A級増幅回路(A級アンプ)の動作原理

A級アンプ

A級増幅回路とは、オペアンプなどの増幅回路に使われる出力段回路の1つの形式で、入力に対し出力がリニアに変化します。
歪が少ない出力が得られますが、効率が悪いため発熱が大きくなるというデメリットがあります。
この方式を使ったオーディオアンプは、A級アンプ、クラスAアンプと呼ばれます。

A級、B級、C級、D級アンプの違い

A級増幅回路の回路図

A級増幅回路は、エミッタフォロワ、またはエミッタ接地型が基本となります。

エミッタフォロワタイプのA級増幅回路

A級増幅回路(エミッタフォロワ)

コレクタ接地(エミッタフォロワ)回路の特徴と使い方

エミッタ接地タイプのA級増幅回路

A級増幅回路(エミッタ接地)

エミッタ接地回路の特徴と使い方

A級増幅回路の動作原理

A級増幅回路では、定電流源による電流:Iccが常に流れている状態です。
トランジスタ側でエミッタ電流:Ieを調整することで、負荷側に必要な電流を供給します。

A級増幅回路(A級アンプ)の動作

Iccが常に流れているため消費電流が大きくなり、損失も大きくなります。
これがA級アンプの効率が悪いと言われる理由です。

1つのトランジスタで制御するため切り替わりによる歪がなく、入力波形に対し出力波形の歪がありません。
A級アンプは音がいいと言われるのはこれが理由です。

A級アンプの入出力波形

A級増幅回路の入出力波形

バイアスと動作点

エミッタ接地型の場合は、入力のバイアス電圧と出力の動作点を考える必要があります。

まず、トランジスタのVBE-IC特性を確認します。

VBE-IC特性

直線性の高い範囲で使うことで歪が少なくなります。
今回は、VBE=0.82Vをバイアス電圧とします。

次に動作点を決めます。
電源電圧を5Vとすると、中点を動作点とすると最も大きな振幅を取れます。

VBE-IC特性より、VBE=0.82V時のコレクタ電流は0.241Aなので、コレクタ抵抗を10Ωとすると、動作点は、5V – 0.241 × 10 = 2.59Vとなり、ほぼ中点の電圧となります。

A級増幅回路

上記回路図でシミュレーションを行った結果です。

A級増幅回路動作波形

A級増幅回路の効率

A級増幅回路の効率は最大50%となります。

エミッタ接地回路で、動作点を電源:VCCの1/2として考えます。

A級増幅回路の動作

DCの入力電力は、
A級アンプの効率計算

コレクタ電圧:Vcの実効値は、
A級アンプの効率計算

コレクタ電流:Icの実効値は、
A級アンプの効率計算

よって、ACの消費電力は、
A級アンプの効率計算

以上より効率:ηは、
A級アンプの効率計算

となり、効率が50%であることが分かります。
これは理想条件であり、実際にはトランジスタの飽和電圧によるロスなどもあるため、効率は50%以下となります。

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