オーディオアンプについてのご質問です

【定本トランジスタ増幅回路の設計】を参考に利得10倍、電力：２Wの回路を設計した
設計した回路は仕様にほぼ達したが、いくつかの不明点がありましてお聞きしたいです

１．回路のAC解析すると、低周波のカットオフ周波数は40Hzとなり、高周波のカットオフ周波数は1MHz弱となります。設計時、カットオフ周波数が10Hzとして入力側のDCカット算出したが、なぜシミュレーションと大きなズレが生じたでしょうか。

入力側のDCカット計算方法：
回路の入力インピーダンスが2.5Kにしました。
交流時の入力インピーダンスはR1//R2の結果になります（Tr.の入力インピーダンスがhfe×Reが非常に大きいので、無視した）。
よって、回路の入力インピーダンスが2.5Kにしました。

DCカットと回路の入力インピーダンスはハイパスフィルターの構成となるので、
カットオフ周波数は10Hzの時、式C＝1/2πfcよりCが6.3uFとなる。
しかしながら、C１が10uFにしてもカットオフ周波数は40Hzとなる、なぜでしょうか。

２．高周波のカットオフ周波数は1MHz弱となりますが、オーディオアンプ回路においては高周波特性があまり良いので、逆に良くないだそうです。
参照書P107より、高周波の特性（200KHz以上）があまり良いとスピーカを壊す可能性があります。
なので、この回路は大丈夫ででようか。

３．上記の回路は10Hz時のTHD特性が2.1%となります。C1を100uに変更するとTHD特性が0.56%と良くなりました。
なぜC1の容量を大きくするとTHD特性が良くなるのかは分かりません…

失礼致しますが、上記の疑問を教えて頂ければ幸いです。

質問者からの補足コメント

• シミュレーションミス図を追記します。
  C1は１0uF　100uF時のTHD特性＠10Hz

  
    補足日時：2024/11/13 15:47

No.2 ベストアンサー 回答者： xs200 回答日時： 2024/11/08 15:02

1. 低域遮断周波数はR4とC2が支配的となります。

1/(2πR4C2)。
2. 高域は3 MHz以内にすればまず問題ありません。心配なら1 MHzまで落とすといいです。U1のCB間に20 pFでも入れれば落ちます。
3. そんなことはありえないでしょう。なにか間違えていませんか? そしてなぜカットされる周波数の10 Hz? シミュレーション上ですか? 実際に計測しましたか?

o なぜ初段に50 mAも流すのですか? 出力段をダーリントンにすれば数mAで十分です。電力のムダです。
o R3にかかる電圧とU1のVceの電圧がアンバランスなので出力振幅に偏りが出ます。
o シミュレーション時にはC5, C6は不要です。

この回答へのお礼

xs200 様
いつもお世話になります。
1.バイパスコンデンサーC２を設計する時、R５　C２セットでHPFでC２を計算しました。
　確かに低い周波数時R４　C２は支配的となります。これは意識しなかった…失礼しました。
　R４　R５　C２の組み合わせで回路をのカットオフ周波数を考えなければならないのが確かです。
　参考文献はこれについての記述が少ないため、”適当に”C２を入れたのが事実ですね…
　
2. 承知いたしました。
　U1のCB間に20 pFを入れるのはミラー効果を利用して高周波の利得を落とすでございますね。
3.小生もあり得ないと思っていますが、シミュレーション結果はそういうふうになってるようです…
　Tran　１SでC１は１０uF 100uF時のTHDがそれぞれ5.3% 1.8%となります。
　具体的な原因は分かりませんが、TTC004BのSPICEモデルでのIb Vce特性がデータシートと大きな違いがあるとの
　記事ががあります、これは原因なのか…
　
oおっしゃる通り、プッシュプル段はダーリントン接続するなら初段に50 mA流さなくてもいいです。
小生は手持ちにダーリントンTr.がない（買っていいですが…）、回路実装後の評価はシミュレーション結果と比べたいので
一応このままにしました。これからハイパワーパワーAMPを作製する予定なので、その時ダーリントン接続Trを使います。

o R3にかかる電圧とU1のVceの電圧がアンバランスとなって、最大出力になれないのは確かです。
R１　R2どれかスイープして、DCバイアスをど真ん中に調整することができます。
R1＝2.4Kの時DCバイアスがほぼ真ん中になているが、こと時のTHD特性が逆にやや悪くなった…
なので、あえてDCバイアスを少し偏ったです。

o回路実装時の回路図として使用するので、C5, C6を入れました。

お礼日時：2024/11/11 10:39

No.5 回答者： xs200 回答日時： 2024/11/13 15:10

全く同じ回路でシミュレーションしましたが電圧が大きく異なりました。

わたしのとTTC004Bのモデルが違うようです。

LTSPICEモデル(TTC004B, 2SA/2SC)は以下からダウンロードしました。
https://toshiba.semicon-storage.com/jp/semicondu …

[V]
U2のコレクタ: 17.0
U1のコレクタ: 15.6 (U2のベース: 16.2)
U1のベース: 1.32
U1のエミッタ: 0.67
R9, R10には無信号で150 mA流れています。これも設計値と異なるのでは?

hFEがばらついても影響がないようにベースブリーダ抵抗R2はIbの10倍以上になるように設計しますが、この回路ではなっていないのでモデルの違いでバイアスに大きな影響が出ています。

それとTHDを気にしていますがそれよりもSNRにいちばん関係する初段で大きな熱雑音が出ることです。TTC004Bはパワーアンプドライバ段用だとあるのでNFは低いでしょうがスペックに記載がありません。あとで取り換えるそうなので問題ないでしょうが。

あと、ケミコンは非線形のうえに雑音が発生します。なのであまりTHDを気にしてもしょうがないかと思います。

この回答へのお礼

xs200様
ご親切に回答して頂いて、ありがとうございます。
同じ回路まで検証して頂き、お手数を掛けましてすみませんでした。

小生も同じく東芝HPからSPICEモデルを使用しております。
確かに、xs200様は解析したDC特性と大きな違いがあります…
小生のDCバイアス特性は理論計算とほぼ同じになっているので、
すみませんは、xs200様はモデルを間違えたかと思いますが…

東芝HPからSPICEモデルを使う方法は2通りあります(xs200様はご存じてるかもしれないですが)
①SPICEデータとSPICEモデルを同時に使う必要がある。
もしSPICEデータだけ使って、モデルはLTspiceのモデルを使う場合は
②LTspiceのシンボルの設定変更が必要かと思います。
やり方は、シンボルにctrlを押しながら右クリックします。Prefix欄のQNをxに変更してOK
モデルの名前はSPICEデータと一致する必要もあります。
そうするとLTspiceのシンボルはSPICEファイルを正しく読めると思います。
お手数ですが、ご確認頂けますですか。

なぜ上記のことをやるのかは、小生も良く分かりませんが…調べたらその理由は出るでしょう。
LTspiceのバージョンと関係ないと思いますが、
小生は24.0.12を使用しております。
もし上記のことやっても同じ結果にならなかったら確かにおかしいです…

SNRの件、承知いたしました！ありがとうございます！！
それを意識しながら設計を進めます。
小生は興味でオーディオアンプ回路の設計を踏み出した、いろいろ愚問ばかりですみません…

お礼日時：2024/11/13 15:42

No.4 回答者： angkor_h 回答日時： 2024/11/11 17:41

No.3です。

> AM放送信号がケーブルとか経由で入り込むと
そこまで心配すると、
都市雑音や室内の家電製品が発生ずる雑音放射までが対象になります。
過剰な心配症、と言えるでしょう。

> 回路の寄生LCなどでの発振もありですね。
発振器を作っているわけではないので、
発振があればそれ(寄生LCでの正帰還の発生)が原因になります。

この回答へのお礼

angkor_h様
ご見解ありがとうございます。

そうですか、余計な心配でございますね。
承知いたしました！
発振のメカニズム理解できました、いろいろご教授頂き、ありがとうございます。

お礼日時：2024/11/11 17:49

No.3 回答者： angkor_h 回答日時： 2024/11/11 14:21

No.1です。

> AM周波数は…、それを注意しなければ
この回路はオーディオアンプなので、AM放送周波数は関係ないです。
高域での発振と言うのは、
浮遊する容量やインダクタンスによる共振域に利得を持っている、
そんな回路に生じやすい、耳に聞こえないので認知できない、
結果、オーディオ帯域にひずみが発生する、と言うものです。

この回答へのお礼

angkor_h様
ご教授頂き、ありがとうございます。

書き方が悪いで、少し誤解を招いたと思います。
この増幅回路は1MHzぐらい利得を持っているため、AM放送信号がケーブルとか経由で入り込むと増幅される恐れがあります。
可聴範囲外ですが、長時間に動作しますとスピーカを壊すか可能性があるではないかと考えています。
勿論、AM信号の波長は割長いですが、回路とスピーカ間のケーブが長めにするとAM信号を拾ってしまう心配があります。

仰った回路の寄生LCなどでの発振もありですね。
ご見解、ありがとうございます。

お礼日時：2024/11/11 16:33

No.1 回答者： angkor_h 回答日時： 2024/11/07 18:04

１．

> hfe×Reが非常に大きいので
Hfe=100であれば、hfe×Re=1200にしかなりません。
U1回路の入力インピーダンスが、思ったより低いのでしょう。
> C１が10uFにしてもカットオフ周波数は40Hzとなる
のは、そのせいです。

２．
ハイレゾ音源は、可聴域外までをあえて含んでいますが、
高くても100kHzぐらいまでなので、それ以上の伸びは無駄と言えます。
なお、広帯域増幅器では、気が付かない高域での発振が起きたりします。
ご注意ください。

３．
U1のAC動作電流が増えるので、
歪分が相対的に減った、と言う結果だと思います。

この回答へのお礼

angkor_h様
ご見解頂き、ありがとうございます。

Tr.の入力インピーダンスが高く予想されて、間違いました…
確かに、この回路は高周波まで利得を持っているので、発振を注意しなければならないですね。AM周波数はちょうどこの回路の増幅範囲内となのるので、
それを注意しなければならないです。

お礼日時：2024/11/11 10:48