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zoom RSS 標準CMOSロジックIC・4069を使ったデジタルアンプの実験(1)

<<   作成日時 : 2014/01/20 02:07   >>

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デジタルICのインバータ(NOT回路)を使ったリニア(アナログ)アンプが
よく知られていますが、今回はデジタル(D級)アンプの実験です。

■ 方針


雑誌に掲載された自励発振型PWM波発生回路[1]の
オペアンプをCMOSインバータに置き換えてみたものです。

ヘッドホン端子から入力して、8Ωのスピーカーシステムを鳴らす前提で、
電圧増幅率は小さく、ほぼ電流増幅に近い回路です。
電圧増幅が必要なら、前段にプリアンプを入れればすむことですので。

静かな部屋で適当な音量で音楽を聞ける程度の出力が目標です。
(具体的には数十mA程度)

外来ノイズに強くなるよう、帰還抵抗の値を小さめにとりました。

電流増幅にはMOSFETを使うのが現代的ですが、
手元に品がほとんど無く、使った経験もないため、
今回はバイポーラトランジスタを使いました。

トランジスタでの損失に余裕をみて、
TO−92形の2SA1015などより背の高い、
TO−92L形の2SB739−C(日立→ルネサス)にしました。

■ 実験回路1



―●―                         ―●― VCC
 ↓                      Tr1  │  約5V
 14                2SB739−C  │
       ヘッドホン                /
 ○ ←入力 端子より   13│\ 12     │▲
 │           +―○│ >―――WWW―│
 │           │  │/        │\
――― C1       |       R5     \
/// 1μ       │       10k     │
―――          │               ○
 │ +         │            出力
 そ           │       8Ωスピーカー ○
 そ R1        │               │
 そ 10k       │              ―――
 │           │              ///
 │           │
 ●――――WWW――――●――――――――――――――――――+
 │                              │
 │  R4 33k                      │
 │                   R3 33k     │
 |  │ │C2 100p                  │
 ●――│ │―――+     +――――――WWW――――――●
 |  │ │   | R2  |               |
 |        | 10k |               |
 | 1│\  2 |     | 3│\ 4  5│\  6 |
 +――│ >○――●―WWW―●―○│ >――――│ >○――+
    │/             │/     │/    
  7
 ↑   IC1 4069UB(6回路入りインバーター)
―――
///


■ 結果と考察


ローパスフィルタ


本来はトランジスタとスピーカーの間にローパスフィルタを入れるのですが、
聴感上変化がないので省略しました。
ラジオにノイズが入るかもしれませんが、実験していません。

発振周波数


分周回路で間接的に測定したところ、数十kHzでした。
発振周波数はC2の値で変えることができます。
できれば200kHz以上が理想と言われていますが[1]、
C2を小さくしても違いはわかりませんでした。

面白いことに、C2をはずしてもオーディオアンプとしては同じように動作します。
オーディオ耳装備ではないので、ひずみやノイズはよくわかりませんが…。

電力効率


デジタルアンプは本来、高い効率が特徴ですが、
この回路の電力効率は非常に低くなっています。

測定例 VCC=4.39V ICC=45mA(平均全電流)

それは出力が小さく、スピーカーのインピーダンスも低いためで、
例えばスピーカーの電流を40mAとすると両端電圧は0.32Vとなり、
残りはトランジスタで損失となってしまうのです。

しかも、無音時でも最大出力とほぼ同じ電力を消費します。
次回は、この点を少し改善する予定です。

電源電圧


電源電圧を下げると電力効率は改善しますが、音が割れやすくなります。
CMOS回路側で入力オーバーになっていると思われます。

■ 他方式との比較


4069リニアアンプ


回路が簡単で、微小入力に対して大きな増幅率がとれます。
インバータ1個で1段の増幅ができるため、
IC1個でたとえば2段増幅+4並列バッファ出力とすることができ、
出力電流も少し大きくなります。

NJM4580オペアンプ


出力トランジスタがなくても簡単な回路で十分な音量が出ます。

本回路


ということで、あえて本回路を使うメリットはほとんどないので、
デジタルアンプの「実験」としておきます。

とはいえ電源を用意できれば、効率が悪く音量調節もできないものの、
実際に使うことも可能ではあります。

■ 参考文献


[1]高効率パワー・アンプの作り方 渡辺明禎 トランジスタ技術2008年3月号 CQ出版社

2014-01-26 実験回路1(回路図)でC1の極性が逆だったので修正。
2014-01-26 リンクを修正。
2014-02-09 トランジスタの外形をTO−92L形に修正。リンクを追加。

… 標準CMOSロジックIC・4069を使ったデジタルアンプの実験 …


 [1] [2] [3]

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