エレクトロニクス分野では、アンプは最も一般的に使用されている回路デバイスであり、アプリケーションの可能性が非常に高くなっています。オーディオ関連の電子機器では、プリアンプとパワーアンプは、サウンド増幅関連の目的で使用される2つの異なるタイプのアンプシステムです。しかし、このアプリケーション固有の目的以外に、主にパワーアンプでは、さまざまなタイプのアンプに大きな違いがあります。そこで、ここでは、さまざまなクラスのアンプとその長所と短所について説明します。
文字を使用したアンプの分類
アンプクラスは、アンプの性能と特性のアイデンティティです。パワーアンプの種類が異なれば、電流を流すときに応答も異なります。仕様に応じて、アンプにはクラスを表すさまざまな文字またはアルファベットが割り当てられます。A、B、C、AB、D、E、F、Tなどから始まるさまざまなクラスのアンプがあります。これらのクラスのうち、最も一般的に使用されるオーディオアンプクラスはA、B、AB、Cです。他のクラスは、スイッチングトポロジとPWM（パルス幅変調）技術を使用して出力負荷を駆動する最新のアンプです。クラスGアンプがクラスBまたはクラスABアンプの修正されたアンプクラスであるように、従来のクラスの改良版には、それらを異なるクラスのアンプとして分類するための文字が割り当てられることがあります。
アンプのクラスは、電流がアンプを通過するときの入力サイクルの比例を表します。入力サイクルは、増幅器入力の正弦波伝導から導出される伝導角です。この導通角は、フルサイクル中の 時間通り のアンプ に 大きく比例します。サイクル中にアンプが常にオンの場合、導通角は360度になります。したがって、増幅器が360度の導通角を提供する場合、増幅器は完全な入力信号を使用し、アクティブエレメントは完全な正弦波サイクルの100％の期間にわたって伝導されます。
以下では、クラスA、B、AB、Cに及ぶ従来のパワーアンプクラスと、スイッチング設計で広く使用されているクラスDアンプについて説明します。これらのクラスは、パワーアンプだけでなく、オーディオアンプ回路でも使用されます。
クラスAアンプ
クラスAアンプは、直線性の高い高ゲインアンプです。クラスAアンプの場合、導通角は360度です。上で述べたように、360度の導通角は、増幅器デバイスが常にアクティブであり、完全な入力信号を使用することを意味します。下の画像には、理想的なクラスAアンプが示されています。
画像でわかるように、1つのアクティブな要素であるトランジスタがあります。トランジスタのバイアスは常にオンのままです。この決してオフにならない機能により、クラスAアンプはより優れた高周波およびフィードバックループの安定性を提供します。これらの利点の他に、クラスAアンプは、単一デバイスのコンポーネントと最小限の部品数で簡単に構築できます。
利点と高い直線性にもかかわらず、確かに、多くの制限があります。連続導通の性質により、クラスAアンプは高い電力損失をもたらします。また、直線性が高いため、クラスAアンプは歪みとノイズを提供します。電源とバイアス構造は、不要なノイズを回避し、歪みを最小限に抑えるために、慎重なコンポーネントの選択が必要です。
クラスAアンプは電力損失が大きいため、熱を放出し、より高いヒートシンクスペースを必要とします。クラスAアンプの効率は非常に低く、理論的には、通常の構成で使用した場合、効率は25〜30％の間で変動します。効率は誘導結合構成を使用して改善できますが、そのような場合の効率は45〜50％以下であるため、低信号または低電力レベルの増幅目的にのみ適しています。
クラスBアンプ
クラスBアンプは、クラスAとは少し異なります。これは、実際のサイクルの半分、つまりサイクルの180度を実行する2つのアクティブデバイスを使用して作成されます。2つのデバイスが、負荷に結合された電流ドライブを提供します。
上の画像では、理想的なクラスBアンプ構成が示されています。これは、正弦波の正と負の半サイクル中に1つずつバイアスされる2つのアクティブなデバイスで構成されているため、信号は正と負の両方の側から増幅レベルにプッシュまたはプルされ、出力全体で完全なサイクルが得られます。 。各デバイスの電源がオンになるか、サイクルの半分でアクティブになります。これにより、クラスAアンプの25〜30％の効率と比較して効率が向上し、理論的には60％を超える効率が得られます。下の画像に、各デバイスの入力信号と出力信号のグラフを示します。クラスBアンプの効率は78％以下です。このクラスでは熱放散が最小限に抑えられ、ヒートシンクスペースが低くなっています。
ただし、このクラスにも制限があります。このクラスの非常に重大な制限は、クロスオーバー歪みです。2つのデバイスが、出力全体で結合および結合される正弦波の各半分を提供するため、2つの半分が結合される領域に不一致（クロスオーバー）があります。これは、一方のデバイスが半サイクルを完了すると、もう一方のデバイスがジョブを終了するのとほぼ同時に同じ電力を供給する必要があるためです。アクティブデバイスの間、他のデバイスは完全に非アクティブのままであるため、クラスAアンプでこのエラーを修正することは困難です。このエラーにより、出力信号に歪みが生じます。この制限のため、高精度オーディオアンプアプリケーションにとっては大きな失敗です。
クラスABアンプ
クロスオーバー歪みを克服するための代替アプローチは、ABアンプを使用することです。クラスABアンプは、クラスAとクラスBの両方の中間導通角を使用するため、このABクラスのアンプトポロジでクラスAとクラスBの両方のアンプの特性を確認できます。クラスBと同じで、2つのアクティブなデバイスが同じ構成で、サイクルの半分の間に個別に導通しますが、各デバイスのバイアスが異なるため、使用できない瞬間（クロスオーバーの瞬間）に完全にオフになることはありません。各デバイスは、正弦波形の半分が完了した直後に導通を離れることはなく、代わりに、別の半サイクルで少量の入力を導通します。このバイアス技術を使用すると、デッドゾーン中のクロスオーバーの不一致が劇的に減少します。
ただし、この構成では、デバイスの直線性が損なわれるため、効率が低下します。効率は通常のクラスAアンプの効率よりも高いままですが、クラスBアンプシステムよりは低くなります。また、ダイオードはまったく同じ定格で慎重に選択する必要があり、出力デバイスのできるだけ近くに配置する必要があります。一部の回路構造では、設計者は小さな値の抵抗を追加してデバイス全体に安定した静止電流を供給し、出力全体の歪みを最小限に抑える傾向があります。
クラスCアンプ
クラスA、B、およびABアンプとは別に、別のアンプクラスCがあります。これは、他のアンプクラスとは動作が異なる従来のアンプです。クラスCアンプは、チューンドアンプとアンチューンドの2つの異なる動作モードで動作するチューンドアンプです。クラスCアンプの効率は、A、B、およびABよりもはるかに優れています。無線周波数関連の操作で最大80％の効率を達成できます
クラスCアンプは180度未満の導通角を使用します。アンチューンモードでは、アンプ構成からチューナーセクションが省略されます。この動作では、クラスCアンプも出力全体に大きな歪みを与えます。
回路が調整された負荷にさらされると、回路は出力バイアスレベルを供給電圧に等しい平均出力電圧でクランプします。調整された操作はクランパーと呼ばれます。この動作中、信号は適切な形状になり、中心周波数の歪みが少なくなります。
通常の使用では、クラスCアンプは60〜70％の効率を提供します。
クラスDアンプ
クラスDアンプは、パルス幅変調またはPWMを使用するスイッチングアンプです。直接入力信号が可変パルス幅で変化する場合、導通角は要因ではありません。
このクラスDアンプシステムでは、線形ゲインは、オンまたはオフの2つの操作しかない一般的なスイッチと同じように機能するため受け入れられません。
入力信号を処理する前に、アナログ信号はさまざまな変調技術によってパルスストリームに変換され、増幅器システムに適用されます。パルス幅はアナログ信号に関連しているため、出力全体にローパスフィルターを使用して再構築されます。
クラスDアンプは、 A、B、AB、CおよびDセグメントで最も電力効率の高いアンプクラスです。熱放散が小さいため、必要なヒートシンクは小さくなります。この回路には、オン抵抗が低いMOSFETなどのさまざまなスイッチングコンポーネントが必要です。
これは、デジタルオーディオプレーヤーやモーターの制御でも広く使用されているトポロジです。ただし、これはデジタルコンバータではないことに注意してください。ただし、高周波の場合、クラスDアンプは、ローパスフィルターとコンバーターモジュールの機能に応じて帯域幅に制限がある場合があるため、完全な選択ではありません。
その他のアンプクラス
従来のアンプ以外に、クラスE、クラスF、クラスG、およびHのクラスがいくつかあります。
クラスEアンプは、スイッチングトポロジを使用し、無線周波数で動作する高効率のパワーアンプです。単極スイッチング素子と調整されたリアクティブネットワークは、クラスEアンプで使用する主要コンポーネントです。
クラスFは、高調波に関して高インピーダンスのアンプです。方形波または正弦波を使用して駆動できます。正弦波入力の場合、この増幅器はインダクタを使用して調整でき、ゲインを上げるために使用できます。
クラスGは、レールスイッチングを使用して、消費電力を削減し、効率性能を向上させます。また、クラスHは、クラスGのさらに改良されたバージョンです。
追加のクラスは専用アンプです。場合によっては、文字は独自のデザインを示すためにメーカーから提供されます。最良の例の1つは、特許取得済みの設計であるTripathの増幅器技術に使用される特殊なタイプのスイッチングクラスD増幅器の商標であるクラスT増幅器です。