｉｇｕｒｅ ３． Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍを参照願います。詳細はこちらの図を見ていただくとして、説明のためＩＮＰＵＴ ＳＴＡＧＥとＳＨＯＲＴ　ＣＩＲＣＵＩＴ　ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ、それに位相補正用コンデンサを除いた回路を図４のＢに載せました。図４のＡはさらにブートストラップの回路を除いたものです。図４のＡは出力段の動作と電流設定について説明したものです。内部のオペアンプの＋端子：－端子間電圧はイマジナリーショートにより０Ｖとなります。結果Ｖｇｓ１＝Ｖｇｓ２となります。Ｍ１はゲートとドレインがショートされた状態で定電流源により一定の電流Ｉｄｓ１が流れています。説明のためにこのＩｄｓ１を１００ｕＡとします。Ｍ２のゲート：ソース間電圧はＭ１と等しいため、Ｍ２のサイズが同じ場合はドレイン電流Ｉｄｓ２はＭ１と同じ値になります。もしＭ２のサイズがＭ１の１００倍であれば、Ｍ２のドレイン電流Ｉｄｓ２は１０ｍＡとなります。ＩＮ電圧が上昇するとＩｄｓ２を１０ｍＡに保ったままＭ３のドレイン電圧Ｖｄ３（＝出力電圧ＯＵＴ）が下降します。逆にＩＮ電圧が下降すればＩｄｓ２を１０ｍＡに保ったままＶｄ３（＝出力電圧ＯＵＴ）は上昇します。これはＡＢ級で動作することを表しています。

図４　ブートストラップ回路例

　図４のＢはブートストラップを説明するためのものです。外付け抵抗により帰還（この回路中にはありません。図１ではＲ３で示されます）が構成されると出力電圧ＯＵＴは無信号時に０Ｖに設定されます。この時、コンデンサの上側のＢＯＯＴＳＴＲＡＰ端子電圧はツェナーダイオード電圧からＮＰＮトランジスタのベース：エミッタ間電圧（＝ダイオードの順方向電圧０．７Ｖ）を引いた値１９．３Ｖになります。ツェナーダイオードの電圧は仮に２０Ｖとしました。ＩＮ電圧が下降すると、出力電圧ＶＯＵＴは電源電圧４０Ｖ－１９．３Ｖ＝２０．７Ｖまで上昇を続けます。この時コンデンサの上端ＢＯＯＴＳＴＲＡＰ端子は電源電圧と同じ４０Ｖになっています。さらにＩＮ電圧が下降し出力ＶＯＵＴが上昇すると、コンデンサの両端の電圧は維持されるためＢＯＯＴＳＴＲＡＰ端子は電源電圧を超え、電源の代わりとして動作を始めます。電流源Ⅰ１も動作を続け、Ｍ２のゲート電圧も上昇を続けます。結果出力ＶＯＵＴが４０Ｖまで上昇します。ＮＰＮトランジスタのエミッタはベースよりも高い電圧になりますが、ダイオードでいうところの逆接続（Ｎの電圧がＰの電圧よりも高くなる）になりトランジスタには電流は流れません。電流源Ｉ１は変わらず１００ｕＡが流れＡＢ級動作が維持されます。この電流はブートストラップ用として外付けされたコンデンサから供給されるため、コンデンサの容量をある程度大きくしておく必要があります。ブートストラップはこのようにし動作し、Ｎ－Ｃｈ　ＤＭＯＳでも出力電圧を電源電圧まで出すことを可能にしています。なお、２０Ｖのツェナーンダイオードを使っているのは、定格の６０Ｖを超えないようにするためです。
　以上、出力段のＩＣの動作について説明しました。如何でしたでしょうか。

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